太空电离辐射时长对金莲花基因多态性的影响

龚佳梦，展 永，耿金鹏，曹天光，秦 垒，李 谨

(1.河北工业大学理学院，天津，300401；2.天津农学院工程技术学院，天津，300384)

随着空间技术的发展，太空诱变育种越发凸显其突变谱宽、变异频率高及育种周期短等优势。太空环境为高真空、微重力状态，充斥着带电粒子辐射、太阳电磁辐射、空间碎片与微流星体等空间干扰因素[1]，相比地面环境更加复杂多变。这些空间因素已被证实是一种非生物胁迫，会引起生物体的细胞染色体、遗传物质DNA及一系列生理生化的变化[2]，其中太空带电粒子的辐射效应一直是育种工作者重点关注的问题。

野生金莲花作为中药材需求量日益增大，供不应求，而借助太空辐射对金莲花进行诱变育种是提高其产量、优化其品质的有效途径之一，故本研究充分利用我国“天宫二号”空间实验室(以下简称“天宫”)与“神舟十一号”载人飞船(以下简称“神舟”)同轨对接的难得机遇，分别使用二者搭载种质相同的金莲花种子，并结合随机扩增多态性DNA(RAPD)技术，研究了在相同搭载轨道条件下，太空电离辐射的时长差异对金莲花所受辐射剂量及其基因多态性的影响。

1 实验

1.1 生物种子及搭载

实验用野生金莲花种子由河北美林园林绿化工程有限公司提供，其中搭载“天宫”的种子标记为SP2，搭载“神舟”的种子标记为SP11，相应搭载飞行时间分别为65天、33天，二者飞行时长相差32天。

1.2 太空电离辐射

本文仅分析太空带电粒子辐射对飞行器所搭载金莲花的影响。在低地球轨道空间，带电粒子辐射主要源于太阳粒子事件、银河宇宙射线以及由地球磁场捕获的高能电子和质子所形成的地球辐射带[3]。据中国科学院国家天文台太阳活动预报中心数据显示，“天宫”、“神舟”在轨运行期间无太阳粒子事件发生，故无需考虑该因素对本研究的影响。此外，由于大气层和地磁场的保护作用，近地空间轨道银河宇宙射线较少，所以该因素对本研究的影响也可忽略不计。因此，本研究中金莲花所受太空带电粒子辐射主要来自地球磁场捕获的高能电子及质子。

地球磁场是影响地球辐射带高能粒子空间强度和分布的决定性因素，其在地球上空1000 km高度以下形成较稳定分布。因“天宫”、“神舟”飞行轨道相同，故以近地点382 km和远地点391 km为监测点对飞行轨道地磁场强度进行分析。由国际地磁参考场(IGRF)模型[4]计算获得“天宫”、“神舟”运行轨道上近地点及远地点地球磁场强度分布，再基于地球辐射带，利用NASA编制的AP-8质子模型和AE-8电子模型[4-5]，计算出飞行器运行时所捕获带电粒子的能谱特征。为方便分析，再将“天宫”、“神舟”的结构简化为由若干层厚度均匀的铝板组成，设定每层铝板厚度为0.1 mm，基于轨道参数及在轨能谱数据，借助Shieldose2模型[6]利用太空辐射分析软件OMERE5.0计算出不同厚度铝板屏蔽后的飞行器舱内辐射屏蔽剂量。

1.3 太空搭载金莲花基因多态性研究

通过RAPD分子生物学实验进一步研究了SP2以及SP11的DNA分子水平的变化。田间种植SP2、SP11，采集其叶片保存于-80 ℃的冰箱中待用。采用植物基因组DNA提取试剂盒从叶片中提取金莲花基因组总DNA，经琼脂糖凝胶电泳和紫外分光光度计检测合格后用于聚合酶链式反应(PCR)实验。

筛选出20种10个碱基大小的随机引物(源自生工生物工程(上海)股份有限公司)用于金莲花随机多态性扩增。PCR反应使用Golden Easy PCR System试剂盒，反应体系计25 μL，组成为：DNA模板(200 ng/μL)2 μL，2X Reaction Mix(500 μM dNTP each，20 mM Tris-HCl(pH8.3)，100 mM KCl, 3 mM MgCl3，其他稳定剂和增强剂)12.5 μL，Golden DNA Polymerase(2.5 U/μl)0.2 μL，随机引物(10 μmol/L)2 μL，灭菌ddH2O 8.3 μL。PCR反应在EasyCycler Gradient 96型扩增仪上完成，扩增程序：94 ℃40 s，94 ℃20 s，35℃ 60 s，72 ℃60 s，45个循环；72 ℃延伸5 min。PCR扩增结果利用1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测并进行成像观察，按照有带记为“1”，无带记为“0”进行统计，获得多态性条带数后借助POPGENE32软件计算多态性比率。

2 结果与分析

2.1 太空搭载金莲花所受电离辐射剂量分析

“天宫”、“神舟”运行轨道上近地点及远地点地球磁场强度分布如图1所示。由图1可见，近地点382 km和远地点391 km处地球磁场强度分布范围分别为19 539.6～51 766.9 nT及19 473.5～51 544.4 nT，因此假设两飞行器运行轨道上地球磁场强度处处相同。此外，地球磁场强度随海拔高度的增加而有所减弱，并且南大西洋异常区的地球磁场强度较同纬度其它地区明显偏低。“天宫”与“神舟”对接组合飞行，飞行轨道经过地球内辐射带边缘和南大西洋异常区，在南大西洋异常区地球磁场呈现负磁异常，内辐射带在此区域高度降低，可低至距地面200 km高度处。

(a)近地点

(b)远地点

(a)“天宫”

(b)“神舟”

地球辐射带中的电子和质子是“天宫”和“神舟”轨道上主要辐射粒子。高能电子与飞行器屏蔽材料相互作用产生轫致辐射，但轫致辐射剂量低，对辐射总剂量贡献较小，由屏蔽产生的次级辐射和地球辐射带中电子和质子辐射是飞行器舱内辐射的主要来源。基于轨道参数及在轨能谱数据，根据Shieldose2模型利用太空辐射分析软件OMERE5.0模拟出“天宫”和“神舟”飞行器内辐射屏蔽剂量随等效铝板厚度的变化如图3所示，相应计算结果见表1。由图3可见，“天宫”和“神舟”舱内辐射总剂量、质子剂量、电子剂量均随等效铝屏蔽厚度的增加而降低；总剂量曲线与被捕获质子剂量曲线随屏蔽厚度变化趋势相近。表1所示计算结果表明，当等效铝屏蔽厚度大于13.5 mm时，两飞行器舱内电子辐射剂量基本为0，此时二者舱内辐射总剂量主要来源于质子辐射剂量。此外，当等效铝屏蔽厚度相同时，“天宫”舱内电子剂量、质子剂量、辐射总剂量都大于“神舟”舱内相应值，这表明在仅考虑地球辐射带电离辐射且忽略两飞行器结构和材料差异的前提下，SP2所受辐射总剂量高于SP11相应值。

(a)“天宫”

(b)“神舟”

表1 等效铝厚度与辐射屏蔽剂量

2.2 太空搭载金莲花基因多态性分析

20条随机引物对SP2、SP11随机扩增的统计结果见表2。以SP2为对照，得到142条稳定清晰条带，大小介于200～3000 bp之间，SP11、SP2二者相对多态性比率为36.62%。

表2 RAPD引物扩增结果

3 结语

基于地球辐射带辐射角度对航天器所受太空电离辐射进行分析，“天宫”与“神舟”运行轨道上地球磁场强度分布相同，二者所受辐射剂量主要由质子提供，航天器舱内屏蔽剂量即搭载金莲花所接受辐射总剂量，其中“天宫”搭载金莲花所受辐射总剂量大于“神舟”搭载金莲花相应值，表明在运行轨道相同的条件下，飞行器搭载的金莲花所受太空电离辐射总剂量随飞行时间的增加而增大，并且“神舟”搭载金莲花与“天宫”搭载金莲花相对多态性比率为36.62%，二者基因多态性呈现出明显差异。本研究以太空辐射时长差异为切入点，所得结论为太空诱变育种技术的推广应用提供了参考，同时太空搭载金莲花产生的变异植株也为金莲花新品种的培育提供了新的种质资源。