航天誘變對須苞石竹SP1代植株生理指標及抗氧化酶的影響

張建芳 楊學軍

(四川農(nóng)業(yè)大學，成都，611134) (北京市農(nóng)林科學院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心)

潘遠智 滕文軍 袁小環(huán) 晁公平 武菊英

(四川農(nóng)業(yè)大學) (北京市農(nóng)林科學院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心)

航天誘變對須苞石竹SP1代植株生理指標及抗氧化酶的影響

張建芳 楊學軍

(四川農(nóng)業(yè)大學，成都，611134) (北京市農(nóng)林科學院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心)

潘遠智 滕文軍 袁小環(huán) 晁公平 武菊英

(四川農(nóng)業(yè)大學) (北京市農(nóng)林科學院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心)

利用第21顆返回式衛(wèi)星搭載須苞石竹干種子返地后，將其播種、栽培后測定生理指標，其中包括光合色素(葉綠素a、b)質(zhì)量分數(shù)、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度及脯氨酸質(zhì)量分數(shù)。研究了太空環(huán)境對須苞石竹SP1代植株的誘變效應。結果表明，其植株葉片中光合色素(葉綠素a、b)質(zhì)量分數(shù)明顯低于地面未經(jīng)搭載的須苞石竹;而SOD、POD、CAT活性和MDA質(zhì)量摩爾濃度均明顯高于地面未經(jīng)搭載的須苞石竹;脯氨酸質(zhì)量分數(shù)和葉綠素a/b變化不顯著。

空間搭載;須苞石竹;葉綠素;抗氧化酶活性;丙二醛;脯氨酸

航天誘變育種是利用返回式衛(wèi)星或高空氣球搭載植物種子、組織、器官或生命個體等到太空，利用太空特殊環(huán)境使植物后代產(chǎn)生正向或負向的變異，再通過地面選育，培育植物新品種的方法[1]。植物種子經(jīng)過強輻射、微重力、高真空、弱磁場等宇宙空間特殊環(huán)境誘變因子作用，對植物以后的生長、發(fā)育、分化等都會產(chǎn)生巨大的影響。前人的研究對象多集中于農(nóng)作物和蔬菜，花卉植物的報道較少，且研究工作多集中在田間觀察、形態(tài)學等方面[2-7]。誘變育種能突破原有基因庫的限制，誘發(fā)新基因或新的基因組合，形成有現(xiàn)實或潛在利用價值的新種質(zhì)資源[8]。研究表明:當植物種子經(jīng)空間搭載、回收、種植后，其形態(tài)、生理、遺傳特性等會發(fā)生變化，但不同植物變異程度和規(guī)律差異較大[2-7，9]。

須苞石竹(Dianthus barbatus L.)又名美國石竹、五彩石竹、十樣錦，為石竹科石竹屬多年生宿根草本植物，成株株高在50～60cm，可進行播種和扦插繁殖。須苞石竹耐寒性強，需經(jīng)低溫春化才能開花，花色極其豐富，觀賞性高，是優(yōu)良的庭園花卉，在園林中應用較廣泛。文中對須苞石竹種子經(jīng)返回式衛(wèi)星搭載后SP1代植株生理指標及抗氧化酶活性的變化進行了研究，探尋其變異規(guī)律，為須苞石竹新品種培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

材料來源:以須苞石竹種子為材料，將種子分為兩組:一組為試驗組，另一組為對照組。將實驗組的須苞石竹送往甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地，搭載于第21顆返回式衛(wèi)星，2005年8月2日從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，在太空運行了27d，于2005年8月29日返回地面。將搭載過的種子放入干燥皿中，置于冰箱中4℃條件下保存。

試驗設計:2007年8月10日，將試驗種子和對照種子在日光溫室中采用點播法分別播種于128個孔的兩個穴盤中，基質(zhì)為草炭，覆蓋2～3mm細沙，每重復3盤。溫室日溫25～35℃，夜溫20～25℃，保持表土濕潤，出苗后長出8片真葉時移栽于直徑為18cm的塑料盆中，基質(zhì)為草炭+蛭石(V(草炭)∶V(蛭石)=1∶1)，對照種子獲得50株。航天搭載種子獲得SP1代25個株系，將其編號記為SP1-1～SP1-25。2008年7月—2009年8月，將SP1代植株扦插繁殖3次，2009年9月，選擇每個株系中10株健壯植株，移栽于塑料大棚中直徑為18cm的塑料盆中，經(jīng)低溫春化后，2010年1月底移至日光溫室，溫室的晝夜溫度為15～25℃，晝夜空氣相對濕度為80％～95％。

生理生化指標測定:3月份植株開花后，于09:00自上而下至第6個葉片的中部進行取樣，測定生理生化指標，因SP1-4號植物長勢不良，選用剩下的24個株系，每個株系3株重復。對照采用從50株中隨機選擇5株來進行測定。

葉綠素質(zhì)量分數(shù)采用分光光度法[10]55-56、丙二醛質(zhì)量摩爾濃度采用硫代巴比妥酸法[10]124-125，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用 NBT 光還原法[10]126-127，游離脯氨酸(Pro)質(zhì)量分數(shù)采用印三酮法[11]，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[12]，過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸光法[13]。

2 結果與分析

2.1 葉綠素質(zhì)量分數(shù)的差異

從表1可以看出，與對照相比，經(jīng)航天誘變的須苞石竹SP1植株葉片葉綠素a和b質(zhì)量分數(shù)的變異幅度和變異系數(shù)都顯著增大，SP1代24個株系之間差異顯著，最大值是最小值的2倍以上，這樣為選擇有利的突變體提供了可能性。方差分析表明，航天誘變后葉綠素a和b的質(zhì)量分數(shù)都顯著降低(p＜0.01)，并且葉綠素b降低幅度(43.5％)大于葉綠素a的降低幅度(38.8％)，說明前者對空間環(huán)境更敏感。由于葉綠素b的降幅大于葉綠素a，導致葉綠素a/b增大，但沒有達到顯著水平。

表1 航天搭載對須苞石竹SP1植株葉片中光合色素質(zhì)量分數(shù)的影響

2.2 脯氨酸和丙二醛質(zhì)量分數(shù)的差異

從表2可以看出，與對照相比，經(jīng)航天誘變的須苞石竹SP1植株葉片脯氨酸質(zhì)量分數(shù)的變異幅度和變異系數(shù)顯著增大。SP1代24個株系之間差異極大，最大值為80.783μg/g，最小值為9.619μg/g，最大值是最小值的8倍以上。試驗組與對照組相比脯氨酸質(zhì)量分數(shù)增加34.3％，方差分析表明航天誘變后植株葉片脯氨酸質(zhì)量分數(shù)的差異未達顯著水平。

與對照相比，SP1植株葉片丙二醛質(zhì)量摩爾濃度的變異幅度和變異系數(shù)也顯著增大。SP1代24個株系之間差異極大，最大值為13.637nmol/g，最小值為3.136nmol/g，最大值是最小值的4倍以上，為篩選抗逆品種提供了可能性。試驗組與對照組相比丙二醛質(zhì)量摩爾濃度增加52.3％，方差分析表明航天誘變后植株葉片丙二醛質(zhì)量摩爾濃度顯著增加(p＜0.05)，說明空間環(huán)境對SP1代植株細胞膜影響嚴重。

表2 航天搭載對須苞石竹SP1植株葉片中脯氨酸及丙二醛的影響

2.3 抗氧化酶活性的差異

從表3可以看出，與對照相比，經(jīng)航天誘變的須苞石竹SP1植株葉片SOD活性的變異幅度和變異系數(shù)變化不大，且SP1代24個株系之間的差異也不顯著。試驗組與對照組相比SOD活性增加9.8％，方差分析表明航天誘變后植株葉片SOD活性顯著增加(p＜0.05)。

與對照相比，SP1植株葉片POD活性變異幅度和變異系數(shù)顯著增大。SP1代24個株系之間的差異顯著，其中最小值為185.185μg/g，最大值為491.852μg/g，最大值是最小值的兩倍以上。試驗組比對照組POD活性增加66.1％，方差分析表明航天誘變后植株葉片POD活性顯著增加(p＜0.01)。

與對照相比，SP1植株葉片過氧化氫酶(CAT)活性的變異系數(shù)變化不大。SP1代24個株系之間的差異顯著，最大值為320.444U/(g·min)，最小為119.556U/(g·min)，最大值是最小值的兩倍以上。試驗組與對照組相比CAT活性增加87.6％，方差分析表明航天誘變后植株葉片CAT活性顯著增加(p＜0.01)。

表3 航天搭載對須苞石竹SP1植株葉片中抗氧化酶活性的影響

綜上所述，SP1代植株葉片中SOD、POD、CAT活性均高于對照組，增加幅度分別為9.8％、66.1％、87.6％，說明空間環(huán)境對SP1代植株葉片SOD活性的影響最小，其次是POD，影響最大的是CAT。

3 結論與討論

與對照相比，經(jīng)第21顆返回式衛(wèi)星搭載誘變的須苞石竹種子經(jīng)過繁殖后，SP1代植株葉綠素a和葉綠素b的質(zhì)量分數(shù)顯著下降，而葉綠素a/b的比值和脯氨酸質(zhì)量分數(shù)差異均不顯著，抗氧化酶活性和丙二醛質(zhì)量摩爾濃度顯著升高。

空間環(huán)境對植物的誘變效應差異很大:衛(wèi)星搭載非洲菊SP1代植株葉綠素a、b質(zhì)量分數(shù)均降低，但葉綠素a/b比值明顯升高[14];草地早熟禾SP1代株系與對照相比葉綠素a和葉綠素b質(zhì)量分數(shù)均降低，但是葉綠素a/b比值變化不大[15]，草地早熟禾的變化規(guī)律與本研究結果一致。

薛淮等研究表明，航天處理月季組培苗葉片中 SOD、CAT、POD酶活性比對照增加，MDA質(zhì)量分數(shù)下降[16]。抗氧化酶活性的變化規(guī)律與本研究結果相同，而丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度的變化規(guī)律卻存在差異。

MDA是膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一，通常將其作為脂質(zhì)過氧化損傷的指標，MDA積累越多，說明細胞膜脂過氧化程度越高[17]。本試驗結果顯示，經(jīng)空間搭載的植株葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度與未搭載的地面對照相比有顯著提高，可以推測空間環(huán)境對須苞石竹細胞膜損傷嚴重。

SOD、CAT和POD與未搭載的地面對照相比都有明顯的提高，SOD、CAT和POD作為氧自由基的清除劑，三者協(xié)調(diào)一致，在沒有遇到極端的條件下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除處于平衡狀態(tài)，并且自由基維持在一個低水平上，從而防止自由基對植物細胞的傷害。若植物受到逆境脅迫時，植物體內(nèi)活性氧代謝系統(tǒng)的平衡受到影響，增加了自由基的產(chǎn)生量，植物體通過保護酶活性或穩(wěn)定性的增加提高清除自由基的能力[18-20]。由于強輻射、微重力、高真空、弱磁場等宇宙空間特殊環(huán)境極其復雜，物理因素很多，究竟哪些因素對須苞石竹誘變起主導作用還很難確定，尚有待今后進一步研究。

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Cytological Effect of Space Flight on Physiological Indexes and Antioxidant Enzymes of SP1Generation of Dianthus barbatus

/Zhang Jianfang(College of Landscape Architecture，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611134，P.R.China);Yang Xuejun(Beijing Research and Development Center for Grasses and Environment，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences);Pan Yuanzhi(Sichuan Agricultural University);Teng Wenjun，Yuan Xiaohuan，Chao Gongping，Wu Juying(Beijing Research and Development Center for Grasses and Environment，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-24～25，37

Space flight;Dianthus barbatus;Chlorophyll;Antioxidant enzymes;MDA;Proline

S722.3+5

張建芳，男，1982年2月生，四川農(nóng)業(yè)大學風景園林學院，碩士研究生。

潘遠智，四川農(nóng)業(yè)大學風景園林學院，教授;E-mail:scpyzls@163.com。

2010年11月15日。

責任編輯:李金榮。

Dry seeds of Dianthus barbatus L.were carried by China’s 21st recoverable satellite to study the effects of mutagenesis caused by space flight.Then the seeds were sowed and cultivated in the field.Contents of chlorophyll-a，chlorophyll-b，MDA and proline as well as activities of SOD，POD，CAT in D.barbatus seedlings were determined to discuss the cytological effect of space flight.Results indicated that，compared with the non-radiated seedlings，the contents of chlorophyll-a and chlorophyll-b of the radiated seedlings were lower，and the activities of SOD，POD，CAT and the MDA content were obviously higher.Proline content and chlorophyll a/b ratio did not change significantly.