不同劑量137Cs?γ輻射對早竹生長性狀及光合作用的影響

沈 鑫 王 波 蔣冬月

（浙江省林業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310023）

早竹（Phyllostachys praecox），屬于禾本科（Gramineae）竹亞科（Bambusoideae）剛竹屬竹種，是我國特有的優(yōu)良栽培筍用竹種[1-2]。與很多筍用竹種相比，早竹具有出筍早、筍期長、產量高、筍味鮮、適應性廣及營養(yǎng)成分豐富等特點[3-4]。除此之外，早竹的開花現(xiàn)象也十分普遍，但是由于早竹花粉敗育率較高、花朵發(fā)育不良等原因[5-6]，通過常規(guī)手段對早竹種質進行遺傳改良較為困難[7]。

輻射育種是無性繁殖植物選育新品種的有效途徑之一[8-9]，具有操作簡易、誘發(fā)變異頻率高等特點[10-11]，被廣泛地應用于植物誘變育種中[12-16]。輻射誘變在竹子中的應用起步較晚，且研究人員發(fā)現(xiàn)137Cs?γ輻射對毛竹（Phyllostachys heterocycla）、地被竹類及矢竹類等竹種的組織器官的生長發(fā)育產生了較為明顯的影響[17-22]。如毛竹種子經過30 Gy和60 Gy劑量的輻射后，幼苗的光合色素含量和熒光參數(shù)值均明顯高于對照及其他劑量[19]；曙矢竹（P. japonicaf.Akebono）和花葉矢竹（P.japonicaf.Akebonosuji）的組培苗經5～10 Gy的輻照后顯著促進了側芽的增殖與伸長[22]。盡管如此，137Cs?γ輻射對早竹成竹生長發(fā)育的影響卻鮮有研究報道，而成竹的生長發(fā)育又與竹子的開發(fā)利用緊密相關，基于此，本研究通過測定不同劑量137Cs?γ射線輻射后早竹成竹的生長性狀，包括株高、節(jié)數(shù)、主莖粗、鞭長、鞭粗、整株質量、葉質量、鞭質量及光合特性相關指標，研究輻射對早竹成竹生長發(fā)育的影響，探索適宜早竹生長發(fā)育的劑量輻射，為今后早竹的輻射誘變育種及分子改良提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗是在浙江省林業(yè)科學研究院溫室大棚中進行。該試驗地處于浙江省杭州市西湖區(qū)留下街道，位于東經120° 02′ 07′′，北緯30° 13′24′′，氣候屬亞熱帶季風氣候，夏季炎熱濕潤，冬季寒冷干燥。全年平均氣溫17.8 ℃，年平均降水量1 454 mm，年平均日照時數(shù)1 765 h，無霜期199～328 d。

1.2 材料來源

本研究所用到的植物材料為2年生早竹植株。該早竹植株是于2013年10月將輻射后的早竹竹鞭苗種于浙江省林業(yè)科學研究院溫室大棚中繁育而成，早竹竹鞭是從浙江省林業(yè)科學研究院竹種園內獲得。

1.3 研究方法

1.3.1 輻射處理

2013年9月將早竹竹鞭苗從竹種園圃地內取出，在掘取過程中應盡量避免對鞭苗的損傷，將竹鞭苗放入塑料袋內送往浙江省農業(yè)科學研究院作物與核技術利用研究所輻照中心進行137Cs?γ輻照處理。共6個輻照劑量，分別為5、10、20、30、40 Gy和50 Gy[19,22]，劑量輻射率為1 Gy/min。每個處理重復3次，每次處理早竹竹鞭苗10株，平均株高0.5 m。用未進行輻射處理的早竹竹鞭苗作為對照。

1.3.2 種植方法

在2013年3月進行前期竹鞭種植（此時未進行輻射處理，待長出竹鞭苗后進行的輻射處理），截取0.5～0.6 m長的早竹竹鞭埋于浙江省林業(yè)科學研究院竹種園內的圃地，鞭穴長0.7 m，寬0.2 m，深0.3 m。竹鞭苗培養(yǎng)期間水分供給一致，進行正常的栽培管理。在輻射處理后，將輻射處理后的竹鞭苗和作為對照的竹鞭苗種于浙江省林業(yè)科學研究院溫室大棚的育苗槽內，早竹竹鞭苗的每個劑量輻射種植株數(shù)為30株。整個實驗采用完全隨機區(qū)組設計，包括6個處理和1個對照，每個處理及對照重復3次，共21個區(qū)組。每條育苗槽長28 m，寬0.8 m，深0.6 m。每條育苗槽進行均分后用于埋鞭，每個區(qū)組的槽長為4 m，鞭穴長0.7 m，寬0.2 m，深0.25 m，穴間距0.1 m，分2行進行埋鞭，行間距0.3 m。育苗槽內的基質為普通土壤、泥炭、蛭石和珍珠巖混合而成，體積比為5∶3∶1∶1，該基質pH為7.1，堿解氮120.2 mg/kg，速效磷12.3 mg/kg，速效鉀77.4 mg/kg，其中普通土壤來自浙江省林業(yè)科學院竹類植物園，泥炭、蛭石和珍珠巖購自杭州錦海農業(yè)科技有限公司。種植期間水分供給充足一致，進行正常的栽培管理。

1.3.3 測定方法

2015年9月6日，從不同劑量輻射和1個對照中任意選取5株進行生長性狀的測定。株高的測定是從竹子的莖稈頂端生長點到基部，稈粗是總節(jié)數(shù)的1/2處的竹節(jié)的測量值，當總節(jié)數(shù)為奇數(shù)時，是總節(jié)數(shù)+1的1/2處的竹節(jié)測量值。鞭長為竹鞭的長度，當遇到鞭梢折斷現(xiàn)象時，則另對折斷附近的岔鞭進行測定；鞭徑為竹鞭總長1/2部位的直徑。整株質量是竹子地上部分的總質量，葉質量是竹子地上部分所有葉的總質量，鞭質量是竹鞭的質量。

2015年9月10日至14日，天氣多云有微風，測定時氣溫25 ℃。通過使用Li?6400XT型便攜式光合儀對早竹4個劑量輻射和1個對照的植株進行測定，測定指標包括凈光合速率、光飽和點、光補償點和暗呼吸速率。整個測定過程從早上9：00開始，12：00結束，設定光照強度梯 度 為2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)，改變光照強度后，最少穩(wěn)定時間設定為120 s。測定時為保持環(huán)境的穩(wěn)定性，設定CO2濃度為當前大氣CO2濃度，(400±20)μmol/mol；葉溫為(25±1)℃，相對濕度變化范圍為36%～52%。每個劑量輻射及對照中任意選取3株的中上部成熟葉片進行測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

生長性狀的數(shù)據(jù)分析方法為One-way ANOVA方差分析和LSD多重比較，相關性分析方法為Pearson correlation。分析軟件是R語言軟件V3.2.2，作圖軟件為ggplot2[23]。

光合特性相關指標數(shù)值通過直角雙曲線修正模型獲得[24-25]。公式為：

式中：Pn為凈光合速率，μmol/(m2·s)；I為光合有效輻射強度，μmol/(m2·s)；α為植物光合作用對光響應曲線在I= 0時的斜率，即光響應曲線的初始量子效率（無量綱）；β和γ為系數(shù)，(m2·s)/μmol；Rd為暗呼吸速率，μmol/(m2·s)。

2 結果與分析

2.1 不同劑量137Cs?γ輻射對早竹生長性狀的影響

早竹的生長性狀包括竹稈生長性狀、竹鞭生長性狀和生物量累積。

1）對竹稈生長的影響：從圖1中看出輻射對早竹的株高、節(jié)數(shù)、桿粗有明顯影響，不同劑量輻射對早竹的竹稈生長產生了顯著抑制或是無明顯差異的作用。與對照相比，經10 Gy處理的株高值最大，平均值分別為195.6 cm和198.6 cm，經5 Gy輻射處理的株高值次之，之后是經20 Gy輻射處理的植株，經30 Gy輻射的值最小，平均值為36.8 cm，且該劑量輻射的株高變異系數(shù)最大。

2）對于節(jié)數(shù)的影響：對照和經10 Gy輻射處理的植株的節(jié)數(shù)最多，平均值分別為38.8節(jié)和36.8節(jié)。經5 Gy劑量的植株節(jié)數(shù)次之，之后是經20 Gy處理的植株，最小值是經30 Gy處理的植株，平均值為14.8節(jié)，節(jié)數(shù)變異系數(shù)最大。另外，對照植株的稈粗值最大，平均值為8.44 mm，之后依次為10、20、5、30 Gy輻射處理的植株，最小稈粗值為1.33 mm，經30 Gy處理的變異系數(shù)最大。

3）對早竹竹鞭生長的影響：輻射對早竹竹鞭生長的影響，從圖1中可以看出，與對照植株竹鞭相比，不同劑量輻射對早竹的竹鞭生長同樣是產生了抑制或是無顯著差異的作用。其中對照和經5 Gy輻射處理的植株鞭長值最大，平均值分別為230.6 cm和228 cm，經10 Gy和20 Gy輻射的植株次之，經30 Gy劑量輻射處理的植株鞭長值最小，平均值為31 cm。同時，對照植株的鞭徑值最大，平均值為8.27 mm，之后依次為5、10、20、30 Gy劑量輻射處理的植株，最小值為2.35 mm，30 Gy劑量的鞭長和鞭徑變異系數(shù)最大。

4）對早竹生物量累積的影響：如圖1所示，與對照植株生物量相比，不同劑量輻射處理的植株在生物量累積方面出現(xiàn)了降低和無顯著差異的結果。對照和經5 Gy輻射處理的植株葉質量值最大，平均值都為112 g，其余劑量處理的葉片生物量累積從高到低依次為10、20、30 Gy，且它們之間均呈顯著差異，最小平均值為6 g。對于鞭質量，最大值為對照植株，平均值為291 g，經5 Gy輻射處理的植株次之，之后是經10 Gy和20 Gy輻射處理的植株，最小值為經30 Gy處理的植株，平均值為12 g。對照和經5 Gy輻射處理的植株整株質量數(shù)值最大，平均值分別為170 g和165 g，之后依次是10、20、30 Gy，經30 Gy處理的整株重平均值為14 g，且該劑量的葉質量、鞭質量及整株質量的變異系數(shù)都為最大。

另外，經過輻射處理后，40 Gy和50 Gy劑量的早竹竹鞭苗全部死亡，證實40 Gy是早竹竹鞭苗的137Cs?γ輻射的致死劑量，而在30 Gy劑量輻射下，有接近一半的早竹竹鞭苗死亡，說明30 Gy是早竹竹鞭苗的137Cs?γ輻射的半致死劑量。

圖 1 不同劑量輻射下早竹生長性狀相關性狀的差異顯著性分析Fig.1 Difference test of growth traits ofP. praecoxunder multiple radiation doses

2.2 不同劑量137Cs?γ輻射對早竹光合特性的影響

1）對光響應曲線的影響：從圖2中可以看出，不同劑量輻射的植株在光強遞增的起始階段均呈現(xiàn)凈光合速率持續(xù)增強的趨勢，但當光強達到一定數(shù)值時，凈光合速率達到最大，即達到光飽和點之后凈光合速率逐漸減弱。

2）對光響應特征參數(shù)的影響：對照植株的光飽和點最大，其次是20、10、5 Gy，30 Gy最小；同時，不同劑量輻射的植株在達到光飽和點時的凈光合速率也有較大區(qū)別。根據(jù)表1列出的具體數(shù)值，對照植株最大光合速率最高，約為8.91 μmol/(m2·s)，30 Gy的最低，約為2.39 μmol/(m2·s)。另外，在光補償點中，30 Gy的植株光補償點最高，約為23.37 μmol/(m2·s)，對照植株最低，約為6.28 μmol/(m2·s)。對于暗呼吸速率，10 Gy的速 率 最 快，約 為1.43 μmol/(m2·s)，對照植株最慢，約為0.55 μmol/(m2·s)。

圖 2 不同劑量輻射下早竹光響應曲線Fig.2 Photosynthesis-light response curve of P. praecoxunder multiple radiation doses

表 1 不同劑量輻射下早竹光合特性相關指標Table 1 Related indicators of photosynthesis ofP. praecoxunder multiple radiation doses

2.3 早竹各性狀之間的相關性

在獲得不同劑量輻射的早竹植株生長性狀和光合特性相關指標數(shù)值的基礎上，通過Pearson相關性分析，對這些性狀之間的相關性及相關程度進行了研究。從圖3中可以看出，早竹生長性狀之間均為顯著正相關，相關系數(shù)為0.65～0.99，表明輻射全面影響了早竹的生長，其中，葉質量、鞭長、鞭徑和整株質量之間的相關系數(shù)較高，均大于0.95。

光合特性相關指標間，光飽和點與最大光合速率、光補償點與暗呼吸速率之間呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.93和0.8，而光飽和點和最大光合速率與光補償點與暗呼吸速率之間呈顯著負相關，相關系數(shù)為-0.84、-0.39、-0.72和-0.18。生長性狀與光合作用中的光飽和點及最大光合速率呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.59～0.97，與光補償點及暗呼吸速率之間呈顯著負相關，相關系數(shù)為0.05～0.97，表明輻射在一定程度上影響了早竹的光合作用，且光合作用越弱，早竹的生長性狀相關性狀數(shù)值越低。

圖 3 早竹生長性狀和光合特性相關指標Pearson相關性分析Fig.3 Pearson correlation of growth traits and related indicators of photosynthesis ofP. praecox

3 結論與討論

輻射誘變育種是利用各種射線誘發(fā)植物產生變異，再根據(jù)育種目標在變異植株或其后代中篩選新材料，經培育獲得優(yōu)良品種的技術[26]。輻射的劑量、物種、基因型及組織的選擇均會影響優(yōu)良突變體的獲得。如曾文丹等利用不同60Co-γ射線輻射劑量處理木薯組培苗，隨著輻射劑量的增加，組培苗的生根率和萌發(fā)率均顯著降低，且不同品種的變異率也存在顯著差異[27]；曹志華等對毛竹輻射誘變實生優(yōu)株的研究中發(fā)現(xiàn)，在10 Gy和50 Gy的輻射劑量下實生優(yōu)株的性狀更穩(wěn)定[28]。在輻射誘變機理方面，近年來的研究表明，輻射誘變會造成DNA序列或結構上不同程度的改變。Li等利用二代測序技術對γ射線輻射后的水稻基因組變異情況進行研究，發(fā)現(xiàn)誘變后代中存在單堿基替換和小片段插入/缺失等序列變異，以及大片段插入/缺失和拷貝數(shù)變異等結構變異[29]，這種情況同樣出現(xiàn)在擬南芥的研究中[30]。除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)輻射誘變會導致表觀遺傳上的性狀突變[31]。

本研究對經過4個劑量輻射處理的植株和未經輻射處理的對照植株完成了包括株高、節(jié)數(shù)、稈粗等生長性狀和光合特性相關指標的測定。通過對性狀數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)早竹竹鞭苗對不同輻射劑量的敏感程度不同，而輻射對早竹生長性狀的影響也不盡相同，主要表現(xiàn)為隨著輻射劑量的增加，早竹的生長勢越弱，生長性狀數(shù)值越低，且光合作用越弱。大多數(shù)輻射處理的植株和對照之間的性狀差異顯著，但輻射植株的生長性狀和光合作用強度并沒有優(yōu)于對照植株。在先前輻射對毛竹種子萌發(fā)和幼苗光合作用的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)一定劑量的輻射處理能夠提高毛竹種子的發(fā)芽率及幼苗光合作用相關的熒光參數(shù)值，表明一定劑量的輻射處理的確能夠在毛竹初期及早期的生長發(fā)育階段起到明顯的促進作用[17-20]。另外，楊海蕓等對矢竹類組培苗的輻射研究中發(fā)現(xiàn)，5～10 Gy顯著促進曙矢竹和花葉矢竹側芽的增殖與伸長，且能夠促進辣韭矢竹（P.japonicaf.Tsutsumiana）根系生長，但20 Gy以上劑量則顯著抑制其試管苗生長[22]。然而本研究發(fā)現(xiàn)137Cs?γ輻射并未促進早竹竹鞭苗的生長發(fā)育和光合作用，且有個別劑量在早期便遏制了其正常的生長發(fā)育，所以推測輻射對竹子生長的影響可能與接受輻射的竹種和營養(yǎng)體有較大的關系。白瑞華等在對地被竹的組培苗和竹鞭輻射后發(fā)現(xiàn)，不同竹種的輻射致死劑量差異較大，多為20～30 Gy，但有部分竹種的竹鞭耐受性較強，能夠超過80 Gy[21]，而本研究中30 Gy和40 Gy分別是早竹竹鞭苗的半致死劑量和致死劑量，所以竹種與輻射的耐受性關系密切。

另外，通過對早竹各劑量輻射及對照植株的生長性狀與光合特性相關指標的相關性分析，發(fā)現(xiàn)早竹生長性狀與最大光合速率及光飽和點呈顯著正相關，與光補償點及暗呼吸速率呈顯著負相關。所以推測輻射對早竹光合作用的減弱影響了其生物量的累積。