60Co-γ辐射对白刺花幼苗生理的影响

李凤涛， 赵丽丽*， 王普昶， 陈 超， 吴小丽

(1.贵州大学 动物科学学院 草业科学系， 贵州 贵阳 550025； 2.贵州省草业研究所， 贵州 贵阳 550006)



60Co-γ辐射对白刺花幼苗生理的影响

李凤涛1， 赵丽丽1*， 王普昶2， 陈 超1， 吴小丽1

(1.贵州大学 动物科学学院 草业科学系， 贵州 贵阳 550025； 2.贵州省草业研究所， 贵州 贵阳 550006)

为白刺花新品种的培育提供理论依据，通过设置不同辐照剂量处理，以经辐照处理的白刺花种子培养的幼苗为研究对象，测定60Co-γ辐射白刺花幼苗的相关生理指标，采用主成分分析和隶属函数分析法综合评价60Co-γ射线对白刺花幼苗的诱变效果。结果表明：随着辐射剂量的增加，白刺花的叶绿素、MDA、可溶性糖和可溶性蛋白含量以及POD活性呈先升高后降低变化趋势，SOD活性和脯氨酸含量则随着辐射剂量增加而逐渐升高。不同辐照剂量均可促进白刺花幼苗的光合作用，60 kR时，MDA含量达59.42 μmol/g，显著高于其他处理；100 kR和120 kR时，POD/SOD活性分别达峰值，为596.92 U/(g·min)和178.04 U/g FW；100 kR时，白刺花幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量最高；120 kR时，脯氨酸含量最高。经主成分分析和隶属函数法对辐射白刺花生理指标进行综合评价，不同辐射剂量对白刺花生理指标的综合排序依次为120 kR>100 kR>80 kR>140 kR>60 kR>40 kR>20 kR>0 kR，以80 kR、100 kR和120 kR为较佳辐射剂量。

白刺花； 辐射； 生理； 主成分分析

白刺花(Sophoraviciifolia)又名狼牙刺，属豆科蝶形花亚科槐属，多年生有刺小灌木，广泛分布于西北、华北、华东和西南地区。具有突出的耐干旱、耐贫瘠、耐火烧、耐践踏等特性，其根深，萌蘖能力强，并具有较强的生物固氮能力，是水土保持、植被恢复、改良土壤以及绿化造林的先锋树种[1-3]。其茎、叶、果和种子都含有可药用的苦参碱、槐果碱和苦豆碱等多种生物碱[4]。但近10多年来，随着生境的退化，白刺花生长与生存面临较大的威胁，开花及结实量较大，但幼苗稀少，种群更新缺乏[5]。因此，如何拓宽白刺花的遗传基础，创新白刺花种质资源，并选育新品种，显得十分重要。

与常规育种相比，辐射诱变育种既能诱发基因突变，又能促进遗传基因重新组合，提高重组率，在短时间内获得优良突变体以育成新品种直接利用或作为种质资源间接利用，具有杂交育种难以替代的作用[6]。根据FAOPIAEA突变品种数据库统计，截止2009年9月，世界上60多个国家在170多种植物上利用诱发突变技术育成和推广突变品种3 088个，其中中国在45种植物上育成了802个突变品种，超过目前国际诱变育成品种数据库中总数的1/4，位居世界第一[7]。在牧草方面，诱变育种工作起步较晚，但取得了一定成果，辐照材料主要有苜蓿、三叶草、高羊茅、苏丹草、柱花草和狗牙根等[8]。

目前，诱变育种存在的主要问题是有益突变频率仍然较低，变异的方向和性质尚难控制。诱变剂量的选择对于诱变育种尤为重要，只有适宜的辐射剂量才能获得有效的诱变。试验采用不同剂量60Co-γ射线辐照白刺花种子，以经辐照后种子培养的幼苗为研究对象，研究各辐射梯度下幼苗抗氧化酶活性、渗透调节物质等情况，探讨辐射对白刺花幼苗生理特性的影响，并通过主成分和隶属函数进行综合评价，以期提出诱导白刺花变异的最佳辐射剂量，为白刺花新品种的培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

白刺花种子，采自贵州省水城县(E104°44′13″，N26°17′08″，H 1 140 m)。

1.2 种子处理

将白刺花干种子置于装有水和甘油(1∶1)的干燥器内平衡水分至13%后，将种子取出放入硫酸纸袋中交由贵州省金农辐照科技有限责任公司进行照射。

1.360Co-γ射线辐射剂量设置

用60Co-γ射线辐射，辐射剂量设0(对照)、20 kR、40 kR、60 kR、80 kR、100 kR、120 kR和140 kR，剂量率为110 R/min，每个处理重复3次。

1.4 幼苗培养

种植前先将种子用温水浸泡6 h，将辐射和对照种子播种于由河沙、蛭石、腐殖质土按1∶1∶1比例混合的花盆中，置于贵州大学草业科学系温室内。待幼苗出土后移栽至贵州大学动物科学院试验地，并进行日常田间管理。

1.5 生理生化指标测定

在白刺花幼苗期采集不同辐射处理的幼苗叶片，每个处理重复3次，用蒸馏水清洗，滤纸吸干水分。各指标测定参照文献[9-11]的方法进行。叶绿素和类胡萝卜素含量采用乙醇提取法，丙二醛含量(MDA)测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法，过氧化物酶活性(POD)测定采用愈创木酚法，超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑(NBT)光还原法，可溶性糖含量测定采用蒽酮法，可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定，脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取法。

1.6 主成分分析

将不同辐射处理后得到的指标，采用软件SPSS 17.0进行主成分分析，根据得到的特征根和每个主成分的贡献率和累积贡献率选择主成分，只提取特征根大于1的主成分，建立主成分方程。

1.7 模糊数学隶属函数分析

主成分分析结果中各特征值大小代表各综合指标对方差贡献的大小，特征向量表示各性状对综合指标的贡献大小。选择第一主成分中特征向量较大指标，参照文献[12]的方法采用隶属函数值与反隶属函数值计算后对数据进行分析，综合评价不同辐射剂量对白刺花生理的影响。

隶属函数值计算公式：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

反隶属函数值计算公式：

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，Xi为指标测定值；Xmin、Xmax为所有参试材料某一指标的最小和最大值。

1.8 数据处理与分析

数据处理采用SPSS17.0和EXCEL等分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 辐射对白刺花生理指标的影响

2.1.1 叶绿素 从表1看出，白刺花苗期叶绿素含量都随着辐射剂量的增加呈先升高后降低的变化趋势，其中，类胡萝卜素含量各处理间差异不显著，其余指标处理间均存在显著差异。在100 kR、120 kR和140 kR辐射剂量下，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的含量较高，显著高于对照。在辐射剂量为100 kR时，叶绿素a含量最高，达2.13 mg/g，是对照的1.36倍；辐射剂量为120 kR时，叶绿素b和总叶绿素含量最高，分别为0.64 mg/g和2.75 mg/g，分别是对照的1.42倍和1.37倍。

表1 不同处理白刺花的叶绿素含量

注：表中同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P>0.05)(下同)。

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference at 0.05 level. The same lowercase letters in the same column indicate no significance of difference (P>0.05).The same below.

2.1.2 MDA含量及POD/SOD活性 从表2可知，MDA含量和POD活性均随辐射剂量的加大呈先升高后降低的趋势，SOD活性则随辐射剂量的增加呈逐渐升高的变化趋势。60 kR处理，MDA含量最高，达59.42 μmol/g，是对照的2.06倍，显著高于其他辐射剂量处理；其次是80 kR，MDA含量为52.24 μmol/g；对照的MDA含量最低，显著低于其他辐射剂量处理。说明，60 kR剂量下白刺花幼苗受辐射胁迫活性氧伤害程度最大。POD含量和SOD活性分别在100 kR和120 kR时出现峰值，分别为596.92 U/(g·min)和178.04 U/g FW，较好地反映了不同辐射强度对植物保护酶活性的影响情况。在100 kR辐照下，POD活性与对照差异显著，为对照的1.34倍。

表2 不同辐射剂量处理白刺花的MDA含量和 POD/SOD活性变化

Table 2 MDA content, POD and SOD activity ofS.viciifoliawith different irradiation dosage

辐射剂量/kRIrradiationdosageMDA/(μmol/g)POD/[U/(g·min)]SOD/(U/gFW)028.88±4.13f446.84±35.10b103.42±6.09a2044.22±0.76cd473.32±9.33ab110.65±12.77a4048.97±4.90bc495.74±28.57ab137.46±18.59a6059.42±5.16a520.97±12.69ab145.49±13.08a8052.24±3.38b553.77±20.23ab154.01±14.06a10034.64±0.77e596.92±47.47a139.96±14.48a12037.83±0.45de574.96±24.40a178.04±22.70a14037.94±1.66de501.78±17.19ab167.32±26.97a

2.1.3 渗透调节物质 从表3看出，在辐射剂量≤100 kR前，白刺花幼苗的可溶性糖含量随辐射剂量的增加呈上升趋势；在辐射剂量>100 kR后，白刺花幼苗的可溶性糖含量随着辐射剂量的增加呈下降趋势。80 kR、100 kR和120 kR处理可溶性糖含量较高，分别为26.92 μg/mg、28.55 μg/mg和27.65 μg/mg，分别是对照的1.24、1.31和1.27倍，但这3个辐射剂量之间差异不显著，除20 kR和140 kR处理，其余辐射剂量处理间均与对照差异显著。不同处理可溶性蛋白含量随着辐射剂量增加，呈先升高后降低的变化趋势，其中100 kR处理可溶性蛋白含量最高，达23.36 mg/g，是对照的1.63倍，100 kR和120 kR与其余处理间差异显著，对照可溶性蛋白含量最低，对照除与140 kR处理差异不显著外，与其他处理间差异显著。说明辐射处理对可溶性糖和可溶性蛋白有显著影响。脯氨酸含量随着辐射剂量的加大一直升高，当辐照剂量达120 kR时，脯氨酸含量达最大值，对辐照造成伤害的保护能力达到最大。

表3 不同处理白刺花渗透调节物质的含量变化

Table 3 Soluble sugar, soluble protein and proline content ofS.Viciifoliawith different irradiation dosage

辐射剂量/kRIrradiationdosage可溶性糖/(μg/mg)Solublesugar可溶性蛋白/(mg/g)Solubleprotein脯氨酸/(μg/g)Proline021.74±0.16de14.35±1.03f54.25±6.40a2023.02±0.72cd16.16±0.16de59.61±6.14a4023.66±0.36c17.50±1.38cd59.80±0.10a6025.76±0.76b18.54±0.23bc64.14±1.15a8026.92±0.03ab19.92±0.06b68.37±4.09a10028.55±0.54a23.36±0.94a69.51±0.09a12027.65±0.31a22.97±1.47a70.76±5.64a14020.16±2.26e15.54±0.33ef68.11±2.62a

2.2 辐射处理白刺花生理指标的综合分析

2.2.1 主成分分析 从表4可知，前7项主成分的累计贡献率达100%，就把原来的10个单项指标变成了7个新的相互独立的综合指标。前3个主成分的贡献率分别为75.262%、13.045%和10.143%，累计贡献率达98.451%。表明，前3个主成分已将8个白刺花辐射处理的10个生理指标98.451%的信息反映出来。因此，可以选择前3个主成分作为辐射白刺花生理评价的综合指标。

表4 辐射处理白刺花生理指标的主成分分析

Table 4 Principal components analysis of physiological indexes ofS.Viciifoliaunder irradiation treatment

主成分Principalcomponents特征值Eigenvalue贡献率/%Contributionrate累计贡献率/%Accumulativecontributionrate第一7.56275.26275.262第二1.30513.04588.308第三1.01410.14398.451第四0.1121.12199.572第五0.0210.20999.781第六0.0170.16899.949第七0.0050.051100.000

以y1，y2，y3分别代表1～3主成分，x1～x10分别表示10个生理指标，以各特征向量为系数，组成3个主成分方程：

y1=0.355x1+0.341x2+0.351x3+0.355x4-0.025x5+0.351x6+0.295x7+0.265x8+0.326x9+0.351x10

y2=-0.177x1-0.211x2-0.131x3-0.181x4+0.762x5+0.173x6-0.039x7+0.452x8+0.242x9+0x10

y3=0.010x1+0.247x2-0.197x3+0.072x4+0.484x5-0.161x6+0.527x7-0.438x8-0.333x9+0.234x10

表5 不同辐射处理白刺花的隶属值综合评定

Table 5 Comprehensive evaluation of subordinate function value ofS.Viciifoliaunder irradiation treatment

生理指标Physicalindexes辐射剂量/kR020406080100120140叶绿素aChlorophylla0.00000.08640.13540.30680.69031.00000.98350.7136叶绿素bChlorophyllb0.00000.16020.32590.36450.72950.89601.00000.9769类胡萝卜素Carotenoid0.00000.03030.05910.22690.43811.00000.98570.4292总叶绿素Totalchlorophyll0.00000.11160.18630.32550.70900.98561.00000.7905POD0.00000.17640.32580.49390.71251.00000.85370.3661脯氨酸Proline0.00000.32480.33610.59910.85510.92461.00000.8399平均值Mean0.00000.14830.22810.38610.68910.96770.97050.6860综合排序Comprehensiverank87653214

经主成分分析，第一主成分对应较大的特征向量有叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素、POD和脯氨酸，第二主成分对应较大的特征向量有MDA和可溶性糖，第三主成分对应较大的特征向量有SOD和可溶性蛋白质。

2.2.2 隶属函数分析 根据主成分分析结果，选择第一主成分中特征向量较大的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素、POD和脯氨酸6个指标进行隶属函数分析，根据隶属函数平均值的大小，不同辐射剂量对白刺花生理指标影响的综合排序依次为120 kR>100 kR>80 kR>140 kR>60 kR>40 kR>20 kR>0 kR(表5)。

3 结论与讨论

1)在正常生理条件下，植物体内活性氧自由基处于不断产生和清除的动态平衡之中，而一旦遭受盐、干旱和冻害等逆境胁迫，活性氧的清除系统受到破坏，造成植物体内活性氧自由基增多，启动膜脂中不饱和脂肪酸的过氧化，进而破坏细胞膜和细胞器[13]。辐射诱变可以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。丙二醛(MDA)是活性氧启动膜脂过氧化过程的主要产物之一，其含量高低是用来衡量植物在逆境胁迫下活性氧伤害程度大小的常用指标[14]。研究结果表明，不同辐射剂量处理。MDA含量均与对照差异显著，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含量逐渐增加及保护酶活性升高，修复辐射对细胞产生的损伤；POD/SOD活性分别在100 kR和120 kR时达峰值，辐射强度增大到一定程度时，植物体内的保护酶系统也表现出不同程度的紊乱，使得保护酶活性随辐射剂量的增加呈先增后降的趋势[15]。谭美莲等用60Co伽马射线照射苏子，幼苗的MDA含量、SOD活性及POD活性均随辐照剂量的增加而不断上升[16]。

2)植物体内可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸的含量与植物的抗逆性有关，逆境条件下会主动积累这些物质，以适应外界环境的变化，同时对植物起着有效的保护作用[17]。可溶性蛋白是植物对水分适应的重要调节物质，植物在遭受水分胁迫时，体内总蛋白质的合成速率下降，原有的一些蛋白质的合成受到抑制。可溶性糖作为渗透保护物质，可提高细胞液的浓度，降低细胞质的冰点，从而减小辐射处理对细胞的损伤[18]。植物在正常生长条件下，游离脯氨酸含量很低，但是遇到各种逆境时，游离脯氨酸便会大量积累，其含量的提高也是在逆境条件下植物的自卫反应之一[19]。王瑞静等[20]对杨树种子进行60Co-γ辐射结果表明，随着辐射剂量的增加，叶片中的可溶性蛋白呈先升后降的趋势。本研究中辐射剂量为100 kR时，白刺花幼苗可溶性糖和可溶性蛋白达最大值，表明该辐照对白刺花的修复达到了极值，超过该辐照剂量，对损伤的修复能力减弱；脯氨酸含量随着辐射剂量的加大呈上升趋势，当辐照剂量达120 kR时，脯氨酸含量达最大值，对辐照造成伤害的保护能力达到最大。

3) 主成分特征根和贡献率是选择主成分的依据，如果主成分分析中所提取主成分的特征值能达到70%以上的贡献率，就可以用这几个主成分对事物的属性进行概括性分析，基本可以得出影响事物性质的主要因素[15]。试验结果表明，主成分分析将10个生理指标转换成7个新的相互独立的综合指标，累计贡献率达100%。按照累计贡献率大于70%的原则，选取前3个主成分，累计贡献率已达98.451%。其中，第一主成分对应较大的特征向量有叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素、POD和脯氨酸，第二主成分对应较大的特征向量有MDA和可溶性糖，第三主成分对应较大的特征向量有SOD和可溶性蛋白质。因此，在选育白刺花品种时，应在第一主成分选择的基础上考虑第二和第三主成分指标。主成分分析法和隶属函数分析法相结合，既能通过各指标的内在联系找出重要指标，把现有的多个指标优化成新的彼此独立的综合指标，又能避免单一指标的片面性，在多指标的基础上进行综合评价[22]。本试验中，采用主成分分析法和隶属函数法对辐射白刺花生理指标进行综合评价，不同辐射剂量对白刺花生理指标的综合排序依次为120 kR>100 kR>80 kR>140 kR>60kR>40kR>20kR>0kR。因此，在对白刺花进行辐射剂量选择时，以80 kR、100 kR和120 kR为较佳辐射剂量。

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(责任编辑： 杨 林)

Effect of60Co-γ Irradiation on Physiological Characteristics ofSophoraviciifoliaSeedlings

LI Fengtao1， ZHAO Lili1*， WANG Puchang2， CHEN Chao1， WU Xiaoli1

(1.CollegeofAnimalSciences,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025; 2.GuizhouPrataculturalInstitute,Guiyang,Guizhou550006,China)

The relative physiological indexes of seedlings fromS.viciifoliaseeds irradiated by different dosage of60Co-γ treatment and the mutation effect ofS.viciifoliaseedlings was comprehensively evaluated by principal component analysis (PCA) and membership function analysis to provide the theoretical basis for breeding ofS.viciifoliavariety. The results show that chlorophyll, MDA, soluble sugar and soluble protein content and POD activity ofS.viciifoliaseedlings both represent a first rising and then decline trend with increase of irradiation dosage but the SOD activity and proline content gradually increase with increase of irradiation dosage. The different irradiation treatment can improve photosynthesis ofS.viciifoliaseedlings. MDA content of seedlings ofS.viciifoliaseeds treated with 60 kR is up to 59.42 μmol/g, significantly higher than other treatments. The POD and SOD activity of seedlings ofS.viciifoliaseeds treated with 100 kR and 120 kR reaches 596.92 U/(g·min) and 178.04 U/g FW respectively.The soluble sugar and soluble protein content of seedlings ofS.viciifoliaseeds treated with 100 kR is the maximum. The proline content of seedlings ofS.viciifoliaseeds treated with 120 kR is seedlings’ physiological indexes affected by irradiation dosage is 120 kR>100 kR>80 kR>140 kR>60 kR>40 kR>20 kR>0 kR and the optimum irradiation dosage forS.viciifoliaseeds is 80 kR, 100 kR and 120 kR.

Sophoraviciifolia; irradiation; physiology; principal component analysis (PCA)

2014-11-17； 2015-05-09修回

贵州省科教青年英才培育工程项目“贵州白刺花种群遗传变异及指纹图谱构建”[黔省专合字(2012)142]；贵州省农业公关项目“灌丛草地改良及配套养羊关键技术研究与示范”[黔科合NY字(2010)3049]；贵州省县市科技局项目“黔西南州草地优化利用关键技术集成与示范”[黔西南科合字(2011)8]；贵州大学教改项目“《牧草及草坪草育种学》教学模式研究与实践”(JG2013067)

李凤涛(1989-)，女，在读硕士，研究方向：从事草地生态与管理。E-mail:lft23520@163.com

*通讯作者：赵丽丽(1981-)，女，副教授，博士，从事牧草种质资源及育种研究。E-mail:zhaolili_0508@163.com

1001-3601(2015)05-0243-0083-05

S157.4+33

A