【碳－14的诱变效应】
拼译：radiated effects of 14C
碳－14(14C)是元素碳(C)的一个放射性同位素，它和自然界普遍存在的稳定性碳具有同样的化学性质，所不同的是它能自发蜕变，自身质变成另一元素氮(N)并放射出β射线( )，半衰期5720a。当把碳－14引入生物体内，它和稳定性碳一样能参与有机物质和遗传物质的合成，但它在蜕变时的自身质变作用和β射线的电离、激发作用对遗传物质结构和生物遗传性具有诱变效应，因此可以应用于诱变育种和遗传研究。 20世纪50年代就有人报导了放射性碳－14的诱变效应。1950年，比尔(J．M．Beal)等把洋葱种植在含有不同浓度放射性14CO2的气体环境中，发现根尖细胞中出现染色体和染色单体断裂、碎片、桥和微核等畸变。1956年，麦考特(H．A．McQuade)等分别用14C－2－胸腺嘧啶脱氧核苷和14C－2－胸腺嘧啶处理洋葱幼苗的根，发现在根尖分生组织细胞中只有胸腺嘧啶脱氧核苷能被用于合成DNA，而胸腺嘧啶没有被利用。同时还观察到14C－2－胸腺嘧啶脱氧核苷处理的染色体畸变率大大高于14C－2－胸腺嘧啶处理的染色体畸变率。1960年，麦考特等又分别将碳－14标记在甲基基团和环上的胸腺嘧啶脱氧核苷处理洋葱幼苗的根，发现染色体畸变率前者是后者的两倍。还发现在相同浓度、相同放射性比度下，3H－胸腺嘧啶脱氧核苷和14C－2－胸腺嘧啶脱氧核苷诱发的染色体畸变数目大致相同。1961年，威廉姆斯(N．D．Willams)等报导，用14CO2处理金鱼草诱发某些形态变异效果比等电离量的γ射线慢照射稍佳，但诱发花色突变两者效果相似。原苏联科学家普鲁塞涅克(G．Plucennik)在1965年1月25～30日关于动植物和微生物突变过程的专题学术讨论会上指出，有证据表明，天然碳－14的β蜕变是生物体自发突变的原因之一，并报导了放射性14CO2对小球藻的诱变效应是Χ射线的2～4倍。1966年，普鲁塞涅克又比较了32P、35S和14C对啤酒酵母的诱变效应。结果表明，虽然总突变率以35S处理最高，但存活突变体却以14C处理最多。早期对碳－14诱变效应的研究多限于对染色体畸变的影响。近20多年来，由于γ辐照装置的迅速发展，并且处理简便安全，因此在诱变育种中多以γ射线作为手段，而对其他诱变剂的研究和应用则相对较少。据国际原子能机构(IAEA)统计，截止1989年底全世界共诱变育成了1200个农作物品种，其中55．38%是用γ射线辐射育成的。虽然γ射线诱发突变率比自然突变率高100～1000倍，但仍然很低，尤其是所需性状的突变率更低，不能满足诱变育种工作者的需要。因此，研究者又在寻求更加有效的诱变因素和诱变方法。放射性碳－14是一个具有很大潜力的诱变因素，已引起了一些研究者的注意和兴趣。1988年，中国陈秋方等曾比较了14CO2和60Co－γ射线等5种诱变剂对水稻的诱变效果。用11l×104Bq／株剂量的14CO2、3H-TR、3H-ATP、32P-ATP和40Gy剂量的60Co-γ射线，于主穗花粉母细胞形成至减数分裂期分别处理“二九青”、“广陆矮4号”和“马来红”3个水稻品种。M2代考察结果，14CO2处理在早熟性和丰产性等有利突变率方面显著高于其他诱变因素处理；矮杆突变率则因品种和诱变因素而异，其中“二九青”品种以14CO2处理最高，“广陆矮4号”品种以γ射线处理最高，而“马来红”品种则以32P-ATP处理最高。1991年和1992年又报导了碳－14对水稻的诱变效应与处理时期、剂量、方法以及碳－14化学形式的关系。结果表明，M2代熟期和株高两者总突变率以雌雄蕊形成期引入，111×104Bq／株剂量处理最高，引入时期过早、过迟，处理剂量过高、过低，总突变率均随之迅速降低。其中诱发早熟突变的最敏感时期在花粉母细胞形成期；而诱发迟熟突变的最敏感时期则在雌雄蕊形成期，引入时期过早、过迟两者突变率均随之迅速降低。早熟突变率随处理剂量的提高而逐渐提高，在222×104Bq／株剂量以后趋于稳定；而迟熟突变率则以111×104Bq／株剂量处理最高，剂量过高、过低迟熟突变率随之迅速降低。迟熟突变率通常高于早熟突变率。诱发高杆突变的最敏感时期在幼穗一次枝梗原基分化期或更早一些，高杆突变率随引入时期的推迟而逐渐降低；而诱发矮杆突变的最敏感时期在雌雄蕊形成至花粉母细胞减数分裂期之间，则矮杆突变率高于高杆突变率。诱发高杆突变的适宜剂量为37×104Bq／株左右，而诱发矮杆突变的适宜剂量为74×104Bq／株左右。剂量过高、过低，高杆和矮杆突变率均随之降低。用浸根、喷施、注射方法引入 和用光合作用方法引入14CO2等4种处理方法，2种碳－14化学形式比较结果，虽然M2代熟期总突变率和株高总突变率以光合作用方法引入14CO2处理最高，但早熟、矮杆和不育株突变率却均以植株基部注射方法引入 处理最高。由于碳－14诱变处理技术比较复杂，对周围环境有一定的污染并需要适当的安全防护措施等，因此对其诱变效应的研究和应用还远不如γ射线。早在1962年川合等就指出，由于32P、35S等内诱变源能在植物整个生长发育时期起作用，因此在产生突变方面比Χ或γ射线更有效。元素碳对生物体和遗传物质的构成以及功能都是其他元素无法相比的，因此用放射性碳－14作内照射源具有很大的发展前景。已有报导，不同碳－14的化学形式具有不同的诱变效率。深入研究各类碳－14化合物的诱变机制、诱变效果，从繁多的碳－14化合物中选择适宜的化学形式作为诱变剂，对提高碳－14诱发突变率、增加突变类型具有重要意义。不同诱变对象对碳－14的敏感性和适宜处理剂量、时期以及环境条件等诱变技术，将是另一个极为重要的研究课题。此外，简便、安全和高效的诱变处理方法，对放射性碳－14在诱变育种中实际应用至为重要，其中碳－14诱变技术和生物技术相结合是一条很有希望的途径，将成为活跃的研究领域。【参考文献】：1 McQuade H A，Fridkin M．Exp．Cell Res．，1960，21：118～1252 Plucennik G．Genetica，1965，5：19～253 陈秋方，王彩莲．浙江农业科学，1988，2：59～644 陈秋方，王彩莲．浙江农业学报，1991，3(3)：106～1115 陈秋方，王彩莲．浙江农业学报，1992，核技术专辑(浙江省农业科学院陈秋方研究员撰；吕忆梅审) |