專利名稱：一種地面模擬宇宙粒子輻射育種方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用模擬空間環(huán)境影響植物的生物遺傳效應(yīng)的方法，具體涉及一種地面模擬宇宙粒子輻射育種方法。
背景技術(shù)：
進(jìn)行空間技術(shù)育種實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得可喜進(jìn)展。例如利用返回式衛(wèi)星搭載植物種子，已育成了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的水稻、小麥、芝麻、青椒、番茄等作物新品種、新品系，并從中獲得一些特異突變新材料、新種質(zhì)?？臻g誘變技術(shù)育種具有變異幅度較大、有益變異增多，有利于加速育種進(jìn)程和改進(jìn)品質(zhì)等特點(diǎn)，是一個(gè)頗具發(fā)展前景的育種新途徑(劉錄祥等作物空間誘變效應(yīng)及其地面模擬研究進(jìn)展，核農(nóng)學(xué)報(bào)，2004，18(4)247-251)。
盡管太空環(huán)境因素協(xié)同誘變具有顯著的特點(diǎn)和效應(yīng)，但由于太空實(shí)驗(yàn)投資大，技術(shù)要求高，實(shí)驗(yàn)機(jī)會也十分有限，因此，有必要進(jìn)行地面模擬太空環(huán)境因素的試驗(yàn)研究，這有利于揭示太空誘變機(jī)理，開展育種研究。
宇宙線輻射是空間環(huán)境誘變種子的重要因素之一。國內(nèi)外在高能單粒子生物效應(yīng)研究方面已有大量文獻(xiàn)積累(楊垂緒，梅曼彤太空放射生物學(xué)，中山大學(xué)出版社，1995)，但尚未報(bào)道過混合粒子場的生物效應(yīng)及其育種應(yīng)用研究。由于宇宙線是由多種高能、高LET粒子組成的混合場，單粒子效應(yīng)難以真實(shí)反映宇宙線輻射的實(shí)際效應(yīng)。因此，開展混合粒子場誘變農(nóng)作物的生物效應(yīng)試驗(yàn)，對于探索空間環(huán)境誘變機(jī)理、提高空間育種效率和開辟育種新途徑具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在地面模擬宇宙粒子進(jìn)行太空輻射生物效應(yīng)研究，為開展地面模擬空間環(huán)境誘變育種，進(jìn)行品種改良提供一種新方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是利用混合粒子場模擬空間環(huán)境處理植物種子和離體培養(yǎng)物。
具體操作方法是將待處理的植物種子或離體培養(yǎng)物置于地面模擬的高能混合粒子輻射場環(huán)境進(jìn)行處理，然后進(jìn)行種植篩選或培養(yǎng)。
所述植物包括糧食作物(如小麥、大麥、水稻、玉米)、蔬菜、牧草(紫花苜蓿和草坪草)和花卉等。
所述離體培養(yǎng)物包括花藥、幼胚及其愈傷組織等。
所述高能混合粒子輻射場環(huán)境是指由地面直線加速器引出的能量為1.1～1.5Gev的電子束轟擊金屬靶產(chǎn)生的混合粒子場，包括派介子、謬子、正、負(fù)電子、質(zhì)子、中子和伽馬。
根據(jù)植物種類或組織的不同，所使用的高能混合粒子場的劑量范圍也不同。植物種子所用的劑量范圍在100～500Gy。如小麥、大麥、水稻和玉米等糧食作物的適宜劑量范圍為200～300Gy；番茄、青椒、黃瓜、牧草、花卉等作物的適宜劑量范圍為150～200Gy；離體培養(yǎng)物的適宜劑量范圍為15～20Gy。
本發(fā)明采用不同基因型的植物種子及離體狀態(tài)脫分化過程中的植物組織等為材料，經(jīng)不同劑量的模擬空間混合粒子場處理，實(shí)驗(yàn)室分析和大田種植試驗(yàn)相結(jié)合，通過世代跟蹤和對比分析方法，揭示模擬空間環(huán)境處理植物的生物遺傳效應(yīng)。
本發(fā)明為評價(jià)空間環(huán)境生物效應(yīng)要素中宇宙線輻射的重要性和探索地面模擬空間環(huán)境誘變育種新途徑提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為開拓植物誘變育種提供了新方法。


圖1～4展示了不同的粒子數(shù)目隨輻照動量變化的數(shù)量關(guān)系。圖中A正電子；B派介子；C質(zhì)子；D負(fù)電子；圖5是混合粒子場靶室不同照射角度粒子劑量刻度分布圖。圖中No.1輻照24h；No.2輻照48h；
具體實(shí)施例方式實(shí)施例11 材料和方法1.1 供試材料小麥品種SP8724和D6-3。
1.2 試驗(yàn)方法利用北京正負(fù)電子對撞機(jī)(簡稱BEPC)上運(yùn)行的直線加速器引出的1.5Gev的高能電子束打固定(碳)靶，產(chǎn)生次級粒子束，組成高能混合粒子場，模擬高空(中層大氣層)宇宙線輻射。輻照靶室放在距離固定靶2m遠(yuǎn)的弧線上，不同位點(diǎn)(以角度表示)的輻照劑量用硫酸亞鐵劑量計(jì)刻度。小麥品種SP8724和D6-3風(fēng)干種子各300粒，在室溫下經(jīng)185Gy高能混合粒子場處理，并以185Gy的60Coγ射線與未經(jīng)處理的種子為對照，在21℃恒溫條件下做室內(nèi)發(fā)芽試驗(yàn)，每一處理100粒，三次重復(fù)。調(diào)查統(tǒng)計(jì)萌發(fā)勢、發(fā)芽率及10天后的苗高和根長。
各處理M1代及對照幼苗移栽大田，順序排列，一次重復(fù)，行長2m，行距30cm，株距5cm。田間調(diào)查記載主要農(nóng)藝性狀，抽穗后逐株套袋，成熟后單株收獲，室內(nèi)考種。
2 結(jié)果與討論2.1 高能混合粒子場的產(chǎn)生與劑量刻度利用BEPC直線加速器引出的1.5Gev的電子束，在θ＝15°的出射角處打銅靶，產(chǎn)生次級粒子束，主要包括派介子(π±、π0)、謬子(μ±)、電子(e±)、伽馬(γ)和質(zhì)子(p)等。這些粒子均具有廣譜結(jié)構(gòu)，即Ek＝200Mev～1.2Gev。
經(jīng)過蒙特卡羅理論模擬計(jì)算，不同粒子在混合粒子中的所占比例隨著輻照動量在300～1500Mev/c之間變動也在變動；平均而言，電子、和質(zhì)子在各種輻照動量下的所占比例較高。圖1～4展示了不同的粒子數(shù)目隨輻照動量變化的數(shù)量關(guān)系。
將輻照靶室劃分成從5°～40°共10個(gè)不同處理位點(diǎn)，以硫酸亞鐵劑量計(jì)刻度每一角度的輻照劑量。輻照時(shí)間分別為24h(No.1)和48h(No.2)。圖5反映了輻照角度與輻照劑量間的數(shù)量關(guān)系。
2.2 高能混合粒子場輻照小麥生物效應(yīng)與適宜劑量結(jié)合定點(diǎn)劑量刻度，先后對小麥、水稻、紫花苜蓿、草坪草、番茄、青椒、黃瓜和花卉等植物種子以及植物組織離體培養(yǎng)物進(jìn)行混合粒子輻照處理，并與相應(yīng)劑量的60Coγ射線處理作對比分析。從幼苗苗高、根長等生物損傷效應(yīng)初步分析發(fā)現(xiàn)，混合粒子輻照處理比60Coγ射線處理生物損傷大，相對生物效應(yīng)高(表1和2)。
混合粒子輻照處理小麥種子具有明顯的劑量效應(yīng)，主要表現(xiàn)為隨著輻照處理劑量的增加，對幼苗及根系的生長損傷增加。以半致矮效應(yīng)為指標(biāo)，初步確定出混合粒子輻照處理小麥、大麥、水稻、玉米的適宜劑量范圍為200～300Gy；番茄、青椒、黃瓜和花卉種子的適宜劑量范圍為150～200Gy。
表1 混合粒子輻照處理小麥對種子萌發(fā)與幼苗生長的影響

表2 混合粒子輻照處理小麥對M1代主要農(nóng)藝性狀的影響

實(shí)施例21 材料與方法1.1 材料小麥品種中原9號和中優(yōu)9507。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法1.2.1 輻照處理利用BEPC直線加速器引出的1.5Gev的電子束打銅靶產(chǎn)生高能混合粒子場處理中原9號和中優(yōu)9507，輻照劑量分別為0、79Gy、109Gy、145Gy、195Gy、284Gy和560Gy，各處理400粒種子。同時(shí)以60Co-γ射線處理作為對照，處理劑量和種子數(shù)量與高能混合粒子場處理相同。
1.2.2 發(fā)芽實(shí)驗(yàn)發(fā)芽試驗(yàn)采用發(fā)芽盒法，在21℃的恒溫箱中培養(yǎng)。將處理種子和對照(未處理種子)分別的隨機(jī)各選取50粒種子發(fā)芽，在第三天時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，第七天時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，第10天時(shí)測量幼苗根長和苗高。
1.2.3 根尖細(xì)胞學(xué)檢測及幼苗葉片DNA多態(tài)性分析小麥干種子經(jīng)75％酒精殺菌，在25℃下萌發(fā)露白，低溫0-4℃處理24小時(shí)，然后在25℃恒溫箱中待根長至1-2cm時(shí)取下根尖，在α-溴萘飽和液中預(yù)處理5小時(shí)，用卡諾固定液(酒精∶醋酸＝3∶1)固定，孚爾根法染色，卡寶品紅液復(fù)染壓片。每個(gè)處理觀察8-10個(gè)根尖，每個(gè)根尖隨機(jī)觀察大約600個(gè)細(xì)胞，對各變異數(shù)記錄。DNA多態(tài)性分析采用SSR方法(高睦槍等我國部分冬小麥新品種(系)SSR標(biāo)記遺傳差異的研究，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，9(1)49-54.)。
1.2.4 M2代突變譜與突變頻率M1代單株收獲后按照每穗留取3-5粒種子混合后構(gòu)建M2代群體，單株點(diǎn)播，行長2m，行距30cm，每20個(gè)株行設(shè)一個(gè)原品種對照，每行點(diǎn)播50粒。M2代主要考察株高、株型、蠟質(zhì)、穗型、芒性和育性的變化，并篩選突變個(gè)體，計(jì)算突變頻率。
2.結(jié)果與分析2.1 混合粒子場對M1代種子發(fā)芽的輻射效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)混合粒子場輻照處理之后，中原9號和中優(yōu)9507種子的發(fā)芽勢均受到抑制，發(fā)芽率降低。中原9號的發(fā)芽勢最低只有54％，發(fā)芽率最低只有82％；中優(yōu)9507的發(fā)芽勢最低只有40％，發(fā)芽率最低只有68％。在0-560Gy的劑量范圍內(nèi)，隨著劑量的增大種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率降低。這表明經(jīng)過混合粒子場輻照處理之后，種子細(xì)胞受到了損傷，生理活動和代謝調(diào)節(jié)受到了抑制，影響了種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率。
混合粒子場和γ射線輻照處理中原9號和中優(yōu)9507種子之后，從種子發(fā)芽產(chǎn)生的生物損傷分析，在0-560Gy的劑量范圍內(nèi)，劑量相同的情況下，混合粒子場產(chǎn)生的輻射損傷比γ射線大。在劑量109Gy比較，混合粒子場對中優(yōu)9507發(fā)芽勢、發(fā)芽率的生物損傷為42.11％和27.66％，而γ射線對中優(yōu)9507發(fā)芽勢、發(fā)芽率的生物損傷為2.63％和8.51％。
2.2 混合粒子場對M1代幼苗生長的輻射效應(yīng)經(jīng)過混合粒子場輻照處理之后，中原9號、中優(yōu)9507M1代幼苗高度降低，幼根長度縮短。在0-560Gy的劑量范圍內(nèi)，隨著劑量的增加中原9號、中優(yōu)9507M1代生物損傷上升，幼苗高度降低，幼根長度縮短，在劑量為560Gy時(shí)損傷最大，幼苗高度最低，幼根長度縮到最短。經(jīng)過混合粒子場輻照處理之后，中原9號和中優(yōu)9507的幼苗高度、幼根長度相比對照都有顯著的降低，這表明輻照處理引起了分生組織的損傷，抑制了M1代幼苗的正常生長。
從混合粒子場和γ射線輻照處理對幼苗的生物損傷分析，在劑量相同的情況下，混合粒子場產(chǎn)生的輻射損傷比γ射線大，會引起更加強(qiáng)烈的抑制作用。在109-284Gy的劑量范圍內(nèi)，混合粒子場對中原9號根長的生物損傷從24.77-77.39％，而γ射線的生物損傷從0.33-41.40％。在109-284Gy的劑量范圍內(nèi)，混合粒子場對中優(yōu)9507苗高的生物損傷從33.08-77.94％，而γ射線的生物損傷從23.27-70.47％。
以幼苗高度、幼根根長降低到對照的高度和長度的50％為標(biāo)準(zhǔn)，中原9號和中優(yōu)9507中混合粒子場對γ射線的相對生物學(xué)效應(yīng)RBE值均大于1，這表明用混合粒子場處理較小劑量就能達(dá)到γ射線較大劑量的輻射生物學(xué)效應(yīng)，混合粒子場對小麥的生物損傷能力有可能優(yōu)于γ射線。
2.3 混合粒子場對M1代根尖細(xì)胞染色體的畸變效應(yīng)混合粒子場處理對冬小麥M1代根尖細(xì)胞有明顯的致畸效應(yīng)，不但強(qiáng)烈地抑制根尖細(xì)胞的有絲分裂活動，而且引起根尖細(xì)胞染色體的畸變。誘發(fā)突變M1代可觀察到的細(xì)胞學(xué)效應(yīng)主要是微核變異和染色體畸變。根尖細(xì)胞在有絲分裂間期出現(xiàn)了微核(包括單微核，多微核)等細(xì)胞畸變類型，其中單微核所占的比例最大，與劑量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。隨著輻射劑量的加大(0-560Gy)畸變率呈上升趨勢。細(xì)胞分裂中期出現(xiàn)了染色體斷片、環(huán)狀染色體等畸變類型，細(xì)胞分裂后末期出現(xiàn)了單橋、雙橋、多橋、落后染色體、游離染色體等類型。染色體畸變與劑量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。隨著輻射劑量的加大染色體畸變率呈上升趨勢。染色體畸變與小麥幼苗生長有直接的關(guān)系，嚴(yán)重的染色體畸變導(dǎo)致幼苗苗高變矮、根長變短。
混合粒子場誘發(fā)染色體畸變的種類和頻率上都高于γ射線，200-300GY是合適的處理劑量范圍。M1代的單微核畸變率與染色體總畸變率相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，可以利用單微核畸變率研究混合粒子場對有絲分裂中染色體的損傷。中優(yōu)9507受到照射后染色體總畸變率、染色體畸變類型都大于中原9號，對誘變因素的反應(yīng)敏感。
2.4 混合粒子場誘發(fā)冬小麥M1代的SSR分析利用93對SSR引物對M1代DNA損傷的多態(tài)性分析結(jié)果表明，其中48對獲得了良好的擴(kuò)增，有11對引物獲得了良好的多態(tài)性，擴(kuò)增條帶較之對照減少的最多。SSR多態(tài)性頻率隨劑量增加而上升。
在109-284GY的劑量范圍內(nèi)，有10對引物在中原9號M1代處理中表現(xiàn)出良好的多態(tài)性；有9對引物在中優(yōu)9507M1代處理中表現(xiàn)出良好的多態(tài)性?；旌狭Ｗ訄鎏幚淼腗1代SSR多態(tài)性頻率高于γ射線，說明混合粒子場對冬小麥DNA的損傷效應(yīng)大于γ射線。引物組合起來能完整的區(qū)分混合粒子場和γ射線對小麥的損傷效應(yīng)。
2.5 混合粒子場對冬小麥M2代的誘變效應(yīng)混合粒子場處理后，中原9號和中優(yōu)9507的M2代群體中出現(xiàn)了多種包括穗形、芒性、蠟質(zhì)、矮桿、高桿及育性等性狀的變異。M2代群體中出現(xiàn)的突變類型及突變頻率各不相同，差異明顯。混合粒子場和γ射線兩種誘變源引起的突變類型相差不多，突變譜相當(dāng)，但混合粒子場引起的總突變頻率、有益突變頻率都比γ射線要高。
中優(yōu)9507總突變率和有益突變都比而中原9號大。中原9號蠟質(zhì)、芒性、高桿突變的頻率大于中優(yōu)9507，矮桿、穗型、育性突變頻率小于中優(yōu)9507?；旌狭Ｗ訄稣T變處理小麥的適宜劑量范圍是200-300Gy。
權(quán)利要求
1.一種植物輻射育種方法，其特征是將待處理的植物種子或離體培養(yǎng)物置于地面模擬的高能混合粒子輻射場環(huán)境進(jìn)行處理，然后進(jìn)行種植篩選或培養(yǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物輻射育種方法，所述高能混合粒子輻射場環(huán)境是能量為1.1～1.5Gev的電子束轟擊金屬靶產(chǎn)生的混合粒子場，包括派介子、謬子、正、負(fù)電子、質(zhì)子、中子和伽馬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的植物輻射育種方法，所述高能混合粒子場處理植物種子的劑量范圍在100～500Gy。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物輻射育種方法，所述高能混合粒子場的劑量范圍在150～300Gy。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的植物輻射育種方法，所述高能混合粒子場處理離體培養(yǎng)物的適宜劑量范圍為15～20Gy。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物輻射育種方法，所述植物包括糧食作物、蔬菜、牧草和花卉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物輻射育種方法，所述離體培養(yǎng)物是花藥、幼胚及其愈傷組織。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物育種方法，所述置于地面模擬的高能混合粒子輻射場環(huán)境處理是在室溫下進(jìn)行的。
全文摘要
一種地面模擬宇宙粒子輻射育種方法，利用地面模擬的高能混合粒子輻射場環(huán)境處理植物種子和離體培養(yǎng)物。所述植物包括糧食作物、蔬菜、牧草和花卉。本方法為探索空間環(huán)境誘變機(jī)理、開展地面模擬空間環(huán)境誘變育種，進(jìn)行品種改良開辟了一種新的途徑。
文檔編號A01H1/06GK1729760SQ200510012010
公開日2006年2月8日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者劉錄祥, 郭會君, 李家才, 韓微波, 趙林姝, 趙世榮, 王晶 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所