摘要：空間誘變育種是以高科技返回式衛(wèi)星為背景的一種新型育種方法，本研究以載人飛船搭載的‘德欽’紫花苜蓿（Medicago sativa L.）為處理組，以未搭載的‘德欽’紫花苜蓿為對照組，從農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)品質等方面進行研究。結果表明：空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿的葉長、葉寬、葉面積、葉柄長、莖粗、分枝數(shù)、葉重、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、粗蛋白含量、粗脂肪含量和相對飼用價值顯著增加（Plt;0.05），酸性洗滌纖維含量顯著下降（Plt;0.05）；各觀測指標中鮮草產(chǎn)量的變異比例最大，粗蛋白的變異比例次之；空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿在葉面積、葉柄長、莖粗、分枝數(shù)、產(chǎn)草量、葉重、粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維等性狀上出現(xiàn)了顯著變異。本研究表明，空間誘變可提高‘德欽’紫花苜蓿的產(chǎn)草量和品質。

關鍵詞：空間誘變；紫花苜蓿；農(nóng)藝性狀；營養(yǎng)品質

中圖分類號：S963.22+3.3""" 文獻標識碼：A"""" 文章編號：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.）是我國重要的豆科牧草之一［1］，具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)價值，尤其是“糧改飼”以來，苜蓿生產(chǎn)受到高度重視。由于紫花苜蓿是同源四倍體植物且具有自交不親和性，育種難度較大，所以利用太空強輻射、高真空、微重力等特殊環(huán)境對紫花苜蓿材料進行誘變處理，使紫花苜蓿內部發(fā)生目前地面尚不能產(chǎn)生的變異以獲得新種質、新品種、新材料［2］?？臻g誘變育種與其他常規(guī)的育種方法相比，具有變異程度大、育種時間短的特點［3］，可以引起物種農(nóng)藝性狀、細胞結構、生理生化等各種各樣的變異，其中一些變異具有遺傳性［3-5］。已有研究表明，空間誘變能使玉米（Zea mays L.） 莖節(jié)間變短、果穗變粗變長、株高矮化、雄穗分枝減少［6］；能提高紫羊茅（Festuca rubra L.）的出苗率，使植株產(chǎn)量增加、冠幅變大、小穗數(shù)和生殖枝數(shù)增多［7］。通過空間誘變成功培育出粗蛋白質含量高的水稻（Oryza sativa L.）新品種和具有抗倒伏、抗病的小麥（Triticum aestivum L.）新品種［8-9］。不同品種的紫花苜蓿經(jīng)空間誘變后，成活率和莖粗有差別，株高出現(xiàn)增高和矮化，葉面積增大，出現(xiàn)了速生單株，產(chǎn)草量和粗蛋白含量顯著增加，酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量顯著降低［10-13］。另外，衛(wèi)星搭載對苜蓿植株 DNA 甲基化水平有顯著影響且提高紫花苜蓿的過氧化物酶活性［14-15］。此外，范潤鈞等［16］在對航天誘變的4個紫花苜蓿品種研究中發(fā)現(xiàn)，15個等位基因與地面對照基因組比較存在多態(tài)性，多態(tài)性表現(xiàn)為擴增片段的缺失或增加。

‘德欽’紫花苜蓿發(fā)現(xiàn)于云南省迪慶藏族自治州德欽縣，經(jīng)栽培馴化于2010年通過全國草品種審定委員會審定為野生栽培種。他主要分布于瀾滄江、金沙江流域海拔2 000～3 000 m的干熱河谷和森林邊緣，在干熱河谷地區(qū)正常生長［17］，提高其產(chǎn)量和品質對促進干熱河谷地區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展具有非常重要的作用?？臻g誘變對‘德欽’紫花苜蓿的影響至今還未見報道，因此，本研究以未搭載的‘德欽’紫花苜蓿為對照組，以載人飛船搭載的‘德欽’紫花苜蓿為處理組，從農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)品質等方面進行研究，篩選出空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿SP1代變異單株，為‘德欽’紫花苜蓿品種改良提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗材料種植于中國科學院昆明植物研究所大棚內（北緯25°8′17″，東經(jīng)102°44′20″，海拔1 950 m）。該地年平均溫度為14.7℃，年降水量為900～1 100 mm，年日照時間為2 411.8 h，土壤pH值為7.0，屬北亞熱帶高原季風氣候。

1.2 供試材料

供試材料為經(jīng)空間誘變的‘德欽’紫花苜蓿種子和未經(jīng)空間誘變的‘德欽’紫花苜蓿種子。該空間誘變種子于2020年5月5日搭載新一代載人飛船試驗船送到太空，于5月8日返回地面。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗材料 2021年3月中旬，將經(jīng)空間誘變的‘德欽’紫花苜蓿種子與未經(jīng)空間誘變的‘德欽’紫花苜蓿種子用58℃溫水浸泡6小時，播種于中國科學院昆明植物研究所大棚內，大棚內是自然光照條件，且通風條件良好。播種后15天將材料移栽到花盆，每個花盆10株，花盆的長寬高分別為50，34，26.3 cm。土壤由泥炭土、普通本地紅土、珍珠巖按照2∶1∶1的比例混合而成，泥炭土和珍珠巖購買于市場，普通本地紅土取自山坡上。土壤肥力、灌溉、鋤草等條件保持一致，單株做標記。

1.3.2 測定的指標與方法 試驗材料于播種當年（2021年）觀測以下指標：

a） 生育期：分為播種期、出苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期、初花期。

b） 株高：初花期時測量植株最高處到地面的自然高度。

c） 葉的測定：初花期取第一根孕蕾枝葉中段的葉片測量長寬，利用葉面積儀測量葉面積。

d） 莖粗：初花期利用游標卡尺測量莖粗。

e） 葉數(shù)：初花期將整株刈割，枝和葉分開后統(tǒng)計葉片數(shù)。

f） 分枝數(shù)：初花期將整株刈割，統(tǒng)計一級分枝的個數(shù)。

g） 葉柄：初花期測量第一根孕蕾枝中段的葉柄長度。

h） 莖、葉重：為初花期第一茬草的單株干重。

i） 鮮草產(chǎn)量：單株編號稱重記錄全年共4茬的產(chǎn)草量，均在初花期刈割。

j） 干草產(chǎn)量：單株編號記錄全年共4茬的干草產(chǎn)草量，均在初花期刈割，殺青、烘干、稱重。

k） 生長速度：單株在初花期測定株高，并計算日生長量。

l） 莖葉比：單株莖的干重/葉的干重。

m） 干鮮比：單株干重/鮮重。

1.3.3 營養(yǎng)成分、相對飼用價值的測定及方法 播種當年（2021年），在初花期刈割全株材料，全年共收獲4茬草，殺青、烘干、混合粉碎，測定粗蛋白（Crude protein，CP）、粗脂肪（Ether extract，EE）、中性洗滌纖維（Neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗滌纖維（Acid detergent fiber，ADF）、粗灰分（Crude ash，CA）含量，按照張麗英［18］《飼料分析及飼料質量檢測技術》方法進行測定。

通過NDF，ADF、干物質采食量（Dry matter intake，DMI）和可消化干物質（Digestible dry matter，DDM）計算得到相對飼用價值（Relative feed value，RFV），計算公式如下［19］：

DMI（%BW）=120/NDF（%DM）

DDM（%DM）=88.9-0.779×ADF（%DM）

RFV=DMI（%BW）×DDM（%DM）/1.29

DMI表示干物質采食量，單位為%BM，其含義為占體重的百分比；DDM表示可消化干物質，單位為%DM，RFV表示相對飼用價值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007整理數(shù)據(jù)和繪制圖表，同時采用SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)分析。

2 結果與分析

2.1 出苗率

試驗品種（SP1）于2021年3月24日播種，3月26日開始陸續(xù)出苗，播種129株，出苗113株，出苗率為87.5%，對照組出苗率為85.4%，差異不顯著。

2.2 生育期

空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿的分枝期較對照的分枝期推后了5天，其它幾個生育期變化不明顯（表1）。

2.3 空間誘變對‘德欽’紫花苜蓿農(nóng)藝性狀的影響

由表2可知，空間誘變顯著提高了‘德欽’紫花苜蓿的葉長、葉寬、葉面積、葉柄長、莖粗、分枝數(shù)、葉重、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、莖葉比和干鮮比（Plt;0.05）；而小葉數(shù)、株高、莖重變化不顯著?？臻g誘變后‘德欽’紫花苜蓿農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)變化范圍為11.47%～73.43%，其中鮮草產(chǎn)量、分枝數(shù)、干草產(chǎn)量、莖重、葉面積、莖葉比、葉寬、株高、葉重、葉長、莖粗、小葉數(shù)和葉柄長的變異系數(shù)比例分別較對照提高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%，而干鮮比的變異系數(shù)比例較對照降低28.75%。

2.4 空間誘變對‘德欽’紫花苜蓿營養(yǎng)品質的影響

由表3可知，空間誘變顯著提高了‘德欽’紫花苜蓿的粗蛋白、粗脂肪含量（Plt;0.05），且顯著降低了酸性洗滌纖維含量（Plt;0.05）；而中性洗滌纖維與粗灰分含量變化不顯著。誘變后的相對飼用價值變化范圍為103.12%～168.68%；與對照相比較，具有顯著差異（Plt;0.05）。根據(jù)牧草干草質量市場分級標準［20］，空間誘變后的‘德欽’紫花苜蓿干草等級可達到2～特級，RFV值越大，營養(yǎng)價值越好。營養(yǎng)成分的變異系數(shù)變化范圍為9.33%～17.02%，其中粗蛋白、酸性洗滌纖維、粗灰分、粗脂肪、中性洗滌纖維的變異系數(shù)比例分別較對照提高了137.40%，97.71%，92.97%，59.66%，40.83%。

2.5 農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)成分的相關性分析

由表4可知，空間誘變后鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量分別與株高、葉長、葉寬、葉面積、莖粗、分枝數(shù)、莖重、葉重、小葉數(shù)、日生長量、葉柄長呈顯著正相關關系（Plt;0.05）；且干草產(chǎn)量與粗蛋白含量呈顯著正相關關系（Plt;0.05）。而粗蛋白含量與分枝數(shù)、葉寬也呈顯著正相關關系（Plt;0.05），與酸性洗滌纖維呈顯著負相關關系（Plt;0.05）。

3 討論

空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿出苗率雖較對照提高2.1%，但差異不顯著，徐云遠等［21］研究空間搭載紫花苜蓿后的發(fā)芽率和田間出苗率與對照也沒有顯著差異，在分枝期較對照提前了5天，其他生育期較對照提前1天，具體的原因還有待進一步分析。本研究中最高單株株高較對照高8.1 cm，最矮單株較對照矮11.5 cm，出現(xiàn)了高桿和矮化的植株，表明通過空間誘變可改變牧草的生長高度，對牧草種質進行改良是可行的［13］。植株的株高和生長速度是衡量其生長發(fā)育狀況的重要標準，也是反映草地生產(chǎn)力的重要指標，高植株通常具有高的草產(chǎn)量［22-23］，草產(chǎn)量是牧草研究中最直觀有效的性狀之一，本研究中鮮草產(chǎn)量與株高、日生長量呈顯著正相關關系（Plt;0.05）；植株高大，吸收的營養(yǎng)增加，抗逆性增強，不僅莖稈粗壯，分枝數(shù)增多，而且增大葉面積，從而增加鮮草產(chǎn)量。本研究中鮮草產(chǎn)量與葉長、葉寬、葉面積、葉重、分枝數(shù)、莖粗、莖重呈顯著正相關關系（Plt;0.05），說明鮮草產(chǎn)量與這些農(nóng)藝性狀密切相關，這些性狀的變化有利于提高紫花苜蓿的鮮草產(chǎn)量。

牧草營養(yǎng)品質的優(yōu)劣決定著牧草經(jīng)濟價值的高低，粗蛋白、粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量是評價優(yōu)質牧草的重要指標［24］。紫花苜蓿中70%左右的營養(yǎng)物質存在于葉片中，葉片數(shù)的增多及葉面積的增大，有利于營養(yǎng)成分的提高。粗蛋白主要來源于葉片，葉面積越大粗蛋白含量越高，葉片數(shù)、分枝數(shù)越多產(chǎn)量也就越高?？臻g誘變后分枝數(shù)與粗蛋白含量呈顯著正相關關系（Plt;0.05），即分枝數(shù)越多，粗蛋白含量越高，而葉寬、干草產(chǎn)量與粗蛋白含量呈顯著正相關關系（Plt;0.05），即葉片越大、產(chǎn)量越高，粗蛋白的含量也就越高。此外，誘變后其葉面積、葉長、葉寬和葉重都顯著提高（Plt;0.05）；單株粗蛋白含量可達23.46%，較對照顯著提高（Plt;0.05），植株中葉片的比例也是影響紫花苜蓿蛋白質含量的主要因素之一［25-26］。誘變后分枝數(shù)顯著提高（Plt;0.05），小葉數(shù)增多，葉重顯著高于莖重（Plt;0.05），葉量增加能提高粗蛋白含量。其次，葉的比例高于莖，不僅可以降低莖的木質化程度，而且可以降低纖維含量。在相關性分析中，酸性洗滌纖維與粗蛋白呈顯著負相關關系，即粗蛋白含量越高，酸性洗滌纖維含量越低，本研究中酸性洗滌纖維含量顯著下降（Plt;0.05），說明空間誘變可以使纖維的含量降低。

4 結論

通過對比研究發(fā)現(xiàn)，空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿的葉長、葉寬、葉面積、葉柄長、莖粗、分枝數(shù)、葉重、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維顯著變異，獲得了SP1代變異單株，這些具有優(yōu)良性狀的單株為后續(xù)快速實現(xiàn)對‘德欽’紫花苜蓿目標性狀的精準改良提供了豐富的種質資源。在后續(xù)的研究中，我們將結合種質資源、遺傳多樣性和分子生物學，闡明有益突變性狀的分子調控機制，縮短育種時間，提高產(chǎn)量、營養(yǎng)品質和抗逆性，為改良出優(yōu)質、高產(chǎn)品種應用于生產(chǎn)提供基礎。

參考文獻

［1］ 陳海雁，黃榮，趙亮，等. Cp2-EPS對鹽脅迫下紫花苜蓿苗期形態(tài)及光合特性的影響［J］. 草地學報，2024，32（1）：229-238

［2］ 劉建秀，郭海林，胡化廣. 我國植物空間誘變育種及其在草類植物育種中的應用［J］. 草業(yè)學報，2006，15（1）：15-21

［3］ 楊紅善，王彥榮，常根柱，等. 牧草的航天誘變研究［J］. 草業(yè)學報，2015，37（1）：104-110

［4］ 張?zhí)N薇，任衛(wèi)波，劉敏，等. 紅豆草空間誘變突變體葉片同工酶及細胞超微結構分析［J］. 草地學報，2004，12（3）：223-226

［5］ 任衛(wèi)波，韓建國，張?zhí)N薇，等. 航天育種研究進展及其在草上的應用［J］. 中國草地學報，2006，28（5）：91-97

［6］ 李高科，胡建廣，鄭錦榮，等. 3個甜玉米自交系空間誘變效應及變異系育種潛力研究［J］. 玉米科學，2014，22（1）：23-29

［7］ 胡潔，石鳳翎，高翠萍. 紫羊茅空間誘變 SP1代單株材料田間農(nóng)藝性狀的變異分析［J］. 中國草地學報，2022，44（8）：46-51

［8］ 方金梁，曾國基，李九如. 選育高蛋白質超高產(chǎn)水稻新品種［J］. 空間科學學報，1996，16（增刊）：157

［9］ 李桂花，張衍榮，曹健. 農(nóng)業(yè)空間誘變育種研究進展［J］. 長江蔬菜，2003（12）：33-36

［10］楊紅善，常根柱，包文生，等. 紫花苜蓿航天誘變田間形態(tài)學變異研究［J］. 草業(yè)學報，2012，21（5）：222-228

［11］楊紅善. 航天誘變多葉紫花苜蓿新品種選育研究［D］. 蘭州：蘭州大學，2018：25-28

［12］楊紅善. 航天誘變航苜1號紫花苜蓿蘭州品種比較試驗［J］. 草業(yè)學報，2015，24（9）：138-145

［13］任衛(wèi)波，韓建國，張?zhí)N薇. 幾種牧草種子空間誘變效應研究［J］. 草業(yè)科學，2006，23（3）：72-76

［14］郭慧琴，任衛(wèi)波，解繼紅，等. 衛(wèi)星搭載后紫花苜蓿 DNA 甲基化變化分析［J］. 中國草地學報，2013，35（5）：29-33

［15］李晶，任衛(wèi)波，郭慧琴，等. 空間誘變對紫花苜蓿過氧化物同工酶影響［J］. 種子，2012，31（4）：46-48

［16］范潤鈞. 空間搭載紫花苜蓿種子第一代植株表型變異及基因多態(tài)性分析［D］. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學，2010：36-41

［17］畢玉芬，車偉光，顧壘. 德欽地區(qū)野生紫花苜蓿群落多樣性特征及其來源分析［J］. 草地學報，2007，15（4）：306-311

［18］張麗英. 飼料分析及飼料質量檢測技術［M］. 第2版.北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2007：53-88

［19］武文莉，吳冬強，張靜，等. 鐵鋅配施對河西走廊地區(qū)紫花苜蓿品質和相對飼用價值的影響［J］. 中國草地學報，2018，40（4）：62-67

［20］李學武，宋青婷，袁玎，等. 地涌金蓮的營養(yǎng)成分分析和飼喂價值評定［J］. 中國飼料，2023（20）：22-25

［21］徐云遠，賈敬芬，牛炳韜. 空間條件對3種豆科牧草的影響［J］. 空間科學學報，1996（16）：136-141

［22］王潔瓊. 11個國外紫花苜蓿新品種的生產(chǎn)適應性比較研究［J］. 湖南農(nóng)業(yè)科學，2011（15）：18-20

［23］閆得朋，鞏林，袁玉瑩，等. 不同時期噴施葉面肥對紫花苜蓿生長和產(chǎn)草量營養(yǎng)品質的影響［J］. 草地學報，2018，26（5）：1255-1261

［24］李青璞，白建海，姚拓，等. 微生物菌劑與氮肥配施對紫花苜蓿生長及土壤性質的影響［J］. 草地學報，2024，32（1）：314-321

［25］耿繁軍，朱偉然，李黎，等. 鄭州地區(qū)不同秋眠級苜蓿品種的生產(chǎn)性能評價［J］. 草業(yè)科學，2009，26 （6）：70-77

［26］姚瑤. 不同施肥處理和干燥方式對紫花苜蓿生物學特性及營養(yǎng)成分的影響［D］. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2017：2-3

（責任編輯 閔芝智）