柴小琴，張建華，鄭宇宇

(1.甘肅省航天工程生物育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 天水 741030； 2.天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 天水 741001；3.甘肅省航天育種工程技術(shù)研究中心，甘肅 天水 741030)

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航苜1號(hào)航天二次搭載SP1代的農(nóng)藝性狀變異

柴小琴1,2，張建華1，鄭宇宇3

(1.甘肅省航天工程生物育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 天水 741030； 2.天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 天水 741001；3.甘肅省航天育種工程技術(shù)研究中心，甘肅 天水 741030)

本研究以航天二次搭載的航苜1號(hào)紫花苜蓿(Medicagosativacv. Hangmu No.1)種子種植而成的當(dāng)代(SP1)試驗(yàn)材料(HY2)為研究對(duì)象，通過(guò)與未搭載的航苜1號(hào)種植材料(CK)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行比較，分析了航天二次搭載對(duì)航苜1號(hào)產(chǎn)生的誘變效應(yīng)。初步結(jié)果表明，二次搭載的航苜1號(hào)，其平均株高、分枝數(shù)和多葉率顯著高于對(duì)照(P<0.05)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生長(zhǎng)勢(shì)；多葉株較對(duì)照減少，7葉株顯著增多(P<0.05)，出現(xiàn)了5株7葉率在60%以上的7葉株；5葉株較對(duì)照減少，5葉率在60%以上的5葉株較對(duì)照顯著增加(P<0.05)，誘變效應(yīng)明顯，有益變異增多。該研究將為苜蓿品種的進(jìn)一步改良提供有效的選育途徑及優(yōu)良的種質(zhì)資源。

航苜1號(hào)；航天二次搭載；多葉率；7葉株；5葉株

航天誘變育種是以返回式衛(wèi)星或飛船搭載為背景的新興育種方法，其目的是利用空間的特殊環(huán)境使農(nóng)作物種子自身基因產(chǎn)生突變，根據(jù)獲得的有益突變，在地面選育新種質(zhì)、新材料、培育新品種。我國(guó)是世界上掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的3個(gè)國(guó)家(俄國(guó)、美國(guó)、中國(guó))之一，在開展空間誘變研究方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，研究水平位居世界前列。目前，我國(guó)利用航天育種技術(shù)已經(jīng)培育出80多個(gè)農(nóng)作物新品種，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。牧草航天誘變育種起步較晚，主要集中在紫花苜蓿(Medicagosativa)的選育上[1-10]。2002年，4個(gè)紫花苜蓿品種(德福、德寶、阿爾岡金、三得利)搭載“神舟3號(hào)”飛船進(jìn)行太空誘變，2003年從以上經(jīng)過(guò)誘變的材料中篩選出5葉性狀明顯的變異株作為親本，選育出以5葉為主的多葉型紫花苜蓿新品種航苜1號(hào)，該品種2013年通過(guò)了甘肅省草品種委員會(huì)審定[2]。以上研究表明，紫花苜蓿太空誘變后表現(xiàn)出較強(qiáng)的誘變效果，不僅變異頻率高、變異幅度大、有益變異多而且不同品種表現(xiàn)出不同的變異類型，其中最有益的變異是增加了生物量，葉片由三出復(fù)葉變異為4～9葉，其中以5葉變異居多，4、6葉較少，7葉很少，8、9葉極少[5]。為了進(jìn)一步探討和研究空間特殊環(huán)境對(duì)多葉型苜蓿的誘變效應(yīng)，本研究將航苜1號(hào)進(jìn)行航天二次搭載，以期通過(guò)地面多葉性狀的變異研究，獲得更加優(yōu)良的種質(zhì)資源和親本材料。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

多葉型紫花苜蓿新品種航苜1號(hào)，是以搭載于“神舟3號(hào)”飛船的4個(gè)紫花苜蓿品種(德福、德寶、阿爾岡金、三得利)的誘變種子為基礎(chǔ)材料，以三得利中5葉性狀明顯的3株變異單株為親本材料，經(jīng)連續(xù)4代單株優(yōu)選、混合選擇選育而成。該品種的主要特點(diǎn)：多葉率高(以5葉為主)，多葉枝條率為84.99%，復(fù)葉多葉率為41.5%，葉含量50.36%，粗蛋白質(zhì)含量20.08%，干草產(chǎn)量15 529.9 kg·hm-2，植株高度、葉片數(shù)量、營(yíng)養(yǎng)枝條、草產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)成分等均高于對(duì)照三得利品種；經(jīng)SRAP分子標(biāo)記檢測(cè)，多葉性狀穩(wěn)定遺傳；通過(guò)多代種植，各種農(nóng)藝性狀也穩(wěn)定遺傳，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1材料處理精選航苜1號(hào)種子兩份，一份在地面常溫下保存，稱為未搭載原材料，作為地面對(duì)照“CK”；另一份于2013年6月11日17時(shí)38分，搭載“神舟十號(hào)”飛船在軌飛行15 d，2013年6月26日，返回艙返回地面。誘變后的種子種植當(dāng)代稱作SP1代，種植而成的試驗(yàn)材料簡(jiǎn)稱“HY2”。

1.2.2材料種植2014年3月初，將HY2及CK種子在冬暖棚內(nèi)穴盤育苗，每穴1粒。4月下旬移植田間。行距60 cm，株距30 cm，栽培管理相同，各保留230株用于試驗(yàn)。HY2進(jìn)行單株標(biāo)記，并對(duì)應(yīng)標(biāo)記號(hào)建立單株檔案，整個(gè)生育期進(jìn)行觀測(cè)記載。

1.2.3田間農(nóng)藝性狀調(diào)查項(xiàng)目及方法

株高：分別在分枝期、現(xiàn)蕾期、開花期、結(jié)莢期和成熟期隨機(jī)抽取30株逐株測(cè)定，重復(fù)3次，取均值，測(cè)量范圍從地面至植株的最高處。

分枝數(shù)：于現(xiàn)蕾期(6月2日)隨機(jī)抽取30株逐株測(cè)量距地表3～5 cm的枝條數(shù)，重復(fù)3次，取均值。

多葉：普通苜蓿的葉子為三出羽狀復(fù)葉，由3片小葉片和葉柄構(gòu)成，將多于3個(gè)小葉片構(gòu)成的復(fù)葉統(tǒng)稱為“多葉”[4]；于現(xiàn)蕾期(6月2日)觀測(cè)記載復(fù)葉分類、不同復(fù)葉數(shù)量、多葉總數(shù)；每個(gè)復(fù)葉按小葉片數(shù)進(jìn)行復(fù)葉分類，由5片小葉片和葉柄構(gòu)成的復(fù)葉，簡(jiǎn)稱“5葉”，由7片小葉片和葉柄構(gòu)成的復(fù)葉，簡(jiǎn)稱“7葉”，其它等同。

多葉率：包括單株多葉率及HY2多葉率的測(cè)定。每株多葉占總復(fù)葉數(shù)的百分比，即為單株多葉率、5葉占總復(fù)葉數(shù)的百分比，簡(jiǎn)稱“5葉率”；7葉占總復(fù)葉數(shù)的百分比，簡(jiǎn)稱“7葉率”。于現(xiàn)蕾期(6月2日)隨機(jī)抽取30株逐株測(cè)定多葉率，重復(fù)3次，取平均值。

多葉株：把多葉率在5%以上的單株計(jì)為多葉株，其余計(jì)為普通株。優(yōu)先將多葉株中7葉率在30%以上的多葉株選出，簡(jiǎn)稱為“7葉株”，其余多葉株中5葉率在30%以上的多葉株簡(jiǎn)稱“5葉株”；多葉株率為多葉株占總株數(shù)的百分比。于現(xiàn)蕾期(6月2日)隨機(jī)抽取30株逐株測(cè)定多葉株，重復(fù)3次，取平均值。

7葉株、5葉株區(qū)間統(tǒng)計(jì)：于現(xiàn)蕾期(6月2日)按7葉率及5葉率在<40%、40%～60%、>60% 3個(gè)等級(jí)對(duì)7葉株及5葉株進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)。

2　結(jié)果與分析

2.1株高與分枝

不同生育期HY2的平均株高均顯著高于CK(P<0.05)，增長(zhǎng)幅度隨植株的生育期延長(zhǎng)而逐漸下降，分枝期最高，高于CK 34.27%，成熟期最低，高于對(duì)照7.98%；HY2的平均單株分枝數(shù)比CK多31.58%，兩者間差異極顯著(P<0.01)(表1)。結(jié)果表明，航天二次搭載對(duì)航苜1號(hào)紫花苜蓿的株高和單株分枝數(shù)有較大的影響，整個(gè)生育期表現(xiàn)出較強(qiáng)的生長(zhǎng)勢(shì)。

表1　HY2和CK不同生育期株高及現(xiàn)蕾期分枝數(shù)比較Table 1　Comparison on plant height in different growth stages and ramification number in tasseling stage of HY2 and CK

注：“*”和“**”表示同一指標(biāo)HY2與CK間差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。下同。

Nole： * and ** show significant difference of the same parameter between HY2and CK at 0.05 and 0.01 levle, respectively.

2.2多葉株

多葉株株數(shù)HY2較CK減少了2.79%，普通株株數(shù)較CK增加了27.64%，5葉株株數(shù)HY2較CK減少了9.51%，3個(gè)指標(biāo)HY2與CK間差異均不顯著(P>0.05)；7葉株株數(shù)HY2是CK的3.01倍(P<0.05)(表2)。

表2　HY2和CK多葉株株數(shù)比較Table 2　Comparison on number of multifoliate plants of HY2 and CK

2.3多葉率

HY2平均單株復(fù)葉數(shù)、單株多葉數(shù)、多葉率均極顯著高于CK(P<0.01)，多葉率較CK增加了29.46%(表3)。

2.47葉株數(shù)及5葉株數(shù)

HY2的7葉率在40%～60%的7葉株占總株數(shù)的55.56%，明顯高于CK的(16.67%)，出現(xiàn)了7葉率大于60%的7葉株5株，均明顯大于對(duì)應(yīng)的CK的7葉率范圍的7葉株株數(shù)(P>0.05)(表4)。HY2中5葉株的5葉率向兩級(jí)分化，與CK相比，5葉株雖減少，但差異不顯著(P>0.05)；HY2的5葉率在40%～60%的5葉株株數(shù)較CK顯著減少(P<0.05)，5葉率大于60%的5葉株株數(shù)較CK顯著增多(P<0.05)(表4)。將多葉率大于60%的7葉株及5葉株列為重點(diǎn)研究對(duì)象，2014年12月移至隔離區(qū)做進(jìn)一步研究。

表3　HY2和CK多葉率的比較Table 3　Comparison onmultifoliate ratio of HY2 and CK

3　討論

紫花苜蓿航天誘變表現(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，變異不僅基本符合紫花苜蓿常見變異規(guī)律，而且集中了紫花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(shí)間和精力，縮短了育種年限[1-3]。紫花苜蓿航天誘變最明顯的變異是顯著提高了生物量，是紫花苜蓿育種最有益之處[4]。株高及分枝是影響牧草產(chǎn)量的重要因素，同等條件下，生長(zhǎng)速度快、分枝強(qiáng)的牧草產(chǎn)量及生物量高。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)出顯著的誘變效益[6-7]，同時(shí)發(fā)現(xiàn)誘變后的苜蓿株高顯著增加、初次分枝數(shù)減少、單株生物量增多。本研究表明，航苜1號(hào)苜蓿太空二次誘變后的株高和分枝數(shù)也顯著增加，這與任衛(wèi)波等[6-7]的發(fā)現(xiàn)基本一致。同一批航天誘變的苜蓿品種不同，在發(fā)芽率、單株分枝數(shù)等性狀上存在差異[8]，在航天搭載的4個(gè)紫花苜蓿品種(德福、德寶、阿爾岡金、三得利)中，不同品種葉片變異有所不同，多葉苜蓿以三得利最為顯著，由三出復(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，誘變之后苜蓿葉片以奇數(shù)變異為主[4]。本研究發(fā)現(xiàn)，航苜1號(hào)多葉型紫花苜蓿航天二次搭載當(dāng)代，平均多葉率增高，以復(fù)出7葉為主的多葉苜蓿顯著增多，出現(xiàn)了7葉率大于60%的多葉單株5株，而對(duì)照中未出現(xiàn)。5葉率大于60%的多葉單株較對(duì)照顯著增加，這為高品質(zhì)優(yōu)良品種的選育提供了可能，本研究認(rèn)為，這可能是二次誘變使多葉品種的隱形基因得到了進(jìn)一步表達(dá)。本研究還發(fā)現(xiàn)，航苜1號(hào)二次搭載后，多葉株發(fā)生變化，普通株比對(duì)照增加，多葉株減少，但差異不顯著。以復(fù)出5葉為主的多葉率向兩級(jí)分化，這種現(xiàn)象可能是由于搭載當(dāng)代多葉性狀生理?yè)p傷或基因位點(diǎn)變異引起的，需通過(guò)分子檢測(cè)做進(jìn)一步研究。本次研究中獲得的有益變異材料的遺傳穩(wěn)定性能否穩(wěn)定遺傳，有必要在分子標(biāo)記和后續(xù)世代田間繼續(xù)觀察中進(jìn)行確認(rèn)。

表4　HY2和CK具有不同7葉率的7葉株株數(shù)和5葉率的5葉株株數(shù)比較的比較Table 4　Comparison on number of 7 leaflets plant with different 7 leaflet rates and 5 leaflets plants with different 5 leaflet rates of HY2 and CK

4　結(jié)論

1)太空誘變所產(chǎn)生的變異開始出現(xiàn)在SP1代群體中。本研究表明，經(jīng)過(guò)二次搭載之后的SP1代紫花苜蓿植株在形態(tài)指標(biāo)上表現(xiàn)出與首次搭載植株間有差異，其株高、分枝數(shù)、多葉率顯著優(yōu)于對(duì)照。

2)航天二次搭載不僅對(duì)多葉苜蓿的生長(zhǎng)速度、分枝性、多葉性狀有影響，還增多了多葉突變體的葉片數(shù)量，葉量明顯增大，有益突變體進(jìn)一步增加，為苜蓿品種的進(jìn)一步改良提供了優(yōu)良的種質(zhì)資源。

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(責(zé)任編輯武艷培)

Research on the variation of ‘Hangmu 1’ agronomic characters in SP1generation by re-onboard in space

Chai Xiao-qin1,2, Zhang Jian-hua1, Zheng Yu-yu3

(1.Key Laboratory of Aerospace Engineering Bio-Breeding of Gansu, Tianshui 741030, China;2.Tianshui Institute of agricultural Sciences, Tianshui 741001, China;3.The Space Breeding Engineering Research Center of Gansu province, Tianshui 741030, China)

In this study the test materials (HY2) from seed cultivation SP1generations were used. By comparing with the agronomic characters of ‘Hangmu 1’ planting material on the earth, the mutagenic effects of alfalfa cultivar ‘Hangmu 1’ by re-onboard in space were studied. The preliminary results indicated that the average of plant height, branch number and multifoliate ratio were significantly higher than the control, ‘Hangmu 1’ by re-onboard in space showed strong growth vigor(P<0.05). The multifoliate plants were less than the control, the number of 7 leaflets plants significantly increased (P<0.05)and five plants had 7 leaflets ratio more than 60%. 5 leaflets plants were less than the control and 5 leaflets plants possessing 5 leaflets ratiomore than 60% significantly increased(P<0.05). The mutagenic effects were obvious and useful variation was rich. The research would provide an effective breeding approach and the excellent germplasm resources to the further improvement of alfalfa cultivar.

‘Hangmu 1’; reonboard in space; multifoliate ratio; 7 leaflets plant; 5 leaflets plant

Chai Xiao-qinE-mail:ts_cxq@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0645

2015-11-17接受日期：2016-03-15

甘肅省航天工程生物育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)(1309RTSE033)

柴小琴(1963-)，女，甘肅天水人，高級(jí)農(nóng)藝師，大專，主要從事苜蓿育種及栽培技術(shù)研究。E-mail:ts_cxq@163.com

S551+.701;S124+.9

A

1001-0629(2016)9-1788-05*

柴小琴,張建華,鄭宇宇.航苜1號(hào)航天二次搭載SP1代的農(nóng)藝性狀變異.草業(yè)科學(xué),2016,33(9)：1788-1792.

Chai X Q,Zhang J H,Zheng Y Y.Research on the variation of ‘Hangmu 1’ agronomic characters in SP1generation by re-onboard in space.Pratacultural Science，2016,33(9)：1788-1792.