航天诱变航苜1号紫花苜蓿兰州品种比较试验

杨红善，常根柱，周学辉

(中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，甘肃 兰州 730050)

航天诱变航苜1号紫花苜蓿兰州品种比较试验

杨红善*，常根柱，周学辉

(中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，甘肃 兰州 730050)

摘要：航天育种是近十几年来快速发展的农业高科技新领域，已经变成一种主要的诱变育种方法。本研究以航天搭载的紫花苜蓿种子为基础材料，选育出我国第一个航天诱变多叶型紫花苜蓿新品种“航苜1号”。为验证该品种的生产性能，在兰州进行生产性能的品种比较试验，试验结果表明：多叶性状使航苜1号叶量比对照增加5.72%；干草产量(14237.5 kg/hm2)比对照提高13.26%；第一茬和第二茬草开花初期粗蛋白质含量分别为20.08%和18.42%，分别高于对照2.97%和5.79%；18种必需氨基酸为12.32%，高于对照1.57%；微量元素明显优于对照品种。多叶率与其他各指标间的相关性分析表明，多叶率和草产量、粗蛋白、氨基酸总量呈显著正相关。由此可见，该品种具有多叶率高、产草量高和营养含量高的特性。

关键词：航天育种；紫花苜蓿；多叶性状；品比实验

Performance of Hangmu No.1 alfalfa in the Lanzhou region

YANG Hong-Shan*, CHANG Gen-Zhu, ZHOU Xue-Hui

LanzhouInstituteofHusbandryandPharmaceuticalSciencesofCAAS,Lanzhou730050,China

Abstract:Outer space mutation breeding has become an important characteristic of mutation breeding in china. The first variety of alfalfa bred by space mutation in China is ‘Hangmu No.1’.The characteristic of Hangmu No.1 alfalfa are high multifoliate rate, hay yield and nutrient content. To test the productive performance of Hangmu No.1, comparative testing was conducted in Lanzhou. The results indicates that Hangmu No.1 had significantly increased leaf mass, 5.72% higher than controls; Hay yield was 14237.5 kg/ha, 13.26% higher than the control varieties; crude protein content from the first and second harvest (anthesis stage) were 20.08% and 18.42% respectively, 2.97% and 5.79% higher than control varieties. Essential amino acids and trace element contents were also significantly higher than control varieties. Correlation analysis between multifoliate rate and others agronomic traits revealed that multifoliate rate was significantly positively correlated with hay yield, crude protein content, and amino acid content. This study indicates that the multifoliate trait can improve yield and nutritional value of alfalfa hay.

Key words:space mutation breeding; alfalfa (Medicago sativa); multifoliate; variety comparison trial

发达的草业是农业现代化的重要标志，紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上种植面积最大的牧草种类。就牧草品种而言，目前我国优质的牧草育成品种缺乏，选育具优质、丰产、抗逆性强的新品种迫在眉睫，牧草大多数为多年生、异花授粉植物，遗传背景复杂，传统的育种方法周期长，转基因育种经费高、难度大等问题[1]。将高科技的空间技术与常规农业育种相结合，形成航天诱变育种技术，其目的是利用空间的特殊环境，如空间宇宙射线、微重力、高真空、弱磁场等因素，共同作用使种子产生变化，引起生物体变异，地面种植获得有益变异体，并选育新种质、新材料、培育新品种的植物育种技术[2]。该育种技术也是近十几年来快速发展的农业高科技新领域，航天诱变育种与传统育种相比较具有变异频率高、变异幅度大、有益变异多、稳定性强、优势明显等特点[3-17]。我国多叶型紫花苜蓿常规育种的研究已经开展多年，是目前国内无登记的新品种，航苜1号是我国第一个审定登记的多叶型紫花苜蓿省级育成新品种。目前有专家对紫花苜蓿多叶性状的遗传稳定性、受气候条件的影响、对产量和营养是否具有明显的贡献率等存在质疑，有关研究指出在开展多叶苜蓿的常规育种中多叶型苜蓿的产草量较低，多叶率有较大差异[13-14]，这与我们研究的航天诱变多叶型紫花苜蓿所表现的多叶性状具有稳定、高度遗传的特性，叶量显著提高，产草量高、营养成分高等特点相反。本研究以航天育种选育的多叶型紫花苜蓿为主试品种，以亲本未搭载原品种、国外多叶型紫花苜蓿和国产优质品种为对照，在黄土高原半干旱区(兰州)进行品种比较试验，进一步研究该品种的生产性能。

1材料与方法

1.1　试验材料

1.1.1主试品种航苜1号紫花苜蓿(M.sativacv. Hangmu No.1)牧草育成品种，利用航天诱变育种技术选育而成。2014年3月通过甘肃省草品种审定委员会审定登记为育成品种(登记号：GCS014)；2014年4月25日通过国家草品种审定委员会评审，批准参加国家草品种区域试验。该品种叶以5叶为主，复叶多叶率达41.5%，叶量为总产量的50.36%；干草产量15529.9 kg/hm2，高于对照12.8%；粗蛋白质含量20.08%，高于对照2.97%；18种氨基酸总量为12.32%，高于对照1.57%；种子千粒重2.39 g，牧草干鲜比1∶4.68。

航苜1号亲本材料种子航天搭载处理：2002年3月将精选的三得利紫花苜蓿种子分为2份，1份按要求密封搭载于神舟3号飞船，搭载时间为2002年3月25日-2002年4月1日，飞行高度为198～338 km，倾角42.4°，绕地球108圈；另1份作为地面对照(CK)，称为亲本未搭载原品种，地面低温储存[4-5]。

1.1.2对照品种三得利紫花苜蓿(M.sativacv. Sanditi)亲本未搭载原品种；中兰1号紫花苜蓿(M.sativacv. Zhonglan No.1)国内优质、丰产品种；先行者紫花苜蓿(M.sativacv. Concett)加拿大多叶型紫花苜蓿品种。

1.2　试验地概况

试验区设在中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所大洼山试验站。东经103°44′36″，北纬36°02′20″，海拔1697 m，年均降水量324.5 mm；年均温9.3℃，极端最高温39.1℃，最低温-23.1℃，≥0℃的年活动积温3700℃，≥10℃的年活动积温1900~2300℃。无霜期169 d；相对湿度58%，蒸发量1450.0 mm，日照时数2751.4 h；无霜期179 d。为我国典型的黄土高原半干旱区，属于兰州盆地黄河南岸三级阶地，土质为Ш级自重湿陷性黄土。

1.3　试验方法

1.3.1试验田间种植2011年，参试品种重复4次，小区随机区组排列。小区代码：航苜1号(HM1)、三得利(S)、中兰1号(ZH1)、先行者(C)。小区面积：2.7 m×7.0 m=18.9 m2，行距：30 cm，播种量：1.5 g/m2(每小区28.35 g)。小区四周隔离带1.5 m，小区间距1 m。

1.3.2多叶率指标定义及测定方法结合航苜1号紫花苜蓿选育过程及专家现场测试，本研究首次提出了三项多叶率衡量指标，包括多叶枝率、复叶多叶率和品种多叶率。指标的定义和测定方法如下。

a) 多叶枝率：指具有多叶的枝条数占所测定总枝条数的百分比，多叶枝条指枝条上具多叶性状的枝条；测定方法：每试验小区以1 m为1个样段，随机选择3个样段，距地面6 cm刈割，将具有多叶的枝条和非多叶枝条分开并计数，计算多叶枝条占总枝条数的百分比。

b)复叶多叶率：指1个枝条上3片以上的复叶数占总复叶数的百分比(复叶数指1个叶柄上长有3片以上的叶片)；测定方法：在多叶枝率测定中确定的多叶枝条中随机取20个枝条，测定每一枝条上3片以上复叶数占总复叶数的百分比。

c) 品种多叶率=多叶枝率×复叶多叶率。

1.3.3生育期、株高测定、草产量、种子产量、干鲜比、茎叶比等指标的测定方法参考中华人民共和国农业行业标准《草品种区域试验规程，禾本科牧草》执行[6]。

a) 生育期：分为播种、出苗、分枝、孕蕾、开花、乳熟、成熟7个阶段。b) 株高测定：测量从地面至植株最高部位的绝对高度，分枝期、孕蕾期、初花期、结荚期测定。c)草产量测定：包括第1次刈割的产量和再生草产量，在开花初期测定，测产时先割去小区两侧边行及前后各50 cm，并移出小区(本部分不计入产量)，将余下部分刈割测产、称重，按实际面积计算产量。d) 种子产量：种子成熟后，先割去小区两侧边行及前后各50 cm，并移出小区(本部分不计入产量)，将余下部分刈割、自然风干、打碾、称重，按实际面积计算产量。e)茎叶比测定：测草产量的同时进行，从每小区随机取3~5把草样，将4个重复的草样混合均匀，取鲜草0.5 kg样品，将茎和叶、花序按两部分分开，待风干后称其重量，求其百分数。f) 干鲜比：每次刈割测产后，从每小区随机取3~5把草样，将4个重复的草样混合均匀，取约1000 g的样品，剪成3~4 cm长，编号称重，然后在干燥气候条件下自然风干后称重。计算干草产量和干鲜比。

1.4　数据处理

采用国际通用软件SPSS 13.0进行统计分析, 用Excel 2007进行数据处理和制表。

2结果与分析

2.1　物候期

航苜1号的物候期与对照基本一致，相对个别对照略有提前(表1)。4月中下旬播种，4月底出苗，6月中上旬分枝，7月上旬现蕾，7月中旬开花，9月中下旬种子成熟；第二年，4月中旬返青，8月中下旬种子成熟。

表1　物候期

HM1: 航苜1号 Hangmu No.1；S: 三得利Sanditi；ZH1: 中兰1号Zhonglan No.1；C: 先行者Concett。下同 The same below.

2.2　多叶率、茎叶比、干鲜比

多叶率和叶茎比指标取3年试验平均值进行分析，航苜1号多叶枝率为83.49%，复叶多叶率为41.5%，品种多叶率为34.64%，多叶率指标极显著高于先行者 (P<0.01)。航苜1号叶茎比显著高于3个对照品种 (P<0.05)；叶片占干草总产量的百分比航苜1号为50.36%、三得利为47.97%、中兰1号为47.67%、先行者为47.27%，航苜1号平均高于对照5.72%，其叶总量明显高于其他对照品种(表2)。

2.3　产草量

草产量每年于开花初期测定，同时测定株高(表3)。干草产量取3年平均值分析比较，航苜1号为14237.5 kg/hm2, 对照品种三得利为12407.1 kg/hm2，中兰1号为13384.4 kg/hm2，先行者为11919.0 kg/hm2，航苜1号比三得利高产14.75%，中兰1号高产6.37%，先行者高产19.45%，比对照品种平均高产13.26%。

表2　多叶率、茎叶比、干鲜比

同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。下同

Different small letters show significant difference atP<0.05 level in the same column, different capital letters show significant difference atP<0.01 level. The same below.

2.4　种子产量

种子产量取3年平均值分析比较(表4)，航苜1号为289.6 kg/hm2，三得利为288.8 kg/hm2，中兰1号为298.1 kg/hm2，先行者为265.6 kg/hm2，航苜1号种子产量比对照品种平均高产1.90%。

表3　株高及干草产量

2.5　营养成分

2012年，分别于第一茬草和第二茬草开花初期采样，自然风干后测定8大营养成分，包括粗蛋白质、粗纤维、粗脂肪、粗灰分、钙、磷、无氮浸出物和水分(表5)。粗蛋白质含量分析比较：第一茬草，航苜1号为20.08%，对照品种三得利为19.72%，先行者为19.9%，中兰1号为18.89%，航苜1号平均高于对照2.97%，差异不显著。第2茬草，航苜1号为18.42%，对照品种三得利为16.89%，先行者紫为18.18%，中兰1号为17.22%，航苜1号平均高于对照5.79%，差异显著。

表4　种子产量

表5　营养成分

CP: crude protein; CF: crude fiber; EE: ether extract; Ash: ash content; Ca: calcium; P: phosphorus; NFE: nitrogen-free extract, Wa: water content. 下同。The same below.

2.6　必需氨基酸

2013年，第一茬草开花初期采样，自然风干后测定18种必需氨基酸(表6)。以18种必需氨基酸总量进行分析：航苜1号为12.32%，三得利为11.67%，中兰1号为12.52%，先行者为12.19%，航苜1号比三得利高5.57%，平均高于对照1.57%。其中天门冬氨酸平均高于对照7.78%，苏氨酸平均高于对照2.43%，丝氨酸平均高于对照5.88%，谷氨酸平均高于对照2.16%，缬氨酸平均高于对照5.22%，组氨酸平均高于对照4.34%，其他各氨基酸与对照基本持平或略低于对照(如脯氨酸)。

2.7　微量元素

2012年，第一茬草开花初期采样，风干后测定6种常见微量元素，包括全锌、全锰、全铜、全铁、全镁和全硼，各参试品种的6种微量元素(表7)。分析比较结果：航苜1号全锌为15.59%，平均高于对照8.6%；全锰为4.65%，平均高于对照23.3%；全铜为1.57%，平均和对照持平；全铁为39.97%，平均高于对照23.2%；全镁为0.60%，平均高于对照7.64%；全硼为5.15%，平均高于对照14.4%。其中航苜1号的全锌、全锰、全铁、全硼与各对照品种差异极显著(P<0.01)。

2.8　各指标间的相关性分析

相关分析表明，多叶率和草产量、粗蛋白、氨基酸总量及全锰呈显著正相关；与全锌极显著正相关；与粗纤维、全铁和全镁呈正相关；与种子产量和全铜呈负相关。

表6　18种必需氨基酸含量

AA:Amino acid.

表7　常见微量元素

表8　航苜1号各指标间的相关性

**表示0.01水平上显著相关，*表示0.05水平上显著相关。**show significance at the level of 0.01, *show significance at the level of 0.05.MFR: multifoliate rate; HY: hay yield; SY: seed yield; CP: crude protein; CF: crude fiber; AA: amino acid.

3讨论

航天育种将高科技的空间技术与常规农业育种相结合是近10多年来快速发展的高创新性育种方法，已成为空间生命科学的重要研究内容之一。航天育种在农作物、蔬菜和花卉已开展多年研究，并培育出多个品种应用于生产中，最显著的变异特性是生物量提高、抗逆性增强、品质提高和早熟性，这对紫花苜蓿育种而言极为重要[1,3]。

与谷类作物不同，紫花苜蓿的经济产量主要以草产量和品质来衡量，其中草产量主要由叶、茎组成，另外60%的总可消化养分、70%的粗蛋白、90%的维生素存在于叶片中，因此多叶性状利于苜蓿优质。多叶型紫花苜蓿具有羽状三出复叶变异为由4个以上单叶组成的复叶[13-14]。常规育种认为紫花苜蓿中多叶性状不能稳定遗传，但航天诱变过程中高能重粒子能导致种子细胞中DNA双链断裂，高真空、微重力可以阻延或抑制断裂链的修复，使得断裂的碱基在DNA双链周围游动，当返回地面后获得重力，断裂的碱基在双链的其他部位发生重叠，从而产生DNA结构中碱基的缺失和重组，属于内源基因的改良，因此产生的多叶性状变异的遗传稳定较高[2,8-10]。本研究团队通过航天诱变育种技术选育出的多叶型紫花苜蓿新品种“航苜1号”，其多叶枝率为83.49%，复叶多叶率为41.5%，品种多叶率为34.64%，而国外多叶型紫花苜蓿先行者，多叶枝率为30.58%，复叶多叶率为10.7%，品种多叶率为3.27%，可见航天育种技术选育的品种其多叶率指标明显高于常规育种选育品种。多叶性状使航苜1号叶量增多，叶片总量平均高于对照5.72%，而叶量增加使光合作用增强，草产量显著提高。因70%左右的营养物质存在于叶片中，因此叶量增多也有效提高了品种的营养成分、总氨基酸和微量元素，航苜1号蛋白质含量平均高于对照2.97%，18种必需氨基酸总量平均高于对照1.57%，微量元素全锌平均高于对照8.72%、全锰平均高于对照22.97%、全铁平均高于对照23.42%、全镁、平均高于对照4.74%和全硼平均高于对照14.01%。多叶率与其他各指标间的相关性分析可以看出，多叶率和草产量、粗蛋白、氨基酸总量和全锰呈正相关，且差异显著；与全锌呈正相关，且差异极显著；与粗纤维、全铁和全镁呈正相关，但差异不显著。多叶率与种子产量呈负相关，但差异不显著，因叶量增多使得植物光合作用增强，生物量显著提高，一定程度影响了营养生长，使种子产量降低，这与植物生长规律相一致。

4结论

利用航天诱变育种技术选育出我国第一个多叶型紫花苜蓿新品种“航苜1号”，该品种特性是优质、丰产，表现为多叶率高、产草量高和营养含量高。航苜1号的品种多叶率为34.65%，显著高于国外多叶型紫花苜蓿先行者，多叶性状使得叶量比对照增加5.72%，干草产量比对照增产13.26%，粗蛋白质(两茬)平均高于对照4.38%，18种必需氨基酸总量高于对照1.57%，微量元素明显优于对照品种。多叶率和草产量、营养成分、18种氨基酸总量及微量元素呈正相关，并且与多数指标差异显著，多叶性状可以有效提高紫花苜蓿品种的产量和品质。

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通讯作者*Corresponding author.

作者简介：杨红善(1981-),男,甘肃兰州人,助研。E-mail:Yanghsh123@126.com

基金项目：甘肃省农业生物技术研究与应用开发项目(GNSW-2014-19),中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 (1610322014022),甘肃省青年科技基金计划项目(145RJYA273)和寒生、旱生灌草新品种选育(CAAS-ASTIP-2014-LIHPS-08)资助。

收稿日期：2015-01-08；改回日期：2015-04-08

DOI：10.11686/cyxb2015012http://cyxb.lzu.edu.cn