不同剂量137Cs−γ辐射对早竹生长性状及光合作用的影响

沈 鑫 王 波 蒋冬月

（浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023）

早竹（Phyllostachys praecox），属于禾本科（Gramineae）竹亚科（Bambusoideae）刚竹属竹种，是我国特有的优良栽培笋用竹种[1-2]。与很多笋用竹种相比，早竹具有出笋早、笋期长、产量高、笋味鲜、适应性广及营养成分丰富等特点[3-4]。除此之外，早竹的开花现象也十分普遍，但是由于早竹花粉败育率较高、花朵发育不良等原因[5-6]，通过常规手段对早竹种质进行遗传改良较为困难[7]。

辐射育种是无性繁殖植物选育新品种的有效途径之一[8-9]，具有操作简易、诱发变异频率高等特点[10-11]，被广泛地应用于植物诱变育种中[12-16]。辐射诱变在竹子中的应用起步较晚，且研究人员发现137Cs−γ辐射对毛竹（Phyllostachys heterocycla）、地被竹类及矢竹类等竹种的组织器官的生长发育产生了较为明显的影响[17-22]。如毛竹种子经过30 Gy和60 Gy剂量的辐射后，幼苗的光合色素含量和荧光参数值均明显高于对照及其他剂量[19]；曙矢竹（P. japonicaf.Akebono）和花叶矢竹（P.japonicaf.Akebonosuji）的组培苗经5～10 Gy的辐照后显著促进了侧芽的增殖与伸长[22]。尽管如此，137Cs−γ辐射对早竹成竹生长发育的影响却鲜有研究报道，而成竹的生长发育又与竹子的开发利用紧密相关，基于此，本研究通过测定不同剂量137Cs−γ射线辐射后早竹成竹的生长性状，包括株高、节数、主茎粗、鞭长、鞭粗、整株质量、叶质量、鞭质量及光合特性相关指标，研究辐射对早竹成竹生长发育的影响，探索适宜早竹生长发育的剂量辐射，为今后早竹的辐射诱变育种及分子改良提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验是在浙江省林业科学研究院温室大棚中进行。该试验地处于浙江省杭州市西湖区留下街道，位于东经120° 02′ 07′′，北纬30° 13′24′′，气候属亚热带季风气候，夏季炎热湿润，冬季寒冷干燥。全年平均气温17.8 ℃，年平均降水量1 454 mm，年平均日照时数1 765 h，无霜期199～328 d。

1.2 材料来源

本研究所用到的植物材料为2年生早竹植株。该早竹植株是于2013年10月将辐射后的早竹竹鞭苗种于浙江省林业科学研究院温室大棚中繁育而成，早竹竹鞭是从浙江省林业科学研究院竹种园内获得。

1.3 研究方法

1.3.1 辐射处理

2013年9月将早竹竹鞭苗从竹种园圃地内取出，在掘取过程中应尽量避免对鞭苗的损伤，将竹鞭苗放入塑料袋内送往浙江省农业科学研究院作物与核技术利用研究所辐照中心进行137Cs−γ辐照处理。共6个辐照剂量，分别为5、10、20、30、40 Gy和50 Gy[19,22]，剂量辐射率为1 Gy/min。每个处理重复3次，每次处理早竹竹鞭苗10株，平均株高0.5 m。用未进行辐射处理的早竹竹鞭苗作为对照。

1.3.2 种植方法

在2013年3月进行前期竹鞭种植（此时未进行辐射处理，待长出竹鞭苗后进行的辐射处理），截取0.5～0.6 m长的早竹竹鞭埋于浙江省林业科学研究院竹种园内的圃地，鞭穴长0.7 m，宽0.2 m，深0.3 m。竹鞭苗培养期间水分供给一致，进行正常的栽培管理。在辐射处理后，将辐射处理后的竹鞭苗和作为对照的竹鞭苗种于浙江省林业科学研究院温室大棚的育苗槽内，早竹竹鞭苗的每个剂量辐射种植株数为30株。整个实验采用完全随机区组设计，包括6个处理和1个对照，每个处理及对照重复3次，共21个区组。每条育苗槽长28 m，宽0.8 m，深0.6 m。每条育苗槽进行均分后用于埋鞭，每个区组的槽长为4 m，鞭穴长0.7 m，宽0.2 m，深0.25 m，穴间距0.1 m，分2行进行埋鞭，行间距0.3 m。育苗槽内的基质为普通土壤、泥炭、蛭石和珍珠岩混合而成，体积比为5∶3∶1∶1，该基质pH为7.1，碱解氮120.2 mg/kg，速效磷12.3 mg/kg，速效钾77.4 mg/kg，其中普通土壤来自浙江省林业科学院竹类植物园，泥炭、蛭石和珍珠岩购自杭州锦海农业科技有限公司。种植期间水分供给充足一致，进行正常的栽培管理。

1.3.3 测定方法

2015年9月6日，从不同剂量辐射和1个对照中任意选取5株进行生长性状的测定。株高的测定是从竹子的茎秆顶端生长点到基部，秆粗是总节数的1/2处的竹节的测量值，当总节数为奇数时，是总节数+1的1/2处的竹节测量值。鞭长为竹鞭的长度，当遇到鞭梢折断现象时，则另对折断附近的岔鞭进行测定；鞭径为竹鞭总长1/2部位的直径。整株质量是竹子地上部分的总质量，叶质量是竹子地上部分所有叶的总质量，鞭质量是竹鞭的质量。

2015年9月10日至14日，天气多云有微风，测定时气温25 ℃。通过使用Li−6400XT型便携式光合仪对早竹4个剂量辐射和1个对照的植株进行测定，测定指标包括净光合速率、光饱和点、光补偿点和暗呼吸速率。整个测定过程从早上9：00开始，12：00结束，设定光照强度梯 度 为2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)，改变光照强度后，最少稳定时间设定为120 s。测定时为保持环境的稳定性，设定CO2浓度为当前大气CO2浓度，(400±20)μmol/mol；叶温为(25±1)℃，相对湿度变化范围为36%～52%。每个剂量辐射及对照中任意选取3株的中上部成熟叶片进行测定。

1.3.4 数据分析

生长性状的数据分析方法为One-way ANOVA方差分析和LSD多重比较，相关性分析方法为Pearson correlation。分析软件是R语言软件V3.2.2，作图软件为ggplot2[23]。

光合特性相关指标数值通过直角双曲线修正模型获得[24-25]。公式为：

式中：Pn为净光合速率，μmol/(m2·s)；I为光合有效辐射强度，μmol/(m2·s)；α为植物光合作用对光响应曲线在I= 0时的斜率，即光响应曲线的初始量子效率（无量纲）；β和γ为系数，(m2·s)/μmol；Rd为暗呼吸速率，μmol/(m2·s)。

2 结果与分析

2.1 不同剂量137Cs−γ辐射对早竹生长性状的影响

早竹的生长性状包括竹秆生长性状、竹鞭生长性状和生物量累积。

1）对竹秆生长的影响：从图1中看出辐射对早竹的株高、节数、杆粗有明显影响，不同剂量辐射对早竹的竹秆生长产生了显著抑制或是无明显差异的作用。与对照相比，经10 Gy处理的株高值最大，平均值分别为195.6 cm和198.6 cm，经5 Gy辐射处理的株高值次之，之后是经20 Gy辐射处理的植株，经30 Gy辐射的值最小，平均值为36.8 cm，且该剂量辐射的株高变异系数最大。

2）对于节数的影响：对照和经10 Gy辐射处理的植株的节数最多，平均值分别为38.8节和36.8节。经5 Gy剂量的植株节数次之，之后是经20 Gy处理的植株，最小值是经30 Gy处理的植株，平均值为14.8节，节数变异系数最大。另外，对照植株的秆粗值最大，平均值为8.44 mm，之后依次为10、20、5、30 Gy辐射处理的植株，最小秆粗值为1.33 mm，经30 Gy处理的变异系数最大。

3）对早竹竹鞭生长的影响：辐射对早竹竹鞭生长的影响，从图1中可以看出，与对照植株竹鞭相比，不同剂量辐射对早竹的竹鞭生长同样是产生了抑制或是无显著差异的作用。其中对照和经5 Gy辐射处理的植株鞭长值最大，平均值分别为230.6 cm和228 cm，经10 Gy和20 Gy辐射的植株次之，经30 Gy剂量辐射处理的植株鞭长值最小，平均值为31 cm。同时，对照植株的鞭径值最大，平均值为8.27 mm，之后依次为5、10、20、30 Gy剂量辐射处理的植株，最小值为2.35 mm，30 Gy剂量的鞭长和鞭径变异系数最大。

4）对早竹生物量累积的影响：如图1所示，与对照植株生物量相比，不同剂量辐射处理的植株在生物量累积方面出现了降低和无显著差异的结果。对照和经5 Gy辐射处理的植株叶质量值最大，平均值都为112 g，其余剂量处理的叶片生物量累积从高到低依次为10、20、30 Gy，且它们之间均呈显著差异，最小平均值为6 g。对于鞭质量，最大值为对照植株，平均值为291 g，经5 Gy辐射处理的植株次之，之后是经10 Gy和20 Gy辐射处理的植株，最小值为经30 Gy处理的植株，平均值为12 g。对照和经5 Gy辐射处理的植株整株质量数值最大，平均值分别为170 g和165 g，之后依次是10、20、30 Gy，经30 Gy处理的整株重平均值为14 g，且该剂量的叶质量、鞭质量及整株质量的变异系数都为最大。

另外，经过辐射处理后，40 Gy和50 Gy剂量的早竹竹鞭苗全部死亡，证实40 Gy是早竹竹鞭苗的137Cs−γ辐射的致死剂量，而在30 Gy剂量辐射下，有接近一半的早竹竹鞭苗死亡，说明30 Gy是早竹竹鞭苗的137Cs−γ辐射的半致死剂量。

图 1 不同剂量辐射下早竹生长性状相关性状的差异显著性分析Fig.1 Difference test of growth traits ofP. praecoxunder multiple radiation doses

2.2 不同剂量137Cs−γ辐射对早竹光合特性的影响

1）对光响应曲线的影响：从图2中可以看出，不同剂量辐射的植株在光强递增的起始阶段均呈现净光合速率持续增强的趋势，但当光强达到一定数值时，净光合速率达到最大，即达到光饱和点之后净光合速率逐渐减弱。

2）对光响应特征参数的影响：对照植株的光饱和点最大，其次是20、10、5 Gy，30 Gy最小；同时，不同剂量辐射的植株在达到光饱和点时的净光合速率也有较大区别。根据表1列出的具体数值，对照植株最大光合速率最高，约为8.91 μmol/(m2·s)，30 Gy的最低，约为2.39 μmol/(m2·s)。另外，在光补偿点中，30 Gy的植株光补偿点最高，约为23.37 μmol/(m2·s)，对照植株最低，约为6.28 μmol/(m2·s)。对于暗呼吸速率，10 Gy的速 率 最 快，约 为1.43 μmol/(m2·s)，对照植株最慢，约为0.55 μmol/(m2·s)。

图 2 不同剂量辐射下早竹光响应曲线Fig.2 Photosynthesis-light response curve of P. praecoxunder multiple radiation doses

表 1 不同剂量辐射下早竹光合特性相关指标Table 1 Related indicators of photosynthesis ofP. praecoxunder multiple radiation doses

2.3 早竹各性状之间的相关性

在获得不同剂量辐射的早竹植株生长性状和光合特性相关指标数值的基础上，通过Pearson相关性分析，对这些性状之间的相关性及相关程度进行了研究。从图3中可以看出，早竹生长性状之间均为显著正相关，相关系数为0.65～0.99，表明辐射全面影响了早竹的生长，其中，叶质量、鞭长、鞭径和整株质量之间的相关系数较高，均大于0.95。

光合特性相关指标间，光饱和点与最大光合速率、光补偿点与暗呼吸速率之间呈显著正相关，相关系数分别为0.93和0.8，而光饱和点和最大光合速率与光补偿点与暗呼吸速率之间呈显著负相关，相关系数为-0.84、-0.39、-0.72和-0.18。生长性状与光合作用中的光饱和点及最大光合速率呈显著正相关，相关系数为0.59～0.97，与光补偿点及暗呼吸速率之间呈显著负相关，相关系数为0.05～0.97，表明辐射在一定程度上影响了早竹的光合作用，且光合作用越弱，早竹的生长性状相关性状数值越低。

图 3 早竹生长性状和光合特性相关指标Pearson相关性分析Fig.3 Pearson correlation of growth traits and related indicators of photosynthesis ofP. praecox

3 结论与讨论

辐射诱变育种是利用各种射线诱发植物产生变异，再根据育种目标在变异植株或其后代中筛选新材料，经培育获得优良品种的技术[26]。辐射的剂量、物种、基因型及组织的选择均会影响优良突变体的获得。如曾文丹等利用不同60Co-γ射线辐射剂量处理木薯组培苗，随着辐射剂量的增加，组培苗的生根率和萌发率均显著降低，且不同品种的变异率也存在显著差异[27]；曹志华等对毛竹辐射诱变实生优株的研究中发现，在10 Gy和50 Gy的辐射剂量下实生优株的性状更稳定[28]。在辐射诱变机理方面，近年来的研究表明，辐射诱变会造成DNA序列或结构上不同程度的改变。Li等利用二代测序技术对γ射线辐射后的水稻基因组变异情况进行研究，发现诱变后代中存在单碱基替换和小片段插入/缺失等序列变异，以及大片段插入/缺失和拷贝数变异等结构变异[29]，这种情况同样出现在拟南芥的研究中[30]。除此之外，研究还发现辐射诱变会导致表观遗传上的性状突变[31]。

本研究对经过4个剂量辐射处理的植株和未经辐射处理的对照植株完成了包括株高、节数、秆粗等生长性状和光合特性相关指标的测定。通过对性状数据的统计分析，发现早竹竹鞭苗对不同辐射剂量的敏感程度不同，而辐射对早竹生长性状的影响也不尽相同，主要表现为随着辐射剂量的增加，早竹的生长势越弱，生长性状数值越低，且光合作用越弱。大多数辐射处理的植株和对照之间的性状差异显著，但辐射植株的生长性状和光合作用强度并没有优于对照植株。在先前辐射对毛竹种子萌发和幼苗光合作用的研究中，研究人员发现一定剂量的辐射处理能够提高毛竹种子的发芽率及幼苗光合作用相关的荧光参数值，表明一定剂量的辐射处理的确能够在毛竹初期及早期的生长发育阶段起到明显的促进作用[17-20]。另外，杨海芸等对矢竹类组培苗的辐射研究中发现，5～10 Gy显著促进曙矢竹和花叶矢竹侧芽的增殖与伸长，且能够促进辣韭矢竹（P.japonicaf.Tsutsumiana）根系生长，但20 Gy以上剂量则显著抑制其试管苗生长[22]。然而本研究发现137Cs−γ辐射并未促进早竹竹鞭苗的生长发育和光合作用，且有个别剂量在早期便遏制了其正常的生长发育，所以推测辐射对竹子生长的影响可能与接受辐射的竹种和营养体有较大的关系。白瑞华等在对地被竹的组培苗和竹鞭辐射后发现，不同竹种的辐射致死剂量差异较大，多为20～30 Gy，但有部分竹种的竹鞭耐受性较强，能够超过80 Gy[21]，而本研究中30 Gy和40 Gy分别是早竹竹鞭苗的半致死剂量和致死剂量，所以竹种与辐射的耐受性关系密切。

另外，通过对早竹各剂量辐射及对照植株的生长性状与光合特性相关指标的相关性分析，发现早竹生长性状与最大光合速率及光饱和点呈显著正相关，与光补偿点及暗呼吸速率呈显著负相关。所以推测辐射对早竹光合作用的减弱影响了其生物量的累积。