空间诱变对‘德钦’紫花苜蓿农艺性状和营养品质的影响

2024-01-01匡倩宗亚倩杨黄鹤平何承刚姜华

草地学报 2024年6期

摘要：空间诱变育种是以高科技返回式卫星为背景的一种新型育种方法，本研究以载人飞船搭载的‘德钦’紫花苜蓿（Medicago sativa L.）为处理组，以未搭载的‘德钦’紫花苜蓿为对照组，从农艺性状和营养品质等方面进行研究。结果表明：空间诱变后‘德钦’紫花苜蓿的叶长、叶宽、叶面积、叶柄长、茎粗、分枝数、叶重、鲜草产量、干草产量、粗蛋白含量、粗脂肪含量和相对饲用价值显著增加（Plt;0.05），酸性洗涤纤维含量显著下降（Plt;0.05）；各观测指标中鲜草产量的变异比例最大，粗蛋白的变异比例次之；空间诱变后‘德钦’紫花苜蓿在叶面积、叶柄长、茎粗、分枝数、产草量、叶重、粗蛋白、粗脂肪、酸性洗涤纤维等性状上出现了显著变异。本研究表明，空间诱变可提高‘德钦’紫花苜蓿的产草量和品质。

关键词：空间诱变；紫花苜蓿；农艺性状；营养品质

中图分类号：S963.22+3.3""" 文献标识码：A"""" 文章编号：1007-0435（2024）06-1962-06

The Impacts of Spatial Mutagenesis on Agronomic Traits and

Nutrient Quality of ‘Deqin’ Alfalfa

KUANG Qian1， ZONG Ya-qian1， YANG Wen2， HUANG He-ping1*， HE Cheng-gang1*， JIANG Hua1*

（1. College of Animal Science and Technology， Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan Province 650201， China;

2. Forage and Feed Workstation of Yunnan Province， Kunming， Yunnan Province 650224， China）

Abstract：The breeding method of spatial mutagenesis is a novel approach that utilizes advanced satellite technology. In this study，‘Deqin’ alfalfa from manned spacecraft was served as the treatment group，while uncarried alfalfa from ‘Deqin’ was used as the control group，agronomic traits and nutrient quality were investigated. The results showed that the leaf length，leaf width，leaf area，petiole length，stem diameter，branch number，leaf weight，fresh grass yield，hay yield，crude protein content，ether extract content and relative feeding value of ‘Deqin’ alfalfa significantly increased after spatial mutagenesis （Plt;0.05）. There was a notable decrease in acid detergent fiber content （Plt;0.05）. The fresh grass yield exhibited the highest variation ratio，followed by crude protein. The leaf area，petiole length，stem diameter，branch number，grass yield，leaf weight，crude protein，ether extract and acid detergent fiber of ‘Deqin’ alfalfa exhibited significant changes after spatial mutagenesis. The study showed that spatial mutagenesis had the potential to enhance both the quantity and quality of ‘Deqin’alfalfa.

Key words：Spatial mutagenesis;Alfalfa;Agronomic traits;Nutrient quality

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是我国重要的豆科牧草之一［1］，具有重要的经济和生态价值，尤其是“粮改饲”以来，苜蓿生产受到高度重视。由于紫花苜蓿是同源四倍体植物且具有自交不亲和性，育种难度较大，所以利用太空强辐射、高真空、微重力等特殊环境对紫花苜蓿材料进行诱变处理，使紫花苜蓿内部发生目前地面尚不能产生的变异以获得新种质、新品种、新材料［2］。空间诱变育种与其他常规的育种方法相比，具有变异程度大、育种时间短的特点［3］，可以引起物种农艺性状、细胞结构、生理生化等各种各样的变异，其中一些变异具有遗传性［3-5］。已有研究表明，空间诱变能使玉米（Zea mays L.）茎节间变短、果穗变粗变长、株高矮化、雄穗分枝减少［6］；能提高紫羊茅（Festuca rubra L.）的出苗率，使植株产量增加、冠幅变大、小穗数和生殖枝数增多［7］。通过空间诱变成功培育出粗蛋白质含量高的水稻（Oryza sativa L.）新品种和具有抗倒伏、抗病的小麦（Triticum aestivum L.）新品种［8-9］。不同品种的紫花苜蓿经空间诱变后，成活率和茎粗有差别，株高出现增高和矮化，叶面积增大，出现了速生单株，产草量和粗蛋白含量显著增加，酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维含量显著降低［10-13］。另外，卫星搭载对苜蓿植株 DNA 甲基化水平有显著影响且提高紫花苜蓿的过氧化物酶活性［14-15］。此外，范润钧等［16］在对航天诱变的4个紫花苜蓿品种研究中发现，15个等位基因与地面对照基因组比较存在多态性，多态性表现为扩增片段的缺失或增加。

‘德钦’紫花苜蓿发现于云南省迪庆藏族自治州德钦县，经栽培驯化于2010年通过全国草品种审定委员会审定为野生栽培种。他主要分布于澜沧江、金沙江流域海拔2 000～3 000 m的干热河谷和森林边缘，在干热河谷地区正常生长［17］，提高其产量和品质对促进干热河谷地区畜牧业的发展具有非常重要的作用。空间诱变对‘德钦’紫花苜蓿的影响至今还未见报道，因此，本研究以未搭载的‘德钦’紫花苜蓿为对照组，以载人飞船搭载的‘德钦’紫花苜蓿为处理组，从农艺性状和营养品质等方面进行研究，筛选出空间诱变后‘德钦’紫花苜蓿SP1代变异单株，为‘德钦’紫花苜蓿品种改良提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验材料种植于中国科学院昆明植物研究所大棚内（北纬25°8′17″，东经102°44′20″，海拔1 950 m）。该地年平均温度为14.7℃，年降水量为900～1 100 mm，年日照时间为2 411.8 h，土壤pH值为7.0，属北亚热带高原季风气候。

1.2 供试材料

供试材料为经空间诱变的‘德钦’紫花苜蓿种子和未经空间诱变的‘德钦’紫花苜蓿种子。该空间诱变种子于2020年5月5日搭载新一代载人飞船试验船送到太空，于5月8日返回地面。

1.3 试验方法

1.3.1 试验材料 2021年3月中旬，将经空间诱变的‘德钦’紫花苜蓿种子与未经空间诱变的‘德钦’紫花苜蓿种子用58℃温水浸泡6小时，播种于中国科学院昆明植物研究所大棚内，大棚内是自然光照条件，且通风条件良好。播种后15天将材料移栽到花盆，每个花盆10株，花盆的长宽高分别为50，34，26.3 cm。土壤由泥炭土、普通本地红土、珍珠岩按照2∶1∶1的比例混合而成，泥炭土和珍珠岩购买于市场，普通本地红土取自山坡上。土壤肥力、灌溉、锄草等条件保持一致，单株做标记。

1.3.2 测定的指标与方法试验材料于播种当年（2021年）观测以下指标：

a）生育期：分为播种期、出苗期、分枝期、现蕾期、初花期。

b）株高：初花期时测量植株最高处到地面的自然高度。

c）叶的测定：初花期取第一根孕蕾枝叶中段的叶片测量长宽，利用叶面积仪测量叶面积。

d）茎粗：初花期利用游标卡尺测量茎粗。

e）叶数：初花期将整株刈割，枝和叶分开后统计叶片数。

f）分枝数：初花期将整株刈割，统计一级分枝的个数。

g）叶柄：初花期测量第一根孕蕾枝中段的叶柄长度。

h）茎、叶重：为初花期第一茬草的单株干重。

i）鲜草产量：单株编号称重记录全年共4茬的产草量，均在初花期刈割。

j）干草产量：单株编号记录全年共4茬的干草产草量，均在初花期刈割，杀青、烘干、称重。

k）生长速度：单株在初花期测定株高，并计算日生长量。

l）茎叶比：单株茎的干重/叶的干重。

m）干鲜比：单株干重/鲜重。

1.3.3 营养成分、相对饲用价值的测定及方法播种当年（2021年），在初花期刈割全株材料，全年共收获4茬草，杀青、烘干、混合粉碎，测定粗蛋白（Crude protein，CP）、粗脂肪（Ether extract，EE）、中性洗涤纤维（Neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗涤纤维（Acid detergent fiber，ADF）、粗灰分（Crude ash，CA）含量，按照张丽英［18］《饲料分析及饲料质量检测技术》方法进行测定。

通过NDF，ADF、干物质采食量（Dry matter intake，DMI）和可消化干物质（Digestible dry matter，DDM）计算得到相对饲用价值（Relative feed value，RFV），计算公式如下［19］：

DMI（%BW）=120/NDF（%DM）

DDM（%DM）=88.9-0.779×ADF（%DM）

RFV=DMI（%BW）×DDM（%DM）/1.29

DMI表示干物质采食量，单位为%BM，其含义为占体重的百分比；DDM表示可消化干物质，单位为%DM，RFV表示相对饲用价值。

1.4 数据处理

使用Excel 2007整理数据和绘制图表，同时采用SPSS 22.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 出苗率

试验品种（SP1）于2021年3月24日播种，3月26日开始陆续出苗，播种129株，出苗113株，出苗率为87.5%，对照组出苗率为85.4%，差异不显著。

2.2 生育期

空间诱变后‘德钦’紫花苜蓿的分枝期较对照的分枝期推后了5天，其它几个生育期变化不明显（表1）。

2.3 空间诱变对‘德钦’紫花苜蓿农艺性状的影响

由表2可知，空间诱变显著提高了‘德钦’紫花苜蓿的叶长、叶宽、叶面积、叶柄长、茎粗、分枝数、叶重、鲜草产量、干草产量、茎叶比和干鲜比（Plt;0.05）；而小叶数、株高、茎重变化不显著。空间诱变后‘德钦’紫花苜蓿农艺性状的变异系数变化范围为11.47%～73.43%，其中鲜草产量、分枝数、干草产量、茎重、叶面积、茎叶比、叶宽、株高、叶重、叶长、茎粗、小叶数和叶柄长的变异系数比例分别较对照提高144.66%，113.02%，74.85%，60.15%，42.90%，38.45%，37.55%，35.81%，27.60%，26.71%，13.94%，11.94%，1.85%，而干鲜比的变异系数比例较对照降低28.75%。

2.4 空间诱变对‘德钦’紫花苜蓿营养品质的影响

由表3可知，空间诱变显著提高了‘德钦’紫花苜蓿的粗蛋白、粗脂肪含量（Plt;0.05），且显著降低了酸性洗涤纤维含量（Plt;0.05）；而中性洗涤纤维与粗灰分含量变化不显著。诱变后的相对饲用价值变化范围为103.12%～168.68%；与对照相比较，具有显著差异（Plt;0.05）。根据牧草干草质量市场分级标准［20］，空间诱变后的‘德钦’紫花苜蓿干草等级可达到2～特级，RFV值越大，营养价值越好。营养成分的变异系数变化范围为9.33%～17.02%，其中粗蛋白、酸性洗涤纤维、粗灰分、粗脂肪、中性洗涤纤维的变异系数比例分别较对照提高了137.40%，97.71%，92.97%，59.66%，40.83%。

2.5 农艺性状和营养成分的相关性分析

由表4可知，空间诱变后鲜草产量和干草产量分别与株高、叶长、叶宽、叶面积、茎粗、分枝数、茎重、叶重、小叶数、日生长量、叶柄长呈显著正相关关系（Plt;0.05）；且干草产量与粗蛋白含量呈显著正相关关系（Plt;0.05）。而粗蛋白含量与分枝数、叶宽也呈显著正相关关系（Plt;0.05），与酸性洗涤纤维呈显著负相关关系（Plt;0.05）。

3 讨论

空间诱变后‘德钦’紫花苜蓿出苗率虽较对照提高2.1%，但差异不显著，徐云远等［21］研究空间搭载紫花苜蓿后的发芽率和田间出苗率与对照也没有显著差异，在分枝期较对照提前了5天，其他生育期较对照提前1天，具体的原因还有待进一步分析。本研究中最高单株株高较对照高8.1 cm，最矮单株较对照矮11.5 cm，出现了高杆和矮化的植株，表明通过空间诱变可改变牧草的生长高度，对牧草种质进行改良是可行的［13］。植株的株高和生长速度是衡量其生长发育状况的重要标准，也是反映草地生产力的重要指标，高植株通常具有高的草产量［22-23］，草产量是牧草研究中最直观有效的性状之一，本研究中鲜草产量与株高、日生长量呈显著正相关关系（Plt;0.05）；植株高大，吸收的营养增加，抗逆性增强，不仅茎秆粗壮，分枝数增多，而且增大叶面积，从而增加鲜草产量。本研究中鲜草产量与叶长、叶宽、叶面积、叶重、分枝数、茎粗、茎重呈显著正相关关系（Plt;0.05），说明鲜草产量与这些农艺性状密切相关，这些性状的变化有利于提高紫花苜蓿的鲜草产量。

牧草营养品质的优劣决定着牧草经济价值的高低，粗蛋白、粗脂肪、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量是评价优质牧草的重要指标［24］。紫花苜蓿中70%左右的营养物质存在于叶片中，叶片数的增多及叶面积的增大，有利于营养成分的提高。粗蛋白主要来源于叶片，叶面积越大粗蛋白含量越高，叶片数、分枝数越多产量也就越高。空间诱变后分枝数与粗蛋白含量呈显著正相关关系（Plt;0.05），即分枝数越多，粗蛋白含量越高，而叶宽、干草产量与粗蛋白含量呈显著正相关关系（Plt;0.05），即叶片越大、产量越高，粗蛋白的含量也就越高。此外，诱变后其叶面积、叶长、叶宽和叶重都显著提高（Plt;0.05）；单株粗蛋白含量可达23.46%，较对照显著提高（Plt;0.05），植株中叶片的比例也是影响紫花苜蓿蛋白质含量的主要因素之一［25-26］。诱变后分枝数显著提高（Plt;0.05），小叶数增多，叶重显著高于茎重（Plt;0.05），叶量增加能提高粗蛋白含量。其次，叶的比例高于茎，不仅可以降低茎的木质化程度，而且可以降低纤维含量。在相关性分析中，酸性洗涤纤维与粗蛋白呈显著负相关关系，即粗蛋白含量越高，酸性洗涤纤维含量越低，本研究中酸性洗涤纤维含量显著下降（Plt;0.05），说明空间诱变可以使纤维的含量降低。

4 结论

通过对比研究发现，空间诱变后‘德钦’紫花苜蓿的叶长、叶宽、叶面积、叶柄长、茎粗、分枝数、叶重、鲜草产量、干草产量、粗蛋白、粗脂肪、酸性洗涤纤维显著变异，获得了SP1代变异单株，这些具有优良性状的单株为后续快速实现对‘德钦’紫花苜蓿目标性状的精准改良提供了丰富的种质资源。在后续的研究中，我们将结合种质资源、遗传多样性和分子生物学，阐明有益突变性状的分子调控机制，缩短育种时间，提高产量、营养品质和抗逆性，为改良出优质、高产品种应用于生产提供基础。

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