栽培方式对航天诱变当归SP2繁种特性的影响

崔林刚 郭凤霞，* 陈垣，* 徐波 李瑞霞

（1甘肃农业大学生命科学技术学院/农学院/干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃 兰州 730070；2天津市现代中药资源研究企业重点实验室/天津天士力现代中药资源有限公司，天津 300410）

当归［Angelicasinensis（Oliv.） Diels］别名岷归，为伞形科多年生草本药用植物，以干燥根入药，味甘、辛、性温，有补血活血、调经止痛、润肠通便的功效［1］，是治疗妇科疾病的常用中草药［2］。当归野生资源已趋灭绝，栽培种主要为地方农家杂合群体［3］。当归一般采用育苗地保护性免耕栽培繁种，第1年种子育苗，采挖种苗后耙平土壤，第2年留地小苗返青成药，成药株不采挖，越冬后第3年生产种子。在第2年成药期植株一旦抽薹，根部萎缩木质化，不能成药，称“早薹株”，所产种子称“火药籽”［3］。另外，三年栽培过程中，每年都有一定比率的植株因根腐病导致根部腐烂和植株死亡。因此，当归繁种系数很小，优异株难以繁种，生产上缺乏优良新品种。

然而，当归新品种选育起步晚，进程慢。王富胜等［4］采用系统法选育出岷归5号，较对照增产17.4%。马伟明等［5］采用全息生育适度系数法，综合13个主要农艺性状，从7个品种（系）中选出DG2005-02和岷归3号，但因早期抽薹和根病问题严重影响其繁种，新品系难以推广应用。2017年开始，当归新品种步入航天诱变育种阶段［6］。航天育种也称为太空诱变育种［6-9］，是指通过搭载宇宙飞船或返回式卫星，将种子、花粉等繁殖材料利用太空中的强辐射、微重力、高真空、弱磁场等特殊的环境诱变因子，使其发生基因突变，创造遗传变异群体［10-11］，从中选育出优良特性和品质的植物新种质、新品种的现代育种新技术［12-15］。农作物航天育种主要侧重于产量、品质和抗性的改良［16-17］。航天育种涉及的中草药主要有黄芩［12］、丹参［13］、凤仙花［14］、白术［15］、夏枯草［18］、决明［19］、黄芪［20］和柴胡［21］等，研究多集中在航天SP1代的田间表型性状观察，SP2代重点有效成分比较。例如，从夏枯草SP2田间表型性状变异群体中，选育出10株产量突出和5株品质优良的植株［18］。航天诱变决明SP2代叶绿素含量升高，可溶性糖含量变异度大［19］。上述研究为药用植物新品种选育开拓了技术途径，创造了变异群体，但大多研究仍停留在性状比较阶段。尽管研究从栽培茬口、有机肥调控和种苗大小探寻了降低当归早薹率的技术途径［22-24］和繁种特性［25］，但栽培方式对当归繁种特性影响的研究尚鲜见报道。甘肃农业大学中药材生态有机栽培课题组2017年获得航天诱变SP0种子，经历SP1代自然选择后获得优异SP2代变异群体，2021年成药期早期抽薹率为0，2022年进入繁种期［6，24］。因此，本研究通过将当归种子搭载不同航天器，在太空诱变不同时间创造当归变异群体后，采用留苗与移栽不同方式栽培研究，从而提高新品种选育效率，以期为保障后世代繁种提供科学技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省定西市岷县禾驮乡石家台村，地理位置为34.4 241 560N、104.26 394 442E，属典型温带大陆性季风气候，海拔2 787.36 m，年均降水量600～800 mm，年平均温度6 ℃，该土壤类型为高山草甸土，土质肥沃疏松，适宜当归生长和繁育，是当归的道地产区［6，23-24］。当归育苗试验用有机肥由甘肃天耀生物科技有限公司生产，有机质＞45%，N+P2O5+K2O含量≥5%，pH值5.5～8.5，水分≤30%，每袋规格40 kg。育苗栽培和种苗移栽时，将结合整地均一次性施入的有机肥（2 250 kg·hm-2）作为底肥，使土壤肥力保持一致。

1.2 种质来源

航天搭载当归种子2016年8月采自岷县3年生当归地方农家品种群体种株，由甘肃农业大学农学院陈垣教授鉴定为当归［Angelicasinensis（Oliv.）Diels］种子，风干后随机分为3份，其中1份留地面作为对照（CK），另2份由天士力医药集团股份有限公司委托国家航天局分别搭载航天器，“长征7号”运载火箭于2016年6月26日返回，在太空运行22 h；“神舟十一号”载人飞船在酒泉卫星发射中心2016年10月17日7时30分发射，2016年11月18日13时59分返回舱在内蒙古中部着陆，历时33 d。根据诱变时间不同，将当归种子后世代群体分别命名为航归22 h、航归33 d［6］。

1.3 试验设计

该繁种试验采用的是SP0代航归种子经过育苗、成药、繁种形成的SP2代种子。SP2代种子育苗时将试验田按东西走向划分为3个区组，每个区组划分6个小区，区组长10.5 m、宽1.2 m，共18个小区，小区面积1.8 m2（1.5 m×1.2 m），为了减少边缘效应，以拉绳划分区组和小区，小区间距0.30 m。肥料均在种子播种前结合整地以底肥一次性施入，2020年6月18日播种，为了确保各小区种子播种量一致，播种前种子按小区精确称量（精度1/100 g），逐区撒播，每小区播种5 g（净播种量3.5 g，种子衣占比30%），播种后均匀覆盖麦草保墒增温，覆盖厚度以遮住土壤为宜。播种完毕四周设地埂保护，当归育苗期不使用任何农药和除草剂预防病虫草害，人工除草5次，其他田间管理与大田同步一致。2020年10月6—7日冬前采挖种苗时，各诱变群体预留一部分种苗不采挖，让其在田间自然越冬，留苗栽培群体命名为留苗航归22 h和留苗航归33 d。采挖的种苗就地假植贮藏，备用于春季移栽。

2021年4月16日整地，4月17日种苗移栽，采用随机区组设计，3次重复，试验田按坡度走向划分为6个区组，实施3个重复，使每一区组处于同一坡度位置，区组长18.0 m、宽1.0 m，共18个小区，小区面积为18 m2（1 m ×18 m），为了减少边缘效应，以拉绳划分区组和小区，每小区固定行号和株号移栽。肥料均在种苗移栽前结合整地以底肥一次性施入，移栽栽培群体分别命名为移栽航归22 h和移栽航归33 d。在成药年对每个处理进行随机挂牌标记，在繁种年对存活的挂牌标记株进行指标测定。

1.4 当归繁种栽培期生长动态测定

在6月23日、8月1日、8月20日利用卷尺测定株高和株幅（精度1/10 cm），采用数显游标卡尺测定茎粗（精度1/100 mm），目测计取单株叶片数。株高是根茎部至植株最高点的距离，株幅为植株地上部分展开所能形成的最大距离，茎粗为植株抽薹后地上部分1 cm处的直径，最后统计计算成活率、死株率和成种株率（成种率）［23-25］：

成活率=成活株/返青株×100%

死株率=返青后死亡株/返青株×100%

成种率=采种株数/成活株×100%。

1.5 叶绿素及氮含量测定

采用TYS-4N便携式植物营养测定仪（浙江托普云农）测定叶片叶绿素含量和氮含量。

1.6 当归采种与指标测定

当归种子于2022年8月21日首次采收，选取部分成熟种子进行采收，按不同处理进行单株采收，立即装入对应株号的尼龙网袋，每株1袋，严防种子混杂。2022年9月15日对剩余植株进行一次性全部采收，连根挖出装入尼龙网袋，每个植株1袋防止单株种子混杂。

对上述采收的移栽航归33 d和22 h群体与留苗航归22 h和33 d群体的个体单株进行指标测定，包括根长、根粗、根重、单株生产力［20-24］等。当归根长采用卷尺测量（精度1/10 cm），根粗和种子大小（种子长、宽）采用数显游标卡尺测量（精度1/100 mm），百粒重采用电子天平测定（精度1/10 000 g）。最后计算繁种指数（breeding index）与各指标的变异系数（coefficient of variation，CV）：

繁种指数=单株种果重/单株重

变异系数=标准差/平均数×100%。

1.7 数据统计分析

采用Excel 2010软件进行数据整理、制作图表，采用SPSS 24.0软件进行显著性分析，多重比较选用Duncan法［22-24］，群体间生长指标差异性结合t检验进行描述。采用因子分析对采种株农艺综合性状和种果重综合评比打分并排序。

2 结果与分析

2.1 航天诱变对当归SP2采种株成活与成种的影响

在地面留存未搭载航天器的对照（CK）种子经过育苗、成药生长，留苗与移栽的地面留存植株均未成功进入繁种年。移栽栽培中，航归22 h群体各小区返青株成活率较航归33 d群体提高14.65个百分点，死株率增加6.00个百分点，成种率提高19.7个百分点，但差异均不显著（表1）。

表1 SP2代太空搭载当归繁种期成种率Table 1 Seed formation rate of Angelica sinensis SP2 generation during the breeding period

2.2 航天诱变对当归SP2采种株生长发育动态的影响

从太空搭载当归群体生长趋势看，返青期各群体的株高并无显著差异，营养生长期逐渐表现出群体间的差异性。7月植株开始抽薹，营养与生殖生长交互重叠，薹伸长植株快速增高。8月各群体均处于旺盛期，群体间差异性达最大，移栽航归22 h群体较移栽航归33 d、留苗航归22 h和33 d群体分别增高23.17 cm（P＜0.05）、13.21 cm（P＞0.05）和10.30 cm（P＞0.05），随发育时间延后，植株高度达到稳定水平，并维持群体间稳定的差异性，8月下旬开始种子陆续成熟。

移栽航归33 d群体茎最粗，8月1日较移栽航归22 h、留苗航归22 h和33 d群体分别增粗0.48、1.85和1.23 mm（P＞0.05）。移栽航归22 h群体叶片数比留苗航归群体多。随着叶面积扩大，株幅扩展使各群体间差异性更加明显。移栽航归22 h株幅较移栽航归33 d、留苗航归22 h和33 d群体分别增大21.81、22.35和21.68 cm（P＜0.05），叶片数分别提高136.1%、109.2%和180.1%（P＜0.05）。6月下旬开始移栽航归33 d群体叶片数呈减少趋势，移栽航归22 h与留苗航归群体叶片数均先增后减，但移栽航归22 h群体叶片数始终最多（图1）。

2.3 移栽对航天诱变当归SP2代叶绿素的影响

如图2所示，移栽对于航天搭载当归群体的叶绿素含量存在一定影响，随着生长期延后叶绿素逐渐降低。在6月23日叶绿素含量高低依次为：留苗航归22 h＞移栽航归22 h＞移栽航归33 d＞留苗航归33 d。留苗航归22 h群体叶绿素最高，且与移栽航归22 h群体无显著差异。留苗航归22 h、移栽航归22 h、移栽航归33 d和留苗航归33 d群体在8月1日较6月23日分别下降33.4%、13.8%、2.0%和18.2%，8月20日较8月1日分别下降10.4%、38.1%、26.4%和18.5%。移栽航归33 d群体叶绿素始终高于移栽航归22 h群体与留苗航归群体的水平。

图2 SP2代太空搭载当归群体叶绿素及氮含量的比较Fig.2 Comparison of chlorophyll and nitrogen contents of Angelica sinensis SP2 generation

移栽对于航天搭载当归的氮含量也具有一定影响，在返青期6月23日留苗航归22 h群体氮含量最高（＞10.00 mg·g-1），但与移栽航归22 h和33 d群体无显著差异，氮含量从高到底依次为留苗航归22 h＞移栽航归22 h＞移栽航归33 d＞留苗航归33 d。8月1日较6月23日各群体氮含量分别下降31.5%、25.5%、2.8%和17.1%。各处理群体在8月20日较8月1日分别下降7.0%、24.2%、23.1%和15.8%。8月开始移栽航归33 d群体氮含量始终高于其他群体。

2.4 种子形态特征

SP2代种子测定显示（表2），各处理SP2代群体种子之间，长宽均无显著差异，留苗航归33 d群体种子最大，种子平均长度大于6.00 mm，平均宽度大于4.00 mm。从长宽综合衡量，各处理群体种子大小依次为留苗航归33 d＞移栽航归33 d＞留苗航归22 h＞移栽航归22 h。

表2 SP2代太空搭载当归种子形态Table 2 Seed morphology of space mutagenesis of Angelica sinensis SP2 generation

移栽航归33 d群体与留苗航归群体的种子百粒重具有显著差异（P＜0.05），各群体种子百粒重高低依次为留苗航归33 d＞移栽航归22 h＞留苗航归22 h＞移栽航归33 d。

2.5 移栽对太空搭载当归单株生产力的影响

由表3可知，移栽航归22 h群体比移栽航归33 d群体单株生产力显著提高（P＜0.05），移栽航归22 h单株种果重、茎叶重和单根重同样显著高于留苗航归22 h和33 d群体（P＜0.05）。移栽航归22 h群体的单株平均种果重最大（21.30 g），各处理群体单株种果重从高到低依次为移栽航归22 h＞留苗航归33 d＞留苗航归22 h＞移栽航归33 d，单根重从高到低依次为移栽航归22 h＞移栽航归33 d＞留苗航归22 h＞留苗航归33 d。移栽航归22 h群体单株种果重较移栽航归33 d、留苗航归22 h和33 d群体分别提高1 527.5%、482.2%和377.7%，单株根重分别提高235.3%、256.8%和265.2%，根长分别提高44.5%、36.7%和6.0%，根粗分别提高83.3%、83.7%和83.9%。移栽航归22 h群体地下和地上部生长指标均最大，单株种果重最高，繁种指数最大，移栽航归33 d群体单株种果重最小，繁种指数也最小。

表3 太空搭载当归SP2代单株生产力Table 3 Single plant productivity of Angelica sinensis SP2 generation

种果重变异系数最大的为留苗航归33 d群体，其次为移栽航归33 d群体；单根重变异系数最大的为移栽航归22 h群体，其次为留苗航归22 h。移栽航归22 h群体单株种果重变异系数最小，留苗航归33 d群体根长、根粗和茎叶重变异系数均最小，移栽航归22 h从繁种指标和变异系数均表现出优异的群体性状（表4）。

表4 太空搭载当归SP2单株生产力的变异系数Table 4 Coefficient of variation of individual productivity of Angelica sinensis SP2 generation

2.6 移栽对太空搭载当归繁种影响的综合因子分析

基于航天当归16个性状指标主成分的综合因子分析显示，特征值大于1的主成分有3个，贡献率分别为43.057%、14.675%和12.364%，累计贡献率为70.096%，故提取前3个特征值和贡献率计算各指标的权重值（表5）。第1主成分中，茎叶重、伞重和一级分支的绝对值居前3位，说明第1主成分是当归繁种量因子。第2主成分中，种子长、种子宽和百粒重居前3位，说明第2主成分是当归种子质量因子。第3主成分茎节数、株高和茎粗居前3位，说明第3主成分是繁种株地上部分生长决定因素。权重占7%以上的指标依次为株高、茎节数、茎粗。根据各性状指标隶属度与权重大小计算，各处理群体的综合因子大小依次为移栽航归22 h（0.813 3）＞留苗航归33 d（0.408 3）＞留苗航归22 h（0.237 8）＞移栽航归33 d（0.033 4）（表6）。

表5 基于主成分分析航天搭载当归SP2生长因子与繁种性指标负荷量与权重Table 5 Based on principal component analysis，the load and weight of Angelica sinensis SP2 growth and reproductive indicators

表6 航天搭载当归SP2生长指标与繁种性隶属度的综合评价Table 6 Comprehensive evaluation of the growth index and complex membership of Angelica sinensis SP2 generation

3 讨论

航天搭载种子技术已拓展应用到中药材基原植物新种质的创造，单成钢等［12］研究分析了航天搭载种子对黄芩SP1群体的影响，从总体上看，航天搭载对黄芩SP1群体地上部性状起抑制作用，但有一定的扩大各性状的变异谱作用，如航天诱变使过氧化物同工酶酶谱多态性增加。变异系数可用于比较诱变群体各性状的变异程度，变异系数大说明在该群体中出现优良个体的概率大，变异系数小则代表群体相对稳定［20］。本研究同样发现，不同航天器搭载种子培育的当归SP2代繁种群体变异度增大，并表现出群体间和栽培方式的差异性。经移栽栽培进入繁种年的航归22 h群体个体更大，生长发育更旺盛，繁种指数最大，但移栽栽培的航归33 d群体植株普遍较矮，个体生长指标与留苗栽培的对应群体基本一致，说明移栽栽培对于诱变时间不同的当归群体地上部分的促进作用并不相同，固定诱变的方向也不同。返青初期移栽航归群体的叶片数均高于留苗航归群体的水平，说明移栽栽培有利于促进基生叶，为个体后期生长发育奠定良好的生物量和抗逆基础，这也可能是当归传统采用育苗移栽栽培的主要原因之一。另外，本研究各处理群体中，留苗和移栽航归33 d群体单株种果重变异度均较大，而根长、根粗和茎叶重相对稳定；移栽和留苗航归22 h群体根重变异度较大，单株种果重相对稳定，说明搭载时间长对地上部生物量积累的诱变效应大，搭载时间短对地下部诱变效应大，种子搭载增大了当归SP2代个体间抗逆性和生长发育的差异性，增加了种性传递能力的多样性。

叶绿素是植物光合作用进行生物量积累的基础，周国莉等［13］利用紫外分光光度法对航天搭载丹参SP1进行叶绿素及可溶性糖含量测定发现，航天诱变对丹参SP1产生了积极的影响，其叶片总光合色素含量得到显著增加，可溶性糖含量逐渐增高。本研究利用便携式植物营养测定仪田间测定发现，在返青期留苗和移栽航归22 h群体叶绿素和氮含量均较高，但随生长期延后下降较快，留苗和移栽航归33 d群体初期叶绿素及氮含量均较低，后期下降缓慢，说明诱变方向及其性状固定具有不确定性，也说明当归在整个繁种过程中具有生理补偿效应，以保障其个体繁殖。

另外，本研究在地面留存未搭载的对照（CK）当归未能进入繁种年。搭载航归群体均完成第二代生活史，8月下旬至9月上旬种子陆续成熟，但表现出诱变群体和栽培方式的差异性，移栽航归22 h群体综合表现最优，其采种量、根重、根长和根粗均最大，其次为留苗航归33 d群体，留苗航归22 h和移栽航归33 d相接近，说明航天搭载对于当归繁种具有正向效应，栽培方式对诱变群体的性状表现也有选择性差异。这一结果与大豆相关研究结果相似［26］，大豆经航天诱变后SP2代2份材料的株高、单株结荚和粒数均有正向增加趋势［27］。留苗栽培实际含有直播栽培的内涵，但与直播栽培又有所不同，留苗地发生了种苗采挖扰动，而直播无需采挖扰动。直播栽培的当归亩产量比移栽栽培高，但药材个头小，单株重有所降低［28-29］，可能是直播栽培侧根少，主要靠提高单位面积密度增产。种苗大小对当归产量和繁衍能力均具有影响，大苗繁种系数更大［30］。本研究移栽栽培的SP2代航归群体根部指标突出，但留苗航归33 d也表现出一定的优势，说明栽培方式对航归33 d群体繁种的选择差异性较对航归22 h群体的选择差异性小，移栽栽培可促进SP2代繁种，留苗栽培可拓展变异度，增加性状多样性。

4 结论

太空搭载种子对当归具有诱变效应，运载火箭搭载时间短，诱变效应更佳，选育效率更高。移栽栽培的航归22 h群体种果重高且性状相对稳定，留苗栽培的航归33 d群体性状的变异系数增大，对搭载航归的不同方式栽培拓展了当归优良变异基础群体，主要表现为农艺性状的正向突变如株高、株幅、茎粗、叶片数、根长、根粗、种果重等指标。经对各处理群体的地上、地下部分和种果重综合评比，移栽航归22 h群体优势最强，特异性突出，是当归新品种选育的宝贵优异种质。由于诱变的不确定性，SP2代各群体优良株系的稳定性和一致性有待后世代进一步测定，要想获得符合特异性、一致性和稳定性的优良当归品种，还需要根据育种目标连续定向选育，结合分子育种鉴定技术，进行大量田间和实验室筛选研究，直到选育出稳定的优良品种。