辐射对蓖麻种子生长及生理指标的影响

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(中国农业科学院油料作物研究所/农业部油料作物生物学与遗传学重点实验室，湖北武汉 430062)

辐射对蓖麻种子生长及生理指标的影响

谭美莲，汪磊，严明芳，王力军，严兴初*

(中国农业科学院油料作物研究所/农业部油料作物生物学与遗传学重点实验室，湖北武汉 430062)

通过研究高剂量率(10 Gy/min)不同剂量60Coγ射线辐照(200～1 500 Gy)对蓖麻种子萌发、生长、田间出苗及相关生理指标的影响，结果发现：辐射剂量对种子最终发芽率影响不明显，但对田间出苗率、胚根长度及幼苗高度存在极显著影响，1 000 Gy以上剂量时，种子及幼苗的生长明显受到抑制，胚根缩短变粗，幼苗高度明显下降，田间出苗率也急剧下降；随着辐射剂量的增加，MDA含量、SOD活性及POD活性都呈先升后降趋势，在1 000 Gy时，达到最高峰值。根据田间出苗率进行回归分析，得出高剂量率辐射诱变的半致死剂量和临界剂量分别为1 048.83 Gy和1 134.21 Gy。结合种子萌发、幼苗生长及实际出苗情况考虑，初步认为：高剂量率条件下(10 Gy/min)，“淄蓖5号”干种子的60Coγ辐射诱变以900 Gy左右剂量(大于800 Gy，小于1 000 Gy)较为适宜。

蓖麻；辐射诱变；发芽率；生理指标；半致死剂量

蓖麻是重要的工业油源作物，因蓖麻油具有凝固点低、耐高温等独一无二的化学特性，而广泛应用于航空和精密仪器作高级润滑油、刹车油和防护油，以及涂料、增塑剂、尼龙系列、聚氨酯、香料、化妆品等生产。此外，在医药及生物农药等方面也有应用，而且还是一种可再生的“绿色油源”植物[1]。近几年，由于蓖麻油衍生物的不断开发和应用，加之蓖麻籽原料紧缺，供需缺口在一半以上，蓖麻油和蓖麻籽价格明显上升。2011年4月初网上蓖麻油报价已上升为19.5元/kg，蓖麻籽价格也较往年翻了一番，达到8.0～8.6元/kg[2]。

由于蓖麻种质资源遗传基础狭窄，优异资源缺乏及育种方法单一、落后等原因，蓖麻生产上存在优良品种少、产量低、农民种植积极性不高、种植面积不稳等问题。因此，在努力保存并维持我国蓖麻种质现有的遗传多样性水平和积极选育新品种的前提下，如何拓宽蓖麻遗传基础和选育方法，进行种质资源的创新及多途径多方法的品种选育，显得尤为重要。

辐射诱变是改良种质性状，创造新种质的有效手段。前人利用辐射诱变已成功获得了很多诸如早熟、矮化、抗逆、优质、育性等性状特异的突变体，为育种提供了不少优异的种质资源[3～6]。目前，辐射诱变用于蓖麻育种方面的研究较多。国外利用60Coγ射线进行蓖麻干种子的辐射处理，获得了早熟、株高明显降低、育性多样(如单雌、雌雄花镶嵌等)的突变体，并育成了高产、早熟、含油量提高的新品系，如NPH-1和Arum等[7]。国内内蒙古通辽农科院利用60Coγ射线处理蓖麻品系永283，在M2代中筛选到了带标记性状的雌性系[8]；陈美红等[9]对蓖麻干种子经50～150 Gy辐照处理后的田间生物学性状表现进行调查分析，获得了有较大育种价值的M1代种子75份。尽管60Coγ辐射诱变在蓖麻育种中的应用已有研究报道，但前人诱变处理所选择使用的剂量则各有千秋[6,8,9]，有采用50～90 Gy，50～150 Gy，100～400 Gy，300 Gy和500 Gy中低剂量的，也有采用83.8～838 Gy(10～100 kR)和1 500 Gy较高剂量的，且在种子萌发、活力、幼苗生长及生理指标对辐射剂量的敏感效应方面的研究报道较少。

本文通过研究不同剂量辐射处理对蓖麻种子萌发率、田间出苗率、幼苗生长情况及生理指标的影响，了解蓖麻辐射诱变的适宜剂量范围，以期为蓖麻种子辐射诱变的剂量选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试材为淄蓖5号，由山东淄博源发蓖麻科技有限公司提供。

1.2 方法

(1) 辐射诱变。在湖南省原子能农业应用研究所利用60Co-γ射线源，剂量率10 Gy/min，分别以200 Gy(20 min)，400 Gy(40 min)，600 Gy(60 min)，800 Gy(80 min)， 1 000 Gy(100 min)， 1 200 Gy(120 min)和1 500 Gy(150 min)7个不同剂量水平进行干种子辐射处理，以未处理种子为对照。

(2) 种子萌发试验。取不同剂量辐射处理种子及对照种子，先用水浸泡8～12 h，然后分别置于铺有2层滤纸的培养皿中，于25℃培养箱内进行培养，以胚芽达种子长度一半时为发芽，分别于24,48,72,96,120 h统计发芽情况。每个重复100粒种子，3次重复。萌发5 d时，记录萌发种子的根长情况，每重复随机测量10粒；同时用营养土覆盖培养皿中种子，5 d后，随机测量5株幼苗高度(从胚轴基部至生长点)。另取不同处理的种子各1 200粒，设3次重复，在田间进行播种，20 d后统计出苗情况，测定田间出苗率。所有指标均用3次重复试验结果的均值表示。

(3) 生理指标的测定。取培养10 d的幼苗进行生理指标的测定。根据超氧化物歧化酶抑制氮蓝四唑(NBT)在光下的还原作用来测定酶活性的大小[10]；按愈创木酚法[10]测定POD活性；丙二醛(MDA)含量的测定参照文献[11]的方法。

(4) 数据分析。采用SPSS13.0软件进行方差分析及Duncan式多重比较，对于百分数观测值经平方根反正弦转换后，再进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 辐射对种子萌发及出苗的影响

对照种子的发芽率并不太高，在70%～80%之间。蓖麻种子壳厚，24 h时，对照及辐射处理种子都未萌发；但48 h时，除200 Gy剂量辐射处理的种子萌发率高于对照外，其它剂量辐照处理的种子萌发率明显低于对照，表现出萌发延缓，且这种延缓效应随剂量增大而增加，但各辐射处理的最终萌发率与对照相差不大(图1)。

图1 不同辐射剂量的蓖麻种子萌发情况比较

从表1可以看出，辐射处理对种子出苗率的影响强于其对发芽势和发芽率的影响。200 Gy低剂量辐射对种子萌发及出苗都表现出促进作用，田间出苗率、发芽势和发芽率较对照都略有提高。随着辐射剂量的增大，田间出苗率先缓慢下降，后急剧下降，当辐射剂量达1 000 Gy以上， 其值下降非常明显， 在辐照剂量为1 500 Gy时，其出苗率未及3%。种子发芽势和发芽率也随辐射剂量的增大而降低，且前者比后者明显，但与田间出苗率不同的是，在800 Gy辐照下，发芽率明显高于对照，发芽势虽然低于对照，但高于400 Gy和600 Gy剂量的发芽势，之后，又随剂量的增大而下降，当剂量增至1 500 Gy时，种子发芽势和发芽率分别降至46.67%和69.67%。相关性分析显示，蓖麻种子的发芽率、发芽势和田间出苗率与辐射剂量都呈负相关，分别存在显著性(-0.493)、极显著性(-0.852)和极显著性(-0.889)相关。方差分析表明，辐射剂量对蓖麻种子的发芽率、发芽势和出苗率分别存在显著、极显著和极显著影响。

表1 不同辐射剂量的蓖麻种子萌发、出苗及幼苗生长比较

注：列中小写字母代表不同剂量之间Duncan式多重比较的0.05水平；*和**分别表示相关程度显著(α=0.05)、极显著(α=0.01)影响。下同。

2.2 辐射对萌发过程中幼苗生长的影响

辐射剂量对蓖麻种子胚根长度及幼苗高度存在极显著影响(p<0.01，表1)。种子萌发过程中胚根长度和幼苗高度与辐射强度都呈负相关，但根长与剂量之间的相关性极显著，而幼苗高度与剂量之间却不显著。种子萌发5 d时，未处理种子的胚根长度平均为5.14 cm，方差分析说明辐射处理种子的根长与对照相比，存在显著差异。从表1可以看出：种子的根长随辐射剂量增加而变短，虽然600 Gy剂量的根长稍有增加，但仍低于对照，剂量不断增加，种子根长缩短变粗，当剂量增至1 500 Gy时，其根长较对照缩短了75%以上；1 000 Gy以上剂量明显抑制幼苗的生长，幼苗高度显著降低，当剂量增至1 200 Gy以上时，萌发种子在营养土的覆盖下，胚根未生长，加之有一定湿度环境反而腐烂，未能成苗；而低剂量(800 Gy以下)对幼苗高度影响不明显，600 Gy和800 Gy剂量的幼苗高度较对照虽有增加，但不明显。此结果说明，辐射剂量增大到一定强度时，对蓖麻种子萌发过程中幼苗生长的影响，首先突出表现对萌发根长的影响，进而影响幼苗的高度及成苗。

表2 不同辐射剂量的蓖麻生理指标比较

2.3 辐射对MDA含量、SOD和POD酶活性的影响

从表2可见，MDA含量、SOD活性及POD活性随剂量的增加均呈先升后降的趋势，且在1 000 Gy时出现峰值，较好地反映了不同辐射强度对植物体损伤和保护酶活性的变化情况。MDA含量及POD活力与剂量间存在不同程度的正相关，而SOD则表现出负相关，其中POD活性与剂量的相关性呈极显著水平。辐射剂量对蓖麻生理指标(MDA含量、SOD活性及POD活性)存在极显著影响，除600 Gy和1 500 Gy之间外，各剂量间的POD活性存在显著性差异。

2.4 蓖麻辐射诱变剂量的选择

不同植物、不同品种的种子对辐射的敏感性不一样，所产生的效应就有差异。一般来说，随着辐射剂量的增加，变异率也增加，但是剂量过大会导致种子丧失发芽力，甚至死亡；反之剂量过小变异率也小，甚至不出现变异。因此，辐射诱变时，剂量的选择十分重要。诱变后代的变异选择是以M1种子的辐射敏感效应为基础的，因此在辐射育种中用M1的辐射效应来预测选择作物的诱变剂量，是较为迅速和简单的方法。本研究中，田间出苗率与辐射剂量的相关性，以及在不同处理间所表现的差异性，均达极显著水平。以剂量为自变量x，田间出苗率为因变量y，通过回归分析获得一元二次方程为y=0.361-3.241×10-5x-1.541×10-7x2，其中R2=0.845。从以上方程估算得出“淄蓖5号”60Coγ辐射诱变的理论半致死剂量(LD50)和理论临界剂量(LD40)分别为1 048.83 Gy和1 134.21 Gy。而本实验中，当剂量为800 Gy时，田间出苗率(29.5%)为对照(31.5%，由于播种后未降雨，出苗较平常少而晚)的93%以上，而当剂量为1 000 Gy时，其田间实际出苗率(8.5%)还不及对照的30%，说明可能由于种子受辐射损伤，破土能力变弱，加之受天气、土壤等外界条件的影响干扰等，田间实际成活率会比理论估算值略微偏低。因此，在选择辐射剂量时，以略低于半致死剂量或临界剂量较为适宜，有利于保证一定植株成活进行遗传变异选择。本研究中，结合理论分析及实际出苗情况，认为选择900 Gy左右(大于800 Gy，小于1 000 Gy)的剂量较为适宜，与种子萌发过程中幼苗生长明显受到抑制的阈值及酶活性分析的峰值相接近。

3 讨 论

诱变剂量的选择对于诱变育种起着重要的作用。采用哪种诱变剂量才能获得最多的有益突变，尚无定论。尽管一定剂量范围内增加辐照剂量，可以增加诱变率，但同时也增加损伤，涉及到辐射的敏感性问题。由于各种植物辐射敏感性不同，所以采用的剂量也不同。对于蓖麻干种子60Coγ辐射诱变剂量的选择及使用，研究者们各有看法。本研究中通过研究不同辐射剂量下的种子萌发率、田间出苗率及幼苗生长情况的变化，分析“淄蓖5号”的辐射敏感性，得出其半致死剂量和临界剂量分别为1 048.83 Gy和1 134.21 Gy，初步认为以900 Gy左右(大于800 Gy，小于1 000 Gy)的剂量进行“淄蓖5号”的60Coγ辐射诱变较为适宜。浙江省农业科学院作物所原子能利用研究室[12]认为蓖麻干种子的临界剂量和致死剂量分别为100 kR(838 Gy)和200 kR(1 776 Gy)，比本研究所得的临界剂量要低。朱国立[8]通过分析不同辐射剂量处理下的出苗率，认为蓖麻干种子的半致死剂量和临界剂量分别只有22.78 kR(190.90 Gy)和26.42 kR(221.40 Gy)，与本研究结果和浙江省农业科学院作物所原子能利用研究室的研究结果都差异较大，这可能与本实验中所采用的剂量率比前人的要高，辐照时间短有关。用60Coγ射线照射甘蓝型油菜干种子，以低剂量率照射时，较低剂量(335.2～419 Gy)已有明显效果，而以高剂量率照射时，高剂量(670.4 Gy)才有效果[13]。本实验中所用剂量率高，为10 Gy/min，得出的半致死剂量和临界剂量明显高于前人低剂量率照射所得结果，与油菜辐射研究结果[13]相一致，进一步说明不同剂量率照射下，同物种的适宜剂量有所不同，低剂量率的适宜剂量比高剂量率的适宜剂量要低。此外，还有分别采用80～90 Gy，300 Gy，500 Gy和1 500 Gy剂量进行蓖麻干种子辐射诱变的报道[6]。虽然同为蓖麻干种子，但其辐射诱变所选用的剂量则有所不同，这可能与辐射的剂量率不同有关，还可能与研究者们各自诱变处理的品种不同，辐射敏感性不同有关，有待于进一步研究证实。

大量研究表明，诱变可引起植物体内活性氧含量增加，进而导致抗氧化酶活性及MDA含量等生理指标发生变化[14～16]。植物组织在逆境条件下或衰老时，往往会发生膜脂过氧化。丙二醛(MDA)是其产物之一，是膜脂过氧化程度的标志，其含量高低可间接反映膜系统受损程度以及植物受伤害的程度，通过测定MDA的积累量可衡量膜脂过氧化程度[17～19]。本研究中生理指标测定分析结果说明，在1 000 Gy以下剂量范围内，膜脂过氧化增强，细胞内活性氧等有害物质含量增加，进而可能刺激幼苗体内MDA含量的逐渐增加及保护酶活性升高，修复辐射对细胞产生的损伤；但随辐射剂量的不断加大，有害物质过多生成积累，对细胞内原有正常的保护反应和原保护性酶系统产生的干扰及破坏作用不断加剧，导致脂膜过氧化反应和酶代谢紊乱，使得MDA含量和保护酶活性达到一定峰值后开始逐渐下降。本研究中，抗氧化酶活性峰值出现在1 000 Gy剂量左右，与种子萌发率、生长情况的表现及预测的半致死剂量较为一致。张金彪[20]认为抗氧化酶的活性存在一个阈值，SOD，POD等保护酶对膜系统的保护作用是有一定限度的；金梦阳等人[21]也认为当辐射强度增大到一定程度时，续随子内的保护酶系统也表现出不同程度的紊乱，从而保护酶活性随辐射剂量的增加表现出先增后降趋势，与本研究结果较为一致。本研究所测生理指标较好地反映了蓖麻的辐射诱变效应。

4 结 论

(1) 在高剂量率(10 Gy/min)200～1 500 Gy剂量照射条件下：a)蓖麻种子发芽势、发芽率及田间出苗率随辐射剂量的增加而下降，但对种子的最终发芽率影响不显著，对田间出苗率则存在极显著影响；b)对萌发根长和幼苗高度的影响极其显著，胚根随辐射剂量的增加而缩短变粗，在1 000 Gy以上剂量时，幼苗高度受到明显抑制，甚至不成苗；c)MDA含量、SOD活性及POD活性随剂量的增加都呈先升后降趋势，在1 000 Gy左右出现最高峰值。

(2) 回归分析得出高剂量率辐照条件下(10 Gy/min)的半致死剂量(LD50)和临界剂量(LD40)分别为1 048.83 Gy和1 134.21 Gy，结合田间实际出苗、种子萌发及幼苗生长情况，初步认为：10 Gy/min高剂量率辐照条件下，以900 Gy左右(大于800 Gy，小于1 000 Gy)剂量较为适宜。

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Effectsof60Coγ-raysIrradiationonSeedGrowthandPhysiologicalIndexesofCastorBean

TANMei-lian，WANGLei，YANMing-fang，WANGLi-jun，YANXing-chu*

(Oil Crops Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Biologyand Genetic Improvement of Oil Crops, Ministry of Agriculture, Wuhan, Hubei 430062, China)

The seeds of castor bean were used to investigate the effects of different doses of60Co γ-rays irradiation (200～1 500 Gy) with 10 Gy/min high irradiation rate on seed germination, seedling emergence, seedling growth and physiological characteristics. The results showed that there were no obvious discrepancies in the last seed germination rate among the eight different dosages, however, the percentage of seedling emergence, radicle length and seedling height were significantly influenced by irradiation dosage. When the irradiation dosage was above 1 000 Gy, the growth of seeds and seedlings were distinctly suppressed, radicle became short and thick, seedling height decreased markedly, and the rate of seedling emergence also dramatically reduced. With the gradual enhancement of irradiation dosage, the content of malondialdehyde (MDA), the activities of superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) were increased at first, and then declined, and the largest value was presented at the 1 000 Gy irradiation. The regression analysis between the seedling emergence rate and the irradiation dosage showed that the half lethal dosage (LD50) and the critical dosage (LD40) were 1 048.83 Gy and 1 134.21 Gy respectively. Combining with the consideration of seed germination, seedling growth and factual seedling emergence, the appropriate dosage of60Co γ-rays irradiation-induced mutation for ‘Zibi5’ castor bean seeds was about 900 Gy (more than 800 Gy and less than 1 000 Gy) with 10 Gy/min irradiation rate.

Castor bean; Irradiation-induced mutation; Germination percent; Physiological index; Half lethal dosage

2011-10-08

谭美莲(1979-)，女，湖南宜章人，助理研究员，主要从事特种油料种质资源与遗传育种研究。*通讯作者，Email:yanxc@oilcrops.cn。

农业部公益性行业(农业)科研专项(201003057)；国家自然科学基金(31000726)；中国农科院油料所所长基金(1610172011009)。

S565.603.52

A

1001-5280(2012)01--05

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.01.