太空搭载对扁蓿豆种子萌发及植株生长的影响

2021-07-09石凤翎张雨桐吴馨羽伊风艳

草原与草业 2021年2期

王芬，石凤翎，张雨桐，吴馨羽，伊风艳

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院/农业农村部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室/草地资源教育部重点实验室,呼和浩特 010018)

扁蓿豆(MedicagoruthenicaL.)是豆科(Leguminosae)苜蓿属(Medicago)优良牧草[1]；抗逆性强、适应性广，具有良好的繁殖能力[2]；茎叶柔软，叶量丰富，分枝多，是优质的蛋白质饲料。扁蓿豆与苜蓿亲缘关系较近，可作为苜蓿新品种培育及苜蓿品种抗性改良的重要种质材料，但种子产量和牧草产量均较低[3]。自1928年采用诱变育种技术创制农作物新材料、培育优良新品以来，扁蓿豆诱变工作虽然开始较晚，但早有采用其他方式诱变牧草的种子和幼苗寻找最适诱变条件的报道[4]。我国的空间诱变育种技术始于20世纪60年代，是继苏联和美国之后第三个开展植物空间诱变育种的国家，通过神舟号航天飞船和返回式卫星等空间飞行器，已搭载了共1000多个植物品种，经过鉴定、筛选到目前为止已有超过500多个品种产生了正向变异[5]，创制出了一大批新种质[6～8],达到了世界先进水平，培育出了大量的优质作物[9～13]，如牧草[14～15]、花卉[16～18]、蔬菜[19～20]等新品种、新品系，成果显著并得到了国际相关领域的一致肯定[21～22]。因此，本试验利用太空特殊环境(如高辐射、强离子等)的诱变作用使种子产生变异，再返回地面培育作物新品种，能更快速获得扁蓿豆新种质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为3个扁蓿豆品种的种子，于2018年在海流内蒙古农业大学草学试验基地收获，经干燥处理后在4℃种子柜条件下贮藏。供试材料代号、名称等见表1。

表1 供试材料及其植株形态

1.2 试验处理

选取粒大饱满的3份材料的种子供诱变处理，试验前所有种子均用砂纸打破硬实，2020年5月5日搭载新一代载人飞船在我国文昌发射中心由长征五号B运载火箭送入太空，飞行2d 19h(67h)后试验船返回舱在东风着陆场回收。轨道高度约300～8000km。试验船在轨飞行期间，穿越范艾伦辐射带。

1.3 试验方法

将经太空搭载后的种子分别选取100粒种子，各3次重复，以未经太空搭载的种子为对照(CK)。将其用水浸泡吸胀后置培养皿中发芽，每天按时观察，种子发芽后将其播种于育苗盘中，育苗基质为蛭石、营养土、沙土1∶1∶1的混合物，播种深度约1～2cm，置于培养湿度为60%、培养温度为25℃的人工智能培养箱，培育期间条件一致。每隔7d观测一次，待种子发芽顶出土壤后统计幼苗的生长情况及叶片形态特征，15d后统计出苗率、观察变异情况并标记，生长45d后将幼苗从育苗盘移入大田，大田缓苗后每隔7d进行一次观测，并对成苗生长指标进行统计。

测定指标与计算公式如下：

发芽势(%)=3d内发芽率/供试种子数×100%

成苗率(%)=成活苗总数/供试种子数×100%

发芽指数=∑Gt/Dt (Gt为t天的发芽数，Dt为发芽天数)

相对发芽率(%)=处理的发芽率/对照的发芽率×100%

相对出苗率(%)=处理的出苗率/对照的出苗率×100%

表型突变频率(%)=表型突变株数/群体总株数×100%；

绝对株高和生长速度测定，是随机选择对照10株用卷尺从植株基部开始测量至顶部的长度，同类型变异株取平均值；每隔7d测定一次，计算生长速度；

叶面积测定是选取各材料植株主茎上成熟复叶，用网格纸标记测定小叶面积。

2 结果与分析

2.1 太空搭载对扁蓿豆种子发芽及活力的影响

如图1所示，经太空辐射后的3个扁蓿豆品种的种子发芽率具有显著差异性(P<0.05)，其中B3的相对发芽率显著高于B1和B2，说明太空辐射作用于3个扁蓿豆品种损伤程度B1>B2>B3,并且对B2和B3种子的发芽具有明显的促进作用。

图1 太空辐射后3个扁蓿豆种子的发芽率

发芽势是种子发芽整齐度的体现，而发芽指数反映的是种子发芽活力的强弱。由图2可知，经太空辐射后3个扁蓿豆种子的相对发芽势具有显著性差异(P<0.05)，B3>B1>B2。由图3可知，B3种子发芽活力显著(P<0.05)高于B2种子，而B1与两者间无显著差异。可见，经太空辐射后提高并加快了扁蓿豆B3种子的发芽，同时增强了B1和B3种子的活力。

图2 太空辐射后3个扁蓿豆种子的发芽势

图3 太空辐射后3个扁蓿豆种子的发芽指数

2.2 太空搭载对扁蓿豆品种出苗率的影响

由图4看出，太空辐射对3个扁蓿豆种子的出苗率具有不同程度的影响，其中显著促进了B2和B3种子的出苗，但明显抑制了B1种子的出苗。B1的出苗表现与种子活力变化趋势不同，可能与播种出苗后的生长活力有关。

图4 太空辐射后3个扁蓿豆的出苗率

2.3 太空搭载后3个扁蓿豆的变异效率

试验表明，经太空辐射后3个扁蓿豆种子田间总成苗率为59.9%，其中B2的成苗率较高(表2)。3个扁蓿豆幼苗的表型变异率B1>B2>B3, 受太空辐射影响发生表型变异显著的是直立型扁蓿豆(B1)，其次为蒙农2号扁蓿豆(B2)。

表2 太空辐射对扁蓿豆幼苗表型变异的影响

如表3所示，幼苗表型性状变异有7种，最为显著的为第一片真叶形状的变异，变异率为1.34%；其次为植株矮化，概率为1.17%(图5)。

表3 太空搭载后供试材料当代幼苗各变异性状的变异率

A为对照；B为真叶畸形；C为真叶方形；D为真叶细长；E为双主茎株；F为真叶萎缩；G为白化；H为停止生长；I为黄化图5 太空辐射后3个扁蓿豆幼苗的变异情况

2.4 太空搭载对植株生长速度的影响

选取4个表型变异明显的植株进行观测发现，经太空辐射诱变而产生变异的植株，在生长速度上无论是幼苗期还是成株期，与对照相比均有显著差别(图6、图7)。变异株第一片真叶方形与第一片真叶细长的幼苗，生长速度显著高于对照，生长速度为0.55cm/d；而矮小株与双主茎植株，生长速度则显著低于对照，分别为0.19cm/d、0.27cm/d；移入大田炼苗的植株在炼苗期有部分死亡，成苗变异株中第一真叶细长的变异株变化最为显著，生长速度为0.13cm/d；而第一真叶方形变异株的生长速度为1.23cm/d，双主茎变异株变化不明显。

图6 太空辐射变异株幼苗的生长状况

由图8可知，变异株株高与对照相比具有显著差异，太空辐射后变异株生长速度相比于对照产生了显著变化,生长45d后的绝对株高最大为方形真叶变异株，株高为92cm，矮小株的株高仅9cm。3个扁蓿豆对照之间株高无显著差异，方形真叶变异株显著高于对照及其他变异株。

CK1为直立型对照；CK2为平卧型对照；CK3为斜生型对照；大写字母为同种扁蓿豆间差异，小写字母为整体差异；相同字母表示无显著性差异(P>0.05)图8 太空辐射变异株生长45d后的株高

2.5 太空搭载对变异株叶片生长的影响

由表4可知，双主茎变异株叶长、叶宽及叶面积均显著大于CK1；真叶细长变异株叶片整体面积显著小于CK3，叶面积同时也是最小(0.343cm2)；而方形真叶变异株叶片整体亦大于CK2，而矮小株叶长显著小于对照，叶宽、叶面积则均大于对照。

表4 太空搭载后扁蓿豆品种各变异株叶片与其对照的比较

3 讨论

太空辐射诱变是利用外层空间的特殊环境，使植物材料DNA分子产生变异或重组，属于不定向变异，从而快速获得丰富的物种资源[23]。扁蓿豆种质材料的遗传多样性丰富，表现出较强的诱变效应，本研究利用太空辐射诱变3个扁蓿豆品种，在当代表现出一定的表现型变异，变异频率较高，变异幅度大，正向变异明显。通过太空辐射诱变后直立型扁蓿豆种子发芽出苗均受到抑制，而对蒙农1号扁蓿豆种子和蒙农2号扁蓿豆种子发芽出苗则起到了促进作用。乔雨[24]、张雨桐[25]等人利用EMS诱变扁蓿豆种子后，在发芽及生长阶段均表现出明显的抑制效应，而云娜[26]等人利用EMS诱变红豆草后在部分低浓度处理下对其相对出苗率及相对成苗率起到促进作用，说明在诱变试验中诱变处理程度的大小对种子的影响效果有显著作用。本研究在同等条件下处理3个不同品种的扁蓿豆种子，可能是由于不同扁蓿豆品种遗传上的差异，因而导致了在同等处理条件下出现抑制和促进的影响效果，其中蒙农2号(B2)、蒙农1号(B3)扁蓿豆种子是经驯化选育的新品种。李鸿雁[27]发现，引起扁蓿豆种质变异的主要性状是千粒重、种子长和种子宽，而直立型扁蓿豆种子千粒重明显小于其他两种扁蓿豆种子，这也可能是导致其发芽率及出苗率低的主要原因。孔舒颖[28]、王璐[29]等人利用秋水仙素诱变扁蓿豆，以探求使其染色体加倍的最适条件，结果表明经秋水仙素诱变后的幼苗株型发生了变化，并且生长发育速度显著低于对照。张文娟[30]等人利用空间诱变紫花苜蓿后成苗率及株高均显著低于对照，而白丽君[31]等人利用空间诱变草地早熟禾得到矮化株生长速度显著低于对照植株，这与本试验结果相一致。由于太空诱变具有不定向性，所以经太空诱变后在试验中发生的变异类型除了较为常见的表型变异外，亦出现了少见的双主茎变异，并且一些变异株出现生长较对照加快的现象，如方形真叶变异株成苗后自身生理性质稳定对大田环境适应良好，生长速度从0.55cm/d上升为1.23cm/d，可能是由于第一片真叶肥大营养物质充足，幼苗生长发育较好而在成苗后能更好的适应大田环境，也可能是由于太空特殊复杂的空间环境对种子的遗传物质产生质变的影响。生长加快类型的变异植株，具有培养高产性状品种的潜力。