60Co-γ对高粱种子萌发及幼苗形态建成调控效应研究

陶 烨张 飞崔智博

(1.辽宁省农业科学院食品与加工研究所,辽宁 沈阳 110161; 2.辽宁省农业科学院高粱研究所,辽宁 沈阳 110161)

高粱(Sorghum)是我国重要的旱地杂粮作物,因其优异的适应性及耐逆性,高粱在国家农业产业结构调整中的重要性日益凸显[1,2]。在高粱育种中,人工去雄杂交育种技术持续周期长、有效育种率低[3]。因此,利用辐照诱变等手段建立高粱育种新技术体系,探索高粱品种改良方向与新途径,创制矮秆、抗除草剂及高淀粉等优良性状的关键育种材料,对中国高粱遗传改良工作具有重要意义[4]。

辐照诱变育种是获得遗传材料资源的重要方法,也是具有较大潜力的一项育种技术[5]。常用辐射源主要有x射线、γ射线、β射线、紫外线、离子束等[6]。其中60Co-γ射线应用最广,具有方便、快捷、效率高等特点,育种效果最为显著[7]。赵东晓等研究表明随着辐照剂量的增加,胡麻种子的发芽率和相对出苗率明显降低,高剂量辐照后种子虽能萌发,但出苗率受到明显的抑制[8]。有研究表明,高粱辐照处理有利于获得株高矮化突变[9]。也研究表明辐射显著影响甜高粱幼苗生长,剂量越大,幼苗成株率越低[10,11]。

前人进行诱变育种时大多选择玉米、小麦和水稻等作物,而60Co-γ射线对高粱诱变效应研究鲜见报道。本研究以高粱饱满干种子为试验材料,研究60Co-γ对高粱种子萌发及幼苗生长发育的影响,初步确定高粱60Co-γ射线敏感剂量,以期为高粱种质资源创新及高粱诱变育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以高粱饱满干种子为试验材料,采用60Co-γ射线辐射,未进行辐照种子为对照(CK),剂量分别为100、200、300、400、500 Gy,剂量率为3 Gy/min。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 发芽率、发芽指数、活力指数

辐照后各处理选取大小均匀一致种子100粒,10%次氯酸钠消毒,蒸馏水冲洗后进行发芽实验,恒温29 ℃光照培养,3次重复,每日调查种子萌发情况,根据公式计算发芽率、发芽指数、活力指数。

发芽率=第7 d正常发芽的种子数/供试种子数×100%;

发芽指数=∑Dt/t,Dt为t时间内的发芽个数,t为相应天数;

活力指数=发芽指数×苗长。

1.2.2 幼苗生长速度

种子播种7 d后,每隔3 d测定高粱幼苗的鲜重增加量,根据公式计算幼苗增长速度(g/d)。其中n代表天数;Gn代表第n天的幼苗鲜重;G代表种子原来的重量,各处理称量10株,取平均值。

1.2.3 幼苗形态指标测定

另做一组重复测定幼苗形态指标,采用直尺测量法测定幼苗苗长及根长,采用称量天平(1/1 000)测定幼苗鲜重及根鲜重,每次称取10株,计算平均值。

1.3 数据处理与分析

本研究采用Excel及DPS数据处理系统进行数据处理分析。

2 结果与分析

2.1 辐照对高粱种子发芽率的影响

由图1可知,随着辐照剂量逐渐增加,发芽率呈降低趋势,低剂量辐照时(100～300 Gy)种子发芽率与对照无显著差异,辐照剂量达到400 Gy和500 Gy时种子发芽率显著低于0 Gy(CK)。辐射剂量为0Gy时,发芽率达到78.44%,500 Gy时种子发芽率最低,仅有60.50%,与CK相比,400 Gy和500 Gy分别降低了20.88%和22.87%。

图1 不同剂量60Co-γ对高粱种子发芽率的影响

2.2 辐照对高粱种子发芽指数的影响

由图2可知,发芽指数变化趋势与发芽率一致,随着辐射剂量的增加,发芽指数逐渐降低,辐射剂量达到400 Gy和500 Gy时发芽指数仅为14.68和13.67,分别比0 Gy降低了27.80%和32.86%。此结果表明过高剂量辐射容易造成种子生理损伤,延缓种子发芽,当辐射剂量超过300 Gy时,种子发芽率和发芽指数快速降低,说明高粱种子敏感剂量在300 Gy左右。

图2 不同剂量60Co-γ对高粱发芽指数的影响

2.3 辐照对高粱种子活力指数的影响

由图3可知,随着辐射剂量增加,种子活力指数呈阶梯式下降趋势。未进行辐照处理种子活力指数最大为41.17,辐射剂量为100 Gy、200 Gy和300 Gy时,高粱种子活力指数分别对照降低了13.97%、23.44%和32.10%,当辐射剂量达到400 Gy和500 Gy时种子活力指数迅速下降,分别为17.33和14.10,比对照显著降低了57.91%和65.76%。活力指数变化趋势与发芽率和发芽指数一致,此结果进一步证实,高粱种子对钴辐射敏感度较高,对种子发芽存在抑制效应,高剂量时抑制效果明显。

图3 不同剂量60Co-γ对高粱活力指数的影响

2.4 辐照对高粱幼苗形态指标的影响

由表1可知,高粱幼苗形态指标与辐射剂量均呈反比变化趋势。与0 Gy相比,剂量达到400 Gy和500 Gy时,高粱幼苗苗高、根长、苗鲜重和根鲜重显著降低,其中苗高降低38.64%和23.79%;根长降低45.37%和59.26%;苗鲜重降低28.57%和40.26%;根鲜重降低45.61%和52.63%。此外,300 Gy高粱根鲜重也显著低于0 Gy,降低了21.05%。此结果说明,辐射剂量越大,高粱幼苗生长发育越缓慢,幼苗长势较弱。

表1 不同剂量60Co-γ对高粱幼苗形态指标的影响

2.5 辐照对高粱幼苗生长速度的影响

由图4可知,随着辐射剂量增加,高粱幼苗生长速度逐渐降低。与0 Gy相比,低辐射剂量(100～300 Gy)幼苗生长速度与0 Gy间未达到显著差异,高辐射剂量(400、500 Gy)时幼苗生长速度显著低于0 Gy,分别为0.21 g/d和0.18 g/d,分别比0 Gy降低31.84%和67.59%。

图4 不同剂量60Co-γ对高粱幼苗生长速度的影响

3 结论与讨论

通过60Co-γ射线辐照获得较高的突变率和较宽的突变谱,是当代作物育种的一种重要手段[12]。前人研究表明辐照后大豆发芽及出苗时间出现明显延迟,出苗率降低,致死率逐渐增加[5]。翟国伟等研究表明60Co-γ射线辐照剂量越大,高粱发芽势、幼苗生长量越低[13]。本研究得到相似结论,随着辐照剂量的增加,高粱种子发芽率、发芽指数及种子活力逐渐降低,辐照剂量超过300 Gy后幼苗生长缓慢或明显表现为不生长。分析原因可能是辐照使DNA分子结构受到损伤,个别碱基发生缺失、置换,进而导致高粱幼苗生长点缺失,发育过程中逐渐死亡。

研究表明辐照条件下植物细胞核酸含量降低,根和芽生长受到抑制[11]。甘一梅等研究认为70 Gy辐照剂量对甘蔗幼苗生长具有明显抑制作用[14]。也有研究表明辐照剂量越大,后代损伤情况越严重[15,16]。本研究中辐照剂量与高粱苗长、根长苗鲜重及根鲜重等形态指标间存在显著负相关关系,随着辐照剂量增加,幼苗生长速度逐渐降低,辐照剂量超过300 Gy时,高粱生长发育受限程度越大,说明诱变导致的理化损伤必然影响植株生理发育及代谢过程。

前人研究表明辐照剂量过小诱变成功率较低,辐射剂量过大死亡率显著提高。因此,适宜的辐射剂量是获得有效诱变的重要前提[17]。郭涛等研究认为辐照剂量在150～200 Gy时,甜高粱幼苗生长受到抑制作用[11]。而翟国伟等研究认为,剂量大于300 Gy时,辐照对高粱种子逐渐转化为抑制作用[13]。本研究设置的5个梯度辐照剂量(100～500 Gy)对种子萌发及幼苗生长发育均表现为抑制作用,剂量大于300 Gy时抑制作用明显。初步分析原因可能是由于供试材料抗辐射能力不同,也可能是因为辐照剂量率不同从而导致反应程度不同。

本试验对辐照后高粱种子萌发及幼苗生长发育特性进行研究,初步明确高粱干种子60Co-γ射线适宜辐照剂量在100～300 Gy之间,该辐照剂量范围内是否具有有效突变有待进一步调查研究。