常压下强电场电离辐射诱导植物种子变异的机理研究

用辐射诱导种子变异的方法有：太空育种、离子束介导法、强电场电离辐射、静电（磁）场辐射、脉冲电（磁）场辐射、重离子辐射、光辐射等。其中离子束介导法需要低温和真空特殊环境，存在种子耐受性差、冰冻损伤和装置结构复杂；太空育种成本较高，存在辐射单一、辐射源无法控制等问题。而电离辐射作为一种高能物理损伤因素，可通过电离激发产生大量自由基，引起直接受照的生物组织和细胞的损伤。我们开展了常压下强电场电离辐射诱导植物（水稻）种子变异的研究：改变强电场放电体系的物理参数，控制离子的能量和浓度，诱导种子变异，得到变异体；检测其种子活力、酶活性、DNA、蛋白质的变化，得到性状变异谱，寻找诱导种子变异的规律和最佳方案；分析其内部机理。本课题的研究是多学科的交叉，具有较高的可行性和实用性，将为常压下辐射诱变育种提供一种新方法和技术，对建立优异种质创新具有重要的实践意义,同时也为解决离子束介导法现存的问题提供科学依据

本项目利用强电场电离辐射这种高能物理损伤因素，通过电离激发大量自由基，在常压下引起种子组织和细胞损伤，并控制强电场参数诱导种子基因变异，开展了常压下强电场电离辐射诱导植物种子变异的机理研究。从强电场介质阻挡放电着手，对非平衡等离子体理论进行剖析。选取介电常数高、频率特性好的电介质材料和采用窄放电间隔，获得250Td~400Td电离电场，电离空气中气体分子生成•O、•N和•OH等化学活性粒子诱导种子变异；并成功研制出“强电场电离辐射种子的系统装置”，开展强电场电离辐射水稻种子的试验。. 试验中首次阐述了场强与时间乘积的实质是给种子输送能量，强电场电离辐射能有效激活水稻幼苗酶的活性，α-淀粉酶等五种酶的活性都有显著变化，MDA含量变少，有利于种子萌发和生长；通过DNA甲基化的测试，发现强电场辐射后甲基化水平都比未辐射的有所降低，细胞DNA全甲基化、半甲基化扩增位点占总扩增位点的比例分别为12.89%～13.62%，3.36%～4.63%，证明辐射后DNA甲基化较亲本有明显变异，引起表观遗传变异。肽质量指纹图谱鉴定发现：强电场辐射主要改变了1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（RuBisco）的大亚基、其A链及它们前体的含量；已观测辐射后，水稻基因变异及表达蛋白质的变化，农艺性状也有变化。经三年大田试验，尤其是2012年与湖南杂交水稻研究中心合作辐射的9311常规稻，获得一棵直立、异常高大的变异株。通过SSR分析，发现基因组有16.3%的差异；当年十月又在海南南繁基地种植，该株自交后代群体出现明显分离。选取综合性状超过原始亲本的单株，进行繁育，定位突变位点，分析基因组序列变化，通过基因互补或干扰验证突变基因的功能，探讨强电场诱变的机理。. 依托该项目，项目组成员发表论文13篇，申请专利1项，培养硕士研究生2名，博士研究生2名。