卫星搭载对紫羊茅诱变效应的研究

王建丽，申忠宝，潘多锋，张瑞博，李道明，钟 鹏，邸桂俐，高 超，李佶恺

（1.黑龙江省农业科学院 草业研究所，哈尔滨 150086；2.黑龙江省农业科学院 大豆研究所，哈尔滨 150086）

卫星搭载是空间育种的一种途径，我国从1987年第1次搭载农作物种子，至今已搭载了70多种植物的2 000多个品种，涉及粮、棉、油、蔬菜、花卉及药材等［1－4］，已成功选育出水稻、小麦、棉花、油菜、黄瓜等植物品种500多个，占世界各国航天诱变育成品种总数的25%［5，6］。有关空间诱变的效应和机理，国内外先后在遗传学、细胞学、生理生化及分子生物学方面进行了大量的研究，多限于粮食作物和园艺植物，有关草坪类空间诱变效应及其在育种上的应用研究较少，如韩蕾等［7－10］对卫星搭载草地早熟禾（Poa pratensis）进行生物学特性研究，筛选出3个突变株系，并对突变株系叶片进行相关研究，胡繁荣等［11］对高羊茅（Festuca arundinacea）进行卫星搭载试验，从中筛选鉴定了半矮秆、匍匐性、细叶、迟熟、耐热性等优质抗逆黄叶高羊茅突变体。尹淑霞［12］对多年生黑麦草（Lolium pe renne）、结缕草（Zoysiajaponica）和草地早熟禾进行空间诱变育种研究，并结合AFLP遗传标记技术对变异后的植株进行分析，证明了产生变异的来源等。本研究以2个紫羊茅（Festuca rubra）品种为试验材料，经“实践八号”卫星搭载处理，观察SP1代种子细胞有丝分裂、微核数和生物学效应，比较各材料搭载处理和对照之间的性状差异，以期为航天育种的理论和技术提供基础数据和参考依据，为紫羊茅新品系选育奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试普紫羊茅通和紫羊茅本杰明品种的干种子，由百绿集团提供。

选取2种搭载紫羊茅及对照（未搭载）种子进行发芽试验，首先放到培养皿发芽，每重复100粒种子，3次重复，然后，放到光照培养箱中进行变温处理，白天25℃，8h光照，晚上15℃，16h黑暗，每天记录种子的发芽数，统计发芽率和发芽指数。

1.2 测定内容及方法

1.2.1 搭载处理 将精选后的种子分为2份，1个作对照（ck），另外1个用于卫星搭载。将准备搭载的种子缝入布袋，2006年9月9日15时搭载我国首颗航天育种卫星“实践八号”卫星进行空间诱变处理，卫星送入近地点187km、远地点463km的近地轨道，在轨运行15d后，返回舱于9月24日10：43在四川遂宁成功返回。

2007年4月3日，将搭载回收的种子和地面对照种子进行发芽和育苗试验，并对其进行细胞学观察。

1.2.2 细胞学观察 选取2个搭载紫羊茅及对照种子100粒放入23.5℃培养箱中培养至露白，低温4℃处理24h，恢复23.5℃继续培养，根尖长至1.0～1.5 cm时剪下，用冰水混合物处理20h，用卡诺氏固定液（无水乙醇∶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盐酸室温解离8～9min，醋酸洋红染色24h以上，进行染色体制片，40倍显微镜下镜检计数。每个处理随机取25～30个根尖进行染色体制片，在40倍镜下，每张染色体制片随机观察约200个细胞，进行细胞学统计［13］。最后根据统计结果分别计算出细胞有丝分裂指数（分裂细胞数占总观察细胞数的百分数）和微核率（微核畸变细胞数占总观察细胞数的百分数）。

1.2.3 育苗试验 在黑龙江省农业科学院实验温室中进行，将搭载回收种子和对照种子播种于育苗穴盘中，每穴播种1粒，每个搭载品种播种1 500穴，对照1 000穴，幼苗生长到5cm后，移栽到试验地中，株距15cm，行距65cm。2008年植株返青后，进行田间生育期、株高及成熟期叶片长度、叶片宽度，有效穗数等生物学性状观察。

1.3 数据处理

试验统计结果用Excel和SPSS/PC软件进行分析统计。

2 结果与分析

2.1 卫星搭载对2个紫羊茅品种种子根尖细胞有丝分裂指数的影响

2个紫羊茅种子经卫星搭载后，其根尖细胞有丝分裂指数，分别为20.7%和18.8%，高于对照达到显著或极显著水平。这表明卫星搭载增加了这2个紫羊茅品种的细胞活性，明显促进了种子根尖的细胞有丝分裂（表1）。

2.2 卫星搭载对2个紫羊茅品种种子根尖细胞核畸变的影响

经空间飞行的2个紫羊茅种子根尖细胞都出现了微核的畸变，并以单微核为主。紫羊茅本杰明SP1代种子出现微核总数27个，其核总畸变率是对照的4倍以上；普通紫羊茅核总畸变率是对照的10倍。说明空间飞行对紫羊茅SP1代种子产生了生理损伤（表2）。

表1 2个紫羊茅品种根尖细胞有丝分裂指数Table 1 Effect of satellite carrying on mitotic index in root tip cells of the seeds of Festuca rubra

表2 2个紫羊茅品种根尖细胞核畸变率Table 2 Effect of satellite carrying on nucleolar aberration rate in root tip cells of the seeds of Festuca rubra

2.3 卫星搭载对2个紫羊茅种子发芽率的影响

空间条件作用对紫羊茅种子发芽起到了一定的促进作用（图1），航天处理后发芽率明显高于对照，紫羊茅本杰明处理发芽率为92.3%，对照为83.1%；普通紫羊茅处理发芽率为88.5%，对照为81.4%；2个品种发芽指数均高于对照（图2），紫羊茅本杰明处理发芽指数为14.8%，对照为12.6%，普通紫羊茅处理发芽指数为15.5%，对照为13.4%。

2.4 卫星搭载对2个紫羊茅SP1代生育期的影响

空间搭载后2个紫羊茅返青期提前2～3d，成熟期提前5～8d；紫羊茅本杰明处理以后返青率为76.5%，对照为58.8%，比对照提高17.7%；普通紫羊茅处理后返青率为64.3%，对照为48.6%，比对照提高15.7%（表3）。

2.5 卫星搭载对2个紫羊茅SP1代株高和生长速度的影响

从图3、图4可以看出，卫星搭载2个紫羊茅SP1代株高均高于对照。

经过卫星搭载处理本杰明和对照生长速度具有非常相似的生长曲线（图5），处理种子的日均生长量最高为2.14cm/d，对照种子的日均最高生长量为1.62 cm/d，二者分别出现在5月上旬、6月上旬；经过卫星搭载的普通紫羊茅和对照生长速度的生长曲线差异较大，处理种子生长速度出现2个生长高峰期，而对照生长速度出现4个生长高峰期，处理种子的日均生长量最高为1.47cm/d，出现在5月下旬，对照种子的日均最高生长量为1.45cm/d，出现在5月上旬（图6）。

2.6 卫星搭载对2个紫羊茅SP1形态性状的影响

紫羊茅经卫星搭载处理后，各性状有一定的变化。其中，紫羊茅本杰明小穗数/分枝、种子/小穗显著的低于对照，有效穗数极显著高于对照，叶片宽度明显的变窄。普通紫羊茅小穗数/分枝显著的低于对照，有效穗数极显著高于对照，叶片宽度明显的变窄，其他性状变化不明显。

图1 卫星搭载的2个紫羊茅种子发芽率Fig.1 Effect of satellite carrying on the germination rate of two Festuca rubra varieties

图2 卫星搭载的2个紫羊茅种子发芽指数Fig.2 Effect of satellite carrying on the germination index of two Festuca rubra varieties

表3 卫星搭载2个紫羊茅SP1生育期的变化Table 3 Effect of satellite carrying on the growth period of two Festuca rubra varieties in SP1generations

图3 卫星搭载的紫羊茅本杰明SP1代株高Fig.3 Effect of satellite carrying on the plant height of Benjamin

图4 卫星搭载的普通紫羊茅SP1代株高Fig.4 Effect of satellite carrying on the plant height of red festuca

图5 卫星搭载的紫羊茅本杰明SP1代生长速度Fig.5 Effect of satellite carrying on the growth of Benjamin

图6 卫星搭载的普通紫羊茅SP1代生长速度Fig.6 Effect of satellite carrying on the growth of red festuca

表4 卫星搭载对紫羊茅SP1代部分形态性状的影响Table 4 Effect of satellite carrying on the morphological characters of Festuca rubrain SP1generations

3 讨论与结论

试验中卫星搭载明显地促进了紫羊茅根尖细胞的有丝分裂活动，根尖细胞都出现了微核的畸变，这与刘丽等［13］、杜连莹等［14］报道的空间飞行对苦荬菜和苜蓿种子的根尖细胞的有丝分裂指数增高结果是一致的。空间环境条件能影响植物种子的萌发与生长，不同植物或同一植物不同种对空间环境的敏感性存在差异，经空间诱变的大多数植物种子发芽率与对照无明显差异；部分植物种子经空间诱变后活力发生变化，发芽率明显降低或提高，表明空间飞行有刺激生长的作用［15－22］。试验中卫星搭载2个紫羊茅的发芽率显著高于对照，发芽势也有一定的提高。

试验中卫星搭载2个紫羊茅的生育期均缩短，植株高度略有增高，航天搭载使大部分植物的株高变矮，包括黄叶高羊茅［11］、紫花苜蓿［23］、菊花［24］、谷子［25］、水稻［26］和拟南芥［27］等，本研究与这些报道结果不一致；卫星搭载对2个紫羊茅生长速度的影响不同，卫星搭载处理后紫羊茅本杰明生长速度与对照的生长曲线相似，但日生长量最大值较对照高0.52cm/d，卫星搭载处理后普通紫羊茅生长速度与对照的生长曲线差异较大，但日生长量最大值没有明显差异。

2个紫羊茅经卫星搭载处理后，紫羊茅本杰明小穗数/分枝、种子/小穗显著的低于对照，有效穗数极显著高于对照，叶片宽度明显的变窄；普通紫羊茅小穗数/分枝显著的低于对照，有效穗数极显著高于对照，叶片宽度明显的变窄，这与郑积荣等［28］研究发现，飞船搭载葫芦种子SP1代叶长、叶宽和茎粗明显小于对照、航天搭载抑制丹参［29］叶长和叶宽结果一致，与草莓和香石竹［30］叶长和叶宽增加结果相反。

卫星搭载对2个紫羊茅品种种子细胞学特性、发芽特性及生长特性均产生影响，这种影响有可能达到遗传水平，已有研究证明空间搭载春小麦和新麦草二代，株高仍与对照有显著差异［31，32］。中芝1号芝麻，航遗1号黄瓜，农菁1号苜蓿等新品种均在筛选不同世代航天诱变后代的基础上选育而成的，因此，对卫星搭载的紫羊茅进行定向筛选，有望选育出具有优良特性的新品种。

［1］沈桂芳，孙永成，钦天均.中国航天诱变育种搭载试验综述［C］//航天育种高层论坛论文选编，北京：中国宇航出版社，2005：1－6.

［2］温贤芳，张龙，戴维序，等.天地结合开展我国空间诱变育种研究［J］.核农学报，2004，18（4）：241－246.

［3］刘纪原.中国航天诱变育种工作的研究进展，空间技术与日常生活［M］.北京：中国宇航出版社，2003：26－31.

［4］王健，张蕴薇.卫星搭载白三叶种子发芽及其植株生长和生理特性初探［J］.草原与草坪，2011，31（2）：65－68.

［5］贾建航，王斌.空间诱变育种研究进展［J］.核农学报，1999，13（3）：187－192.

［6］李培夫.航天诱变育种技术在作物育种上的应用［J］.种子科技，2006（1）：35－37.

［7］韩蕾，孙振元，钱水强，等.神州三号飞船对草地早熟禾生物学特性的影响［J］.草业科学，2004，21（4）：17－19.

［8］韩蕾，孙振元，巨关升.空间环境对草地早熟禾叶片解剖结构及同工酶酶谱的影响［J］.林业科学研究，2004，17（3）：310－315.

［9］韩蕾，孙振元.空间环境对草地早熟禾诱变效应研究Ⅰ－突变体叶片解剖结构变异观察［J］.核农学报，2005，19（6）：409－412.

［10］韩蕾，孙振元.空间环境对草地早熟禾诱变效应研究Ⅱ－光合特性和叶绿素含量［J］.核农学报，2005，19（6）：413－416.

［11］胡繁荣，赵海军，张琳琳，等.空间技术诱变创造优质抗逆黄叶高羊茅［J］.核农学报，2004，18（4）：286－288.

［12］尹淑霞.空间飞行与γ射线辐射对草坪草诱变效应的研究［D］.北京：北京林业大学，2005.

［13］刘丽，唐凤兰，张月学，等.空间飞行和60Co2γ射线辐照对苦荬菜种子的细胞学效应研究［J］.草地学报，2007，15（5）：469－472.

［14］杜连莹，韩微波，张月学，等.“实践八号”搭载8个苜蓿品种细胞学效应研究［J］.草业科学，2009，29（12）：46－49.

［15］刘录祥，郑企成.空间诱变与作物改良［R］.中国核科技报告，1997（增刊）：1－10.

［16］李能芳.卫星搭载处理对番茄种子萌芽及其生长发育的影响［J］.四川果树，1995（2）：14－15.

［17］徐云远，贾敬芬，牛炳韬.空间条件对3种豆科牧草的影响［J］.空间科学学报，1996（16）：136－141.

［18］任卫波，韩建国，张蕴薇，等.卫星搭载对二色胡枝子生物学特性的影响［J］.草地学报，2005，14（2）：112－115.

［19］张孟锦，廖飞雄，王碧青，等.卫星搭载处理对鸡冠花SP1代种子萌发及生长发育的影响［J］.广东农业科学，2006（4）：37－39.

［20］张琰，黄孝慈.航天诱变百子莲种子对其SP1代的影响［J］.安徽农学通报，2009，15（6）：15－17.

［21］贺鹏.航天诱变烤烟品种的发芽特性及酶活性变化研究［D］.长沙：湖南农业大学，2008：35－38.

［22］李水凤，汪炳良.卫星搭载处理对辣椒SP1代生物学特性的影响［J］.种子，2005，24（7）：78－81.

［23］张文娟，陈本建，邓波，等.空间搭载对2个紫花苜蓿品种过氧化物酶同功酶的影响［J］.草原与草坪，2011，31（3）：85－88.

［24］洪波，河淼，张芳.空间诱变对露地栽培菊矮化形状的影响［J］.木本植物研究，2000，20（2）：212－214.

［25］张立新，田伯红，李雅静，等.谷子航天诱变后代的农艺性状表现［J］.河北农业科学，2009，13（6）：57－58.

［26］鲍正发，段智英，赵海军，等.空间诱变引起水稻9311的品质变异［J］.核农学报，2004，18（4）：272－275.

［27］Kiss J L，Brinckmann E，Brillouet C.Development and growth of several strains of Arabidopsis seedling in microgravity［J］.In－ternational Journal of Plant Sciences，2000，161（1）：55－62.

［28］郑积荣，王慧俐，黄凯，等.飞船搭载葫芦种子SP1的变异效果初报［J］.浙江农业科学，2005（1）：7－10.

［29］单成钢，倪大鹏，胡景，等.丹参种子航天搭载的生物学效应［J］.核农学报，2009，23（6）：947－950.

［30］孙振元，韩蕾，彭镇华.空间诱变育种技术及其在园林植物种质创新中的应用［J］.核农学报，2005，19（6）：485－489.

［31］王广金，闫文义，孙岩，等.春小麦航天育种效果的研究［J］.核农学报，2004，18（4）：257－260.

［32］任卫波，韩建国，张蕴薇，等.卫星搭载对新麦草二代种子活力的影响［J］.草原与草坪，2007（1）：42－45.