微波辐照对蚕豆种子萌发、花粉发育及农艺性状的影响

黄雅琴

摘要：[目的]分析微波辐照对蚕豆种子萌发、花粉发育及农艺性状的影响，明确微波辐照对植物的辐射效应，为微波辅助作物育种提供理论参考。[方法]分别以0（对照，CK）、5、10、15、20、25和30s微波炉辐照处理蚕豆干种子，分析不同微波辐照时间对蚕豆的种子萌发、花粉发育及农艺性状的影响。[结果]微波辐照处理的蚕豆种子发芽势和发芽率均随着辐照时间的延长呈先上升后下降的变化趋势，说明适当的微波辐照能促进种子萌发。微波辐照处理的蚕豆花粉母细胞在减数分裂Ⅰ期和Ⅱ期均能观察到6种类型的染色体畸变，且随着辐照时间的延长，染色体畸变类型增多，染色体总畸变率升高，表明辐照时间和染色体畸变呈显著正相关（r=0.8432）（P<0.05，下同）。微波辐照的蚕豆花粉可育率随着辐照时间的延长呈逐渐下降趋势，表明微波辐照阻碍花粉正常发育，微波辐照时间与花粉可育率呈显著负相关（r=-0.9066）。微波辐照5、10和15s的蚕豆株高、节数、叶面积和单株叶片数目与CK均无显著差异（P>0.05）；微波辐照20s的蚕豆株高和单株叶片数目均显著高于CK；微波辐照25s的蚕豆株高显著高于CK，叶面积显著低于CK；微波辐照30s的蚕豆叶面积极显著低于CK，单株叶片数目显著低于CK。即微波辐照20s能促进蚕豆植株长高，增加单株叶片数，但辐照时间进一步延长，株高、叶面积和单株叶片数又逐渐降低。[结论]微波辐照是一种有效的选育手段，适当微波辐照能提高蚕豆种子的萌发率，改善蚕豆的农艺性状。但微波辐照能诱发蚕豆花粉母细胞在减数分裂过程中发生染色体畸变，导致花粉败育。

关键词：蚕豆；微波辐照；发芽率；减数分裂；染色体畸变；农艺性状

中图分类号：S643.603.6 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）11-1948-06

0引言

[研究意义]微波辐射是一种低能电磁辐射，可引起生物体的系统损伤与紊乱（Wang et a1.，2012；Westhoff et a1.，2013），诱发植物数量l生状变异，辅助作物育种（方兴等，1994；贾红华等，2003；Garai-Vrhovac et a1.，2009）。應用微波辐射技术可创造出新材料与新种质，以弥补常规育种方法的不足，且不存在安全隐患（朱宗文等，2010），但研究微波辐射对作物产生的影响是首要工作，对新品种选育具有重要意义。[前人研究进展]至今，已有大量研究证实，蚕豆的染色体对外界各种致突变因子非常敏感，可引起染色体严重畸变（Ghatnekar，1964；Dimeska eta1.，2010；Sharma et a1.，2009；欧阳裕元等，2016），导致农艺性状改变。汤泽生等（1980）、Sharma等（2009）研究表明，随着辐射剂量的增加，蚕豆花粉母细胞减数分裂过程中染色体畸变率升高。华劲松等（2005）以⁶⁰Co-γ射线处理蚕豆干种子，发现蚕豆M₁代的生育期、生物学性状和光合生理均有明显影响。王昆林等（2008）以激光辐射蚕豆根尖细胞，导致根尖细胞有丝分裂活性增强，染色体结构发生变异。罗蔚华等（2012）以微波辐射蚕豆，结果发现随着辐射时间的延长，微核率及染色体畸变率逐渐升高。胡旭群等（2015）通过⁶⁰Co-γ射线对大粒鲜食蚕豆进行诱变，有效改善了原始品种的农艺性状。[本研究切入点]目前，关于微波辐射对蚕豆的诱变效应研究主要集中在根尖有丝分裂方面（刘文魁和王凤，1994；罗蔚华等，2012），仅证实其可引起根尖细胞发生变异，但生殖细胞是否发生变异尚不清楚。[拟解决的关键问题]以微波辐照蚕豆种子，分析不同辐照时间对蚕豆种子萌发、花粉发育及农艺性状的影响，为研究微波辐照的生物学效应及诱变育种提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

供试蚕豆购自信阳市东关农贸市场，大小匀称，色泽一致，无病虫害。微波源为格兰仕微波炉[型号G70D20CN1L-M1（S0）]，额定电压额定功率220 V-0 Hz，微波1180 w，额定微波频率2450 MHz。

1.2试验方法

1.2.1微波辐照处理 将蚕豆干种子分成7组，每组50粒，分别用微波炉辐照处理0（对照，CK）、5、10、15、20、25和30s，每组3次重复。

1.2.2种子萌发 将微波辐射照处理的7组蚕豆种子消毒后浸泡1d，以胚根突破种皮为发芽标准，于第3d计算发芽势（第3d发芽种子数占供试种子数的百分率），第7d发芽试验结束后，统计发芽率（最终发芽种子数占供试种子数的百分率）。

1.2.3染色体畸变观察 将发芽的蚕豆苗种植于试验田中，进行常规田间管理。待其长出花蕾，采集减数分裂旺盛的幼嫩花蕾，按照常规方法固定漂洗，以改良卡宝品红染液染色3～5min，分散压平后置于显微镜下观察染色体畸变情况，每处理组至少观察1000个减数分裂Ⅰ期和Ⅱ期细胞，同时进行记录及拍照。常见的染色体畸变有微核、染色体桥、染色体断片、落后染色体、染色体环和不均等分裂共6种类型。各类型染色体畸变率均以发生该类型染色体畸变的细胞数占该分裂期细胞总数的百分率表示，染色体总畸变率以所有发生染色体畸变的细胞总数占该分裂期细胞总数的百分率表示。若一个细胞中出现了多种畸变类型则重复计数。

1.2.4花粉育性检测 用碘-碘化钾溶液（I₂-IK）对成熟期花粉进行染色，检测花粉育性，每处理组至少观察1000个花粉细胞。可育花粉呈椭球形，能被I₂-IK染成黑褐色，不育花粉形状不规则，不着色。花粉可育率以可育花粉数占所观察花粉总数的百分率表示。

1.2.5农艺性状的测定 分别用米尺和游标卡尺测量植株的株高、叶片长和宽，统计单株叶片数和节数，计算叶面积。叶面积计算公式为：叶面积=长×宽×π×1/4。

1.3统计分析

利用SPSS13.0对试验数据进行t检验，分析差异显著性。

2结果与分析

2.1微波辐照对蚕豆种子萌发的影响

由图1可知，CK的发芽势明显低于发芽率，表明蚕豆的种皮较厚实，发芽速度慢，不整齐。微波辐照处理的蚕豆种子发芽势和发芽率均随着辐照时间的延长呈先上升后下降趋势，说明适当的微波辐照能软化种皮，促进种子萌发，但过度辐照，微波穿透种皮到达种胚，损伤加剧，阻碍种子萌发。微波辐照5～20s时，发芽势等于发芽率，进一步证实微波辐照能促进种子萌发；微波辐照15s时，蚕豆种子的发芽势和发芽率均达最大值（100%）；微波辐照20s时，发芽势和发芽率均开始降低；微波辐照30s时，发芽势和发芽率均为最小值，且低于CK，表明微波辐照时间与蚕豆种子萌发密切相关。

2.2微波辐照对蚕豆花粉母细胞减数分裂的影响

对微波辐照处理的蚕豆花粉母细胞进行观察，结果发现，在减数分裂Ⅰ期和Ⅱ期均能观察到微核、染色体桥、染色体断片、落后染色体、染色体环和不均等分裂等6种染色体畸变类型（图2和图3）。对各类型的染色体畸变率进行统计，结果如表1和表2所示。在减数分裂Ⅰ期，CK的染色体总畸变率较低（0.52%），微波辐照5、10和15s时，分别出现3-4种染色体畸变类型，染色体总畸变率与CK无显著差异（P>0.05，下同）；微波辐照20s时，出现4种染色体畸变类型，染色体总畸变率显著高于CK（P<0.05，下同）；微波辐照25和30s时，分别出现6种染色体畸变类型，染色体总畸变率极显著高于CK（P<0.01，下同）。在减数分裂Ⅱ期，微波辐照5和10s时，分别出现3-4种染色体畸变类型，染色体总畸变率与CK差异不显著；微波辐照15s时，出现5种染色体畸变类型，染色体总畸变率显著高于CK；微波辐照20、25和30s时，分别出现6种染色体畸变类型，染色体总畸变率极显著高于CK，且在一个细胞内同时有2种或2种以上的染色体异常现象出现（图2-F和图3一G）。综上所述，微波辐照会造成花粉母细胞减数分裂Ⅰ期和Ⅱ期的染色体发生异常，随着辐照时间的延长，染色体畸变类型增多，染色体畸变率升高，两者呈显著正相关（r=0.8432）。

2.3微波辐照对蚕豆花粉育性的影响

各组的蚕豆花粉经染色后表现出不同的育性，如图4所示，可育花粉呈椭球形，被I₂-1K染成黑褐色，不育花粉形状不规则，不着色。由表3可知，微波辐照后蚕豆花粉可育率随着辐照时间的延长呈逐渐下降趋势。与CK相比，微波辐照20s时花粉可育率显著下降6.17%，微波辐照25和30s时分别极显著下降15.68%和23.07%。表明微波辐照会阻碍花粉正常发育，最终导致败育。因此，微波辐照时间与花粉可育率呈显著负相关（r=-0.9066）。

2.4微波辐照对蚕豆农艺性状的影响

对微波辐照处理蚕豆植株的农艺性状进行观察测定，结果如表4所示。微波辐照5、10和15s的蚕豆株高、节数、叶面积和单株叶片数目与CK均无显著差异。微波辐照20、25和30s的蚕豆株高、叶面积和单株叶片数与CK存在明显差异，其中，微波辐照20s的蚕豆株高和单株叶片数均显著高于CK；微波辐照25s的蚕豆株高显著高于CK，叶面积显著低于CK；微波辐照30s的蚕豆叶面积极显著低于CK，单株叶片数显著低于CK。表明微波辐照20s能促进蚕豆植株长高，增加单株叶片数，随辐照时间进一步延长，株高、叶面积和单株叶片数又逐渐降低。

3讨论

微波能穿透生物组织，增加分子运动，产生热效应，引起细胞的氧化应激反应（Kalns et a1.，2000；Kim and Rhee，2004；满其航等，2010；王小华等，2016）和DNA损伤（Garai-Vrhovac and Orescanin，2009）。此外，微波辐照可造成生殖系统损伤（牟敬锋和严宙宁，2013），导致精子畸形（Goud et a1.，1982）。本研究结果也表明，微波辐照造成花粉母细胞减数分裂过程中染色体畸变，最终导致花粉败育。前人研究发现，以不同的物理和化学诱变剂处理蚕豆，在减数分裂过程中易出现染色体桥、染色体断片、染色体环、微核等染色体畸变类型（Ecochard，1966；Sharma et a1.，2009）。這些畸变在本研究中也观察到，表明采用不同的诱变方法可获得相似的诱变效应。

本研究结果表明，微波辐照5和10 s时减数分裂Ⅰ期和Ⅱ期染色体总畸变率与空白对照无显著差异。罗蔚华等（2012）用微波炉辐照蚕豆，试验设计与本研究相同，结果在根尖细胞有丝分裂过程中也观察到多种染色体畸变类型，但微波辐照处理组的微核率和染色体总畸变率均显著高于对照。将本研究与罗蔚华等（2012）的研究进行对比，结果发现相同时间的微波辐照处理下，减数分裂染色体总畸变率均低于有丝分裂染色体总畸变率。推测其原因是微波辐照蚕豆后先生根，即辐照损伤先在根尖细胞中表现，随着植株生长，在体内中畸变细胞与正常细胞互相竞争，畸变细胞逐渐处于落后状态，被正常细胞所代替，最终死亡，植株体细胞的辐射损伤逐渐减轻并趋于正常，小孢子母细胞起源于体细胞，在生殖生长期发育，因此减数分裂染色体总畸变率低于有丝分裂染色体总畸变率。

本研究对微波辐照处理的蚕豆种子发芽势和发芽率进行分析，结果发现适当的微波辐射能促进种子萌发。这与杨俊红等（2003）、张淑卿等（2011）的研究结论相一致。本研究还发现，微波辐照20s能促进蚕豆植株长高，增加单株叶片数目，对蚕豆育种具有重要意义，但微波辐照对蚕豆植株其他农艺性状的影响有待进一步研究。

4结论

微波辐照能诱发蚕豆花粉母细胞在减数分裂过程中发生染色体畸变，导致花粉败育。适当微波辐射能提高蚕豆种子的萌发率，改善蚕豆的农艺性状。

（责任编辑陈燕）