張玉，白史且，王曾珍，李達(dá)旭，鄧永昌

（四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都611731）

＊植物航天誘變育種又稱(chēng)航天育種或太空育種，是指利用返回式衛(wèi)星或熱氣球?qū)⒅参锓N子帶到太空，利用太空特殊的環(huán)境（宇宙射線(xiàn)、微重力、高真空、弱磁場(chǎng)等）對(duì)植物種子產(chǎn)生誘變，再返回地面選育新種質(zhì)、新材料，培育新品種的育種技術(shù)。植物航天誘變育種具有變異頻率高，變異幅度大、變異譜廣，易發(fā)生單一性狀變異、穩(wěn)定快速、育種周期縮短、突變體的遺傳穩(wěn)定性好等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因而備受育種工作者的青睞。

我國(guó)航天育種起步于20世紀(jì)60年代，1987年我國(guó)首次利用FSW－O返回式衛(wèi)星搭載植物種子，拉開(kāi)了中國(guó)空間誘變育種的序幕。到目前共搭載了糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、花卉、微生物菌株等800多個(gè)品種，占世界各國(guó)航天誘變育成品種總數(shù)的30%左右［1－8］，植物航天誘變育種已成為我國(guó)相對(duì)獨(dú)立且有效的育種手段，運(yùn)用這一技術(shù)已成功選育出小麥（Triticumaestivum）、水稻（Oryzasativa）、棉花（Gossypiumspp.）、大豆（Glycinemax）、青椒（Capsicumfrutescens）、油菜（Brassicanapus）、番茄（Solanumlycopersicum）、黃瓜（Cucumissativus）、西瓜（Citrulluslanatus）、大蔥（Alliumfistulosum）等農(nóng)作物新品種或新品系［9］。近年來(lái)在牧草和草坪草方面，航天誘變育種發(fā)展迅速，用衛(wèi)星搭載的品種有紅豆草（Onobrychisviciaefolia）、苜蓿（Medicagosativa）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、冰草（Agropyroncristatum×A.Desertorumcv.Mengnong）、野牛草（Buchloe）、胡枝子（Lespedezabicolor）、新麥草（Psathyrostachys）、草地早熟禾（Poaspp.）、結(jié)縷草（Zoysiajaponica）、狗牙根（Cynodondactylon）、假儉草（Eremochloaophiuroides）和高羊茅等（Festucaarundinacea）［10－14］，并對(duì)搭載材料的形態(tài)學(xué)、物候期、細(xì)胞學(xué)、生理生化和分子水平的變異進(jìn)行了研究，通過(guò)空間誘變已獲得很多寶貴的突變材料，從中選育出了一批優(yōu)良品種，空間誘變育種作為一種新的育種途徑已受到國(guó)內(nèi)外遺傳育種界的重視［15］。

菊苣（Cichoriumintybus）具有適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、再生快、營(yíng)養(yǎng)豐富、適口性好、產(chǎn)草量高、用途多等優(yōu)良特性，是一個(gè)具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開(kāi)發(fā)潛力的新興優(yōu)質(zhì)飼料作物，得到廣泛贊譽(yù)［16］。但菊苣品種單一，在南方高溫高濕季節(jié)生長(zhǎng)速度緩慢，還易發(fā)生軟腐病，抗旱耐鹽堿能力差等缺點(diǎn)，限制了它更為廣泛的應(yīng)用，為此，我們對(duì)菊苣單株種子進(jìn)行了航天搭載，并對(duì)誘變種子SP1代的生物學(xué)特性進(jìn)行了初步研究，以期為菊苣突變體的創(chuàng)制、種質(zhì)改良和品種選育提供中間材料和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

2份普那菊苣單株種子（用SAG0001和SAG0002表示）于2008年10月15日17時(shí)10分在中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)17 d的軌道運(yùn)行返回地面，軌道高度距地面在200～300 km，艙內(nèi)溫度為10～30℃，真空度為10－9～10－5Pa，微重力為10－3～10－5g，2份材料分別命名為SAG0001和SAG0002，以未經(jīng)搭載的普那菊苣種子為對(duì)照。

1.2 方法

1.2.1 種子發(fā)芽試驗(yàn) 各取100粒搭載和未搭載的種子，播種于直徑為80 mm的培養(yǎng)皿內(nèi)，采用紙上（TP）發(fā)芽床，于25℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，5 d計(jì)算發(fā)芽數(shù)（以子葉外露長(zhǎng)度超過(guò)種子大小的50%以上為發(fā)芽），10 d發(fā)芽結(jié)束，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，重復(fù)3次，結(jié)果以其平均值表示。發(fā)芽指數(shù)（GI）按下列公式計(jì)算：GI＝∑（Gt／Dt），Gt為在t日內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.2.2 幼苗根系生長(zhǎng)試驗(yàn) 在統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率的過(guò)程中，每天記錄根長(zhǎng)變化、根的生長(zhǎng)速度以及比較根的形態(tài)變化，直至發(fā)芽試驗(yàn)第12天為止。

1.2.3 幼苗莖葉和根系鮮重試驗(yàn) 在發(fā)芽試驗(yàn)的第12天，對(duì)每處理隨機(jī)抽取30株幼苗，剪下幼苗的莖葉和根系，用濾紙吸干表面水分后稱(chēng)鮮重。

1.2.4 田間農(nóng)藝性狀觀(guān)察 在新津試驗(yàn)基地用種子進(jìn)行育苗，3葉期進(jìn)行移栽，株行距35 cm×40 cm，每隔10行設(shè)一對(duì)照，處理群體共500株，大田常規(guī)管理。主要觀(guān)測(cè)物候期、基部第4片成熟葉長(zhǎng)和葉寬、抽薹期基莖粗、株高、分枝數(shù)、生殖枝數(shù)、小花數(shù)等。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL和SPSS等分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)變化

航天誘變對(duì)菊苣種子發(fā)芽有顯著的影響，經(jīng)過(guò)搭載后，材料SAG0001發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)都顯著降低，分別為7.33%和7.84%，是對(duì)照（分別為62.67%和64.33%）材料的1／10，而材料SAG0002的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)都較對(duì)照稍高，分別為66.33%和71.34%。2份材料搭載后發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)變化不一致，可能是太空綜合環(huán)境因素影響了種子活力，對(duì)SAG0001起到了明顯的抑制作用，對(duì)SAG0002起到了極大的促進(jìn)作用。

2.2 幼苗根和莖葉生長(zhǎng)變化

航天搭載后SAG0001在發(fā)芽不同時(shí)期的主根長(zhǎng)度與對(duì)照接近，并在第12天超過(guò)了對(duì)照；而SAG0002的根系長(zhǎng)度則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)照，主根長(zhǎng)度是對(duì)照的1.4倍（圖1）。

航天搭載材料SAG0001的根系鮮重接近對(duì)照值，而SAG0002的根系鮮重超過(guò)了對(duì)照；并且2份航天材料的莖葉鮮重都遠(yuǎn)高于對(duì)照值，SAG0001的莖葉鮮重是對(duì)照的1.43倍，而SAG0002的莖葉鮮重更是對(duì)照的1.46倍（圖2）。

圖1 航天誘變對(duì)幼苗根系生長(zhǎng)的影響Fig.1 The effects on seedling root growth of C.intybus by space mutagenesis

圖2 航天誘變對(duì)幼苗莖葉和根系的影響Fig.2 The effects on the seedling leaf and root of C.intybus by space mutagenesis

2.3 田間農(nóng)藝性狀觀(guān)測(cè)

2.3.1 物候期觀(guān)測(cè) 分別對(duì)航天誘變的2份材料進(jìn)行物候期觀(guān)測(cè)，結(jié)果表明航天搭載前后菊苣物候期差異不明顯（表1）。

表1 航天誘變材料物候期觀(guān)測(cè)Table 1 Phenology observations of space mutagenesis materials （年.月.日Year.month.day）

2.3.2 葉片生長(zhǎng)變化 經(jīng)航天誘變后的2份材料，葉片長(zhǎng)生長(zhǎng)曲線(xiàn)與對(duì)照相似，都是慢快慢的生長(zhǎng)趨勢(shì)。2月中旬到4月中旬SAG0001葉片生長(zhǎng)速度快于SAG0002和對(duì)照，蓮座后期到抽薹期SAG0002葉片生長(zhǎng)速度快于SAG0001和對(duì)照，在此之前2份搭載材料葉片生長(zhǎng)速度都快于對(duì)照，抽薹到開(kāi)花期間SAG0001葉片生長(zhǎng)速度顯著下降，明顯低于對(duì)照和SAG0002。從整個(gè)葉片平均長(zhǎng)度來(lái)看，SAG0002和SAG0001差異不顯著，分別為31.79和32.94 cm，都稍長(zhǎng)于對(duì)照的29.17 cm（圖3）。

2份航天搭載材料葉片寬度較對(duì)照寬，生長(zhǎng)前期SAG0001葉片寬度高于SAG0002，但生長(zhǎng)后期SAG0002葉片寬度顯著高于SAG0001。SAG0001、SAG0002和對(duì)照葉片寬度總平均分別為7.81，9.52和5.71 cm（圖4）。

圖3 航天誘變對(duì)普那菊苣葉長(zhǎng)的影響Fig.3 The effects on the leaf length of C.intybus cv.Puna by space mutagenesis

圖4 航天誘變對(duì)普那菊苣葉寬的影響Fig.4 The effects on the leaf width of C.intybus cv.Puna by space mutagenesis

2.3.3 株高變化 2份航天材料生長(zhǎng)的速度均超過(guò)了對(duì)照，而SAG0001在生長(zhǎng)前、中期表現(xiàn)較好，SAG0002則在生長(zhǎng)后期表現(xiàn)更為突出。SAG0001、SAG0002和對(duì)照總的平均株高分別為77.58，72.70和58.26 cm。

2.3.4 基莖粗的變化 2份航天誘變材料的基莖粗都較對(duì)照略低，且SAG0002相對(duì)于材料SAG0001表現(xiàn)更好。SAG0001、SAG0002和對(duì)照總的平均莖粗分別為2.08，2.17和2.26 cm（圖6）。

2.3.5 生殖生長(zhǎng)變化 主要對(duì)生殖生長(zhǎng)的分枝數(shù)、生殖枝數(shù)和小花數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，2份航天誘變材料的分枝數(shù)、生殖枝數(shù)和小花數(shù)都顯著高于對(duì)照，其中以SAG0002表現(xiàn)尤為突出（表2）。

3 討論與結(jié)論

草種由于具有質(zhì)量輕、體積小、包裝簡(jiǎn)單、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，種子搭載后不僅可以探索空間條件對(duì)生物影響的機(jī)理，為人類(lèi)開(kāi)拓空間資源提供理論依據(jù)，而且草類(lèi)植物主要是以收獲和利用營(yíng)養(yǎng)器官為主，相對(duì)于以收獲籽實(shí)為主的農(nóng)作物而言，可能更易在太空條件引起變異，通過(guò)搭載后可能選育出性狀更突出更優(yōu)異的新品系。

圖5 航天誘變對(duì)普那菊苣株高的影響Fig.5 The effects on the height of C.intybus cv.Puna by space mutagenesis

圖6 航天誘變對(duì)普那菊苣基莖粗的影響Fig.6 The effects on base stem diameter of C.intybus cv.Puna by space mutagenesis

航天搭載菊苣SP1代研究結(jié)果表明，SAG0001發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和莖基部粗明顯低于對(duì)照，根系生長(zhǎng)速度、根系鮮重與對(duì)照相當(dāng)，根系生長(zhǎng)速度、葉片長(zhǎng)和寬、株高和生殖生長(zhǎng)等方面都優(yōu)于對(duì)照，SAG0001群體形態(tài)綜合表現(xiàn)較好；而SAG0002群體除莖基部粗性狀外，其余性狀都優(yōu)于對(duì)照，形態(tài)學(xué)性狀綜合最好，其特征為植株高大、單株分枝數(shù)多、基莖較粗、生殖枝和小花數(shù)多，從研究結(jié)果可以初步表明航天搭載從總體上對(duì)菊苣地上部性狀起到一定的促進(jìn)作用，SAG0002綜合性狀較SAG0001好。說(shuō)明航天誘變受到空間微重力、宇宙中高能粒子、宇宙射線(xiàn)等因素的綜合影響，表現(xiàn)出更大的變異。這與前人認(rèn)為的生物材料在高空飛行中發(fā)生突變不是單一因素的作用，而是空間多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果一致［18－21］。

本研究只從形態(tài)方面對(duì)航天誘變材料的變異進(jìn)行了對(duì)比分析，不能確定其變異是環(huán)境因素引起的，還是遺傳物質(zhì)引起的，因此，要確定其變異是遺傳的，還需利用分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)一步明確航天搭載材料遺傳物質(zhì)變異的真實(shí)性；明確了遺傳的真實(shí)性后，還應(yīng)篩選有明顯變異的個(gè)體，研究突變性狀遺傳規(guī)律，并加以利用。

表2 航天誘變對(duì)普那菊苣分枝數(shù)、生殖枝數(shù)和小花數(shù)的影響Table 2 The effects of number on branches，reproductive branches and florets of C.intybus cv.Puna by space induction

致謝：中國(guó)航天育種中心為本研究提供了搭載條件，在此衷心感謝。

［1］ Mei M T，Qiu Y，He Y，etal.Mutational effects of space night onZeamaysseeds［J］.Advances in Space Research，1994，14（10）：33－39.

［2］ 賈建航，王斌.空間誘變育種研究進(jìn)展［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，1999，13（3）：187－192.

［3］ 李培夫.航天誘變育種技術(shù)在作物育種上的應(yīng)用［J］.種子科技，2006，（1）：35－37.

［4］ 王俊敏，魏力軍，駱榮艇，等.航天技術(shù)在水稻誘變育種的應(yīng)用研究［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2004，18（4）：252－256.

［5］ 方金梁，鄒定斌，周永勝，等.航天誘變選育高產(chǎn)蛋白質(zhì)水稻新品種［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2004，18（4）：280－283.

［6］ 李能芳，張倫德，陳安全.番茄種子經(jīng)衛(wèi)星搭載后的變異初探［J］.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，15（2）：229－232.

［7］ 孫振元，韓蕾，彭鎮(zhèn)華.空間誘變育種技術(shù)及其在園林植物種質(zhì)創(chuàng)新中的應(yīng)用［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2005，19（6）：485－489.

［8］ 李水風(fēng)，汪炳良，管學(xué)玉，等.衛(wèi)星搭載處理對(duì)辣椒萌發(fā)過(guò)程中抗氧化酶活性的影響［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2006，20（3）：205－207.

［9］ 王呈祥，白志良.航天育種－我國(guó)農(nóng)業(yè)科技革命的新路［J］.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003，31（3）：92－96.

［10］ 徐云遠(yuǎn)，賈敬芬，牛炳韜.空間條件對(duì)3種豆科牧草的影響［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16（增刊）：136－141.

［11］ 韓蕾，孫振元，錢(qián)永強(qiáng)，等.神州三號(hào)飛船對(duì)草地早熟禾生物學(xué)特性的影響［J］.草業(yè)科學(xué)，2004，21（4）：17－19.

［12］ 胡化廣，劉建秀，郭海林.我國(guó)植物空間誘變育種及其在草類(lèi)植物育種中的應(yīng)用［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2006，15（1）：15－21.

［13］ 張彥芹，賈煒瓏，楊麗莉，等.60Co輻射高羊茅性狀變異研究［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14（4）：65－71.

［14］ 宣繼萍，郭愛(ài)桂，劉建秀，等.狗牙根輻射誘變后代外部性狀變異分析［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14（6）：107－111.

［15］ Duther F R，Hess E L，Halstead R W.Progress in plant research in space［J］.Advances in Space Research，1994，14（8）：159－162.

［16］ 張琪，陳麗萍，陳立勛.高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料作物一菊苣的開(kāi)發(fā)與利用［J］.黑龍江畜牧獸醫(yī)，2003，（11）：51.

［17］ 王文恩，張俊衛(wèi)，包滿(mǎn)珠.60Co－γ射線(xiàn)對(duì)野牛草干種子的刺激生長(zhǎng)效應(yīng)［J］.核農(nóng)學(xué)報(bào)，2005，19（3）：191－194.

［18］ 陳積山，張?jiān)聦W(xué)，唐鳳蘭.我國(guó)草類(lèi)植物空間誘變育種研究［J］.草業(yè)科學(xué)，2009，26（9）：173－177.

［19］ 胡化廣，劉建秀，郭海林.我國(guó)植物空間誘變育種及其在草類(lèi)植物育種中的應(yīng)用［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2006，15（1）：15－21.

［20］ 劉錄祥，鄭企成.空間誘變與作物改良［A］.中國(guó)核情報(bào)中心.中國(guó)核科技報(bào)告［M］.北京：原子能出版社，1997：1－10.

［21］ Planel H，Ganbin Y，Pianezzi B，etal.Space environment factors affecting response to radiation at the cellular level［J］.Advances in Space Research，1989，9（10）：157－160.

［22］ 張?zhí)N薇，任衛(wèi)波，韓建國(guó)，等.紅豆草空間誘變突變體葉片同工酶及細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)分析［J］.草地學(xué)報(bào)，2004，12（3）：223－226.