电子束转靶X射线对红花石蒜、韭兰的诱变效应

2019-04-11闵可怜黎熠睿湛晓蝶杨青青崔正旭

西南农业学报 2019年3期

刘玲，王丹*，闵可怜，陈敏，黎熠睿，湛晓蝶，杨青青，崔正旭，田甲，陈浩，黄敏

(1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010;2.四川省原子能研究院，四川成都 610101)

【研究意义】红花石蒜(Lycorisradiatavar.radiata)，又名龙爪花、蟑螂花，为石蒜科石蒜属的多年生草本鳞茎植物，原产于日本和中国[1-3]。石蒜耐寒性强，喜阴，也耐干旱，适应能力强，具有“花叶期不遇”的奇异特性[4]。因其叶片翠绿，花朵具有艳丽的颜色而深受人们的喜爱，是常见的切花材料之一。在园林景色中起到了非常好的调节作用，有很高的观赏价值，在全世界范围内应用广泛。石蒜属同属不同种石蒜在自然条件下能相互杂交形成新的种类，这在植物界是十分罕见的[5]。但是，在自然条件下相互杂交形成的新品种，其大多数品种不具备遗传性。目前，国内外对石蒜的研究主要针对其生物碱含量，但在其辐照诱变育种方面鲜有报道[5-6]。

韭兰(ZephyranthesgrandifloraLindl.)，又名韭莲、风雨花，为石蒜科、葱莲属的多年生草本植物，原产于墨西哥、古巴等地，我国广东、湖北、贵州、上海等地均有分布[7-8]。韭兰具有生长茂盛、开花繁盛的特点，且鳞茎的分生能力强。在园林中，多作为花坛、花镜和草地边缘的点缀，是一种深受人们喜爱的观赏性植物，在世界各地均有栽植[9]。我国引种栽培的韭兰常出现开花却不留种的情况，只能依靠球茎进行无性繁殖。采用辐照诱变方式对红花石蒜和韭兰进行育种的方法较为鲜见，采用电子束转靶X射线辐照诱变育种尚未见报道，所以本研究对红花石蒜、韭兰诱变育种具有很重要的指导意义。【前人研究进展】辐照诱变育种的主要目的是获得更多的优良突变体，起到决定性因素的是辐照源、辐照剂量以及辐照对象。辐照诱变育种在最初常采用X射线对花卉进行辐照，并获得了显著成效。例如，德国霍恩瑟内[10]采用X射线照射油兼用亚麻获得1个新品种；周利斌等[11]采用的8MV X射线结合无性繁殖方法对非洲紫罗兰进行辐照诱变育种，最终培育出了具有稳定遗传的叶绿素缺失的突变体；顾德法[12]采用软X射线对早稻进行辐射诱变育种，在经过3代的观察后得出在经710-2840 R辐照的早稻出现了较大的变异系数；Ahloowalia B S等[13-14]采用软X射线对50个品种的杜鹃进行辐照诱变育种，最终发现31 %的植株都产生了嵌合体变异的情况。从20世纪90年代开始，我国便开始采用电子束对植物进行辐照诱变育种。目前在禾谷类植物和菊花上获得了很大的突破。林祖军等[15]采用电子束对菊花的4个品种的组培苗、3种颜色的唐苍蒲种球和1种颜色的百合种球进行辐照诱变育种，发现处理后的种球均出现了提前开花的现象，同时，菊花组培苗经过辐照后花朵出现了2～3株的变异株；张志伟等[16]采用电子束辐照对唐菖蒲进行诱变育种，发现经处理后的百合在M1代花粉活力有所下降；王阳等[17]采用电子束对百合进行辐照诱变，发现电子束严重破坏了当代的生殖生长，在M2代中发现了花朵颜色变深、花瓣斑点长突起变短的变异株。本次实验采用新型的辐照方式——电子束转靶X射线，其主要原理是利用电子束轰击重金属靶，这种方法不仅具有电子束的优点，还具有X射线的优点，简单可靠、加工速度快、无放射源、穿透能力较强、剂量精准、重复性好，并可全程剂量跟踪。利用该技术对植物进行双重变异，可以让育种者在有限的时间内进行大量的筛选，提高了育种变异的效率。目前，电子束转靶X射线主要运用于农业、医学、化工等方面。采用这种新型辐照方式对花卉进行辐照诱变育种的方式还未见报道。

1 材料与方法

1.1 供试种球的选择

本研究供试材料为石蒜和韭兰，分别购买于四川天香雅源花卉有限公司、四川天喜花卉有限公司。挑选大小基本一致，无病虫害的种球，其中石蒜平均单重为(12.80±1.40)g，直径(2.52±0.18)cm；韭兰的平均单重为(9.29±1.00)g，直径(2.15±0.16)cm。

1.2 石蒜、韭兰种球各生理生化指标的测定

有研究表明在进行辐照处理时种球鳞茎的大小、含水量等生理生化指标将影响辐照的效果[18-19]。本研究先对种球鳞茎的重量、含水量、可溶性糖、还原糖和淀粉含量进行测定，以便后期进行种间分析。其中，含水量采用烘干法进行测定[20]，可溶性糖采用蒽酮比色法测定[21]，还原糖采用3，5-二硝基水杨酸法测定[21]，淀粉采用蒽酮试剂法测定[22]。

1.3 电子束转靶X射线辐照处理韭兰、石蒜种球

2017年9月在四川原子能研究院对韭兰、石蒜2个品种的供试种球分别进行电子束转靶X射线辐照处理，每个品种分别设0、25、50、75和100 Gy 5个剂量梯度，辐照能量为2 MeV 10 Ma。

1.4 辐照后韭兰、石蒜种球种植及其生理生化指标的观察统计

本研究将辐照后的韭兰、石蒜种球种植于西南科技大学温室花房内，按随机区组设计方式栽植。石蒜每盆6个种球、韭兰5个种球种植盛有营养土的花盆中，花盆规格为长49 cm、宽20 cm、高14 cm，各种营养土用土比例为生物有机质蚯蚓植物栽培专用：有机营养土：精致营养土：矿物蛭石为5∶2∶2∶1。研究考虑到温室花房内不同区域的环境条件存在差异，故将种植区域分为3组，每组花盆按剂量的不同进行随机排列，各组中每个剂量下石蒜、韭兰均设置3盆。根据土壤湿度情况，适量浇水。每隔10 d对种球的出苗率、植株高度、叶片数量进行统计，80 d时对其最大叶面积进行测定及最长根长、根数进行观察统计。

出苗率=出苗株数/种植种球数×100 %

1.5 数据处理

本研究运用SPSS、Office 2003对测定数据进行方差分析及多重比较、Origin软件进行作图。

表1不同剂量电子束转靶X射线辐照对红花石蒜、韭兰种球出苗率的影响

Table 1 Effects of X-ray irradiation with different doses of electron beam to target X-rays on the emergence rate of red spider lily andZephyranthesgrandiflora(%)

品种Varieties剂量Dose时间Time10 d20 d30 d40 d50 d60 d70 d80 d石蒜Lycoris radiata (L’Her.) Herb.0 Gy2.224.4431.1182.2295.5695.5695.5695.5625 Gy0.000.000.006.6737.7866.6771.1186.6750 Gy0.000.002.2215.5628.8980.0091.1193.3375 Gy0.000.000.006.6740.0082.2297.7897.78100 Gy0.000.000.004.4457.7884.4493.3397.78韭兰Zephyranthes grandiflora Lindl.0 Gy44.4490.7490.7490.7492.5992.5992.5992.5925 Gy0.0079.6390.7492.5992.5994.4494.4494.4450 Gy3.7048.1588.8990.7494.4494.4496.3098.1575 Gy5.5657.4190.7490.7490.7490.7490.7490.74100 Gy16.6753.7083.3383.3388.8988.8988.8988.89

注：1.表中数据为平均值±标准差；2. 不同字母之间表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note: 1. The data in the table are average (+standard deviation); 2. There are significant differences between different letters (P<0.05).

2 结果与分析

2.1 电子束转靶X射线对红花石蒜、韭兰生长情况的影响

2.1.1 电子束转靶X射线对红花石蒜、韭兰出苗率的影响由表1可以看出，红花石蒜的处理组与对照组相比，各处理组出苗情况存在不同程度的滞后现象。对照组在种植10 d时即出现部分种球出苗，50 d时达最大出苗率，为95.56 %；50 Gy处理组在种植20 d时见部分种球出苗，而25、75、100 Gy处理组均为种植30 d才见部分种球出苗，除25 Gy处理组最大出苗率小于90 %外，其他组出苗率均高于90 %。70～80 d时，25 Gy处理组出苗率增加了15.56 %，而其他组增长很小或未增长，很大程度上说明80 d时25 Gy处理组未达最大出苗率，以致其出苗率显著小于其他组。说明辐照虽然造成红花石蒜种球损伤，使其生命活力减弱，但对其出苗能力并不产生很大的影响。这可能是由于红花石蒜种球较大，辐照可能只是对暴露出种球外的幼芽造成了损伤，而未损伤藏于种球之中的幼苗，因此表现出出芽滞后，而并未对最大出芽率造成明显影响。经过辐照处理后的韭兰种球出苗率表现出与石蒜相似的规律，其处理组种球的出苗相对于对照组均有不同程度的滞后，且最大出苗率间无显著性差异。

2.1.2 电子束转靶X射线对韭兰、石蒜根生长、根数的影响栽种后第80天时拨出部分种球，测量其最长根长并统计根数。图1显示，对照组的最长根长和根数均显著高于处理组，处理组间的最长根长和根数基本不存在显著性差异，但存在随剂量增大根长缩短和根数减少的趋势，其中石蒜对照组最长根长高出25 Gy组12.56 cm，相应的韭兰高出12.00 cm。说明电子束转靶X射线辐照对石蒜和韭兰2个品种根的生长产生了明显的负影响，且剂量越大影响越大。

不同字母之间表示处理间差异显著(P<0.05)，下同图1 电子束转靶X射线对石蒜、韭兰根长、根数量的影响Fig.1 Effects of electron beam to target X-rays on length and root number of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

图2 石蒜、韭兰各剂量生根情况Fig.2 Rooting situation of different dose of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

图3 电子束转靶X射线对石蒜、韭兰株高的影响 Fig.3 Effects of Electron beam to target X-rays on plant height of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

由图2可以看出,红花石蒜和韭兰对照组的根系均明显好于处理组，且处理组间均无明显差异。这很可能是由于红花石蒜和韭兰种球经电子束转靶X射线处理后，其原始藏于种球底部表面的根尖分生组织严重受损，但种球可利用其自身储藏的营养物质进行新陈代谢，因此表现出辐照处理组也能发芽出苗，而所出苗生长状况差于对照组。

2.1.3 电子束转靶X射线对红花石蒜、韭兰株高影响本研究所测株高为单株最长叶片直立时顶端到地面的高度，以株高较为稳定时作为测量的时间结点。由图3可以看出，红花石蒜、韭兰种球经电子束转靶X射线辐照处理后，各时间点的株高均显著低于对照组，且不同辐照剂量间株高基本无显著性差异。70 d时，石蒜对照组株高达26.1 cm，而处理组最高仅为5.7 cm；韭兰对照组株高达37.2 cm，而处理组最高仅为8.8 cm。说明本研究设置的各个电子束转靶X射线辐照剂量对石蒜和韭兰造成的损伤程度基本相同。

2.1.4 电子束转靶X射线对红花石蒜、韭兰最大单叶面积的影响由图4可知，在经电子束转靶X射线处理后的石蒜、韭兰植株的最大单片叶面积都显著低于对照组，而各处理组之间的最大单片叶面积无显著性差异。其中红花石蒜对照组最大单片叶面积为18.89 cm2，而处理组中最大单片叶面积为3.44 cm2(100 Gy组最大单片叶面积)；韭兰对照组最大单片叶面积为21.92 cm2，而处理组中最大单片叶面积为4.39 cm2(25 Gy组最大单片叶面积)。说明在本研究设置的辐照剂量中电子束转靶X射线对石蒜和韭兰造成的损伤基本一致。

图4 电子束转靶X射线对石蒜、韭兰叶面积的影响Fig.4 Effects of electron beam to target X-rays on leaf area of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

图5 电子束转靶X射线对石蒜、韭兰叶片数量的影响 Fig.5 Effects of electron beam to target X-rays on number of leaves of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

图6 电子束转靶X射线对红花石蒜、韭兰种球内含物的影响Fig.6 Effects of electron beam to target X-rays on contents of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

2.1.5 电子束转靶X射线对红花石蒜、韭兰叶片数量的影响由图5可知,红花石蒜、韭兰种球经电子束转靶X射线辐照处理后，各时间点的叶片数量均显著低于对照组，且不同辐照剂量间叶片数量无显著性差异。说明在本研究设置的辐照剂量中电子束转靶X射线对石蒜和韭兰造成的损伤基本一致。

2.2 电子束转靶X射线对红花石蒜、韭兰种球内含物的影响

在植物体内，可溶性糖作为植物生长状况的重要指标，它同植物的呼吸作用有着密切的关系，也是植物呼吸的物质基础。当植物受到外界的胁迫，会主动积累一些可溶性糖，以便在受到胁迫的环境中生存。从图6可以看出，红花石蒜的可溶性糖呈现出处理组均高于对照组，处理组之间并无显著性差异。其中，对照组的可溶性糖含量在6.40 %左右，而处理组最高为8.53 %。这说明红花石蒜在受到辐照处理后，主动积累了一定的可溶性糖，降低体内的渗透式。韭兰的可溶性糖同红花石蒜相似，呈现出处理组均高于对照组。但在经辐照后呈现出先上升后下降的趋势，由此可以判断出韭兰在受到辐照的胁迫后，降低了韭兰体内的渗透式，是韭兰对辐射伤害的应激反应，而下降可能是因为辐射剂量太高伤害了韭兰体内的抵御能力，从而呈现除了先上升后下降的趋势。红花石蒜、韭兰在经电子束转靶X射线后的可溶性糖的规律与生长情况的各指标相似。表明受到辐照后的红花石蒜和韭兰均有损伤。

还原糖反映的是植物体内碳水化合物的运转情况、同时也是作为呼吸作用的基质。它同可溶性糖相似，在植物体内起着代谢的作用。如图6所示，石蒜和韭兰呈现出的变化规律有所不同。经辐照处理后的红花石蒜随着剂量的增加而逐渐降低；经辐照后的韭兰呈现出先下降再上升的趋势，在75 Gy时达到了极值，韭兰还原糖处理效果次序依次为75 Gy>100 Gy>CK>50 Gy>25 Gy。但红花石蒜和韭兰2者的还原糖变化幅度均较小，是否说明经电子束转靶X射线对红花石蒜和韭兰2个品种的花卉影响相对较小，这是否与植物体内所含的含水量有关系还需进一步证实[23]。

淀粉作为植物体内的有机物，是作为能量来进行储存的。从图6可以看出，石蒜在经电子束转靶X射线辐照后鳞茎中的淀粉含量均大于对照组，呈现出上升的趋势，在经100 Gy辐照后达到最大值，这可能是因为受到辐照后部分淀粉转化为可溶性糖来维持渗透的平衡。而25、50、75 Gy组间的差异较小，可能是因为石蒜在受到辐照后，自动控制鳞茎内的淀粉含量，调节可溶性含量来维持体内的渗透的平衡，表明石蒜在经电子束转靶X射线处理后，在25、50、75 Gy中具有一定的耐受性。

3 讨论

红花石蒜和韭兰在采用25、50、75、100 Gy的电子束转靶X射线后，均表现出了处理组之间无显著性差异，但处理组与对照组之间差异较大，展现出来的形态特征相似。

电子束转靶X射线辐照剂量25～100 Gy对红花石蒜、韭兰的生长有着重要的影响，无论是生理指标还是生长指标都照成了一定的伤害。但辐照后的红花石蒜和韭兰在辐照剂量为25～100 Gy之间敏感性差异较小，处理组之间主要表现在植株的形态上受到抑制和损伤，最为显著表现的为叶片长度显著变短、叶面积显著减小、叶片数量减少、根长度减短和数量明显减少等现象。说明了电子束转靶X射线严重影响了红花石蒜、韭兰根的生长速度和数量，导致其叶片数量的减少，叶面积的减小，影响植物的光合作用，从而影响了植物的发育速度和生长速度。这与陈睿等[24]得出的2个品种的杜鹃在60Co-γ射线，辐照剂量为25～65 Gy辐照后结论基本一致；与赵兴华等[25]采用4～6 Gy剂量的60Co-γ射线对百合鳞茎进行辐照的结论基本一致。因此，在今后的实际应用中，电子束转靶X射线辐照红花石蒜、韭兰时应降低辐照剂量。试验测定红花石蒜、韭兰鳞茎中可溶性糖、还原糖以及淀粉的含量。可溶性糖、还原糖、淀粉均属于糖类，糖类含量上升可能是由于低剂量辐照对植物细胞的伤害较大，而下降则可能是由于辐射剂量对植物细胞的伤害较小。红花石蒜和韭兰在可溶性糖、还原糖以及淀粉的趋势相似,这是否和植物体内的含量相似还有待进一步的证实[23]。本实验说明红花石蒜和韭兰在经电子束转靶X射线辐照处理后均有抑制作用。

辐射敏感性不同是指不同的植物种类对辐照剂量的反应存在着较大的差异[26]。敏感性可通过植物对不同的辐照剂量所引起的一定的遗传学效应来进行评定[26-28]。一般情况下，同种植物能接受的辐照剂量大，表示敏感性小，反之则表示敏感性大，这说明辐照剂量与敏感程度呈现出负相关性[29]。红花石蒜和韭兰经采用25～100 Gy的电子束转靶X射线辐照后无论是在生长指标还是生理指标上表现出来的特性相似，说明了经电子束转靶X射线后的红花石蒜和韭兰的辐射敏感性相似。