張桂芝,劉淑娜,于高波,金光輝,姜麗麗,李德澤,田麗美,高幼華

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

彩色馬鈴薯屬雙子葉植物綱茄科多年生草本植物[1]，原產(chǎn)南美秘魯?shù)鹊?，國?nèi)近年已有種植，且隨著人們對食品多樣性和安全健康食品需求增加，彩色馬鈴薯深受大眾喜愛，而紫色馬鈴薯是彩色馬鈴薯中重要一類，花青素含量高且營養(yǎng)豐富[2]。但目前生產(chǎn)上的紫色馬鈴薯栽培品種存在品種少、產(chǎn)量低的問題。利用返回式衛(wèi)星搭載進(jìn)行植物太空誘變育種已成為我國相對獨(dú)立且有效的育種手段[3]，水稻、大豆、棉花、青椒、黃瓜等幾十種作物千余個(gè)品種應(yīng)用太空誘變技術(shù)成功選育出513個(gè)作物品種和一些對農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量有重要影響的罕見突變體[4]。馬鈴薯遺傳較復(fù)雜，與小麥等主糧作物相比，輻射誘變育種進(jìn)展較緩慢，獲得成就少[5]，如魯馬鈴薯 2 號是經(jīng)Co60的照射育成[6]，黑美人是采用航天育種技術(shù)育成[7]，國內(nèi)對馬鈴薯輻射誘變研究多集中在薯塊、愈傷組織、試管苗上[8-10]，對于航天誘變馬鈴薯實(shí)生種子和幼苗的研究少有報(bào)道。本試驗(yàn)是利用“實(shí)踐十號”進(jìn)行了紫色馬鈴薯實(shí)生種子搭載，初步研究微重力和太空強(qiáng)輻射等因素對紫色馬鈴薯種子及幼苗期生理性狀的影響，以期為紫色馬鈴薯種質(zhì)改良和品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2016年12月至2017年6月期間在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)馬鈴薯種質(zhì)資源實(shí)驗(yàn)室和育種基地日光溫室內(nèi)完成。

1.2 材料

試驗(yàn)材料為3個(gè)紫色馬鈴薯品系，分別為MD07-15、ZL02-3、ND13-4，由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)馬鈴薯研究所提供，3個(gè)品系實(shí)生種子經(jīng)“實(shí)踐十號”返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星搭載12d返回地面，以未經(jīng)搭載的地面種子為對照，進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)和幼苗期性狀鑒定試驗(yàn)。

1.3 方法

1.3.1 種子發(fā)芽試驗(yàn)

每個(gè)品系搭載和未搭載種子分別取150粒，設(shè)三次重復(fù)，放入培養(yǎng)皿中浸種24h，放置在20℃無菌培養(yǎng)室中進(jìn)行發(fā)芽培養(yǎng)。每天記錄種子萌發(fā)數(shù)，將正常幼苗和不正常幼苗分別記錄，死種子和霉?fàn)€種子及時(shí)檢出并記錄，直至無萌發(fā)種子出現(xiàn)為止，測定各誘變材料實(shí)生種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等。

1.3.2 幼苗性狀地面鑒定試驗(yàn)

取各誘變品系200粒，以未搭載種子為對照(CK)，于2016年12月3日在育種基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行播種，設(shè)4次重復(fù)，每個(gè)品種播種4個(gè)育苗箱，育苗箱規(guī)格長1m×寬0.5m×高0.15m，以0.1m×0.1m距離點(diǎn)播，育苗土為細(xì)沙∶黑壤土∶腐熟菌渣肥=1∶5∶0.1，溫室正常管理。出苗后及時(shí)觀察并記錄田間出苗率、成苗率，待幼苗長至30d測量并計(jì)算平均株高、莖粗，記錄葉片數(shù)，觀察誘變種質(zhì)在株高、株型、莖色、葉色、葉緣形狀等農(nóng)藝性狀，與對照進(jìn)行比較，在田間表現(xiàn)有明顯差異的植株，定為假定變異株。

莖粗與株高均采用門福義等的方法測定[11]。株高是用直尺測量生長點(diǎn)至莖基的高度，莖粗是用游標(biāo)卡尺去測量莖基的最粗處。

1.3.3 幼苗葉片保護(hù)酶測定方法

待幼苗長至30d時(shí)隨機(jī)取樣并測定誘變品系搭載前后幼苗葉片相關(guān)保護(hù)酶活性，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性。采用紫外吸收法進(jìn)行幼苗葉片CAT活性的測定[12-13]，采用愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行POD活性的測定[13]，采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法進(jìn)行SOD活性的測定[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 太空誘變對紫色馬鈴薯種子的影響

2.1.1 太空誘變對紫色馬鈴薯種子發(fā)芽勢的影響

由表1可以看出，在經(jīng)過航天誘變處理之后，不同的紫色馬鈴薯品系發(fā)芽勢比對照低，且降低幅度各品系間有較大差異，達(dá)9.3%。其中MD07-15經(jīng)航天誘變后發(fā)芽勢變化最大，比對照低20.1%，其次是ZL02-3和ND13-4，分別是14.8%和10.8%。誘變材料種子發(fā)芽勢下降的原因可能是太空微重力和強(qiáng)幅射對種子造成一定的生理損傷，致使誘變后的種子發(fā)芽較普通種子緩慢。

表1 誘變品系種子發(fā)芽勢比較

2.1.2 太空誘變對紫色馬鈴薯種子發(fā)芽率的影響

表2 誘變品系種子發(fā)芽率比較

各誘變材料種子發(fā)芽率變化情況如表2所示，經(jīng)太空誘變處理之后，各品系發(fā)芽天數(shù)延遲，且發(fā)芽率均比對照低10%以上，且不同品系間存在差異。其中ZL02-3的下降幅度最大，ND13-4降低幅度最小。經(jīng)太空強(qiáng)幅射后，不同紫色馬鈴薯品系之間發(fā)芽率的差異表現(xiàn)不同的，可能原因有不同品系自身的遺傳物質(zhì)不同，還有不同品系對環(huán)境的反應(yīng)敏感性和應(yīng)激反應(yīng)不同，誘變效率就會有差異。

2.1.3 太空誘變對紫色馬鈴薯種子成苗能力的影響

從表3可以看出，3個(gè)誘變品系的出苗率和成苗率均較對照有所下降，各品系之間的下降幅度存在很大差異，差異程度達(dá)27%。其中ZL02-3下降幅度最大，達(dá)27.0%以上，而ND13-4下降幅度最小，其成苗率僅下降0.9%，MD07-15則居中。在成苗能力方面，各品系之間也存在差異性，ZL02-3CK的出苗率和成苗率都高于其它兩品種，但誘變處理后其出苗率和成苗率都降為最低，而ND13-4的出苗率和成苗率則最高，這說明不同品系對誘變環(huán)境效應(yīng)有較大差異。

表3 誘變品系種子成苗能力分析

2.2 太空誘變對紫色馬鈴薯幼苗農(nóng)藝性狀的影響

通過搭載前后各誘變材料群體觀察取樣測定(表4)，經(jīng)過航天誘變處理后，各品系幼苗期生長勢受到抑制，生長遲緩，矮化，平均株高和平均葉片數(shù)都低于對照，平均株高降幅在2.33%～8.62%， MD07-15和ZL02-3誘變后生長遲緩，平均葉片數(shù)都少于對照。本試驗(yàn)結(jié)果表明，航天誘變后3個(gè)品系苗期性狀表現(xiàn)存在很大差異，ND13-4苗期的平均葉片數(shù)與對照相近，沒有明顯差異，而在平均莖粗方面是下降的，其它兩個(gè)品系MD07-15和ZL02-3則增加，增加幅度在8.33%～11.11%。由此可知，3個(gè)品系對航天誘變環(huán)境的敏感性和細(xì)胞損傷程度不同，ND13-4對太空誘變環(huán)境不敏感，誘變后苗期性狀變化幅度不大，而其它2個(gè)品系表現(xiàn)敏感，致畸率也高。

表4 誘變品系幼苗農(nóng)藝性狀差異

2.3 太空誘變對紫色馬鈴薯幼苗葉片保護(hù)酶的影響

由圖1可以看出，各品系經(jīng)太空誘變處理后，誘變品系的幼苗葉片中各保護(hù)酶SOD、CAT、POD活性均高于對照，但增強(qiáng)幅度不同。其中SOD活性較對照增強(qiáng)幅度最小，為11.88%～22.93%， POD活性增強(qiáng)幅度為23.53%～54.35%，CAT活性增強(qiáng)幅度最大，為19.67%～57.35%。各品系幼苗葉片保護(hù)酶活性對誘變環(huán)境的反應(yīng)存在差異，品系MD07-15幼苗葉片SOD、CAT、POD活性平均增幅最大，而品系ZL02-3幼苗葉片中各酶活性增幅最小。

圖1 誘變品系幼苗葉片SOD、CAT、POD的活性

2.4 變異株與對照幼苗性狀差異分析

由表5可以看出，經(jīng)太空誘變處理后，各品系的變異株與對照的差異主要表現(xiàn)在株高、莖和葉片的顏色變化方面，株高與對照差異較大，莖和葉片的顏色呈加深趨勢，葉片邊緣波狀變強(qiáng)。究其原因，可能是高空的強(qiáng)幅射激發(fā)了種子形成色素的物質(zhì)積累。

表5 變異株與對照幼苗性狀差異分析

3 結(jié)論與討論

與對照相比，經(jīng)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“實(shí)踐十號”搭載的紫色馬鈴薯種子經(jīng)過地面發(fā)芽試驗(yàn)和幼苗性狀鑒定試驗(yàn)表明，總體上誘變后種子的發(fā)芽勢和成苗能力大幅度下降，幼苗矮化，生長遲緩，莖葉顏色變深，幼苗葉片SOD、CAT、POD的活性增強(qiáng)，但也會出現(xiàn)個(gè)別較對照生長快的高變異株。

太空環(huán)境對植物種子的誘變效應(yīng)差異很大[15]，衛(wèi)星搭載的番茄其SP1代發(fā)芽率比對照低[16-17]，航天搭載黃芩種子發(fā)芽和成苗能力和SP1代植株生長受到抑制[3]，這與本研究結(jié)果一致。另有研究表明小麥種子經(jīng)航天處理卻明顯促進(jìn)其發(fā)芽、出苗及生長[18-19]，豌豆、紅花、石刁柏等植物的種子經(jīng)太空誘變處理后其活力也明顯比地面對照種子高[20]，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果存在差異。作物遇到低溫、鹽、輻射等逆境后體內(nèi)的多種酶活性會產(chǎn)生很大變化，酶活性增強(qiáng)和下降與植物的抗逆性密切相關(guān)[21]，馬鈴薯幼苗遇低溫脅迫時(shí)SOD、POD活性增加[22]，小麥幼苗鹽脅迫時(shí)POD活性增強(qiáng)[23]，UV-B輻射使彩色馬鈴薯葉片中保護(hù)酶活性增強(qiáng)[24]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，太空強(qiáng)輻射環(huán)境也使紫色馬鈴薯幼苗葉片SOD、CAT、POD的活性增強(qiáng)，且增幅較大，這與前人研究結(jié)果相似。

彩色馬鈴薯種子后代遺傳復(fù)雜[25-26]，本試驗(yàn)著重研究了太空誘變紫色馬鈴薯實(shí)生種子的發(fā)芽和成苗能力及幼苗群體的農(nóng)藝性狀、葉片酶活性變化情況，還需利用分子生物學(xué)手段進(jìn)一步明確太空誘變材料變異體遺傳物質(zhì)的的真實(shí)性，并利用多代無性系繁殖技術(shù)檢測誘變獲得變異的可持續(xù)遺傳穩(wěn)定性等。

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