楊紅善，常根柱，包文生，柴小琴，周學(xué)輝

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅 蘭州730050；2.甘肅省航天育種工程技術(shù)中心，甘肅 天水741030；3.天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 天水741001）

紫花苜蓿（Medicago sativa）是多年生的優(yōu)良豆科牧草，具有優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，營養(yǎng)價值高，生產(chǎn)潛力大，適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，在我國西部半干旱地區(qū)具有十分重要的價值和地位，苜蓿產(chǎn)業(yè)被譽(yù)為“牛奶生產(chǎn)的第一車間”。按科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，用苜蓿干草飼喂奶牛，可使原料奶的乳蛋白率達(dá)到3.0%以上，乳脂率達(dá)到3.5%以上，這個指標(biāo)可以大大超過當(dāng)前的國家標(biāo)準(zhǔn)（2.75%），并與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌。

航天誘變育種是以高科技返回式衛(wèi)星為背景的新興育種方法，其目的是利用空間的特殊環(huán)境使種子產(chǎn)生變化，引起生物體染色體畸變，進(jìn)而導(dǎo)致生物體變異，獲得有益突變，在地面選育新種質(zhì)、新材料、培育新品種的植物育種技術(shù)［1－12］。航天育種具有變異頻率高、變異幅度大、有益變異多、穩(wěn)定性強(qiáng)，優(yōu)勢明顯等特點(diǎn)。航天誘變的機(jī)理是高真空、微重力、空間輻射及太空未知誘因的綜合作用；包括以下三方面：1）宇宙射線、高能離子、宇宙其他物質(zhì)照射種子胚芽→導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂重組→導(dǎo)致遺傳信號改變；2）航天器上升、回落、失重、失重時間、微重力改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)使得緊湊螺旋狀的染色體拉長→導(dǎo)致遺傳信號改變；3）其他許多太空未知誘因（正在研究）。航天誘變是一個多因素綜合作用的結(jié)果，是地面無法模仿的，具有其特殊性。

我國是世界上第三個掌握了返回式衛(wèi)星技術(shù)的3個國家（俄國、美國、中國）之一，在開展空間誘變研究方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，航天育種在我國自1987年開始嘗試性研究，經(jīng)過20多年的質(zhì)疑、艱辛、探索，至今已被廣大農(nóng)業(yè)工作者認(rèn)可，目前航天育種已在國內(nèi)形成一種大的趨勢快速向前發(fā)展。至今，已通過國家或省級鑒定的小麥（Triticum aestivum）、水稻（Oryza sativa）、辣椒（Capsicumspp.）、番茄（Lycopersicon esculentum）等農(nóng)作物、蔬菜品種72個。航天育種小麥6 185.7kg／hm2，比普通小麥4 698kg／hm2提高31%，航天育種大豆3 000 kg／hm2，比普通大豆1 737kg／hm2提高72%。國外主要集中在美國和俄羅斯，美國重點(diǎn)研究植物對引力的感受和反應(yīng)，最終開發(fā)適合太空旅游的植物；俄羅斯主要集中在太空環(huán)境對植物或細(xì)胞組織生長、發(fā)育及衰落過程中的影響。航天育種我國走在世界前列，我國的牧草航天誘變育種尚處于初始階段，主要集中于苜蓿品種的選育［13－16］。

采用高端的空間技術(shù)與常規(guī)農(nóng)業(yè)育種技術(shù)相結(jié)合，是一種具有創(chuàng)新型的育種研究。針對我國干旱面積較大、苜蓿品種單一、老品種產(chǎn)量低、質(zhì)量差、病蟲害發(fā)生嚴(yán)重的現(xiàn)狀，篩選或培育適應(yīng)性強(qiáng)、耐旱性強(qiáng)、抗寒、耐濕，而又高產(chǎn)的牧草品種，實(shí)為當(dāng)務(wù)之急［2］。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所于2009年與甘肅省航天育種工程技術(shù)中心（天水神舟綠鵬農(nóng)業(yè)科技有限公司）合作研究搭載于神舟三號飛船的4個紫花苜蓿品種：德寶、德福、三得利、阿爾岡金；目前，已建立2個紫花苜蓿航天搭載原始材料篩選圃（甘肅省航天育種工程技術(shù)中心和蘭州畜牧與獸藥研究所）和2個實(shí)驗(yàn)區(qū)（蘭州畜牧與獸藥研究所大洼山試驗(yàn)站和天水農(nóng)科所實(shí)驗(yàn)基地）。本研究以蘭州試驗(yàn)點(diǎn)2010年種植的航天誘變原始材料篩選圃為研究對象，主要從生長速度、多葉突變、葉面積3個農(nóng)藝指標(biāo)開展研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

4個航天搭載苜蓿材料：德寶（M.sativacv.Derby），以下簡寫為‘DB’；德福（M.sativacv.Deful），以下簡寫為‘DF’；三得利（M.sativacv.Sanditi），以下簡寫為‘S’；阿爾岡金（M.sativacv.Algonguin），以下簡寫為‘A’，由甘肅省航天育種工程技術(shù)中心提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料處理 2002年3月將4個精選紫花苜蓿種子每個分為2份，1份按要求密封搭載于神舟三號飛船，搭載時間為2002年3月25日－2002年4月1日，飛行高度為198～338km，傾角42.4°，繞地球108圈［3］；另1份作為地面對照（CK），稱為未搭載原種，地面低溫儲存。

1.2.2 材料種植 2010年4個搭載原始材料與地面對照未搭載原種，同時種植于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所蘭州試驗(yàn)地，形成蘭州航天誘變原始材料篩選圃（以下簡稱原始篩選圃），4個品種分4個小區(qū)種植，采用穴播，株距、行距各1m，單株做田間標(biāo)記。

1.2.3 田間觀察記載內(nèi)容 a）生育期：按草品種審定技術(shù)規(guī)程執(zhí)行，分為播種、出苗、分枝、孕蕾、開花、乳熟、成熟7個階段。

b）株高測定：標(biāo)記單株測定，測量從地面至植株的最高部位的絕對高度，于分枝期、孕蕾期、初花期、盛花期、結(jié)莢期測定。

c）莖葉比測定：在開花初期單株采樣，取鮮草0.5kg樣品，將莖和葉、花序按兩部分分開，待風(fēng)干后稱其重量，求其百分?jǐn)?shù)。

d）單株分枝數(shù)、葉面積及葉片數(shù)均在開花初期分別測定，葉面積測量單株第一孕蕾枝下的葉片。

2 結(jié)果與分析

2.1 成活率

德寶搭載當(dāng)代（SP1）種植96株，成活81株，成活率84.4%，未搭載對照成活率97.0%。德福搭載當(dāng)代（SP1）種植104株，成活97株，成活率93.3%，未搭載對照成活率98.0%。三得利搭載當(dāng)代（SP1）種植96株，成活72株，成活率75.0%，未搭載對照成活率96.0%。阿爾岡金搭載當(dāng)代（SP1）種植108株，成活91株，成活率84.3%，未搭載對照成活率98.0%。

蘭州篩選圃，2010年栽培結(jié)果：不同品種經(jīng)航天誘變后，成活率有差別，德福成活率最高93.3%，三得利成活率最低75.0%，表明航天誘變對植株死亡率的影響較大，植株死亡可能是由于基因變異導(dǎo)致生長發(fā)育過程中某關(guān)鍵物質(zhì)缺失所致，在輻射、化學(xué)等各種誘變中普遍存在。

2.2 生育期觀測記載

生育期按播種、出苗、分枝、孕蕾、開花、乳熟、成熟記載，蘭州篩選圃2010年栽培結(jié)果：4個搭載品種蘭州試驗(yàn)點(diǎn)于當(dāng)年4月5日播種，由于當(dāng)年蘭州春季氣溫較低，各品種出苗相對較遲，都于4月下旬出苗；5月底、6月初開始分枝；7月初進(jìn)入初花期，7月中旬進(jìn)入盛花期；9月中、下、旬成熟（表1）。第2年4月中旬返青，5月底開始孕蕾；6月中下旬進(jìn)入花期，7月底8月初成熟。

2.3 生長速度

2010年對初步選定的14株生長速度較快的單株分別在分枝期、孕蕾期、開花初期、開花盛期、結(jié)莢期測定株高，并計算日生長量，2011年繼續(xù)跟蹤觀測，種植當(dāng)年，刈割最佳時期初花期，株型好、株高高于對照10%以上的單株有10株，最高單株（DF－30）高于對照26.6%，DF－23、A－64均高于對照20%以上（表2）；日生長量高于對照10%以上的單株有3株，最高單株（DF－30）高于對照17.93%，其次單株DF－23和A－64分別高于對照16.84%和11.41%。2011年，刈割最佳時期初花期，株型好、株高高于對照20%以上的單株有4株，最高單株（DF－30）高于對照25%，DF－23、DF－57、DF－64均高于對照20%以上；日生長量高于對照10%以上的單株有12株，最高單株（A－77）高于對照52.48%和40%的單株有2株，高于30%的單株有2株。連續(xù)2年跟蹤觀測14個單株生長規(guī)律基本一致，個別存在差異，種植當(dāng)年可能屬于輻照生理損傷，一般以第2年觀測為準(zhǔn)，這14個單株可作為誘變速生集團(tuán)，為培育速生高產(chǎn)苜蓿新品種提供親本材料，其中 DF－23、DF－30、DF－57、DF－64、A－64單株株型緊湊、生長速度、日生長量明顯高于對照，且相對穩(wěn)定。

表1 生育期觀察表Table 1 Generational cycle observation 月－日 Month－day

2.4 多葉苜蓿

紫花苜蓿為三初復(fù)葉，常規(guī)栽培中出現(xiàn)多葉的機(jī)率很少，經(jīng)航天誘變之后出現(xiàn)各種多葉情況，發(fā)現(xiàn)以5，7葉居多，4，6葉的變異相對較少，極個別變異為8，9，10，11，12葉，航天誘變之后苜蓿葉片以奇數(shù)變異為主。

2.4.1 多葉苜蓿葉面積、分枝數(shù)及葉片數(shù) 2011年6月開花初期，在多葉突變原種田，對6株多葉突變株測定葉長、葉寬、分枝數(shù)、葉片數(shù)等指標(biāo)，多葉單株的葉面積略高于對照，個別單株（S－50）顯著高于對照；分枝數(shù)各單株之間差異較大，分枝數(shù)最多的單株（S－50）可達(dá)70枝，多于對照56枝；各多葉單株以三葉為標(biāo)準(zhǔn)計算，多葉單株使葉片增加率超過10%的有2株（S－30、S－39），增加率分別為11.00%和13.20%（表3）。

2.4.2 多葉單株莖葉比測定 6株多葉苜蓿，開花初期隨機(jī)選擇3株測定莖葉比，將莖和葉、花序按2部分分開，待風(fēng)干后稱其重量，求其百分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明，2010年3株多葉苜蓿單株莖葉總風(fēng)干重平均值30.59g，比對照（21.8g）增加了40.3%，2011年單株生物量較對照提高20%～30%；莖葉比2010年0.93比對照（1.20）減小22.5%，2011年0.76比對照（1.18）減小35.59%（表4），可見多葉苜蓿顯著增多了葉片數(shù)量，可以有效提高苜蓿的品質(zhì)質(zhì)量。

表2 速生單株不同生育期株高Table 2 Plant height in different generation

表3 多葉單株葉面積、分枝數(shù)及葉片數(shù)Table 3 The leaf area，leaf number and ramification number of multifoliator plant

表4 單株莖葉比測定Table 4 Ratio of stem to leaf

2.5 大葉單株

2011年開花初期測定葉面積，未搭載對照品種平均值葉長2.99cm，葉寬0.98cm，葉面積為2.11cm2；航天誘變后苜蓿最大值葉長5.2cm，葉寬3.0cm，葉面積最大為10.76cm2，比對照增大409.9%（約5倍）（表5）。誘變后葉面積增大率超過70%的有5株，增大率超過30%～70%的有6株，共計11株可作為大葉苜蓿集團(tuán)，為大葉苜蓿新品種選育提供親本材料。

表5 葉面積觀測表Table 5 The table of leaf area

2.6 白花苜蓿單株

蘭州原始篩選圃中發(fā)現(xiàn)1株花色為純白，葉片狹小，葉片數(shù)多，抗旱性強(qiáng)的突變單株，目前已通過扦插、種子種植在隔離區(qū)建立了航天誘變白花苜蓿原種田。

2.7 抗病單株

天水原始篩選圃中發(fā)現(xiàn)7株高抗病蟲害單株，主要蟲害為薊馬和蚜蟲，目前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展抗病單株篩選，并通過扦插和種子繁殖在高發(fā)病區(qū)。

3 討論

航天誘變是多因素綜合作用，且存在未知的誘變因素，因此，對作物的誘變方向具有不確定性，第一，可以創(chuàng)造出符合人類需要的有益變異，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明變異率因品種而異，約占1%～3%，經(jīng)過選擇可以創(chuàng)造有益的新種質(zhì)，培育新品種；第二，對植物不產(chǎn)生變異；第三，對植物產(chǎn)生不利的變異。一般認(rèn)為誘變后第一代植株發(fā)生變異，個別屬于生理損傷，有些可以穩(wěn)定遺傳給后代，有些僅局限于當(dāng)代，不能遺傳，再經(jīng)過三或四代的種植，基因組變異能穩(wěn)定地遺傳給后代，獲得表型和基因型變異均穩(wěn)定的突變株系［16］。紫花苜蓿經(jīng)航天誘變后，表現(xiàn)出較強(qiáng)的誘變效應(yīng)，Xu等［4］發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿誘變SP1代材料葉片的總氨基酸含量顯著增加，淀粉酶帶減少。任衛(wèi)波等［5］發(fā)現(xiàn)，誘變SP1代苜蓿幼苗根尖細(xì)胞分離指數(shù)、染色體畸變等方面表現(xiàn)出顯著的誘變效應(yīng)，同時發(fā)現(xiàn)誘變后苜蓿的株高、初次分枝數(shù)、單株生物量等農(nóng)藝經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)發(fā)生顯著變化［6］。馮鵬等［7］研究發(fā)現(xiàn)，種子含水量對誘變效應(yīng)具顯著影響，以含水量13%～15%為最佳。王密［8］發(fā)現(xiàn)苜蓿搭載當(dāng)代和二代種子的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率和鹽脅迫發(fā)芽率均無顯著變化，田間觀測發(fā)現(xiàn)，搭載后的苜蓿單株株高、分枝數(shù)、單株生物量鮮重、干重均出現(xiàn)不同程度的增加，差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），此結(jié)論與田間觀測結(jié)果基本一致。杜連瑩［9］對“實(shí)踐八號”搭載的8個苜蓿品種研究表明：SP1代根尖細(xì)胞的有絲分裂指數(shù)呈上升趨勢；測定發(fā)現(xiàn)搭載后的8個品種葉片內(nèi)POD活性均增強(qiáng)、可溶性蛋白含量均增高、葉片內(nèi)SOD活性均降低。張?jiān)聦W(xué)等［6］研究發(fā)現(xiàn)，同一批航天誘變的苜蓿不同品種，在發(fā)芽率、單株分枝數(shù)等性狀上存在差異，本研究發(fā)現(xiàn)誘變后株高變異：4個品種誘變后的平均株高總體上呈增加趨勢，但不同品種增大幅度存在差異，初花期株高高于對照20%的單株有4株，全為德福，總體株高誘變效率：德福＞德寶＞阿爾岡金＞三得利，這與任衛(wèi)波等［5］的研究規(guī)律基本相同。任衛(wèi)波等［5］研究搭載于第18顆返回式衛(wèi)星的3個紫花苜蓿品種：中苜一號、龍牧803、敖漢苜蓿，結(jié)果表明，衛(wèi)星搭載的生物學(xué)效應(yīng)因品種和時期而異，以株高正向變化為指標(biāo)，3個品種的誘變效率有差異。此結(jié)果可能是由不同紫花苜蓿品種間誘變敏感性的差異引起［10－12］，本研究認(rèn)為可能與品種自身的隱形基因誘變后被表達(dá)有關(guān)。不同品種葉片變異有所不同，多葉苜蓿以三得利最為顯著，由三初復(fù)葉變異為4，5，6，7，8，9葉，其中5葉居多，4，6葉的變異少，有2株變異為7～9葉，對照未出現(xiàn)多葉情況，可見航天誘變之后苜蓿葉片以奇數(shù)變異為主，這與大田中多葉變化情況基本相符。大葉苜蓿以德福最為顯著，篩選圃內(nèi)誘變后葉面積增大率超過對照70%的有5株，德福占4株；以往研究中未報道苜蓿搭載后有出現(xiàn)多葉和大葉的變異，本研究認(rèn)為：多葉突變體增多了葉片數(shù)量、大葉苜蓿增加了葉面積，都可以使莖葉比降低，葉量明顯增大，有效提高了苜蓿的品質(zhì)質(zhì)量。不同品種表現(xiàn)出不同的變異類型，可能因?yàn)楦髌贩N自身存在某些特異基因型在大田栽培種中不容易表達(dá)，而在航天誘變后得到表達(dá)，這些變異材料的遺傳穩(wěn)定性能否穩(wěn)定遺傳，有必要下一步在分子標(biāo)記和后續(xù)世代田間繼續(xù)觀察中進(jìn)行確認(rèn)。

4 小結(jié)

苜蓿航天誘變表現(xiàn)出較強(qiáng)的誘變效應(yīng)，變異頻率高、變異幅度大、有益變異多，變異類型基本符合苜蓿常見變異規(guī)律，但是集中了苜蓿多種有益變異類型于一起，節(jié)省了育種者搜集親本材料的時間和精力，縮短了育種的年限。

苜蓿航天誘變最明顯的變異是顯著提高了生物量，是苜蓿育種最有益之處，由于搭載當(dāng)代的某些性狀可能是由生理損傷或基因位點(diǎn)變異引起，因此變異材料的遺傳穩(wěn)定性有必要下一步在分子標(biāo)記和后續(xù)世代田間繼續(xù)觀察中進(jìn)行確認(rèn)。

不同品種經(jīng)航天誘變表現(xiàn)出不同的突變類型，德福以生長速度較為顯著、三得利以多葉變異較為顯著、德寶以葉面積增大較為顯著，可見航天誘變并非盲目、無規(guī)律變異，而與品種自身特性相關(guān)聯(lián)。

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