航天搭載對辣椒SP1代的誘變效應

郭長虹，于 瑛，王德慧，馬 軍，郭亞華，耿月偉

(1.哈爾濱師范大學生命科學與技術學院，黑龍江省分子細胞遺傳與遺傳育種重點實驗室，哈爾濱150025，kaku2008@hotmail.com;2.黑龍江省農業科學院園藝分院，哈爾濱150069)

航天誘變育種是利用返回式衛星等到達的航天環境對植物(種子)誘變產生有益的變異，經地面選育新種質、新材料，培育新品種的高新技術育種途徑和方法［1］.航天誘變技術在有效創造特異突變基因資源和培育作物新品種方面已經顯示出重要的作用，成為空間生命科學研究的重要組成部分［2］.在作物航天誘變育種工作中，對不同作物的不同品種進行誘變后的細胞學效應研究，將有利于材料的選擇、誘變效果的提高［3］.中國在航天誘變育種方面取得了舉世公認的顯著成就.據不完全統計，截至2007年，我國已在45種植物上誘變育成741個突變品種［4］.經多年地面種植篩選，先后育成60多個農作物優異新種質、新品系并進入省級以上品種區域試驗，其中已通過國家或省級審定的新品種或新組合30個［5］.

本研究對經航天搭載的辣椒SP1代種子根尖細胞進行了觀察，研究辣椒根尖細胞有絲分裂指數、染色體畸變率指標的變化規律，探討航天誘變辣椒根尖細胞的遺傳學效應，為植物航天誘變育種機制和辣椒航天誘變育種提供理論參考.

1 材料和方法

1.1 材料

航天搭載的種子由黑龍江省農業科學院園藝分院提供，包括III-17 SP1，III-18 SP1種子，以及地面對照種子.供試材料由首顆航天育種衛星“實踐八號”搭載［6］，衛星在近地點為187 km、遠地點為463 km的軌道上運行了355 h(約15 d)，航程約9×106km.

1.2 方法

1.2.1 材料制備

將經航天搭載和地面對照的種子，先用52℃溫水浸泡，冷卻至室溫浸泡24 h，將種子用紗布輕輕搓洗，再用52℃溫水浸泡，冷卻至室溫浸泡24 h后輕輕搓洗，放入鋪有雙層潮濕濾紙的培養皿中.置28℃恒溫條件下萌發.每天用溫水洗滌一次，以利發芽.待根長到1～2 cm左右時取材，將根尖轉移到卡諾氏固定液(乙醇與乙酸體積比為3∶1)中固定24 h，蒸餾水沖洗后轉入70%(體積分數)酒精中，在4℃冰箱中保存.采用壓片法制片，取出已固定根尖，蒸餾水沖洗3次，用1 mol/L HCl于60℃解離7～8 min，取出后用蒸餾水沖洗幾遍，希夫試劑染色，壓片鏡檢.

1.2.2 細胞學觀察

每個材料(包括對照)觀察10個根尖，分別統計細胞有絲分裂指數、染色體畸變率、微核率.有絲分裂指數是指一定分裂組織或細胞群中處于有絲分裂分裂期的細胞數占其總細胞數的百分數，它是表示細胞繁殖活動程度的指數，統計約6 000個細胞.染色體畸變率統計選用分散良好、清晰可見的分裂期細胞約6 000個，統計具有染色體畸變(如染色體片斷、染色體橋等現象)的分裂相細胞數.微核的著色與主核相當或稍淺一些，其形態為圓形或橢圓形，大小在主核 1/3以下［7］，觀察約8 000個間期細胞，統計含微核的細胞數.細胞有絲分裂指數、染色體畸變率、微核率的計算公式如下［8］:

1.3 數據分析

在OLYMPUS顯微鏡下采用Leica DFC280數碼顯微攝像系統對微核細胞和分裂期具有畸變的細胞進行拍照，采用Excel 2007軟件繪制直方圖.運用軟件 SPSS 16.0 for Windows(One-Way ANOVA)進行差異顯著性分析［9］.

2 結果與分析

2.1 航天誘變對辣椒根尖細胞有絲分裂指數的影響

辣椒根尖細胞的有絲分裂指數測定結果如圖1所示.經過航天搭載后，III-17 SP1、III-18、III-31等3個辣椒品種的有絲分裂指數分別從3.01%、3.35%、5.49%升高至 7.23%、6.00%、8.29%，達到極顯著水平.這表明航天誘變增加了這3個辣椒品種的細胞活性，明顯促進了種子根尖的細胞有絲分裂.

圖1 航天誘變對辣椒根尖細胞有絲分裂指數的影響

2.2 航天誘變對辣椒根尖細胞染色體畸變率的影響

航天誘變對辣椒根尖細胞染色體畸變率的影響見圖2.經過航天誘變后的辣椒品種空間搭載第1代根尖細胞染色體中出現了染色體斷片、染色體橋、落后染色體以及多極分裂等畸變，其中染色體斷片和染色體橋是主要的畸變類型.還看到了染色體雙橋和多橋等現象.測定結果顯示出3個航天搭載材料的染色體畸變率與對照組相比均大幅度提高，達到顯著差異水平(P＜0.05).

圖2 航天誘變對辣椒根尖細胞染色體畸變的影響

2.3 航天誘變對辣椒根尖細胞微核率的影響

對辣椒根尖細胞的微核千分率進行了測定(圖3).結果表明，地面對照辣椒品系的根尖細胞中幾乎看不到微核，而經航天搭載后，3個辣椒品系的的根尖細胞中均有微核出現.其中品系III-17的微核率最高，III-31次之，III-18最低.

圖3 航天誘變對辣椒根尖細胞微核的影響

3 討論

植物種子經空間飛行后，其幼苗根尖細胞分裂會受到不同程度的抑制［10］或促進［5，11］.在本試驗中，3個航天搭載后的辣椒SP1種子根尖細胞的有絲分裂指數明顯增加，細胞分裂活躍程度明顯提高.表明空間環境促進了辣椒根尖的有絲分裂.在對照材料的有絲分裂間期細胞中微核出現的頻率很低，但在航天搭載的材料中均觀察到了一定頻率的微核.微核的產生可能是空間環境中的某些因子促進染色體斷裂或降低生物自身的修復功能，阻礙染色體斷片的愈合，染色體斷片由于缺少著絲點，不能隨細胞分裂移到細胞兩極而停留在細胞質中，經過一個細胞周期形成新的細胞核時，染色體斷片在細胞質中凝縮形成的;也可能由于空間環境的作用引起異常分裂、染色體滯后或分組從而由單染色體或幾條染色體凝縮而形成的.在有絲分裂中期觀察到了染色體斷片，在后期觀察到染色體橋和多極分裂等畸變，說明空間環境可以導致染色體斷裂，形成染色體斷片.具有著絲點的兩條染色單體的斷裂端也常常融合，在分裂的后期，著絲點被牽引移向兩極，而相連的染色體絲會形成染色體橋，染色體橋可以持續到末期，隨細胞分裂也可能形成新的斷片.

本研究結果從一定程度上為植物航天誘變育種機制和辣椒航天誘變的研究提供初步的理論參考，但是這種細胞學的畸變與農藝性狀及分子水平上的變異還需要進行更多的研究和探索，還需要對誘變后代材料做進一步的分析.

4 結論

1)空間環境有助于提高辣椒SP1代根尖細胞有絲分裂指數，促進辣椒SP1代根尖細胞的有絲分裂.航天誘變可以增加辣椒SP1代根尖細胞的細胞活性.

2)空間環境可以誘導辣椒SP1代根尖細胞產生較高頻率的微核和染色體斷片、染色體橋、多極分裂等染色體畸變.航天誘變技術可以誘導產生變異，是創造辣椒突變基因資源的一種有效手段.

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