航苜1号航天二次搭载SP1代的农艺性状变异

2016-10-20柴小琴张建华郑宇宇

草业科学 2016年9期

柴小琴，张建华，郑宇宇

(1.甘肃省航天工程生物育种重点实验室,甘肃天水 741030； 2.天水市农业科学研究所，甘肃天水 741001；3.甘肃省航天育种工程技术研究中心，甘肃天水 741030)

柴小琴1,2，张建华1，郑宇宇3

本研究以航天二次搭载的航苜1号紫花苜蓿(Medicagosativacv. Hangmu No.1)种子种植而成的当代(SP1)试验材料(HY2)为研究对象，通过与未搭载的航苜1号种植材料(CK)的农艺性状进行比较，分析了航天二次搭载对航苜1号产生的诱变效应。初步结果表明，二次搭载的航苜1号，其平均株高、分枝数和多叶率显著高于对照(P<0.05)，表现出较强的生长势；多叶株较对照减少，7叶株显著增多(P<0.05)，出现了5株7叶率在60%以上的7叶株；5叶株较对照减少，5叶率在60%以上的5叶株较对照显著增加(P<0.05)，诱变效应明显，有益变异增多。该研究将为苜蓿品种的进一步改良提供有效的选育途径及优良的种质资源。

航苜1号；航天二次搭载；多叶率；7叶株；5叶株

航天诱变育种是以返回式卫星或飞船搭载为背景的新兴育种方法，其目的是利用空间的特殊环境使农作物种子自身基因产生突变，根据获得的有益突变，在地面选育新种质、新材料、培育新品种。我国是世界上掌握返回式卫星技术的3个国家(俄国、美国、中国)之一，在开展空间诱变研究方面具有得天独厚的优势，研究水平位居世界前列。目前，我国利用航天育种技术已经培育出80多个农作物新品种，广泛应用于生产。牧草航天诱变育种起步较晚，主要集中在紫花苜蓿(Medicagosativa)的选育上[1-10]。2002年，4个紫花苜蓿品种(德福、德宝、阿尔冈金、三得利)搭载“神舟3号”飞船进行太空诱变，2003年从以上经过诱变的材料中筛选出5叶性状明显的变异株作为亲本，选育出以5叶为主的多叶型紫花苜蓿新品种航苜1号，该品种2013年通过了甘肃省草品种委员会审定[2]。以上研究表明，紫花苜蓿太空诱变后表现出较强的诱变效果，不仅变异频率高、变异幅度大、有益变异多而且不同品种表现出不同的变异类型，其中最有益的变异是增加了生物量，叶片由三出复叶变异为4～9叶，其中以5叶变异居多，4、6叶较少，7叶很少，8、9叶极少[5]。为了进一步探讨和研究空间特殊环境对多叶型苜蓿的诱变效应，本研究将航苜1号进行航天二次搭载，以期通过地面多叶性状的变异研究，获得更加优良的种质资源和亲本材料。

1　材料与方法

1.1试验材料

多叶型紫花苜蓿新品种航苜1号，是以搭载于“神舟3号”飞船的4个紫花苜蓿品种(德福、德宝、阿尔冈金、三得利)的诱变种子为基础材料，以三得利中5叶性状明显的3株变异单株为亲本材料，经连续4代单株优选、混合选择选育而成。该品种的主要特点：多叶率高(以5叶为主)，多叶枝条率为84.99%，复叶多叶率为41.5%，叶含量50.36%，粗蛋白质含量20.08%，干草产量15 529.9 kg·hm-2，植株高度、叶片数量、营养枝条、草产量和营养成分等均高于对照三得利品种；经SRAP分子标记检测，多叶性状稳定遗传；通过多代种植，各种农艺性状也稳定遗传，表现出较好的稳定性。

1.2试验方法

1.2.1材料处理精选航苜1号种子两份，一份在地面常温下保存，称为未搭载原材料，作为地面对照“CK”；另一份于2013年6月11日17时38分，搭载“神舟十号”飞船在轨飞行15 d，2013年6月26日，返回舱返回地面。诱变后的种子种植当代称作SP1代，种植而成的试验材料简称“HY2”。

1.2.2材料种植2014年3月初，将HY2及CK种子在冬暖棚内穴盘育苗，每穴1粒。4月下旬移植田间。行距60 cm，株距30 cm，栽培管理相同，各保留230株用于试验。HY2进行单株标记，并对应标记号建立单株档案，整个生育期进行观测记载。

1.2.3田间农艺性状调查项目及方法

株高：分别在分枝期、现蕾期、开花期、结荚期和成熟期随机抽取30株逐株测定，重复3次，取均值，测量范围从地面至植株的最高处。

分枝数：于现蕾期(6月2日)随机抽取30株逐株测量距地表3～5 cm的枝条数，重复3次，取均值。

多叶：普通苜蓿的叶子为三出羽状复叶，由3片小叶片和叶柄构成，将多于3个小叶片构成的复叶统称为“多叶”[4]；于现蕾期(6月2日)观测记载复叶分类、不同复叶数量、多叶总数；每个复叶按小叶片数进行复叶分类，由5片小叶片和叶柄构成的复叶，简称“5叶”，由7片小叶片和叶柄构成的复叶，简称“7叶”，其它等同。

多叶率：包括单株多叶率及HY2多叶率的测定。每株多叶占总复叶数的百分比，即为单株多叶率、5叶占总复叶数的百分比，简称“5叶率”；7叶占总复叶数的百分比，简称“7叶率”。于现蕾期(6月2日)随机抽取30株逐株测定多叶率，重复3次，取平均值。

多叶株：把多叶率在5%以上的单株计为多叶株，其余计为普通株。优先将多叶株中7叶率在30%以上的多叶株选出，简称为“7叶株”，其余多叶株中5叶率在30%以上的多叶株简称“5叶株”；多叶株率为多叶株占总株数的百分比。于现蕾期(6月2日)随机抽取30株逐株测定多叶株，重复3次，取平均值。

7叶株、5叶株区间统计：于现蕾期(6月2日)按7叶率及5叶率在<40%、40%～60%、>60% 3个等级对7叶株及5叶株进行区间统计。

2　结果与分析

2.1株高与分枝

不同生育期HY2的平均株高均显著高于CK(P<0.05)，增长幅度随植株的生育期延长而逐渐下降，分枝期最高，高于CK 34.27%，成熟期最低，高于对照7.98%；HY2的平均单株分枝数比CK多31.58%，两者间差异极显著(P<0.01)(表1)。结果表明，航天二次搭载对航苜1号紫花苜蓿的株高和单株分枝数有较大的影响，整个生育期表现出较强的生长势。

表1　HY2和CK不同生育期株高及现蕾期分枝数比较Table 1　Comparison on plant height in different growth stages and ramification number in tasseling stage of HY2 and CK

注：“*”和“**”表示同一指标HY2与CK间差异显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。下同。

Nole： * and ** show significant difference of the same parameter between HY2and CK at 0.05 and 0.01 levle, respectively.

2.2多叶株

多叶株株数HY2较CK减少了2.79%，普通株株数较CK增加了27.64%，5叶株株数HY2较CK减少了9.51%，3个指标HY2与CK间差异均不显著(P>0.05)；7叶株株数HY2是CK的3.01倍(P<0.05)(表2)。

表2　HY2和CK多叶株株数比较Table 2　Comparison on number of multifoliate plants of HY2 and CK

2.3多叶率

HY2平均单株复叶数、单株多叶数、多叶率均极显著高于CK(P<0.01)，多叶率较CK增加了29.46%(表3)。

2.47叶株数及5叶株数

HY2的7叶率在40%～60%的7叶株占总株数的55.56%，明显高于CK的(16.67%)，出现了7叶率大于60%的7叶株5株，均明显大于对应的CK的7叶率范围的7叶株株数(P>0.05)(表4)。HY2中5叶株的5叶率向两级分化，与CK相比，5叶株虽减少，但差异不显著(P>0.05)；HY2的5叶率在40%～60%的5叶株株数较CK显著减少(P<0.05)，5叶率大于60%的5叶株株数较CK显著增多(P<0.05)(表4)。将多叶率大于60%的7叶株及5叶株列为重点研究对象，2014年12月移至隔离区做进一步研究。

表3　HY2和CK多叶率的比较Table 3　Comparison onmultifoliate ratio of HY2 and CK

3　讨论

紫花苜蓿航天诱变表现出较强的诱变效应，变异频率高、变异幅度大、有益变异多，变异不仅基本符合紫花苜蓿常见变异规律，而且集中了紫花苜蓿多种有益变异类型于一起，节省了育种者搜集亲本材料的时间和精力，缩短了育种年限[1-3]。紫花苜蓿航天诱变最明显的变异是显著提高了生物量，是紫花苜蓿育种最有益之处[4]。株高及分枝是影响牧草产量的重要因素，同等条件下，生长速度快、分枝强的牧草产量及生物量高。诱变SP1代苜蓿幼苗根尖细胞分离指数、染色体畸变等方面表现出显著的诱变效益[6-7]，同时发现诱变后的苜蓿株高显著增加、初次分枝数减少、单株生物量增多。本研究表明，航苜1号苜蓿太空二次诱变后的株高和分枝数也显著增加，这与任卫波等[6-7]的发现基本一致。同一批航天诱变的苜蓿品种不同，在发芽率、单株分枝数等性状上存在差异[8]，在航天搭载的4个紫花苜蓿品种(德福、德宝、阿尔冈金、三得利)中，不同品种叶片变异有所不同，多叶苜蓿以三得利最为显著，由三出复叶变异为4、5、6、7、8、9叶，其中5叶居多，4、6叶的变异少，诱变之后苜蓿叶片以奇数变异为主[4]。本研究发现，航苜1号多叶型紫花苜蓿航天二次搭载当代，平均多叶率增高，以复出7叶为主的多叶苜蓿显著增多，出现了7叶率大于60%的多叶单株5株，而对照中未出现。5叶率大于60%的多叶单株较对照显著增加，这为高品质优良品种的选育提供了可能，本研究认为，这可能是二次诱变使多叶品种的隐形基因得到了进一步表达。本研究还发现，航苜1号二次搭载后，多叶株发生变化，普通株比对照增加，多叶株减少，但差异不显著。以复出5叶为主的多叶率向两级分化，这种现象可能是由于搭载当代多叶性状生理损伤或基因位点变异引起的，需通过分子检测做进一步研究。本次研究中获得的有益变异材料的遗传稳定性能否稳定遗传，有必要在分子标记和后续世代田间继续观察中进行确认。

表4　HY2和CK具有不同7叶率的7叶株株数和5叶率的5叶株株数比较的比较Table 4　Comparison on number of 7 leaflets plant with different 7 leaflet rates and 5 leaflets plants with different 5 leaflet rates of HY2 and CK

4　结论

1)太空诱变所产生的变异开始出现在SP1代群体中。本研究表明，经过二次搭载之后的SP1代紫花苜蓿植株在形态指标上表现出与首次搭载植株间有差异，其株高、分枝数、多叶率显著优于对照。

2)航天二次搭载不仅对多叶苜蓿的生长速度、分枝性、多叶性状有影响，还增多了多叶突变体的叶片数量，叶量明显增大，有益突变体进一步增加，为苜蓿品种的进一步改良提供了优良的种质资源。

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(责任编辑武艳培)

Research on the variation of ‘Hangmu 1’ agronomic characters in SP1generation by re-onboard in space

Chai Xiao-qin1,2, Zhang Jian-hua1, Zheng Yu-yu3

(1.Key Laboratory of Aerospace Engineering Bio-Breeding of Gansu, Tianshui 741030, China;2.Tianshui Institute of agricultural Sciences, Tianshui 741001, China;3.The Space Breeding Engineering Research Center of Gansu province, Tianshui 741030, China)

In this study the test materials (HY2) from seed cultivation SP1generations were used. By comparing with the agronomic characters of ‘Hangmu 1’ planting material on the earth, the mutagenic effects of alfalfa cultivar ‘Hangmu 1’ by re-onboard in space were studied. The preliminary results indicated that the average of plant height, branch number and multifoliate ratio were significantly higher than the control, ‘Hangmu 1’ by re-onboard in space showed strong growth vigor(P<0.05). The multifoliate plants were less than the control, the number of 7 leaflets plants significantly increased (P<0.05)and five plants had 7 leaflets ratio more than 60%. 5 leaflets plants were less than the control and 5 leaflets plants possessing 5 leaflets ratiomore than 60% significantly increased(P<0.05). The mutagenic effects were obvious and useful variation was rich. The research would provide an effective breeding approach and the excellent germplasm resources to the further improvement of alfalfa cultivar.

‘Hangmu 1’; reonboard in space; multifoliate ratio; 7 leaflets plant; 5 leaflets plant

Chai Xiao-qinE-mail:ts_cxq@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0645

2015-11-17接受日期：2016-03-15

甘肃省航天工程生物育种重点实验室建设(1309RTSE033)

柴小琴(1963-)，女，甘肃天水人，高级农艺师，大专，主要从事苜蓿育种及栽培技术研究。E-mail:ts_cxq@163.com

S551+.701;S124+.9

1001-0629(2016)9-1788-05*

柴小琴,张建华,郑宇宇.航苜1号航天二次搭载SP1代的农艺性状变异.草业科学,2016,33(9)：1788-1792.

Chai X Q,Zhang J H,Zheng Y Y.Research on the variation of ‘Hangmu 1’ agronomic characters in SP1generation by re-onboard in space.Pratacultural Science，2016,33(9)：1788-1792.