航天誘變對甜菜生殖生長期幾種激素含量的影響

劉乃新 ，吳則東 ，王華忠

（1.黑龍江省普通高等學校甜菜遺傳育種重點實驗室，哈爾濱150080；2.中國農業科學院甜菜研究所/黑龍江大學農作物研究院，哈爾濱 150080；3.農業部甜菜品質監督檢驗測試中心，哈爾濱 150080）

利用返回式衛星等所能到達的空間環境對植物（種子）的誘變作用產生有益的變異，在地面選育植物新種質、新材料，培育新品種的高新技術育種途徑和方法，稱為航天育種或空間誘變育種[1]。自1987年以來，在國家863計劃和重點攻關等項目的資助下，我國科學工作者15次利用返回式衛星和神舟飛船搭載植物種子，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20個，包括水稻13個、小麥3個、番茄2個、青椒和芝麻各1個，并從中獲得了一些有可能對產量有突破性影響的罕見突變[2]，其中包括水稻、小麥、番茄、青椒和芝麻在內的30多個新品種或新組合已通過國家或省級審定，并已進入市場推廣。而關于航天育種誘變機理的研究也在很多作物間展開，目前多集中在同工酶電泳及分子標記譜帶的差異，但是對航天誘變后激素含量差異的研究還少見有報道，為此本文通過對航天誘變甜菜在花期幾種激素含量變化的比較研究，為闡明航天誘變的機理提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 材料

實驗組的甜菜種子于2006年9月9日15時，由我國自行研制的“實踐八號”航天育種衛星搭載長征二號丙運載火箭在酒泉衛星發射中心升空，“實踐八號”育種衛星返回艙經過15d的在軌飛行，于2006年9月24日上午10點42分，在四川省遂寧地區安全回收。本次實驗研究的材料為3個優良的四倍體品系，航天誘變品系分別命名為H1、H2和H3，其對照分別為CK1、CK2和CK3，其中航天品系當年在海南培育母根，2007年在農村隔離采種，每個航天誘變的品系選取1株外形變異較大的留種，并和對照種子當年在山東培育母根，2008年4月20日分別栽植航天誘變品系及對照母根，2008年7月4日上午取樣，各材料分別選取10株生長健壯的個體，分別取未開放的花蕾和葉片作為實驗材料。

1.2 測定方法

1.2.1 激素的制備 將花蕾及葉片各稱1g，加2mL樣品提取液，在冰浴下研磨成勻漿，轉入10mL試管，再用2mL提取液分次將研缽沖洗干凈，一并轉入試管中，搖勻后放置在4℃冰箱中提取4h，4000r/min離心15min（實驗中離心機型號為LDZ5-2），取上清液。沉淀中加1mL提取液，攪勻，置4℃下再提取1h，離心，合并上清液并記錄體積，殘渣棄去。用氮氣吹干，除去提取液中的甲醇，用樣品稀釋液定容。

1.2.2 激素含量的測定 試劑盒由中國農業大學作物化控研究室提供，激素的測定采用間接酶聯免疫法（ELISA），酶標儀的型號為Thermo Multiskan MK3，間接法的原理可用公式表示：Ab+H+HP=AbH+AbHP

其中Ab表示抗體，H表示游離激素，HP表示吸附在板上的激素－蛋白質復合物。根據質量作用定律，當該反應體系中Ab及HP的量確定時，游離H越多，結合物AbH形成的就越多，而AbHP形成的就越少，即結合在板上的抗體就越少，通過酶標二抗檢測結合物AbHP的多少，就可以確定游離H量的多少。

1.2.3 結果計算 本試驗采用標準樣品的OD值與濃度的自然對數做一元三次線性方程。曲線的橫坐標用激素標樣各濃度（ng/mL）的自然對數表示，縱坐標用各濃度顯色值表示。樣品的濃度依據樣品的OD值帶入方程求得樣品的激素含量，結果取3次平均值。

2 結果與分析

2.1 航天誘變甜菜及其對照品系花期ZR含量的差異

航天誘變甜菜及其對照品系花期葉片ZR含量的差異見圖1-1，從圖1-1我們可以看出，3個品系航天及其對照表現并不一致，其中H1和H3均表現為航天品系葉片ZR含量高于對照，而2號品系則表現為航天品系的ZR含量遠低于對照，且差異達到了4倍左右。航天誘變甜菜及其對照品系花蕾ZR含量的差異見圖1-2，從圖1-2我們可以看出，3個品系航天及其對照表現結果一致，均表現為航天品系ZR含量高于對照，且H2花蕾中ZR的含量超過了CK2的2倍，差異極顯著。從圖1-1和圖1-2對照來看，花蕾中ZR的含量除了CK2外，其余均高于葉片中ZR的含量，且有的差異顯著。這點與航天誘變番茄突變體MS1相同[3]。

圖1-1 航天誘變甜菜及其對照葉片ZR含量的差異

圖1-2 航天誘變甜菜及其對照花蕾ZR含量的差異

2.2 航天誘變甜菜及其對照品系花期IAA含量的差異

從圖2-1我們可以看出，3個不同甜菜品系均表現為航天品系葉片中IAA的含量高于對照，且H2及H3號與對照IAA含量的差異極顯著。從圖2-2我們可以看出，3個不同航天誘變甜菜品系與其對照在花蕾中IAA含量的差異的表現與葉片中相似，均表現為航天品系高于對照。而且從兩個圖的對比也可以看出，每個品系花蕾中IAA的含量均明顯高于葉片。

2.3 航天誘變甜菜及其對照品系花期ABA含量的差異

從圖3－1、3－2可以看出，在葉片中，3個不同甜菜品系均表現為航天處理ABA的含量高于對照；但在花蕾中的表現卻不同，除了H1花蕾中ABA的含量遠高于對照外，H2及H3花蕾中ABA的含量均低于對照品系，且H3與其對照花蕾中ABA的含量差異顯著。

2.4 航天誘變甜菜及其對照品系花期GA3含量的差異

從圖4-1可以看出，3個甜菜品系均表現為航天品系葉片中的GA3含量均高于其對照品系，只是H1與對照之間的差異不大。而從圖4-2我們可以看出，H1和H2花蕾中GA3含量的表現與葉片中相同，均表現為航天品系花蕾中GA3的含量高于對照品系，且差異顯著，而H3花蕾中GA3含量則與葉片中相反，表現為航天處理中GA3的含量低于對照，但依然差異不大。

3 航天誘變機理的討論

植物內源激素是植物體內代謝反應的產物，它產生于植物本身，同時又在不同水平上對植物的生長發育和生命活動進行調控。目前認為激素是植物信號傳導最重要的調節因子。許多研究結果表明，激素處理能誘導新的mRNA和蛋白質的合成，說明激素的許多作用是通過調節基因表達的方式實現的[4]。不同的激素具有不同的功能，IAA具有使細胞伸長，及改變基因表達的作用；GA3具有許多生理作用，研究最多的是誘導禾谷類α-淀粉酶的合成和釋放、莖的延長和開花等等[5]。促進莖延長是與細胞壁伸展性有關，細胞伸展的形狀和方向決定于細胞壁，當它們與細胞長軸呈橫向排列時，就會使細胞延長[6]。而植物的生長發育是各種因素綜合作用的結果，內源激素對植物生長發育的調節作用也是一個相互協調的過程。研究表明，IAA和GA3均有促進植物生長的效應，而ABA均能拮抗這兩者的促進效應。

從本文的研究結果來看，航天誘變的3個四倍體品系在花期葉片及花蕾中4種激素水平較之對照均發生了變化，但不同的品系變化不同，1號品系無論是在葉片還是在花蕾中，均表現為航天誘變處理后4種激素的含量高于對照；而2號品系航天誘變處理后不論在葉片還是在花蕾中，均表現為IAA和GA3含量高于對照，而另外兩種激素葉片和花蕾的表現正好相反；而3號品系航天誘變處理后花期不論在葉片還是在花蕾中，均表現為IAA和ZR含量高于對照，而另外兩種激素葉片和花蕾的表現正好相反。說明了航天誘變處理對于不同的品系表現不同。這可能是因為太空輻射誘變是一個復雜的過程，首先射線的能量沉積在物質上，引起物質的原子和分子的激發與電離，電離過程隨后形成自由基，自由基與DNA作用可以引起DNA多種類型的損傷，包括堿基變化、脫落、氫鍵的斷裂、單雙鍵斷裂、DNA及蛋白質分子內和分子之間的交聯[7,8]?？臻g環境不僅可以導致基因組DNA的堿基變異，并可造成DNA的斷裂和重組，從而誘發可遺傳變異；研究還發現，植物中存在大量轉座子序列和逆轉座子序列，太空環境可使轉座子激活，活化的轉座子通過移位、插入和丟失，導致基因的變異和染色體的變異遺傳給后代[2]。另外航天器搭載的植物種子還要受到其他因素的作用，如大氣結構、高真空、交變磁場、太空低壓力、低氣溫等以及在起飛時的強振動和落地時的強沖擊。這些因素也可能引起生物體內遺傳物質的結構改變而產生變異[9]。所以，航天過程的條件極為復雜，能夠使植物遺傳性發生變異常常是以微重力和強輻射為主要因素的多因素的綜合效應。因此從我們對3個不同甜菜航天誘變品系花期葉片及花蕾中4種激素含量的測定可以得知，經過空間復雜的環境條件的誘變，誘變的不同品系的與對照植株發生了很大的變化，但是不同品系之間的變化卻有很大的不同，說明在空間復雜的環境條件下，不同的個體變體是多樣的，想要闡明其突變的機理還需要做更進一步的研究。

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