衛星搭載對紫羊茅誘變效應的研究

王建麗，申忠寶，潘多鋒，張瑞博，李道明，鐘 鵬，邸桂俐，高 超，李佶愷

（1.黑龍江省農業科學院 草業研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江省農業科學院 大豆研究所，哈爾濱 150086）

衛星搭載是空間育種的一種途徑，我國從1987年第1次搭載農作物種子，至今已搭載了70多種植物的2 000多個品種，涉及糧、棉、油、蔬菜、花卉及藥材等［1－4］，已成功選育出水稻、小麥、棉花、油菜、黃瓜等植物品種500多個，占世界各國航天誘變育成品種總數的25%［5，6］。有關空間誘變的效應和機理，國內外先后在遺傳學、細胞學、生理生化及分子生物學方面進行了大量的研究，多限于糧食作物和園藝植物，有關草坪類空間誘變效應及其在育種上的應用研究較少，如韓蕾等［7－10］對衛星搭載草地早熟禾（Poa pratensis）進行生物學特性研究，篩選出3個突變株系，并對突變株系葉片進行相關研究，胡繁榮等［11］對高羊茅（Festuca arundinacea）進行衛星搭載試驗，從中篩選鑒定了半矮稈、匍匐性、細葉、遲熟、耐熱性等優質抗逆黃葉高羊茅突變體。尹淑霞［12］對多年生黑麥草（Lolium pe renne）、結縷草（Zoysiajaponica）和草地早熟禾進行空間誘變育種研究，并結合AFLP遺傳標記技術對變異后的植株進行分析，證明了產生變異的來源等。本研究以2個紫羊茅（Festuca rubra）品種為試驗材料，經“實踐八號”衛星搭載處理，觀察SP1代種子細胞有絲分裂、微核數和生物學效應，比較各材料搭載處理和對照之間的性狀差異，以期為航天育種的理論和技術提供基礎數據和參考依據，為紫羊茅新品系選育奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試普紫羊茅通和紫羊茅本杰明品種的干種子，由百綠集團提供。

選取2種搭載紫羊茅及對照（未搭載）種子進行發芽試驗，首先放到培養皿發芽，每重復100粒種子，3次重復，然后，放到光照培養箱中進行變溫處理，白天25℃，8h光照，晚上15℃，16h黑暗，每天記錄種子的發芽數，統計發芽率和發芽指數。

1.2 測定內容及方法

1.2.1 搭載處理 將精選后的種子分為2份，1個作對照（ck），另外1個用于衛星搭載。將準備搭載的種子縫入布袋，2006年9月9日15時搭載我國首顆航天育種衛星“實踐八號”衛星進行空間誘變處理，衛星送入近地點187km、遠地點463km的近地軌道，在軌運行15d后，返回艙于9月24日10：43在四川遂寧成功返回。

2007年4月3日，將搭載回收的種子和地面對照種子進行發芽和育苗試驗，并對其進行細胞學觀察。

1.2.2 細胞學觀察 選取2個搭載紫羊茅及對照種子100粒放入23.5℃培養箱中培養至露白，低溫4℃處理24h，恢復23.5℃繼續培養，根尖長至1.0～1.5 cm時剪下，用冰水混合物處理20h，用卡諾氏固定液（無水乙醇∶冰醋酸＝3∶1）固定22h，固定后的材料放入70%乙醇中于4℃冰箱保存。水洗后，1mol/L鹽酸室溫解離8～9min，醋酸洋紅染色24h以上，進行染色體制片，40倍顯微鏡下鏡檢計數。每個處理隨機取25～30個根尖進行染色體制片，在40倍鏡下，每張染色體制片隨機觀察約200個細胞，進行細胞學統計［13］。最后根據統計結果分別計算出細胞有絲分裂指數（分裂細胞數占總觀察細胞數的百分數）和微核率（微核畸變細胞數占總觀察細胞數的百分數）。

1.2.3 育苗試驗 在黑龍江省農業科學院實驗溫室中進行，將搭載回收種子和對照種子播種于育苗穴盤中，每穴播種1粒，每個搭載品種播種1 500穴，對照1 000穴，幼苗生長到5cm后，移栽到試驗地中，株距15cm，行距65cm。2008年植株返青后，進行田間生育期、株高及成熟期葉片長度、葉片寬度，有效穗數等生物學性狀觀察。

1.3 數據處理

試驗統計結果用Excel和SPSS/PC軟件進行分析統計。

2 結果與分析

2.1 衛星搭載對2個紫羊茅品種種子根尖細胞有絲分裂指數的影響

2個紫羊茅種子經衛星搭載后，其根尖細胞有絲分裂指數，分別為20.7%和18.8%，高于對照達到顯著或極顯著水平。這表明衛星搭載增加了這2個紫羊茅品種的細胞活性，明顯促進了種子根尖的細胞有絲分裂（表1）。

2.2 衛星搭載對2個紫羊茅品種種子根尖細胞核畸變的影響

經空間飛行的2個紫羊茅種子根尖細胞都出現了微核的畸變，并以單微核為主。紫羊茅本杰明SP1代種子出現微核總數27個，其核總畸變率是對照的4倍以上；普通紫羊茅核總畸變率是對照的10倍。說明空間飛行對紫羊茅SP1代種子產生了生理損傷（表2）。

表1 2個紫羊茅品種根尖細胞有絲分裂指數Table 1 Effect of satellite carrying on mitotic index in root tip cells of the seeds of Festuca rubra

表2 2個紫羊茅品種根尖細胞核畸變率Table 2 Effect of satellite carrying on nucleolar aberration rate in root tip cells of the seeds of Festuca rubra

2.3 衛星搭載對2個紫羊茅種子發芽率的影響

空間條件作用對紫羊茅種子發芽起到了一定的促進作用（圖1），航天處理后發芽率明顯高于對照，紫羊茅本杰明處理發芽率為92.3%，對照為83.1%；普通紫羊茅處理發芽率為88.5%，對照為81.4%；2個品種發芽指數均高于對照（圖2），紫羊茅本杰明處理發芽指數為14.8%，對照為12.6%，普通紫羊茅處理發芽指數為15.5%，對照為13.4%。

2.4 衛星搭載對2個紫羊茅SP1代生育期的影響

空間搭載后2個紫羊茅返青期提前2～3d，成熟期提前5～8d；紫羊茅本杰明處理以后返青率為76.5%，對照為58.8%，比對照提高17.7%；普通紫羊茅處理后返青率為64.3%，對照為48.6%，比對照提高15.7%（表3）。

2.5 衛星搭載對2個紫羊茅SP1代株高和生長速度的影響

從圖3、圖4可以看出，衛星搭載2個紫羊茅SP1代株高均高于對照。

經過衛星搭載處理本杰明和對照生長速度具有非常相似的生長曲線（圖5），處理種子的日均生長量最高為2.14cm/d，對照種子的日均最高生長量為1.62 cm/d，二者分別出現在5月上旬、6月上旬；經過衛星搭載的普通紫羊茅和對照生長速度的生長曲線差異較大，處理種子生長速度出現2個生長高峰期，而對照生長速度出現4個生長高峰期，處理種子的日均生長量最高為1.47cm/d，出現在5月下旬，對照種子的日均最高生長量為1.45cm/d，出現在5月上旬（圖6）。

2.6 衛星搭載對2個紫羊茅SP1形態性狀的影響

紫羊茅經衛星搭載處理后，各性狀有一定的變化。其中，紫羊茅本杰明小穗數/分枝、種子/小穗顯著的低于對照，有效穗數極顯著高于對照，葉片寬度明顯的變窄。普通紫羊茅小穗數/分枝顯著的低于對照，有效穗數極顯著高于對照，葉片寬度明顯的變窄，其他性狀變化不明顯。

圖1 衛星搭載的2個紫羊茅種子發芽率Fig.1 Effect of satellite carrying on the germination rate of two Festuca rubra varieties

圖2 衛星搭載的2個紫羊茅種子發芽指數Fig.2 Effect of satellite carrying on the germination index of two Festuca rubra varieties

表3 衛星搭載2個紫羊茅SP1生育期的變化Table 3 Effect of satellite carrying on the growth period of two Festuca rubra varieties in SP1generations

圖3 衛星搭載的紫羊茅本杰明SP1代株高Fig.3 Effect of satellite carrying on the plant height of Benjamin

圖4 衛星搭載的普通紫羊茅SP1代株高Fig.4 Effect of satellite carrying on the plant height of red festuca

圖5 衛星搭載的紫羊茅本杰明SP1代生長速度Fig.5 Effect of satellite carrying on the growth of Benjamin

圖6 衛星搭載的普通紫羊茅SP1代生長速度Fig.6 Effect of satellite carrying on the growth of red festuca

表4 衛星搭載對紫羊茅SP1代部分形態性狀的影響Table 4 Effect of satellite carrying on the morphological characters of Festuca rubrain SP1generations

3 討論與結論

試驗中衛星搭載明顯地促進了紫羊茅根尖細胞的有絲分裂活動，根尖細胞都出現了微核的畸變，這與劉麗等［13］、杜連瑩等［14］報道的空間飛行對苦荬菜和苜蓿種子的根尖細胞的有絲分裂指數增高結果是一致的。空間環境條件能影響植物種子的萌發與生長，不同植物或同一植物不同種對空間環境的敏感性存在差異，經空間誘變的大多數植物種子發芽率與對照無明顯差異；部分植物種子經空間誘變后活力發生變化，發芽率明顯降低或提高，表明空間飛行有刺激生長的作用［15－22］。試驗中衛星搭載2個紫羊茅的發芽率顯著高于對照，發芽勢也有一定的提高。

試驗中衛星搭載2個紫羊茅的生育期均縮短，植株高度略有增高，航天搭載使大部分植物的株高變矮，包括黃葉高羊茅［11］、紫花苜蓿［23］、菊花［24］、谷子［25］、水稻［26］和擬南芥［27］等，本研究與這些報道結果不一致；衛星搭載對2個紫羊茅生長速度的影響不同，衛星搭載處理后紫羊茅本杰明生長速度與對照的生長曲線相似，但日生長量最大值較對照高0.52cm/d，衛星搭載處理后普通紫羊茅生長速度與對照的生長曲線差異較大，但日生長量最大值沒有明顯差異。

2個紫羊茅經衛星搭載處理后，紫羊茅本杰明小穗數/分枝、種子/小穗顯著的低于對照，有效穗數極顯著高于對照，葉片寬度明顯的變窄；普通紫羊茅小穗數/分枝顯著的低于對照，有效穗數極顯著高于對照，葉片寬度明顯的變窄，這與鄭積榮等［28］研究發現，飛船搭載葫蘆種子SP1代葉長、葉寬和莖粗明顯小于對照、航天搭載抑制丹參［29］葉長和葉寬結果一致，與草莓和香石竹［30］葉長和葉寬增加結果相反。

衛星搭載對2個紫羊茅品種種子細胞學特性、發芽特性及生長特性均產生影響，這種影響有可能達到遺傳水平，已有研究證明空間搭載春小麥和新麥草二代，株高仍與對照有顯著差異［31，32］。中芝1號芝麻，航遺1號黃瓜，農菁1號苜蓿等新品種均在篩選不同世代航天誘變后代的基礎上選育而成的，因此，對衛星搭載的紫羊茅進行定向篩選，有望選育出具有優良特性的新品種。

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