碳离子束辐射菜心种子的生物学效应及转录组分析

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2025-0534

中国农学通报 ›› 2026, Vol. 42 ›› Issue (15): 54-64.doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2025-0534

碳离子束辐射菜心种子的生物学效应及转录组分析

戚明蔚¹^,²(), 秦艺珊¹^,², 夭莹云¹^,², 赖紫欣¹^,², 骆善伟², 周利斌³(), 罗文龙¹()

¹ 华南农业大学，广州 510642
² 广东省蔬菜新技术研究重点实验室/广东省农业科学院蔬菜研究所，广州 510640
³ 中国科学院近代物理研究所重离子科学与技术全国重点实验室，兰州 730000

收稿日期:2025-06-30 修回日期:2025-11-11 出版日期:2026-08-15 发布日期:2026-08-13
通讯作者:
周利斌，男，1979年出生，陕西富平人，研究员，博士，主要从事诱变育种及辐射生物学研究。通信地址：730000 中国科学院近代物理研究所，Tel：0931-5196156，E-mail：libinzhou@impcas.ac.cn；
罗文龙，男，1987年出生，云南广南人，副研究员，博士，主要从事蔬菜基因组学与分子育种研究。通信地址：510640 广东省农业科学院蔬菜研究所，Tel：020-85647264，E-mail：luowenlong@gdaas.cn。
作者简介:
戚明蔚，女，2000年出生，广东广州人，研究生，研究方向为蔬菜分子生物学。通信地址：510640 广东省农业科学院蔬菜研究所，Tel：020-18620940419，E-mail：qimingwei2023@163.com。
基金资助:
广州市科技计划项目“二硫化钼降低芥菜镉吸收转运的分子机制研究”(2023A04J0926); 高水平农科院建设专项资助项目“广东特色蔬莱品质和抗性改良关键技术创新与应用”(QSJS202609)

Biological Effects and Transcriptome Analysis of Brassica rapa var. parachinensis Seed Irradiated by Carbon Ion Beam

QI Mingwei¹^,²(), QIN Yishan¹^,², YAO Yingyun¹^,², LAI Zixin¹^,², LUO Shanwei², ZHOU Libin³(), LUO Wenlong¹()

¹ South China Agricultural University, Guangzhou 510642
² Guangdong Key Lab for New Technology Research of Vegetables, Vegetable Research Institute, Guangzhou 510640
³ State Key Laboratory of Heavy Ion Science and Technology, Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000

Received:2025-06-30 Revised:2025-11-11 Published:2026-08-15 Online:2026-08-13

摘要/Abstract

摘要：

本研究旨在探究碳离子束辐射对不同成熟期菜心(Brassica rapa var. parachinensis)的生物学影响及其分子调控机制。以中熟品种‘Br70’和早熟品种‘Br49’的菜心种子为试材，经60~480 Gy剂量的碳离子束辐射处理后，测定种子萌发、植株生长及光合作用相关指标，并结合转录组数据分析基因表达谱的变化。结果表明，低剂量(60 Gy) 的碳离子束辐射对两品种均有促进作用，‘Br70’的萌发指数、鲜重分别较对照显著提升5.7%和7.9%；‘Br49’的干重显著提升了16.2%。随着辐射剂量的增加，两品种的发芽率、萌发指数、株高、生物量、存活率及Fv/Fm值均呈明显下降趋势，光合指标数据离散度与畸苗率升高。存活率线性回归分析显示，‘Br70’与‘Br49’的半致死剂量分别为807.2 Gy与398.2 Gy，这表明‘Br49’对辐射的敏感性更高。转录组分析显示，辐射组差异表达基因主要富集于解毒、抗氧化及苯丙烷生物合成等代谢通路。本研究证实碳离子束辐射对菜心种子萌发、植株生长和光合作用均存在不同程度的影响，且早熟品种较中熟品种更敏感，为菜心辐射育种提供了剂量阈值信息与品种选择的理论依据。

关键词: 碳离子束, 菜心, 辐射, 生物学效应, 半致死剂量, 品种敏感性, 转录组, 差异表达基因

Abstract:

This study aimed to investigate the biological effects of carbon ion beam irradiation on Chinese flowering cabbage (Brassica rapa var. parachinensis) of different maturity and the underlying molecular regulatory mechanisms. Using seeds of the mid-maturing cultivar Br70 and the early-maturing cultivar Br49 as test materials, they were irradiated with carbon ion beams at doses ranging from 60 to 480 Gy, after which germination, growth, and photosynthesis-related indices were measured, and transcriptome data were analyzed to characterize the gene expression profiles. The results showed that low-dose irradiation (60 Gy) had a promotive effect on both cultivars, with the germination index and fresh weight of Br70 increasing significantly by 5.7% and 7.9%, respectively, compared to the control, while the dry weight of Br49 increased significantly by 16.2%. With increasing radiation dose, the germination rate, germination index, plant height, biomass, survival rate, and Fv/Fm values of both cultivars showed a clear declining trend, accompanied by increased data dispersion in photosynthetic indices and a higher abnormal seedling rate. Linear regression analysis of survival rate indicated that the semi-lethal doses for Br70 and Br49 were 807.2 Gy and 398.2 Gy, respectively, demonstrating higher radiation sensitivity in Br49. Transcriptome analysis revealed that differentially expressed genes in the irradiated groups were primarily enriched in pathways related to detoxification, antioxidation, and phenylpropanoid biosynthesis. This study confirms that carbon ion beam irradiation exerts varying degrees of influence on the germination, growth, and photosynthesis of Chinese flowering cabbage, with early-maturing cultivars being more sensitive than mid-maturing ones, providing a theoretical basis for determining dose thresholds and selecting appropriate cultivars in radiation-induced mutation breeding of Chinese flowering cabbage.

Key words: carbon ion beam, Brassica rapa var. parachinensis, irradiation, biological effect, semi-lethal dose, cultivar sensitivity, transcriptome, differentially expressed genes

中图分类号:

S637.2

戚明蔚, 秦艺珊, 夭莹云, 赖紫欣, 骆善伟, 周利斌, 罗文龙. 碳离子束辐射菜心种子的生物学效应及转录组分析[J]. 中国农学通报, 2026, 42(15): 54-64.

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图/表 7

图1. 不同剂量碳离子束辐射对菜心种子发芽进程与萌发指数的影响 A：Br70的发芽情况，B：Br49的发芽情况，C：Br70的萌发指数，D：Br49的萌发指数；不同小写字母表示不同辐射剂量之间差异显著(P<0.05)。下同

图2. 不同剂量的碳离子束处理对菜心生长发育的影响 A：Br70的株高统计，B：Br49的株高统计，C：Br70的鲜重统计，D：Br49的鲜重统计，E：Br70的干重统计，F：Br49的干重统计，G：Br70的存活率及畸苗率，H：Br49的存活率及畸苗率

图3. 不同辐射剂量处理对菜心光合作用的影响 A：Br70最大光化学效率，B：Br49最大光化学效率，C：Br70相对叶绿素含量，D：Br49相对叶绿素含量

图4. 不同剂量碳离子束处理对Br70(A)和Br49(B)幼苗表型的影响图中白色线条为实际长度5cm的比例尺

图5. 不同剂量碳离子束辐射处理组的PCA分析(A、D)、DEGs数目统计(B、E)及维恩图(C、F)

图6. 不同辐射剂量下菜心差异表达基因的GO注释分类 A：Br70CK_vs_Br70L，B：Br70CK_vs_Br70H，C：Br49CK_vs_Br49L，D：Br49CK_vs_Br49H。1：细胞过程，2：代谢过程，3：生物调节，4：刺激反应，5：定位，6：信号，7：发展过程，8：多细胞生物过程，9：生殖，10：生殖过程，11：多生物过程，12：种间生物作用13：解毒，14：免疫系统过程，15：生长，16：节律过程，17：运动，18：行为，19：种内生物作用，20：碳利用，21：生物粘附，22：氮利用，23：色素沉积24：细胞解剖实体，25：胞内组分，26：蛋白复合物，27：结合，28：催化，29：转运体活性30：转录调节活性，31：结构分子活性，32：分子功能调节器，33：分子换能器活性，34：抗氧化活性，35：翻译调节器活性，36：营养储备库活性，37：分子换能器活性，38：蛋白折叠伴侣，39：小分子传感器活性，40：蛋白标签

图7. 不同剂量碳离子束辐射菜心的幼苗差异表达基因的KEGG富集分析 A：Br70CK_vs_Br70L，1：苯丙烷合成，2：植物-病原互作，3：MAPK信号通路，4：植物激素信号转导，5：α-亚麻酸代谢，6：角质、栓质和蜡质合成，7：类胡萝卜素合成，8：脂肪酸延伸，9：苯并唑类合成，10：亚油酸代谢，11：氰氨酸代谢，12：淀粉和蔗糖代谢，13：类单萜合成，14：粘多糖降解，15：鞘糖脂合成，16：二苯乙烯类、二芳基庚酸类和姜酚合成，17：硒代谢，18：氮代谢，19：类黄酮合成，20：甘油代谢；B：Br70CK_vs_Br70H，1：光合作用，2：光合碳固定，3：苯丙烷合成，4：卟啉和叶绿素代谢，5：氮代谢，6：光合天线蛋白，7：硫代葡萄糖苷合成，8：乙醛酸及二羧酸代谢，9：碳代谢，10：甘油脂代谢，11：ABC转运体，12：植物-病原互作，13：MAPK信号通路，14：色氨酸代谢，15：维生素B6代谢，16：角质、栓质和蜡质合成，17：植物激素信号转导，18：精氨酸合成，19：二苯乙烯类、二芳基庚酸和姜酚合成，20：异黄酮合成；C：Br49CK_vs_Br49L，1：MAPK信号通路，2：苯丙烷合成，3：植物-病原互作，4：类黄酮合成，5：花青素合成，6：黄酮及黄酮醇合成，7：淀粉和蔗糖代谢，8：硒代谢，9：醚脂质代谢，10：谷胱甘肽代谢，11：半胱氨酸和蛋氨酸代谢，12：类倍半萜烯和三萜合成，13：甘油代谢，14：氰胺酸代谢，15：泛醌和其他萜类醌合成，16：植物激素信号转导，17：氮代谢，18：异黄酮合成，19：甘油磷脂代谢，20：其他o -聚糖合成；D：Br49CK_vs_Br49H，1：苯丙烷合成，2：植物-病原互作，3：MAPK信号通路，4：淀粉和蔗糖代谢，5：硫代葡萄糖苷合成，6：类黄酮合成，7：谷胱甘肽代谢，8：植物激素信号转导，9：花青素合成，10：氨基糖和核苷酸糖代谢，11：氮代谢，12：戊糖和葡萄糖醛酸转化，13：二苯乙烯类、二芳基庚酸类和姜酚合成，14：ABC转运体，15：色氨酸代谢，16：类固醇合成，17：亚油酸代谢，18：苯并唑类合成，19：氰基氨基酸代谢，20：甘露糖o-聚糖生物合成

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