He-Ne激光辐照蚕豆根尖引起细胞染色体变异的研究-物理与电子科学

He-Ne激光辐照蚕豆根尖引起细胞染色体变异的研究
王昆林1沙育年谢美华颜茜
( 云南楚雄师范学院物理与电子科学系化学与生命科学系云南楚雄675000 )
摘要：采用低功率He-Ne激光辐照蚕豆根尖，控制辐照剂量。

用光学显微观察统计细胞有丝分裂活性和染色体变异。

发现受激光辐照根尖细胞有丝分裂活性增强，染色体发生结构变异。

讨论了He-Ne激光辐照引起染色体变异及诱发基因突变的可能性。

关键词：激光辐照蚕豆根尖染色体变异基因突变
中图分类号：Q631; Q345 文献标识码：A 文章编号：
Chromosome variations of broad bean’s root-tip caused by
He-Ne laser radiation
WANG Kun-lin SHA Yu-nian Xie Mei-hua Y AN Qian
(1.Chuxiong Normal Collegea Department of Physics and Electronics Department of
Chemistry and Life Science. Chuxiong Yunnan 675000 China)
Abstract: The board bean’s root-tips are radiated by low-power He-Ne laser under the control of different radiation doses. The mitosis activities and chromosome variations are observed and counted by optical microscope photographing system. The results indicated that the mitosis activities of laser-radiated root tips increased and structural variations of chromosomes were also taken place. The possibility the effect of the laser radiation on chromosome variation and gene mutation is also discussed.
Key words: laser radiation broad bean’s root-tip chromosome variation gene mutation
引言
经过激光辐照诱变产生变异类型已成为当今植物改良和农作物育种的一种重要方法[1]
激光辐照作为一种物理诱变技术已成功地应用在农作物诱变育种实践中[2]，但就目前，诱变效率低，诱变方向不能控制，激光与生物相互作用的机理还不十分清楚，其诱变的遗传机理需要从细胞层面和大分子生物水平等不同层次进行深入研究，对激光作用于植物引起的微观、宏观变化进行分析探索。

本文旨在采用光学显微摄影系统，观察到受过不同剂量He-Ne 激光辐照的蚕豆根尖细胞有丝分裂活性增强及染色体变异的情况，探讨分析激光作用机理及其效应。

1、试验材料和方法
选择当年收获个体大小基本一致的“新丰3号”蚕豆品种作为试验材料。

将材料样品进行水培催芽，待其芽根长到约2—3cm时，用He —Ne 激光器（功率1.5mw，波长632.8nm 功率密度1.9mw/mm2）发出的可见红色激光，定位近窗口辐照其根尖，固定辐照距离约为2cm，调节辐照时间的长短从而控制辐照剂量，分为5min 、8min 、10min 三个处理组，加入ck对照组。

将受过不同剂量激光辐照的各样品再培养24小时后，对各个处理样品及ck对照组的根尖分别取样制片，显微观察蚕豆根尖细胞有丝分裂和染色体结构情况。

2、观察方法
分别取各样品根尖3mm左右，用解剖刀截为3段，用浓盐酸解析液解离5 min—8 min，待根尖段为半透明状为最佳用清水反复漂洗15 min，用醋酸洋红染色液染色7 min—9 min
作者简介：王昆林（1957---）男、云南昆明人。

云南楚雄师范学院物电系副教授
多年来从事大学物理教学工作及相关科学研究工作
后压片。

各处理分别取根尖10根以上进行制片观察。

使用BA2303光学显微摄影系统进行观察。

该系统由光学显微镜计算机及图像采集处理系统组成，可进行目镜观察，又可屏幕显示，并进行图片拍摄存储，但拍摄视角较小，拍摄到的细胞个数远少于同一视场中目镜中所看到的细胞数。

先用低倍镜10××40×慢扫描定位，选定视场后换用高倍油镜10××100×精细观察，发现目标后转为屏显并进行图片拍摄。

制片和观察的时间选在每天上午10点到下午2点，一般认为蚕豆根尖细胞在此时段最活跃。

试验每周循环一次共做四周。

3、结果与分析
经观察统计，各处理组与ck 对照组相比较其细胞有丝分裂活性都有所增强。

在8min 和 10min 处理组中均发现有染色体变异，试验中发生染色体变异的细胞数有所涨落，但不呈现规律性。

同一时段对各处理组在同一个根尖片上抽取两个不同的样本视场进行统计，见表 1
表1 各处理样品根尖细胞有丝分裂活动情况抽样统计表
各处理样品
细胞周期阶段
5min 样本1样本2 总数 8min 样本1样本2总数 10min 样本1 样本2总数 Ck 样本1样本2总数
间期细胞数/个
14 12 26 10 11 21 12 11 23 13 16 25 前期细胞数/个
3 5 8 6
4 10
5 4 9 3 4 7 后期细胞数/个
4 2 6
5
6 11 4 5 9 3 2 5 末期细胞数/个
1 2 3 3 2 5 3 2 5 2 1 3 计数细胞数/个 43 47 45 44 从表1统计中可看出，受过激光辐照的样品其细胞有丝分裂活性要比ck 对照组的强，其中8min 处理组的最为明显。

精细观察各处理样品染色体的结构情况，选取有特点的样本视场进行拍摄。

见图一
图一 蚕豆根尖细胞染色体样本图
在图一中，a ；b 分别是 ck 对照组细胞有丝分裂的间期、前期和末期的样本图，
从中
可看出，细胞规整染色体清析，所分裂成的两个子细胞关于细胞板对称。

这些均是细胞有丝分裂正常进行的表现。

c；d ；e 是10min处理组的三个样本图，属于细胞有丝分裂的前期，中期和后期。

从c中可看到有细胞染色体数目发生变化，按正常情况蚕豆根尖细胞染色体数目应是12条，但在此样本中染色体数目大于12条而小于24条，即染色体数目发生非整倍数变化。

在d ；e样本中可看到较为明显的染色体缺失圈，这种染色体的变异现象是由于染色体的片断缺失所产生的，染色体由于某种原因产生缺失，可能缺失较长或较短的片断，甚至单个基因，如果缺失的是较长片断，就会产生这种缺失圈。

染色体的片断缺失可能会引起片断上所带的某些基因丢失，显性基因的丢失会引起隐性等位基因性状显现[3]。

f 样本是8min处理组的细胞有丝分裂后期图。

在这一时期着丝粒分裂，两条染色单体分离成为子染色体，纺锤丝牵引着子染色体分别向细胞的两极移动，细胞核内的全部染色体就平均分配到了两极，使其两极各有一套染色体，这两套染色体互相对称，而且与分裂前亲代细胞中的染色体的形态和数目完全是一致的。

但在f 样本图中可清楚的看到，按照正常情况应该是对称排列的细胞两极染色体，现在其中一极上的一条染色体断裂后又粘连在同极的另一条染色体上，这是典型的染色体结构变异情况，显然是He —Ne 激光8min剂量辐照所造成的。

一些染色体的变异影响到染色体中基因的数目，会发生丢失（染色体丢失一段DNA）、重复（含一个或多个基因的一段DNA多次在单倍染色体组出现）、倒位（一组基因在染色体内转动1800）、易位（一组基因在染色体中改变了位置）[4]。

当DNA的基因序列出现变化时，就产生基因突变或突变点，并把新的DNA序列传递给后代，基因突变能产生新的基因，使原来的基因型发生改变，从而产生新的生物性状。

如果将上述He —Ne激光处理组蚕豆样品进行大田栽种试验，观察统计整个生育期的宏观表现，就可能了解到染色体变异、基因突变对植株生物性状变化的影响。

（此问题另文报道）
由上可见，蚕豆根尖受He-Ne激光适当剂量辐照后，引起了染色体的变异，有可能致使基因发生突变，例如：染色体的断裂引起DNA的断片，这种断裂是随机的。

若断裂恰好发生在基因间隔或是插入顺序处，基因能够很快的自动修复回原状，若不是，则情况就较为复杂，就会引起基因突变。

4、讨论与研究
激光是受激跃迁辐射，具有能量高、单色性好、方向性强的特点，它对植物有机体作用要比其它物理因素作用复杂得多，这是由于激光与植物有机体相互作用后，能产生光效应，光压效应、电磁场效应和热效应等，进而能导致植物机体的一系列生物化学、生物物理的变化，致使染色结构发生变异，引起DNA损伤导致基因突变。

有资料表明632.8nm的红激光能提高染色质结构机能状态，强化有丝分裂活性，使细胞处于一种易于突变的状态，通过多光子吸收而聚积能量，并进行再分配从而引起DNA分子的损伤和突变[5]，也有人根据量子生物学和混沌理论认为He-Ne激光引起DNA分子突变的量子模式为hr+DNA—质子隧道效应增加A—T(G-C)——DNA分子突变[6]。

染色体DNA系统在激光作用下可由孤子引运动状态通过倍同期—岔进入到混沌状态而引起突变[7]。

而我们认为He-Ne激辐照蚕豆根尖时，分子吸收光子而热运动加剧，细胞有丝分裂活性增强。

激光产生的光量子效应、电磁场效应、光压效应和热效应等作用于染色体时，导致染色体发生变异，产生诸如染色体断裂、粘连、成环效应，可以有效地打破基因连锁，致使基因突变。

在激光辐照所产生的多种作用中，有直接作用和间接作用，是那一种对染色体的结构变异起了主要作用还不十分清楚。

其中热效应是起“热催化”作用，对分子热运动有影响，会导致局部温升，适当的温升能剌激细胞活性增强，温升过高就会产生抑制作用。

由于低功率He-Ne激光一般不会产生机械损伤，热效应的作用也不会太大，但是由于蚕豆根尖组织较为娇嫩，又是近窗口激光辐照，热效应的作用还是不可忽视的。

由热传导理论可知，在有热源和局域情况下。

其传导方程为[8]
Q K P T t T ⎪⎭
⎫ ⎝⎛+∆=∂∂ρ ( 1-1) 式中ρ为热扩散率，K 为热导率，在点热源情况下 Q=λPσ（r ）[ 9 ] ，P 为热源功率，σ（r ）是σ函数，λ为吸收系数，在均匀介质情况下，初始温度为T 0，其解为[9]
)]4(1[40t r erf T T kr P
-+=πλ (1-2)
式中erf （u ）为误差函数，erf （u ）=（π2
）⎰-μ
02du e
u 原则上讲，由(1-2)式即可得需
温升的辐照时间, 但实际上得不到关于t 的显示精确解。

对于激光的热效应而言，可当作瞬时热源热传导问题处理，对均匀介质而言初始条件可取为：T=（Q/r ）σ（r ﹣r 0 ）。

Q 为热源强度，则可得t 时刻之温升表达式为[ 10 ]，T={[-q/（t π 2）2]exp(r-r0)2/（4ρt ）}。

当然，将生物体作为均匀介质处理本身就有一定的近似性，但对于局域作用而言是可以的。

将温升时间作为参考，调节辐照剂量时间。

结合上述热传导理论进行大致估算后，将He-Ne 激光辐照剂量时间定为8min 左右，从试验的情况来看基本是适合的。

5、结束语
通过上述试验可知，He-Ne 激光对蚕豆根尖细胞染色体的作用是十分明显的，适当剂量
的辐照能使其染色体产生变异。

染色体变异有可能打破基因的连锁，引起基因的突变，使生物的性状发生改变，带来新的遗传性状。

这一点在农业，农作物品种改良育种方面有较大的实际应用价值。

染色体变异、基因突变导致农作物遗传性状发生变化，实际上大多数变异是有害负方向的，有利正方向的变异产生是很少的，若将激光诱变应用到农作物品种改良育种方面还要结合农业传统的选育方法经过数代的培育才有成功的可能[11]。

参考文献:
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