太空誘變對紫色馬鈴薯種子及幼苗性狀的影響研究

張桂芝,劉淑娜,于高波,金光輝,姜麗麗,李德澤,田麗美,高幼華

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

彩色馬鈴薯屬雙子葉植物綱茄科多年生草本植物[1]，原產(chǎn)南美秘魯?shù)鹊兀瑖鴥?nèi)近年已有種植，且隨著人們對食品多樣性和安全健康食品需求增加，彩色馬鈴薯深受大眾喜愛，而紫色馬鈴薯是彩色馬鈴薯中重要一類，花青素含量高且營養(yǎng)豐富[2]。但目前生產(chǎn)上的紫色馬鈴薯栽培品種存在品種少、產(chǎn)量低的問題。利用返回式衛(wèi)星搭載進行植物太空誘變育種已成為我國相對獨立且有效的育種手段[3]，水稻、大豆、棉花、青椒、黃瓜等幾十種作物千余個品種應(yīng)用太空誘變技術(shù)成功選育出513個作物品種和一些對農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量有重要影響的罕見突變體[4]。馬鈴薯遺傳較復(fù)雜，與小麥等主糧作物相比，輻射誘變育種進展較緩慢，獲得成就少[5]，如魯馬鈴薯 2 號是經(jīng)Co60的照射育成[6]，黑美人是采用航天育種技術(shù)育成[7]，國內(nèi)對馬鈴薯輻射誘變研究多集中在薯塊、愈傷組織、試管苗上[8-10]，對于航天誘變馬鈴薯實生種子和幼苗的研究少有報道。本試驗是利用“實踐十號”進行了紫色馬鈴薯實生種子搭載，初步研究微重力和太空強輻射等因素對紫色馬鈴薯種子及幼苗期生理性狀的影響，以期為紫色馬鈴薯種質(zhì)改良和品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2016年12月至2017年6月期間在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)馬鈴薯種質(zhì)資源實驗室和育種基地日光溫室內(nèi)完成。

1.2 材料

試驗材料為3個紫色馬鈴薯品系，分別為MD07-15、ZL02-3、ND13-4，由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)馬鈴薯研究所提供，3個品系實生種子經(jīng)“實踐十號”返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星搭載12d返回地面，以未經(jīng)搭載的地面種子為對照，進行發(fā)芽試驗和幼苗期性狀鑒定試驗。

1.3 方法

1.3.1 種子發(fā)芽試驗

每個品系搭載和未搭載種子分別取150粒，設(shè)三次重復(fù)，放入培養(yǎng)皿中浸種24h，放置在20℃無菌培養(yǎng)室中進行發(fā)芽培養(yǎng)。每天記錄種子萌發(fā)數(shù)，將正常幼苗和不正常幼苗分別記錄，死種子和霉?fàn)€種子及時檢出并記錄，直至無萌發(fā)種子出現(xiàn)為止，測定各誘變材料實生種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等。

1.3.2 幼苗性狀地面鑒定試驗

取各誘變品系200粒，以未搭載種子為對照(CK)，于2016年12月3日在育種基地日光溫室內(nèi)進行播種，設(shè)4次重復(fù)，每個品種播種4個育苗箱，育苗箱規(guī)格長1m×寬0.5m×高0.15m，以0.1m×0.1m距離點播，育苗土為細(xì)沙∶黑壤土∶腐熟菌渣肥=1∶5∶0.1，溫室正常管理。出苗后及時觀察并記錄田間出苗率、成苗率，待幼苗長至30d測量并計算平均株高、莖粗，記錄葉片數(shù)，觀察誘變種質(zhì)在株高、株型、莖色、葉色、葉緣形狀等農(nóng)藝性狀，與對照進行比較，在田間表現(xiàn)有明顯差異的植株，定為假定變異株。

莖粗與株高均采用門福義等的方法測定[11]。株高是用直尺測量生長點至莖基的高度，莖粗是用游標(biāo)卡尺去測量莖基的最粗處。

1.3.3 幼苗葉片保護酶測定方法

待幼苗長至30d時隨機取樣并測定誘變品系搭載前后幼苗葉片相關(guān)保護酶活性，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性。采用紫外吸收法進行幼苗葉片CAT活性的測定[12-13]，采用愈創(chuàng)木酚法進行POD活性的測定[13]，采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法進行SOD活性的測定[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 太空誘變對紫色馬鈴薯種子的影響

2.1.1 太空誘變對紫色馬鈴薯種子發(fā)芽勢的影響

由表1可以看出，在經(jīng)過航天誘變處理之后，不同的紫色馬鈴薯品系發(fā)芽勢比對照低，且降低幅度各品系間有較大差異，達9.3%。其中MD07-15經(jīng)航天誘變后發(fā)芽勢變化最大，比對照低20.1%，其次是ZL02-3和ND13-4，分別是14.8%和10.8%。誘變材料種子發(fā)芽勢下降的原因可能是太空微重力和強幅射對種子造成一定的生理損傷，致使誘變后的種子發(fā)芽較普通種子緩慢。

表1 誘變品系種子發(fā)芽勢比較

2.1.2 太空誘變對紫色馬鈴薯種子發(fā)芽率的影響

表2 誘變品系種子發(fā)芽率比較

各誘變材料種子發(fā)芽率變化情況如表2所示，經(jīng)太空誘變處理之后，各品系發(fā)芽天數(shù)延遲，且發(fā)芽率均比對照低10%以上，且不同品系間存在差異。其中ZL02-3的下降幅度最大，ND13-4降低幅度最小。經(jīng)太空強幅射后，不同紫色馬鈴薯品系之間發(fā)芽率的差異表現(xiàn)不同的，可能原因有不同品系自身的遺傳物質(zhì)不同，還有不同品系對環(huán)境的反應(yīng)敏感性和應(yīng)激反應(yīng)不同，誘變效率就會有差異。

2.1.3 太空誘變對紫色馬鈴薯種子成苗能力的影響

從表3可以看出，3個誘變品系的出苗率和成苗率均較對照有所下降，各品系之間的下降幅度存在很大差異，差異程度達27%。其中ZL02-3下降幅度最大，達27.0%以上，而ND13-4下降幅度最小，其成苗率僅下降0.9%，MD07-15則居中。在成苗能力方面，各品系之間也存在差異性，ZL02-3CK的出苗率和成苗率都高于其它兩品種，但誘變處理后其出苗率和成苗率都降為最低，而ND13-4的出苗率和成苗率則最高，這說明不同品系對誘變環(huán)境效應(yīng)有較大差異。

表3 誘變品系種子成苗能力分析

2.2 太空誘變對紫色馬鈴薯幼苗農(nóng)藝性狀的影響

通過搭載前后各誘變材料群體觀察取樣測定(表4)，經(jīng)過航天誘變處理后，各品系幼苗期生長勢受到抑制，生長遲緩，矮化，平均株高和平均葉片數(shù)都低于對照，平均株高降幅在2.33%～8.62%， MD07-15和ZL02-3誘變后生長遲緩，平均葉片數(shù)都少于對照。本試驗結(jié)果表明，航天誘變后3個品系苗期性狀表現(xiàn)存在很大差異，ND13-4苗期的平均葉片數(shù)與對照相近，沒有明顯差異，而在平均莖粗方面是下降的，其它兩個品系MD07-15和ZL02-3則增加，增加幅度在8.33%～11.11%。由此可知，3個品系對航天誘變環(huán)境的敏感性和細(xì)胞損傷程度不同，ND13-4對太空誘變環(huán)境不敏感，誘變后苗期性狀變化幅度不大，而其它2個品系表現(xiàn)敏感，致畸率也高。

表4 誘變品系幼苗農(nóng)藝性狀差異

2.3 太空誘變對紫色馬鈴薯幼苗葉片保護酶的影響

由圖1可以看出，各品系經(jīng)太空誘變處理后，誘變品系的幼苗葉片中各保護酶SOD、CAT、POD活性均高于對照，但增強幅度不同。其中SOD活性較對照增強幅度最小，為11.88%～22.93%， POD活性增強幅度為23.53%～54.35%，CAT活性增強幅度最大，為19.67%～57.35%。各品系幼苗葉片保護酶活性對誘變環(huán)境的反應(yīng)存在差異，品系MD07-15幼苗葉片SOD、CAT、POD活性平均增幅最大，而品系ZL02-3幼苗葉片中各酶活性增幅最小。

圖1 誘變品系幼苗葉片SOD、CAT、POD的活性

2.4 變異株與對照幼苗性狀差異分析

由表5可以看出，經(jīng)太空誘變處理后，各品系的變異株與對照的差異主要表現(xiàn)在株高、莖和葉片的顏色變化方面，株高與對照差異較大，莖和葉片的顏色呈加深趨勢，葉片邊緣波狀變強。究其原因，可能是高空的強幅射激發(fā)了種子形成色素的物質(zhì)積累。

表5 變異株與對照幼苗性狀差異分析

3 結(jié)論與討論

與對照相比，經(jīng)返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星“實踐十號”搭載的紫色馬鈴薯種子經(jīng)過地面發(fā)芽試驗和幼苗性狀鑒定試驗表明，總體上誘變后種子的發(fā)芽勢和成苗能力大幅度下降，幼苗矮化，生長遲緩，莖葉顏色變深，幼苗葉片SOD、CAT、POD的活性增強，但也會出現(xiàn)個別較對照生長快的高變異株。

太空環(huán)境對植物種子的誘變效應(yīng)差異很大[15]，衛(wèi)星搭載的番茄其SP1代發(fā)芽率比對照低[16-17]，航天搭載黃芩種子發(fā)芽和成苗能力和SP1代植株生長受到抑制[3]，這與本研究結(jié)果一致。另有研究表明小麥種子經(jīng)航天處理卻明顯促進其發(fā)芽、出苗及生長[18-19]，豌豆、紅花、石刁柏等植物的種子經(jīng)太空誘變處理后其活力也明顯比地面對照種子高[20]，這與本試驗研究結(jié)果存在差異。作物遇到低溫、鹽、輻射等逆境后體內(nèi)的多種酶活性會產(chǎn)生很大變化，酶活性增強和下降與植物的抗逆性密切相關(guān)[21]，馬鈴薯幼苗遇低溫脅迫時SOD、POD活性增加[22]，小麥幼苗鹽脅迫時POD活性增強[23]，UV-B輻射使彩色馬鈴薯葉片中保護酶活性增強[24]。本試驗結(jié)果表明，太空強輻射環(huán)境也使紫色馬鈴薯幼苗葉片SOD、CAT、POD的活性增強，且增幅較大，這與前人研究結(jié)果相似。

彩色馬鈴薯種子后代遺傳復(fù)雜[25-26]，本試驗著重研究了太空誘變紫色馬鈴薯實生種子的發(fā)芽和成苗能力及幼苗群體的農(nóng)藝性狀、葉片酶活性變化情況，還需利用分子生物學(xué)手段進一步明確太空誘變材料變異體遺傳物質(zhì)的的真實性，并利用多代無性系繁殖技術(shù)檢測誘變獲得變異的可持續(xù)遺傳穩(wěn)定性等。

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