太空誘變對大蔥和洋蔥種子萌發及幼苗生長的影響

張仕林,潘學勤,沈若剛,惠林沖,龔俊嶺

(1上海蔬菜研究所,上海 201899;2上海惠和種業有限公司,上海 201899;3連云港市農業科學院,連云港 222000)

蔥屬(Alliums)大多為多年生草本植物,在全球廣泛分布,共約850種[1],蔥屬蔬菜常見的有大蔥、洋蔥等,具有很高的食用價值及藥用價值[2]。大蔥(Allium fistulosumL.)和洋蔥(Allium cepaL.)在我國有著悠久的種植歷史和廣闊的地理栽培分布,我國是世界上最大的大蔥和洋蔥種植及出口國家,且其種植規模、產量以及種子用量仍有逐年遞增的趨勢[3-6]。大蔥和洋蔥常規育種周期長,在自然環境下產生變異的可能性極低,誘變育種是其植物遺傳性狀改良的有效方法,能夠獲得新的種質資源[7]。太空誘變育種能夠利用太空特殊的環境誘變因子,在短期內使誘變材料發生突變,創造出罕見的種質材料和基因資源,與常規物理和化學誘變相比具有明顯優勢,引起廣泛重視[8-9]。我國科學工作者經過30多年的探索,已經將太空誘變育種廣泛運用到了蔬菜植物的育種中,并培育出辣椒、石刁柏、黃瓜、青花菜等新品種[10]。隨著大蔥和洋蔥產業的不斷發展,其良種水平遠不能適應生產發展的需要,太空誘變成為大蔥和洋蔥種質創新的新途徑,然而目前尚無此方面的研究報道。本研究利用“新一代載人飛船試驗船”對大蔥和洋蔥種子進行太空搭載,通過對誘變材料種子萌發及其幼苗生長的分析,研究其葉片保護酶及葉綠素含量的生理特性,探討太空誘變處理的植株和對照植株的差異,以期為蔥屬蔬菜太空誘變育種及種質創新提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據上海市農業技術推廣服務中心“航天育種平臺建設”項目課題組的相關安排,上海惠和種業有限公司提供了上海蔬菜研究所蔥蒜類育種室培育的高代自交系:大蔥種子(SPB19)和洋蔥種子(SPO19)各20 g,于2020年5月5日18時,搭載“新一代載人飛船試驗船”上天,在軌飛行67 h,之后與同品系未誘變種子(對照)一起放于5℃的種子低溫干燥儲存倉庫中保存。試驗于2020年8—10月在上海惠和種業有限公司種子檢測實驗室及育種農場進行。將上述大蔥和洋蔥高代自交系種子分為兩組,一組為經太空誘變的種子,一組為未經太空誘變的種子(對照),兩組種子均取1 000粒。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子處理及播種

將太空誘變及對照種子用透明塑料發芽盒進行發芽試驗(種子間距0.5 cm)[11],放入光照培養箱中,并設定白天光照為4 000 lx、溫度為白天25℃∕夜晚20℃、光周期為白天14 h∕夜晚10 h,自播種后36 h起每12 h觀察發芽情況,待生長穩定后測量相關數據,每盒100粒種子,4次重復。在進行發芽盒試驗的同時,將上述種子播種于200孔的基質穴盤中用于模擬地播試驗,正常水肥管理,每個重復為200株幼苗,3次重復。

1.2.2 發芽指標的測定

參照《國際種子檢驗規程》(ISTA)的標準并結合蔥屬蔬菜種子發芽實際,從有種子發芽開始每半日(12 h)進行一次調查,并計算種子發茅勢、發芽率、發芽指數和根系活力指數。在第10天隨機選取10株幼苗,測定芽鮮重和胚根長。

種子發芽勢=第3天種子的發芽數∕供試種子總數×100%;

種子發芽率=第7天種子的發芽數∕供試種子總數×100%;

發芽指數Gi=∑Gt∕Dt,Gt是當天的發芽數,Dt是對應的發芽天數;

活力指數Vi=Gi×S,S是根長的均值(cm)。

1.2.3 幼苗期試驗

待上述穴盤的幼苗苗齡達35 d(約3葉1心)時,對其生長及生理指標進行測定。使用直尺對幼苗長度進行測量,隨機測量10株。選擇從內往外第2片葉進行生理指標測量,隨機測量10株,3次重復。采用氮藍四唑法(NBT)測定超氧化物岐化酶(SOD)活性[12];采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[13];采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量[14];采用蒽酮比色法測定可溶性糖(SS)含量[15];根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[16];參照李合生[16]的方法進行葉綠素含量測定。

1.3 數據分析

采用SPSS 20.0軟件對試驗數據進行方差分析,并對平均數進行Duncan’s多重比較。

2 結果與分析

2.1 太空誘變對大蔥和洋蔥種子萌發的影響

種子發芽時間的長短和一定時間內的發芽數量可以體現種子的發芽速度[7]。由表1可知,太空誘變對蔥屬蔬菜種子萌發產生了顯著影響。在實驗室條件下,經太空誘變的大蔥、洋蔥種子播種后分別于132 h和144 h發芽完畢,對照種子(CK)均為156 h后發芽完畢;經太空誘變的大蔥、洋蔥種子半日平均發芽率分別為9.67%和8.85%,對照大蔥、洋蔥種子半日平均發芽率分別為8.95%和8.86%。在穴盤播種條件下,誘變種子的發芽趨勢與實驗室條件下種子發芽趨勢基本一致,但發芽開始和完畢時間較其延后了12—24 h。

表1 太空誘變對大蔥和洋蔥種子不同時間發芽數量的影響Table 1 Effects of space mutation on seed germination quantity of welsh onion and onion at different time

由表2可知,太空誘變對大蔥和洋蔥種子的發芽率和發芽勢均有影響。太空誘變后,大蔥、洋蔥種子的發芽率分別為87.0%和88.5%,分別較對照低11.5個和9.0個百分點。太空誘變后,大蔥、洋蔥種子的發芽勢分別為74.8%和70.8%,分別較對照高7.3和2.0個百分點。此外,太空誘變種子的初始半日發芽量在前72 h均較對照高,發芽高峰期時間提前了12 h。經太空誘變的種子成活率與成苗率與穴盤播種條件下一致,出苗后不再有植株死亡而損失。

表2 太空誘變對大蔥和洋蔥種子發芽率、發芽勢及成苗率的影響Table 2 Effects of space mutation on germination rate,germination potential and seedling rate of Welsh onion and onion seeds

2.2 太空誘變對大蔥和洋蔥幼苗生長的影響

由圖1和表3可知,太空誘變后,大蔥和洋蔥幼苗形態受到顯著影響,表現為生長加快、植株更高、葉色更綠、根系更發達。太空誘變后,大蔥和洋蔥幼苗的株高分別較對照高27.7%和22.2%;假莖粗分別較對照高20.0%和15.9%;幼苗根數分別較對照高4.3%和6.5%;幼苗根長分別較對照高8.7%和11.1%;幼苗根粗分別較對照高6.8%和9.3%;全株鮮重分別較對照高23.1%和22.7%。

圖1 太空誘變對大蔥和洋蔥幼苗形態的影響Fig.1 Effects of space mutation on seedling morphology of welsh onion and onion

表3 太空誘變大蔥和洋蔥幼苗生長指標的影響Table 3 Effects of space mutation on growth indexes of welsh onion and onion seedlings

2.3 太空誘變對大蔥和洋蔥幼苗葉片保護酶、葉綠素含量及根系活力的影響

由表4可知,太空誘變后,大蔥和洋蔥幼苗葉片保護酶受到顯著影響,表現為SOD、POD活性升高,MDA含量降低。太空誘變后,大蔥和洋蔥幼苗葉片的SOD活性分別較對照高10.9%和12.1%,POD活性分別較對照高5.9%和19.5%,MDA含量分別較對照低22.4%和18.5%。太空誘變后,可溶性糖含量、根系活力和葉綠素含量均顯著提高,大蔥和洋蔥幼苗葉片的可溶性糖含量分別較對照高29.4%和17.4%,總葉綠素含量分別較對照高8.0%和24.7%,根系活力分別較對照高12.7%和17.9%。總體而言,太空誘變促進了大蔥和洋蔥幼苗的生長,提高了其生理指標數值。

表4 太空誘變對大蔥和洋蔥幼苗葉片保護酶、葉綠素含量及根系活力的影響Table 4 Effects of space mutation on leaf protective enzymes,chlorophyll content and root activity of welsh onion and onion seedlings

3 討論

植物種質資源受到太空環境中宇宙粒子、強輻射、高真空、微重力等因素復雜而綜合的作用,會導致其生理生化改變和遺傳變異,并且大多數變異性狀穩定較快,能創造新種質資源,培育優良品種[17]。太空環境對植物種子的誘變效應不盡相同,番茄[18]、馬鈴薯[19]、西瓜[20]、茄子[21]等作物的SP1代發芽率、發芽勢以及成苗能力均受到不同程度抑制;而小麥[22]、玉米[23]、芥菜[24]、豌豆[10]種子的發芽、出苗及生長受到促進,這與本研究基本一致。本試驗中,經太空誘變的大蔥和洋蔥種子的發芽勢在前72 h均高于對照,但種子發芽率卻最終低于對照,推測發芽勢上升的原因可能是太空環境對種子起到引發作用,而發芽率下降的原因可能是太空環境對種子造成某種生理損傷并導致死亡。太空誘變對不同植物幼苗生長的影響也存在差異,如馬鈴薯、桔梗株高明顯降低,芝麻株高明顯增加等[25]。本試驗中,經太空誘變的大蔥和洋蔥幼苗的各項生長指標均顯著高于對照,表明太空誘變促進了其生長。

植物經化學、物理輻射和太空等誘變后體內的多種酶活性會增強或下降以便提升植物抗逆特性[26],EMS誘變處理茄子[27]、60Co-γ輻射處理黃瓜[28]、航天誘變處理芥菜[24]均導致植物體內SOD、POD活性及MDA含量改變。本試驗中,太空強輻射環境使大蔥和洋蔥幼苗葉片的SOD、POD活性大幅增強,MDA含量大幅降低,這與其他太空誘變植物的研究結果相似。葉綠素與葉片吸收、傳遞和轉化光能緊密相關[25],大蔥和洋蔥幼苗經太空誘變后葉綠素含量顯著升高,這與多數植物經太空誘變后葉綠素含量表現出升高的研究結果相似。經太空誘變的大蔥和洋蔥幼苗的可溶性糖含量增加,表明太空誘變后細胞內代謝增強,促進淀粉水解為可溶性碳水化合物,增加細胞的滲透調節能力。本試驗著重研究了太空誘變大蔥和洋蔥種子萌發及幼苗生理生化和形態的變化,后續試驗將對其繼續進行田間觀察,利用分子生物學手段對其是否產生遺傳變異進行相關分析,以期找到表現優異的變異株,通過系統選育獲得可持續遺傳穩定性,為蔥屬蔬菜育種及種質創新提供幫助。