60Co—γ辐射种子对西瓜幼苗叶片光合色素及气体交换参数的影响

2015-04-29李金霞李玉明陈菁菁韩国君陈年来

中国瓜菜 2015年1期

李金霞李玉明陈菁菁韩国君陈年来

摘要：通过对3类不同质量（包括12个品种）的西瓜干种子进行不同剂量的辐射处理，研究了60Co-γ射线辐射对西瓜幼苗叶片光合色素及气体交换参数的影响。结果表明： 60Co-γ射线辐射后，西瓜幼苗叶片叶绿素a和类胡萝卜素的含量随辐射剂量的增加呈现先增大后减小的趋势，叶绿素b的含量随辐射剂量的增加总体呈现出逐渐减小的趋势;气体交换参数Gs、Pn、Tr随着辐射剂量的增加而减小。不同质量西瓜种子对60Co-γ辐射的敏感性表现为大种子材料>小种子材料>中等种子材料;不同种质类型西瓜种子对60Co-γ辐射的敏感性表现为杂交种子品种>常规种子品种。

关键词：西瓜; 60Co-γ射线辐射; 光合色素; 气体交换参数

Effects of 60Co-γ irradiation on photosynthetic pigments and gas exchange parameters of the leaves of watermelon

LI Jinxia1， LI Yuming2， CHEN Jingjing3， HAN Guojun1， CHEN Nianlai1

（1. College of Resources and Environment， Gansu Agricultural University， Lanzhou， 730070，China;2.College of Agronomy， Gansu Agricultural University， Lanzhou， 730070， China; 3. College of Life Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou， 730070，China）

Abstract：Three different quality （including 12 varieties） of dry watermelon seeds were irradiated with various doses（200 Gy～1 000 Gy） of 60Co-γ rays. The photosynthetic pigments and gas exchange parameters of watermelon seedling leaf were studied. The results showed that under 60Co-γ rays treatments，the chlorophyll a and carotenoid contents in the leaves of watermelon seedlings increased initially and then declined，the chlorophyll b content in leaves of their seedlings declined on the whole;gas exchange parameters Gs，Pn，Tr，gradually declined. The order of the radiation sensitivity of different size watermelon seed was large seed>small seed>medium seed;and the order of the radiation sensitivity with different genotype watermelon seed was hybrid seed>conventional seed.

Key words：Water melon; 60Co-γ irradiation; Photosynthetic pigments; Gas exchange parameters

西瓜被誉为“夏季水果之王”，在世界十大果品中居第5位[1]。中国是世界西瓜生产与消费大国，面积占世界总面积的60%以上，产量占70%以上;人均年消费量是世界人均量的2～3倍，占全国夏季果品市场总量的50%以上[2-3]。但是由于人工选育以及西瓜品种的单一化，使得西瓜种质资源相对匮乏，而种质资源是开展科学研究和新品种培育的重要物质基础，是农业可持续发展战略资源的一部分，在农业生产中被高度关注[4]，因此创造出新的西瓜种质资源，对于西瓜育种工作尤为重要。

目前，诱变育种作为一种新兴的育种技术[5]，通过人为的利用物理诱变因素，诱发植物遗传变异，从而在短时间内获得有利用价值的突变体，极大地提高了人们定向创造和筛选变异的可能性[6]，已成为农业新品种改良的重要途径之一[7]。γ射线作为一种诱变育种辐射源，是创造植物突变体最有效的诱变因子，具有操作简单、快捷以及突变频率高等优点[8-11]，已在小麦、水稻等禾本科农作物的农艺性状研究及育种中被广泛利用[10，12]。而诱变处理同时作为一种逆境因子会对植株的光合性能产生一定影响[13]，植物光合性能的好坏最终又可影响其生长、产量和质量。以西瓜种子作为辐照材料进行60Co-γ辐射诱变处理的研究尚未见报道。为了适应农业生产和市场的需求，我们开展了西瓜的辐射育种工作。

本试验通过对3类不同质量（包括12个品种）的西瓜干种子进行不同剂量的60Co-γ射线辐射处理，通过测定辐射后西瓜幼苗叶片光合色素含量、光合气体交换指标等的变化来研究西瓜对不同剂量的诱变处理所产生的辐射生物学效应，探讨西瓜对不同剂量诱变处理所反映出的诱变效应的差异性，为研究60Co-γ射线辐射对西瓜光合生理特性的影响机制提供理论依据，对西瓜的辐射诱变育种具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料

供试西瓜品种（资源材料）12个，由国家蔬菜工程技术中心和甘肃农业大学瓜类研究所提供（表1）。

表1 供试西瓜材料性状

[种子

区组＼&品种名称或

材料代码＼&千粒

质量/g＼&种质

类型＼&种子来源＼&大种子

中等

种子

小种子＼&甜籽1号

白2号

85-8

SCK

004-5

金城5号

238

WW150

红籽黄肉

483

京欣1号＼&280

224

165

163

47＼&杂交种

常规种

杂交种

常规种

杂交种＼&甘肃农业大学瓜类研究所

甘肃农业大学瓜类研究所

国家蔬菜工程技术中心

甘肃农业大学瓜类研究所

国家蔬菜工程技术中心

甘肃农业大学瓜类研究所

国家蔬菜工程技术中心

甘肃农业大学瓜类研究所

国家蔬菜工程技术中心

国家蔬菜工程技术中心＼&]

1.2 方法

1.2.1 辐射处理 60Co-γ辐照在甘肃省天辰辐射公司进行，剂量率为1.5 Gy·min-1，干种子设5个辐照剂量，分别为200、400、600、800、1 000 Gy，以不处理干种子为对照（CK）。每个品种-剂量组合3次重复，每重复处理50粒种子，装入小种子袋中辐射。

1.2.2 大田试验大田辐射效应观察试验在甘肃省民勤县薛百乡试验站进行。2012年5月2日水旱塘覆膜种植，每处理3次重复、每次重复播种25穴，每穴播2粒种子，行株距为1.2 m×0.5 m。肥水管理与当地商品瓜田相同，无整枝。

1.3 观察测定指标与方法

1.3.1 叶片光合色素含量在西瓜植株伸蔓期采集不同处理的西瓜植株第6～第7节位叶6～9片，测定不同处理的叶绿素含量，3次重复。光和色素测定参照张宪政的丙酮乙醇混合液法[14]，称取剪碎的叶片0.2 g，分别放入3支试管中，加入混合液，封口，移至暗处保存，直至叶肉组织呈白色。以混合液为空白，在OPRON-3100紫外分光光度计上测定波长为665 nm（叶绿素a的最大吸收峰）、649 nm（叶绿素b的最大吸收峰）、470 nm（类胡萝卜素的最大吸收峰）下提取液的吸光度。根据以下公式计算光合色素的质量浓度C（mg·L-1）和质量分数（以鲜质量计）（mg·g-1）：

Ca=13.95D665-6.68D649

Cb=24.96D649-7.32D665

Cx·c=（1000D470-2.05Ca-114.8Cb）/245

色素的质量分数（mg·g-1）=（色素的浓度×提取液体积×稀释倍数）/样品鲜质量

式中：Ca、Cb、Cx.c分别为叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的浓度。

1.3.2 叶片气体交换参数在果实膨大期，选取‘红籽黄肉、‘WW150、‘238、‘5号、‘SCK共5个品种测定气体交换参数。每处理中各选3株生育期相近的西瓜植株，于上午9：00-11：00用CI-310光合仪（美国CID公司生产）测定西瓜第6～第7节位叶子的气孔导度（Gs）、净光合速率（Pn）及蒸腾速率（Tr）。

1.4 数据统计分析

所有数据利用EXCEL和SPSS13.0统计软件进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 60Co-γ射线辐射对西瓜叶片光合色素含量的影响

2.1.1 叶绿素含量 60Co-γ射线辐射后西瓜幼苗叶片叶绿素a的含量随着辐射剂量的增加呈先增大后减小的趋势，但差异不显著（表2）。其中大种子品种经辐射后西瓜叶片叶绿素a含量均低于对照，抑制作用明显。中等种子品种在600 Gy及以上剂量，西瓜叶片叶绿素a含量较对照有所增加。小种子品种在200～600 Gy范围内，西瓜叶片叶绿素a含量较对照明显增加，1 000 Gy条件下，叶绿素a含量为对照的92.81%，与200～600 Gy条件下差异显著。辐射对不同质量西瓜叶绿素a含量的抑制作用表现为大种子材料>小种子材料>中等种子材料。不同种质类型西瓜干种子经辐射处理后叶绿素a含量差异不显著。经辐射后杂交种子品种、常规种子品种西瓜叶片平均叶绿素a含量减少为对照的1.27%、0.00，因此辐射对不同种质类型西瓜叶绿素a含量的抑制作用表现为杂交种子品种>常规种子品种。

表2 60Co-γ射线辐射处理后对西瓜

叶片叶绿素a含量的影响

（mg·g-1）

[品种区组＼&剂量/Gy＼&平均值

（处理）＼&CK＼&200＼&400＼&600＼&800＼&1000＼&大种子

中等种子

小种子

杂交种子

常规种子

平均值＼&1.69 a

1.45 a

1.53 ab

1.58 a

1.55 a

1.56 a＼&1.61 a

1.39 a

1.67 a

1.52 a

1.57 a

1.55 a＼&1.62 a

1.43 a

1.68 a

1.61 a

1.56 a

1.58 a＼&1.59 a

1.63 a

1.66 a

1.63 a

1.63 a＼&1.62 a

1.60 a

1.54 ab

1.52 a

1.44 a

1.54 a＼&1.64 a

1.54 a

1.42b

1.50 a

1.54 a

1.53 a＼&1.63

1.51

1.58

1.56

1.55

1.57＼&]

[注] 表中不同小写字母表示同行差异显著（P<0.0）5，下表同。

由表3看出，西瓜叶片叶绿素b含量随着60Co-γ辐射剂量的增加总体呈现出逐渐减小的趋势，但差异不显著。辐射后大种子品种、中等种子品种叶片叶绿素b含量均小于对照，而小种子品种在200～600 Gy辐射范围内，叶绿素b含量较对照稍高，但无显著差异。1 000 Gy条件下，小种子品种叶片叶绿素b含量较对照减小了15%，与200～600 Gy处理下差异显著。经辐射后大、中、小种子品种西瓜叶片平均叶绿素b含量较对照分别减小了4%、4%、2%，可见辐射后大种子品种的敏感性较强。不同种质类型西瓜干种子经60Co-γ射线辐射处理后，对叶绿素b含量的影响不明显。

2.1.2 类胡萝卜素含量 60Co-γ射线辐射后西瓜叶片类胡萝卜素的含量随着辐射剂量的增加呈先增大后减小的趋势，但差异不显著（表4）。其中，中等种子品种经辐射后西瓜叶片平均类胡萝卜素含量大于对照，但差异不显著。小种子在200～600 Gy剂量范围，西瓜叶片平均类胡萝卜素含量较对照有所增加，差异不显著，800 Gy及以上剂量抑制作用明显。不同种质类型西瓜干种子经辐射处理后，对平均类胡萝卜素含量的影响不明显。

表4 60Co-γ射线辐射处理后对西瓜

叶片类胡萝卜素含量的影响

（mg·g-1）

[品种区组＼&剂量/Gy＼&CK＼&200＼&400＼&600＼&800＼&1000＼&平均值

（处理）＼&大种子

中等种子

小种子

杂交种子

常规种子

平均值＼&0.34 a

0.31 a

0.33 ab

0.33 a

0.33 a＼&0.31 a

0.32 a

0.36 a

0.33 a

0.33 a＼&0.33 a

0.32 a

0.38 a

0.34 a

0.33 a

0.34 a＼&0.35 a

0.34 a

0.37 a

0.34 a

0.35 a＼&0.34 a

0.34 a

0.25b

0.33 a

0.32 a＼&0.35 a

0.33 a

0.31 ab

0.33 a

0.33 a＼&0.34

0.33

0.33＼&]

2.2 60Co-γ射线辐射对西瓜叶片气体交换特性的影响

2.2.1 气孔导度 60Co-γ射线辐射对西瓜叶片气孔导度的影响见图1。不同剂量处理对不同品种的Gs影响不尽相同，大种子品种在200、600、800、1 000 Gy处理下，与对照相比差异达显著水平，其中在200、600 Gy 处理下，大种子品种的Gs大于对照，800～1 000 Gy 剂量处理下则低于对照;中等种子品种除1 000 Gy剂量处理下较对照稍有增加外，其余较对照均不同程度减小，差异达显著水平;小种子品种在600、800 Gy处理下与对照相比差异显著，其余剂量处理下差异不显著，在200～400 Gy辐射范围内的值高于对照。

2.2.2 净光合速率从图2可以看出，大种子、小种子品种Pn随辐射剂量的增加呈先增大后减小的趋势，由图1可知，辐射后叶片的气孔导度降低，因此，辐射植株净光合速率的下降可能是由于气孔的关闭引起的，所以气孔限制引起了光合作用的下降，从而抑制了辐射处理西瓜植株的生长。中等种子品种除1 000 Gy条件下较对照有所增加外，其余较对照均减小，差异达显著水平。大种子品种经200～600 Gy辐射后，西瓜叶片Pn与对照相比均不同程度的增加，其中200 Gy 剂量处理增加最多，与对照相比差异达显著水平;小种子品种经低剂量200～400 Gy辐射后，西瓜叶片Pn与对照相比有所增加，其中400 Gy 剂量处理增加最多，与对照相比差异显著。杂交种子品种除200、600、800 Gy剂量处理的幼苗叶片Pn与对照差异显著外，其他各处理之间均无显著差异。常规种子品种除400 Gy处理的西瓜幼苗叶片Pn与对照差异不显著外，其他各处理较对照均有显著差异。

2.2.3 蒸腾速率 60Co-γ辐射后中等种子、小种子品种西瓜叶片Tr较对照均不同程度减小，其中800 Gy 剂量处理的Tr 最低，与对照的差异均达到显著水平（图3）。大种子品种在200、600 Gy剂量处理下，西瓜叶片Tr较对照显著增加，其余各处理较对照有所降低，其中400、1 000 Gy 剂量处理下与对照相比差异达显著水平。

3 讨论与结论

本试验研究得出，低剂量（200～400 Gy）辐射对不同质量西瓜种子的生长具有促进作用。胡超等[15]在菊花辐射后代生理生化的研究中指出，低剂量辐射使菊花的净光合速率增加，可能是由于低剂量的辐射加强了一些光合作用过程中的酶以及其他物质的基因表达。本实验中，200 Gy辐射下，大种子品种光合速率、气孔导度及蒸腾速率较对照有所增加，中等种子品种类胡萝卜素以及小种子品种叶绿素含量、气孔导度、光合速率较对照有所增加。这与王文恩等[16]在研究60Co-γ射线对日本结缕草干种子的辐射效应、张慧琴等[17]在研究60Co-γ辐射对不同品种草莓离体叶片再生及芽生长影响的结论相一致，但与尹淑霞等[18]在研究60Co-γ射线辐射对黑麦草种子发芽及POD同工酶影响的结论相反，可能是由于不同作物、不同质量种子对60Co-γ辐射的抗辐射能力不同，部分作物种子具有损伤修复作用，进而减轻辐射损伤，修复系统的过度活动会引起加速生长[19]。

叶片中光合色素的含量是反映植物光合能力的一个重要指标，环境因子的改变会引起光合色素含量的变化，进而引起光合性能的改变[20]。在高等植物中，参与光合作用的色素包括叶绿素（a和b）和类胡萝卜素。本研究结果表明：60Co-γ射线辐射植物材料的过程中，随着辐射剂量的增大，西瓜种子光合色素的含量变化复杂。不同质量西瓜种子叶绿素和类胡萝卜素含量总体表现为先上升后下降的趋势，叶片叶绿素含量有不同程度的减少，叶绿素a的减少幅度大于叶绿素b。光合色素含量发生变化可能是是辐射对叶绿体造成了损伤。叶绿素含量降低是植物受到伤害的主要特征，其下降的主要原因是辐照对叶绿体结构与功能产生影响，导致叶绿素分解[21]。丘运兰等[22]研究发现辐射会导致叶肉细胞Lw1基因有轻微的损伤。许银莲、强继业[23]通过对60Co-γ射线辐射对粉掌铁兰辐射效应研究发现，辐射可提高植物中叶片的叶绿素含量，增强植物的光合作用。与本试验结果不一致，这可能是因为相同辐射条件对不同作物的损伤程度不同。不同种类作物的辐射敏感性不同，不同品种间也存在差异[24]。60Co-γ射线会使叶片中的光和色素含量发生变化，所以辐射处理时在适宜范围内应尽量选择小剂量。

本试验中，不同质量西瓜干种子经60Co-γ射线辐射后叶片气孔导度、净光合速率变化不同。中等种子品种经辐射后，大、小种子品种经高剂量辐射后，气孔导度、净光合速率均减小，这可能是由于辐射破坏了西瓜叶片中的部分酶结构，致使光和电子的传递速率减慢，从而导致净光合速率较对照减弱。这与罗南书、钟章成[25]的结论相一致。

总之，光合色素及气体交换参数的测定是研究西瓜在辐射胁迫下的生物学效应的有效手段，本试验结果也为西瓜的诱变育种与其光合特性间建立了一定的联系，从而为西瓜的辐射诱变育种提供了一定的理论依据。

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