【摘 要】電離輻射作為一種高能物理損傷因素，可通過電離激發(fā)產(chǎn)生大量自由基，引起直接受照的生物組織和細(xì)胞的損傷。研究結(jié)果表明：受強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射的各試驗(yàn)組的種子活力、酶活性均等各種生化指標(biāo)比對(duì)照組均有所改善，甚至發(fā)生了顯著的變化。

【關(guān)鍵詞】強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射 水稻種子 變異

一、前言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中的一個(gè)重要問題就是物種開發(fā)和良種培育。我國人多地少，需要加快高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，需要利用基因突變培養(yǎng)出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆的新品種。突變是遺傳變異的源泉，自然突變率也只有10-7左右[1]，因此需要人工誘發(fā)新的遺傳變異。誘導(dǎo)植物種子變異的方法有物理的、化學(xué)的和生物的方法。研究發(fā)現(xiàn)電離輻射作為一種高能物理損傷因素，可通過電離激發(fā)產(chǎn)生大量自由基，引起直接受照的生物組織和細(xì)胞的損傷[2]。白敏菂等人從上個(gè)世紀(jì)末就開展了強(qiáng)電場(chǎng)電離放電的研究，通過提高等離子體源中的氣體電離能耗率，將大幅度提高源中的等離子體產(chǎn)生率，加大拖曳氣體粒子動(dòng)量，大大地降低源中的等離子體的損失率并將大幅度提高其輸運(yùn)項(xiàng)[3]，為解決大氣壓下強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射誘導(dǎo)水稻種子變異提供了技術(shù)上的支持。

二、強(qiáng)電場(chǎng)電離體系的構(gòu)建

（一）強(qiáng)電場(chǎng)電離放電裝置

誘變種子的介質(zhì)阻擋強(qiáng)電場(chǎng)電離放電裝置的構(gòu)造如圖1所示。在放電極或者接地板上噴上一層高密度、高強(qiáng)度、高介電常數(shù)的材料，在放電極接地之間施加頻率為5-20KHz、電壓10-40KV的高頻高壓電源，電子的平均能量將達(dá)到10eV，這種由高頻高壓電源在兩極板中產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)比直流高電壓、脈沖高電壓的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)和介質(zhì)阻擋放電的場(chǎng)強(qiáng)都要高。為了滿足強(qiáng)電場(chǎng)電離放電的要求，應(yīng)選取具有如下特性的電介質(zhì)材料：體積電阻率> 1015Ω·cm；臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度> 250kV·cm- 1；相對(duì)介電常數(shù)> 10；介質(zhì)損耗<3.9×10- 4 ；吸水率為0 %；表面粗糙度為0.25～0.5μm；熱膨脹系數(shù)為（6.5～7.5）×10- 6mm·K- 1 ；導(dǎo)熱率>21W·（m·K）- 1；硬度>1000HV；損耗<4×10- 5[4]。

圖1強(qiáng)電場(chǎng)電離放電裝置

（二）電離的原理

強(qiáng)電離放電過程中，強(qiáng)電離放電產(chǎn)生的OH*數(shù)目是弱電離放電的10 余倍。以H2O 分子電離、激發(fā)、超激發(fā)為主產(chǎn)生OH*、e -aq 等自由基。水合電子（e-aq） 是一種具有獨(dú)特的性質(zhì)的自由基，不少化學(xué)反應(yīng)是由e-aq所誘發(fā)的，水合電子比游離電子更加穩(wěn)定。強(qiáng)電場(chǎng)電離、激發(fā)H2O 分子時(shí)，每注入100eV 將產(chǎn)生2.8 個(gè)OH*和2.75個(gè)e-aq。[4]要實(shí)現(xiàn)大氣壓下強(qiáng)電場(chǎng)離子輻射種子產(chǎn)生誘變，其關(guān)鍵是使電子從強(qiáng)電場(chǎng)中獲得的平均能量≥10ev，由于在電場(chǎng)中，電子能量按麥克斯韋規(guī)律分布，它就足以與大部分氣態(tài)原子（分子）碰撞產(chǎn)生電離，使之變?yōu)椤盎钚粤Ｗ樱弘娮?、離子、亞穩(wěn)態(tài)原子和分子、自由基、紫外光子等” [5]。在激勵(lì)電場(chǎng)的作用下，定向轟擊種胚細(xì)胞，它們將“能量傳遞給種子表面的原子和分子，產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)過程，一些粒子還會(huì)注入進(jìn)種子表面，引起級(jí)聯(lián)碰撞、散射、激發(fā)、重排、異構(gòu)、缺陷…” [5]，能較好地產(chǎn)生能量沉積、質(zhì)量沉積和電荷交換的“三因子效應(yīng)”，導(dǎo)致DNA的損傷和生物體誘變。利用此技術(shù)能夠使強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射離子注入水稻種子。

三、強(qiáng)電場(chǎng)電離下水稻種子各種生物效應(yīng)和產(chǎn)量的變化

將水稻種子隨機(jī)挑選大小均勻的6到7組，試驗(yàn)組為1-6和對(duì)照組為CK組，每組100粒。在相同的強(qiáng)度（160V激勵(lì)電壓）下，以不同的時(shí)間： 10s、15s、20s、25s、30s、50s輻射試驗(yàn)1-6組。然后對(duì)各組種子的生化指標(biāo)時(shí)行測(cè)試并與對(duì)照組進(jìn)行比較。檢測(cè)參照張志良等（1990）[6]及李合生（2000）[7]的方法。

（一）對(duì)種子活力的影響

利用種子可溶性物質(zhì)通過細(xì)胞膜外滲成為電解質(zhì)水溶液，用DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀測(cè)定滲漏浸泡液的電導(dǎo)性來描述種子活力，電導(dǎo)率越低，種子活力越強(qiáng)。各組種子的電導(dǎo)率如圖2所示。

圖2 各組電導(dǎo)率

結(jié)果表明：適宜強(qiáng)度的強(qiáng)電場(chǎng)電離處理，種子活力有不同程度的提高，說明適宜強(qiáng)度的不同輻射時(shí)間的處理，對(duì)種子萌發(fā)有刺激作用，能增加種皮透性，促進(jìn)種子內(nèi)部細(xì)胞活化，打破休眠狀態(tài)，加速種子萌發(fā)過程儲(chǔ)藏物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化和再利用，該物質(zhì)積累加快，使幼苗生長旺盛，能充分調(diào)動(dòng)種子自我調(diào)節(jié)能力，從而提高了種子生長過程對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用。

（二）對(duì)各種保護(hù)酶活性的影響

取種子幼胚與磷酸緩沖液研磨成勻漿，離心提取粗酶液，對(duì)同一品種的植物水稻種子幼胚的α-淀粉酶、總淀粉酶、過氧化氫酶（CAT），過氧化物酶（POD）的活性進(jìn)行檢測(cè)。

1.淀粉酶的活性

α-淀粉酶、總淀粉酶活力對(duì)比結(jié)果如圖3、4所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)組α-淀粉酶、淀粉酶總活性均比對(duì)照組的都要好。并且試驗(yàn)4組水稻種子，也就是經(jīng)過激勵(lì)電壓為160V的強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射25s 后，α-淀粉酶活力最高。試驗(yàn)5組水稻種子，也就是激勵(lì)電壓為160V的強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射30s 后，淀粉酶總活力最高。

2.過氧化氫酶和過氧化物酶的活性

過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）活性對(duì)比結(jié)果如圖5、6所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)組過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）均比對(duì)照組的有顯著提高，都高出。并且試驗(yàn)4組種子，也就是經(jīng)過激勵(lì)電壓為160V的強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射25s 后，過氧化氫酶（CAT）活力比CK組高出40.8%，為最高值，過氧化物酶（POD）活力也為最高。

（三）對(duì)產(chǎn)量的影響

我們對(duì)強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射水稻種子進(jìn)行田間試驗(yàn)種植，其結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，試驗(yàn)各組的產(chǎn)量均比對(duì)照組有所提高，其中試驗(yàn)2組提高最顯著，增幅達(dá)12.8%。

圖7 各組產(chǎn)量

以上研究結(jié)果表明，強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射植物種子會(huì)引起一系列植物幼胚的生理生化指標(biāo)、保護(hù)酶類活性和產(chǎn)量的變化。

四、機(jī)理分析

通過酶活性的實(shí)驗(yàn)，可以得出經(jīng)輻射的試驗(yàn)組淀粉酶的活性都高于對(duì)照組，且縮短了發(fā)芽時(shí)間。原因在于種胚在輻射下產(chǎn)生極化，引起電荷分布、排列、特別是金屬酶構(gòu)象的變化，使相應(yīng)酶的活性增加（激活）， 加速了各種貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和分解，為萌發(fā)提供了足夠的能源物質(zhì)。植物體內(nèi)O2-，OH-，H2O2對(duì)植物有傷害作用，經(jīng)適量輻射后，提高了過氧化氫酶的活力[7]，能去除細(xì)胞內(nèi)H2O2的有害成分，在種子萌發(fā)時(shí)對(duì)細(xì)胞膜和新細(xì)胞的形成起到一定的修復(fù)和保護(hù)作用。其原因是植物的細(xì)胞膜是磷脂雙分子層和相關(guān)的蛋白分子組成，磷脂的主要成分是多不飽和脂肪酸，細(xì)胞內(nèi)H2O2能與不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，破壞了細(xì)胞膜的功能和種子儲(chǔ)備的脂質(zhì)[8]

電離輻射作為一種高能物理損傷因素， 可通過電離激發(fā)產(chǎn)生大量自由基， 引起直接受照的生物組織和細(xì)胞的損傷。在分子水平上， 細(xì)胞受輻射后的命運(yùn)在很大程度上決定于一些基因表達(dá)的改變， 這些受電離輻射調(diào)控表達(dá)的基因稱為電離輻射誘導(dǎo)基因。近年來， 電離輻射及其他基因毒性因子引起生物效應(yīng)的分子機(jī)制研究取得了很大的進(jìn)展， 越來越多的電離輻射基因被發(fā)現(xiàn)。

五、結(jié)束語

雖然我們進(jìn)行了多年的研究，但仍然處在研究的中期階段，還有很多問題需要探討和研究，如：種子活力、酶活性、DNA、蛋白質(zhì)的變異與電壓（場(chǎng)強(qiáng)）、頻率、離子的能量、濃度、作用時(shí)間的關(guān)系怎樣？它們遵循什么樣的規(guī)律？如何在分子和細(xì)胞水平上，剖析強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射誘導(dǎo)植物種子變異的機(jī)理等。因?yàn)殡婋x輻射后， 細(xì)胞將啟動(dòng)一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)決定其命運(yùn)， 眾多電離輻射誘導(dǎo)基因參與了這一過程， 彼此之間既相互促進(jìn)發(fā)揮協(xié)同作用， 又在此消彼長地競(jìng)爭(zhēng)抑制。對(duì)這一復(fù)雜過程中究竟哪些因子起關(guān)鍵作用， 以及它們是如何起作用的等的了解尚不夠全面。只要我們朝著這個(gè)方向深入開展研究，就一定可以篩選所需性狀變異穩(wěn)定的植株，獲得性狀變異譜，尋找出大壓下強(qiáng)電場(chǎng)電離輻射誘導(dǎo)水稻種子變異的有效方法[9-11]。

參考文獻(xiàn)：

[1]余增亮，離子束生物技術(shù)引論[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1998：3-4；

[2]徐小潔，葉棋濃.電離輻射誘導(dǎo)基因的研究進(jìn)展[J].生物技術(shù)通訊，2008，19（5）：765-768；

[3]白敏菂，邱秀梅，劉棟等.高氣壓非平衡等離子體源的小型化研究[J].科學(xué)通報(bào)，2008，53（10）：1238-1240

基金項(xiàng)目：

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（項(xiàng)目號(hào)：50977041）