胡 瑤 張躍龍 李宏告 雷星宇 張 勇 李麗輝

(湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所,湖南 長沙 410125)

礬根(Heuchera micrantha),虎耳草科礬根屬,多年生常綠草本花卉,淺根性、葉基生,品種繁多,各品種葉色不同,喜溫涼,厭炎熱,復(fù)總狀花序,花小巧,鐘狀,以紅色和白色為主,花期為4-6月份,是少有的彩葉陰生地被植物[1-2]。目前國內(nèi)對(duì)礬根的研究主要集中在適應(yīng)性栽培[3-4]、組織培養(yǎng)技術(shù)[5-6]及光合特性[7]等方面,而關(guān)于育種方面的研究較少。目前,輻射誘變技術(shù)已廣泛應(yīng)用于觀賞植物新品種的選育,如桂花、菊花、蘭花、牡丹等。植物經(jīng)γ 射線輻射后,其細(xì)胞或器官會(huì)發(fā)生生物化學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)或形態(tài)學(xué)變化,進(jìn)而影響植株生長和發(fā)育[8-9],以得到預(yù)期的效果。李風(fēng)童等[10]研究不同輻射劑量60Co-γ 射線對(duì)德國鳶尾雜交種子影響,發(fā)現(xiàn)20～40 Gy輻射劑量可以改善德國鳶尾種子萌發(fā)率,60～80 Gy可以作為德國鳶尾雜交種子的誘變劑量;周雅倩等[11]探討了60Co-γ輻射處理對(duì)樹蘭的生物學(xué)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)輻射對(duì)植物生長的影響較大;李玲[12]探討了60Co-γ輻射對(duì)牡丹種子萌發(fā)特性、染色體結(jié)構(gòu)及幼苗生長的影響,表明輻射牡丹種子的較適宜劑量范圍為26.28～43.8 Gy,此范圍可引起牡丹染色體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,增加出現(xiàn)新品種的機(jī)會(huì),且不會(huì)造成傷害,可應(yīng)用于牡丹輻射育種實(shí)踐。但目前鮮見關(guān)于輻射技術(shù)在礬根育種方面的研究報(bào)道。為此,本試驗(yàn)參照其他植物輻射誘變經(jīng)驗(yàn)[13-16],對(duì)礬根進(jìn)行不同劑量的60Co-γ 射線輻射處理,探究輻射前后礬根幼苗的生理特性,以期找到礬根的適宜輻射劑量,為礬根輻射育種技術(shù)改良提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

礬根硒富浪芭品種組培幼苗,購自珠海諾德生物科技有限公司,植株生長健壯,無病蟲害。輻射處理于2017年11月20日在湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所輻照中心進(jìn)行,采用60Co-γ 射線,設(shè)置0(CK)、10、20、30 Gy 4個(gè)輻射劑量,劑量率均為1 Gy·min-1。每處理20株,設(shè)3 次重復(fù)。處理后幼苗立即種植,整個(gè)栽培過程按常規(guī)方法管理。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 形態(tài)指標(biāo)的測定 經(jīng)輻射處理的組培幼苗栽種1個(gè)月后,生長基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)開始對(duì)其進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)的測量,包括株高、單株葉片數(shù)、最大葉長、最大葉寬等。每月定期測定上述指標(biāo),連續(xù)測量6個(gè)月。

1.2.2 生理指標(biāo)的測定 輻射后將栽種好的礬根放置大棚中,正常管理。5個(gè)月后取各處理植株頂生第4位完全葉進(jìn)行相關(guān)生理指標(biāo)的測定,包括可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛(malonaldehyde,MDA)、游離脯氨酸含量等,測定方法參考《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》[17]。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析,使用最小顯著差數(shù)法,所有測定指標(biāo)均重復(fù)3次。采用Origin 8.0軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同劑量60Co-γ輻射處理對(duì)礬根幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

2.1.1 輻射處理對(duì)礬根幼苗株高的影響 研究表明,一定劑量的60Co-γ 射線輻射對(duì)種子發(fā)芽率及幼苗生長有明顯的抑制作用[18-20]。由圖1可知,礬根幼苗經(jīng)輻射處理后,其株高總體低于CK,且隨著輻射劑量的增加,植株相對(duì)矮小,證實(shí)了輻射對(duì)礬根幼苗植株的生長具有一定的抑制作用。到生長旺季(4-5月)時(shí),10 Gy輻射處理的礬根生長量與CK的差距明顯縮小,說明輻射在一定程度上刺激了幼苗的生長速度。由此可見,低劑量輻射處理對(duì)植物生長影響較小,隨著輻射劑量的增大,其對(duì)植物生長的影響也逐漸增大。

2.1.2 輻射處理對(duì)礬根幼苗單株葉片數(shù)的影響 由圖2可知,與CK相比,輻射處理后礬根幼苗的單株葉片數(shù)減少,說明輻射對(duì)幼苗葉片數(shù)產(chǎn)生了不同程度的影響。生長初期,各處理間差異不顯著;從3月開始,輻射處理后礬根幼苗的單株葉片數(shù)顯著低于CK;到5月份時(shí),30 Gy輻射處理礬根幼苗的單株葉片數(shù)較CK顯著減少55.6%,說明輻射劑量越大,礬根葉片數(shù)越少。春季為植物新芽萌生時(shí)期,此時(shí)經(jīng)輻射處理的礬根幼苗未表現(xiàn)出旺盛生長的趨勢,說明輻射處理對(duì)礬根幼苗葉片數(shù)影響較大。

2.1.3 輻射處理對(duì)礬根幼苗葉長的影響 由圖3可知,輻射處理后礬根幼苗葉長均低于CK,生長高峰期集中在3-5月。隨著輻射劑量的增加,礬根葉長呈逐漸下降的趨勢;生長初期各處理間葉長差異不顯著,生長到3月時(shí),輻射處理與CK間存在差異顯著,輻射劑量越大,葉長越短。由此可見,輻射處理對(duì)礬根幼苗葉長的影響較大。此外,在10 Gy輻射處理下,礬根整體葉長低于CK,但在3-4月的生長速度高于CK,說明低劑量輻射對(duì)礬根幼苗生長期的生長速度有一定的刺激作用。

圖1 不同輻射劑量對(duì)礬根幼苗株高的影響Fig.1 Effects of different radiation dosages on the plant height of Heuchera micrantha seedings

圖2 不同輻射劑量對(duì)礬根幼苗單株葉片數(shù)的影響Fig.2 Effects of different radiation dosages on the number of leaves per plant of Heuchera micrantha seedings

圖3 不同輻射劑量對(duì)礬根幼苗葉長的影響Fig.3 Effects of different radiation dosages on the leaf length of Heuchera micrantha seedings

2.1.4 輻射處理對(duì)礬根幼苗葉寬的影響 由圖4可知,整個(gè)生長季經(jīng)輻射處理的礬根幼苗葉寬均較CK小,隨著輻射劑量的增加,礬根葉片寬度減小。其中,30 Gy 劑量處理的礬根幼苗葉寬在整個(gè)生長季始終與CK間差異顯著(P＜0.05)。此外,CK 在4月生長速度加快,而經(jīng)輻射處理的幼苗在3月其生長速度加快,生長旺盛期(4月)輻射處理幼苗的葉寬與CK 存在顯著性差異。表明輻射處理在一定程度上刺激了礬根幼苗提前進(jìn)入快速生長期,但總體上對(duì)幼苗葉寬存在抑制作用。

2.2 不同劑量60Co-γ輻射處理對(duì)礬根幼苗生理指標(biāo)的影響

圖4 不同輻射劑量對(duì)礬根幼苗葉寬的影響Fig.4 Effects of different radiation dosages on the leaf width of Heuchera micrantha seedings

2.2.1 輻射處理對(duì)礬根幼苗可溶性糖含量的影響 由圖5可知,隨著輻射劑量的增加,礬根幼苗葉片可溶性糖含量呈先增加后減少的趨勢。10 Gy輻射處理時(shí)可溶性糖含量顯著增加;20 Gy輻射處理時(shí)可溶性糖含量達(dá)到最高值,較CK顯著增加42.4%;30 Gy輻射處理時(shí)可溶性糖含量最低,較CK 降低8.7%,但差異不顯著。

圖5 不同輻射劑量對(duì)礬根幼苗可溶性糖含量的影響Fig.5 Effects of different radiation dosages on the soluble sugar content of Heuchera micrantha seedings

2.2.2 輻射處理對(duì)礬根幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量的影響 由圖6可知,隨著輻射劑量的增加,礬根幼苗葉片可溶性蛋白含量呈先增加后減少的趨勢,10 Gy輻射處理時(shí)可溶性蛋白質(zhì)含量較CK 小幅增加,差異不顯著;30 Gy輻射處理時(shí)可溶性蛋白質(zhì)含量顯著低于CK;20 Gy輻射處理時(shí)可溶性蛋白質(zhì)含量顯著高于其他處理,較CK 增加40.6%。

圖6 不同輻射劑量對(duì)礬根幼苗可溶性蛋白含量的影響Fig.6 Effects of different radiation dosages on the soluble protein content of Heuchera micrantha seedings

2.2.3 輻射處理對(duì)礬根幼苗游離脯氨酸含量的影響 植物在正常生長條件下,游離脯氨酸含量很低,當(dāng)其遭遇逆境脅迫時(shí),游離脯氨酸會(huì)大量積累,這也是植物在逆境條件下的自衛(wèi)反應(yīng)之一[21]。由圖7可知,隨著輻射劑量的增加,礬根幼苗葉片游離脯氨酸含量呈先增加后減少的趨勢;當(dāng)輻射劑量達(dá)到20 Gy時(shí),游離脯氨酸含量達(dá)到峰值,與CK、10 Gy 劑量處理間差異顯著,但與30 Gy 劑量處理間差異不顯著。說明輻射給礬根幼苗造成了一定的損傷,輻射劑量為20 Gy時(shí),礬根幼苗能通過自身積累來修復(fù)損傷,但隨著輻射劑量的增加,自我修復(fù)能力減弱。

圖7 不同輻射劑量對(duì)礬根幼苗游離脯氨酸含量的影響Fig.7 Effects of different radiation dosages on the free proline content of Heuchera micrantha seedings

2.2.4 輻射處理對(duì)礬根幼苗丙二醛含量的影響 MDA是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一,反映膜受損傷的程度。由圖8可知,礬根幼苗MDA含量隨著輻射劑量的增加而逐漸升高,但均未表現(xiàn)出差異顯著性;30 Gy劑量處理的MDA含量較CK 增加11%。表明輻射對(duì)礬根幼苗的損傷會(huì)隨著劑量的增加逐漸增大。

圖8 不同輻射劑量對(duì)礬根幼苗MDA含量的影響Fig.8 Effects of different radiation dosages on the MDA content of Heuchera micrantha seedings

3 討論

輻射劑量的選擇對(duì)植物輻射育種有著極其重要的影響,選擇適宜的輻射劑量,是獲得理想突變體的技術(shù)前提。60Co-γ輻射敏感性試驗(yàn)是開展礬根幼苗輻射育種的基礎(chǔ)。本試驗(yàn)中,0～30 Gy輻射劑量范圍內(nèi),所有處理均未出現(xiàn)全部致死現(xiàn)象,說明礬根幼苗輻射處理的致死劑量應(yīng)高于30 Gy。要獲得理想的變異,必須選擇合適的輻射劑量。輻射處理對(duì)植物的生長大多存在抑制作用,但抑制效應(yīng)因不同植物而異,抑制表現(xiàn)時(shí)間和抑制部位也存在差異[22-23],但過高的輻射劑量會(huì)使生物體正常的代謝受到干擾[24-25]。本研究結(jié)果表明,低劑量輻射處理對(duì)礬根幼苗株高、葉片數(shù)、最大葉長、最大葉寬有一定的影響,隨著輻射劑量的增加,對(duì)礬根幼苗的生長存在一定的抑制作用,且呈增強(qiáng)趨勢。這與林兵等[26]和徐佳琦等[27]研究60Co-γ輻射對(duì)荷蘭鳶尾生長表現(xiàn)出抑制效應(yīng)的結(jié)果相符。

MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物之一,代表植物膜脂過氧化程度,其含量與膜脂過氧化程度呈正相關(guān),通過測定MDA的積累量可衡量膜系統(tǒng)受損程度以及植物受傷害的程度[28]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,礬根幼苗葉片的MDA含量隨著輻射劑量的增加而升高,這與滕娟等[29]測定三七幼苗MDA的結(jié)果相似,說明輻射劑量與植物膜脂過氧化的作用呈正相關(guān)關(guān)系,細(xì)胞內(nèi)有害物質(zhì)增多,使得植物體內(nèi)通過不斷積累MDA 來修復(fù)因輻射處理帶來的損傷。

植物體內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸的含量與植物的抗逆性有關(guān),在逆境條件下植物會(huì)主動(dòng)積累這些物質(zhì),來適應(yīng)外界環(huán)境的變化,從而起到有效的保護(hù)作用[26]。本試驗(yàn)中,可溶性糖、游離脯氨酸和可溶性蛋白含量隨著輻射劑量的增加都出現(xiàn)先增加后減小的趨勢,且均在20 Gy 劑量處理時(shí)達(dá)到最大值。說明輻射對(duì)礬根幼苗有一定的損傷,可通過積累上述物質(zhì)來修復(fù)損傷,其中20 Gy 劑量處理時(shí)的修復(fù)能力最強(qiáng),超過該劑量后植物本身的修復(fù)能力逐漸減弱,說明礬根幼苗對(duì)于60Co-γ輻射耐受最佳劑量為20 Gy。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,礬根幼苗在0～30 Gy60Co-γ輻射下,部分形態(tài)指標(biāo)與CK 存在一定差異,未出現(xiàn)直接死亡現(xiàn)象。隨著輻射劑量的增加,60Co-γ對(duì)礬根幼苗株高、葉片數(shù)、葉長、葉寬存在一定的抑制作用。此外,隨著輻射劑量的增加,MDA含量逐漸增加,可溶性蛋白含量逐漸減小,可溶性糖和游離脯氨酸含量先升高后降低,均在20 Gy時(shí)達(dá)到最大值。說明礬根幼苗對(duì)0～30 Gy60Co-γ 低劑量具有一定的耐受力,且未出現(xiàn)明顯的變異,下一步需要擴(kuò)大劑量范圍進(jìn)行深入研究。