航天诱变对甜菜生殖生长期几种激素含量的影响

刘乃新 ，吴则东 ，王华忠

（1.黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室，哈尔滨150080；2.中国农业科学院甜菜研究所/黑龙江大学农作物研究院，哈尔滨 150080；3.农业部甜菜品质监督检验测试中心，哈尔滨 150080）

利用返回式卫星等所能到达的空间环境对植物（种子）的诱变作用产生有益的变异，在地面选育植物新种质、新材料，培育新品种的高新技术育种途径和方法，称为航天育种或空间诱变育种[1]。自1987年以来，在国家863计划和重点攻关等项目的资助下，我国科学工作者15次利用返回式卫星和神舟飞船搭载植物种子，经多年地面种植筛选，先后育成60多个农作物优异新种质、新品系并进入省级以上品种区域试验，其中已通过国家或省级审定的新品种或新组合20个，包括水稻13个、小麦3个、番茄2个、青椒和芝麻各1个，并从中获得了一些有可能对产量有突破性影响的罕见突变[2]，其中包括水稻、小麦、番茄、青椒和芝麻在内的30多个新品种或新组合已通过国家或省级审定，并已进入市场推广。而关于航天育种诱变机理的研究也在很多作物间展开，目前多集中在同工酶电泳及分子标记谱带的差异，但是对航天诱变后激素含量差异的研究还少见有报道，为此本文通过对航天诱变甜菜在花期几种激素含量变化的比较研究，为阐明航天诱变的机理提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 材料

实验组的甜菜种子于2006年9月9日15时，由我国自行研制的“实践八号”航天育种卫星搭载长征二号丙运载火箭在酒泉卫星发射中心升空，“实践八号”育种卫星返回舱经过15d的在轨飞行，于2006年9月24日上午10点42分，在四川省遂宁地区安全回收。本次实验研究的材料为3个优良的四倍体品系，航天诱变品系分别命名为H1、H2和H3，其对照分别为CK1、CK2和CK3，其中航天品系当年在海南培育母根，2007年在农村隔离采种，每个航天诱变的品系选取1株外形变异较大的留种，并和对照种子当年在山东培育母根，2008年4月20日分别栽植航天诱变品系及对照母根，2008年7月4日上午取样，各材料分别选取10株生长健壮的个体，分别取未开放的花蕾和叶片作为实验材料。

1.2 测定方法

1.2.1 激素的制备 将花蕾及叶片各称1g，加2mL样品提取液，在冰浴下研磨成匀浆，转入10mL试管，再用2mL提取液分次将研钵冲洗干净，一并转入试管中，摇匀后放置在4℃冰箱中提取4h，4000r/min离心15min（实验中离心机型号为LDZ5-2），取上清液。沉淀中加1mL提取液，搅匀，置4℃下再提取1h，离心，合并上清液并记录体积，残渣弃去。用氮气吹干，除去提取液中的甲醇，用样品稀释液定容。

1.2.2 激素含量的测定 试剂盒由中国农业大学作物化控研究室提供，激素的测定采用间接酶联免疫法（ELISA），酶标仪的型号为Thermo Multiskan MK3，间接法的原理可用公式表示：Ab+H+HP=AbH+AbHP

其中Ab表示抗体，H表示游离激素，HP表示吸附在板上的激素－蛋白质复合物。根据质量作用定律，当该反应体系中Ab及HP的量确定时，游离H越多，结合物AbH形成的就越多，而AbHP形成的就越少，即结合在板上的抗体就越少，通过酶标二抗检测结合物AbHP的多少，就可以确定游离H量的多少。

1.2.3 结果计算 本试验采用标准样品的OD值与浓度的自然对数做一元三次线性方程。曲线的横坐标用激素标样各浓度（ng/mL）的自然对数表示，纵坐标用各浓度显色值表示。样品的浓度依据样品的OD值带入方程求得样品的激素含量，结果取3次平均值。

2 结果与分析

2.1 航天诱变甜菜及其对照品系花期ZR含量的差异

航天诱变甜菜及其对照品系花期叶片ZR含量的差异见图1-1，从图1-1我们可以看出，3个品系航天及其对照表现并不一致，其中H1和H3均表现为航天品系叶片ZR含量高于对照，而2号品系则表现为航天品系的ZR含量远低于对照，且差异达到了4倍左右。航天诱变甜菜及其对照品系花蕾ZR含量的差异见图1-2，从图1-2我们可以看出，3个品系航天及其对照表现结果一致，均表现为航天品系ZR含量高于对照，且H2花蕾中ZR的含量超过了CK2的2倍，差异极显著。从图1-1和图1-2对照来看，花蕾中ZR的含量除了CK2外，其余均高于叶片中ZR的含量，且有的差异显著。这点与航天诱变番茄突变体MS1相同[3]。

图1-1 航天诱变甜菜及其对照叶片ZR含量的差异

图1-2 航天诱变甜菜及其对照花蕾ZR含量的差异

2.2 航天诱变甜菜及其对照品系花期IAA含量的差异

从图2-1我们可以看出，3个不同甜菜品系均表现为航天品系叶片中IAA的含量高于对照，且H2及H3号与对照IAA含量的差异极显著。从图2-2我们可以看出，3个不同航天诱变甜菜品系与其对照在花蕾中IAA含量的差异的表现与叶片中相似，均表现为航天品系高于对照。而且从两个图的对比也可以看出，每个品系花蕾中IAA的含量均明显高于叶片。

2.3 航天诱变甜菜及其对照品系花期ABA含量的差异

从图3－1、3－2可以看出，在叶片中，3个不同甜菜品系均表现为航天处理ABA的含量高于对照；但在花蕾中的表现却不同，除了H1花蕾中ABA的含量远高于对照外，H2及H3花蕾中ABA的含量均低于对照品系，且H3与其对照花蕾中ABA的含量差异显著。

2.4 航天诱变甜菜及其对照品系花期GA3含量的差异

从图4-1可以看出，3个甜菜品系均表现为航天品系叶片中的GA3含量均高于其对照品系，只是H1与对照之间的差异不大。而从图4-2我们可以看出，H1和H2花蕾中GA3含量的表现与叶片中相同，均表现为航天品系花蕾中GA3的含量高于对照品系，且差异显著，而H3花蕾中GA3含量则与叶片中相反，表现为航天处理中GA3的含量低于对照，但依然差异不大。

3 航天诱变机理的讨论

植物内源激素是植物体内代谢反应的产物，它产生于植物本身，同时又在不同水平上对植物的生长发育和生命活动进行调控。目前认为激素是植物信号传导最重要的调节因子。许多研究结果表明，激素处理能诱导新的mRNA和蛋白质的合成，说明激素的许多作用是通过调节基因表达的方式实现的[4]。不同的激素具有不同的功能，IAA具有使细胞伸长，及改变基因表达的作用；GA3具有许多生理作用，研究最多的是诱导禾谷类α-淀粉酶的合成和释放、茎的延长和开花等等[5]。促进茎延长是与细胞壁伸展性有关，细胞伸展的形状和方向决定于细胞壁，当它们与细胞长轴呈横向排列时，就会使细胞延长[6]。而植物的生长发育是各种因素综合作用的结果，内源激素对植物生长发育的调节作用也是一个相互协调的过程。研究表明，IAA和GA3均有促进植物生长的效应，而ABA均能拮抗这两者的促进效应。

从本文的研究结果来看，航天诱变的3个四倍体品系在花期叶片及花蕾中4种激素水平较之对照均发生了变化，但不同的品系变化不同，1号品系无论是在叶片还是在花蕾中，均表现为航天诱变处理后4种激素的含量高于对照；而2号品系航天诱变处理后不论在叶片还是在花蕾中，均表现为IAA和GA3含量高于对照，而另外两种激素叶片和花蕾的表现正好相反；而3号品系航天诱变处理后花期不论在叶片还是在花蕾中，均表现为IAA和ZR含量高于对照，而另外两种激素叶片和花蕾的表现正好相反。说明了航天诱变处理对于不同的品系表现不同。这可能是因为太空辐射诱变是一个复杂的过程，首先射线的能量沉积在物质上，引起物质的原子和分子的激发与电离，电离过程随后形成自由基，自由基与DNA作用可以引起DNA多种类型的损伤，包括碱基变化、脱落、氢键的断裂、单双键断裂、DNA及蛋白质分子内和分子之间的交联[7,8]。空间环境不仅可以导致基因组DNA的碱基变异，并可造成DNA的断裂和重组，从而诱发可遗传变异；研究还发现，植物中存在大量转座子序列和逆转座子序列，太空环境可使转座子激活，活化的转座子通过移位、插入和丢失，导致基因的变异和染色体的变异遗传给后代[2]。另外航天器搭载的植物种子还要受到其他因素的作用，如大气结构、高真空、交变磁场、太空低压力、低气温等以及在起飞时的强振动和落地时的强冲击。这些因素也可能引起生物体内遗传物质的结构改变而产生变异[9]。所以，航天过程的条件极为复杂，能够使植物遗传性发生变异常常是以微重力和强辐射为主要因素的多因素的综合效应。因此从我们对3个不同甜菜航天诱变品系花期叶片及花蕾中4种激素含量的测定可以得知，经过空间复杂的环境条件的诱变，诱变的不同品系的与对照植株发生了很大的变化，但是不同品系之间的变化却有很大的不同，说明在空间复杂的环境条件下，不同的个体变体是多样的，想要阐明其突变的机理还需要做更进一步的研究。

[1]刘录祥，郑企成.空间诱变与作物改良[M].北京：原子能出版社，1997.

[2]潘连公，陈彩能，包文生，等.航天育种遗传机理与选育成效分析[J].中国农村小康科技，2007（1）：33-35.

[3]王艳芳.航天诱变番茄无限生长习性突变体的筛选及其诱变机理研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[4]吴则东，王华忠，韩英.甜菜细胞质雄性不育与花蕾细胞分裂素含量的关系[J].中国糖料，2006（4）：16-18.

[5] Huttly AK,Philips AL,Tregear JW.Localization of cis elements in the promoter of a wheat alphs-Amy2 gene[J].Plant Mol Biol,1992,19（6）：903-911.

[6]Sauter M.Mekhedov SL,Kende H.Gibberellin promotes histone H1 kinase activity and the expression of cdc2 and cyclin genes during the induction of rapid growth in deepwater rice inter-nodes[J].Plant J,1995,7：623-632.

[7]钟波，朱列书，贺鹏，等.浅谈航天诱变育种[J].作物研究，2007,21（5）：511-516.

[8]王乃彦.开展航天育种的科学研究工作，为我国农业科学技术的发展做贡献[J].核农学报,2002,16（5）：257-260.

[9]密士军，郝再彬.航天诱变育种研究的新进展[J].黑龙江农业科学，2002（4）：31-33.