高剂量60Co-γ射线辐照对谷稗种子活力及 早期幼苗生长的影响

李 波， 马 赫， 张晓雪， 赵 瑞， 丑纯凤， 孙 野

(齐齐哈尔大学生命科学与农林学院， 黑龙江 齐齐哈尔 161006)

辐射诱变育种是获得新品种及新种质资源的一条有效途径。将辐射诱变育种与其他育种方式如杂交育种等结合，可以充分发挥其突变率高、后代性状稳定等特点。在辐射诱变中人们常常采用γ射线进行辐照，60Co-γ和137Cs-γ射线又是其中最常用的两种辐射源[1-2]，选择合适的辐射剂量是辐射诱变育种成功的关键因素之一[3-4]。辐射诱变育种在我国牧草育种特别是沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)、苜蓿(MedicagosativaL.)中广泛应用[5]，但在谷稗新品种选育中应用较少。

谷稗(Echinochloacrusgalli)是一种一年生的禾本科牧草，其适应性较强，生长快，是一种产量高、适口性好的优良饲料。其穗形似谷子，实为稗属植物。其在盐碱及干旱条件下也可生长，因此又被称为“碱稗”或“旱稗”。谷稗干草、籽实的粗蛋白、粗脂肪及维生素都高于其他禾谷类植物[6-7]。虽然谷稗在畜牧业应用较多，但对其进行种质资源更新的研究甚少，导致谷稗品种单一，种质资源遗传基础狭窄，因此，如何拓宽谷稗遗传基础，创新谷稗种质资源，并采用多途径和多种方法选育新品种，显得十分重要。本试验采用不同剂量60Co-γ射线辐照谷稗干种子，对辐照后种子的萌发、芽苗生长和根系活力等进行了探讨研究，以期为谷稗辐射诱变育种提供科学依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

谷稗种子为‘朝牧1号’，由黑龙江省畜牧研究所提供。‘朝牧1号’谷稗具有适应性广、抗逆性强、生长健壮、整齐一致、粮草兼收双高产、草饲兼用双优质等特点。

1.2 试验方法

1.2.160Co-γ射线辐照 以中国农业科学院原子能利用研究所的60Co-γ射线为辐射源，于2016年5月进行谷稗干种子辐射处理，辐照剂量分别为0，200，250，300，350，400和450 Gy，剂量率15 Gy·min-1，每个处理100 g种子，以未辐照的种子为对照。

1.2.2发芽试验 选取各辐射处理和对照的种子各50粒，用35℃蒸馏水浸泡2 h，置入铺有两层滤纸的发芽盒中，25℃恒温培养箱中培养，以胚芽长度大于2 mm即视为发芽，每天观察其发芽个数以计算发芽势和发芽率，共观测7 d。以3 d 发芽种子数计算发芽势，以7 d 发芽种子个数计算发芽率。取发芽后第7 d具代表性的芽苗20株，用游标卡尺分别测量其芽长、根长。选取芽苗10株，测其鲜重和干重。各指标均重复3次。

发芽率(GR) ( %) =第7 d发芽种子数/供试种子数×100%；发芽势(GE) ( %) =3 d内发芽种子数/供试种子数×100%；发芽指数(GI) =ΣGt/Dt ( Gt指时间t的发芽数，Dt指相应的发芽天数)；活力指数(VI) =S×ΣGt/Dt( S 指芽苗的根长)。

1.2.3根系活力测定 取芽苗幼根进行芽苗根系活力测定，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[8-9]，重复3次。

1.2.4出苗率与成苗率调查 选取辐射处理和对照的种子各15粒，用35℃蒸馏水浸泡2 h，播于装有2：1的营养土与珍珠岩混合育苗钵中，置于温室。播后7 d统计种子的出苗率，21 d统计幼苗的存活率即为种子的成苗率，重复测定3次。

出苗率(%)=出苗数/播种种子总数×100%

成苗率(%)=成苗数/播种种子总数×100%

根据谷稗在不同剂量下的成苗率，拟合直线回归方程Y=a+bX，导出成苗率为 50%(LD50)时所对应的辐射剂量，以此确定谷稗种子辐照的最佳剂量范围。

1.3 数据分析

使用SPSS 16.0统计分析软件进行差异显著性分析，图表绘制使用Excel 2010软件。

2 结果分析

2.1 不同剂量60Co-γ射线辐射对谷稗种子萌发的影响

60Co-γ射线辐射处理后，其发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数的变化如表1所示，随着辐射剂量的增加，种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数呈先增高后降低的变化趋势。谷稗种子发芽率比较低，经200～250 Gy剂量辐射虽能提高种子发芽率，但对发芽率提高影响不大，辐射剂量在300～350 Gy时，显著促进种子发芽率，与对照相比差异显著(P<0.05)，辐射剂量为350 Gy时达最高，比对照增加了14.99%。在200～450 Gy辐射剂量范围内种子的发芽势和发芽指数均高于对照，且在250 Gy时发芽势和发芽指数达最高，比对照分别增加了63.88%和76.20%，与对照相比差异显著(P<0.05)。活力指数的变化除350，400和450 Gy辐射剂量外均高于对照组，在200 Gy时达最高，比对照增加了32.24%，与对照相比差异显著(P<0.05)。辐射处理对谷稗种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数产生不同的影响，250～350 Gy剂量可促进其种子萌发。

表1 60Co-γ射线辐照对谷稗种子萌发的影响Table1 Effects of 60Co-γ irradiation on seed germination of Echinochloa crusgalli

注:同列不同小写字母表示显著差异(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level, the same as below

2.2 不同剂量60Co-γ射线辐射对谷稗芽苗生长的影响

60Co-γ射线辐射处理后，种子的芽苗生长状况如图1所示，对种子芽苗的根长和芽长的影响如表2所示，根长和芽苗高度均随辐射剂量增加而减少，450 Gy辐射剂量下根长和芽长均降低的最多。不同剂量辐照处理根长与对照相比分别降低了19.38%，39.15%，43.77%，55.69%，60.02%和65.31%，所有处理组与对照组相比均差异显著(P<0.05)。芽长与对照相比分别降低了13.27%，29.51%，36.55%，42.53%，44.63%和50.51%，所有处理组与对照相比均差异显著(P<0.05)，辐射对芽苗根的抑制作用大于芽长。

60Co-γ射线辐射处理对种子芽苗鲜重、干重的影响如表2所示，芽苗鲜重除200 Gy辐射剂量比对照略有增加外，其他剂量处理下均低于对照组，其他处理组芽苗鲜重与对照相比分别降低了25.46%，33.23 %，33.19 %，34.01%，34.49 %，除200 Gy剂量外，其余辐射剂量组与对照组比较差异显著(P<0.05)，450 Gy辐射剂量鲜重降低的最多。干重随着辐射剂量增加而降低，其他处理组与对照组相比分别降低了8.93%，11.72%，14.06%，15.18%，14.58%和34.36 %，与对照相比均差异显著(P<0.05)，450 Gy辐射剂量干重降低的最多，辐射处理对芽苗鲜重的影响大于对干重的影响。

图1 60Co-γ射线辐照后谷稗种子的芽苗Fig.1 The seedling of Echino chloacrusgalli seeds under 60Co-γ irradiation

表2 60Co-γ射线辐照对谷稗种子芽苗生长的影响Table2 Effects of seedling growth of Echinochloa crusgalli under 60Co-γ irradiation

辐射剂量Radiation dose/Gy鲜重Fresh weight/mg干重Dry weight/mg根长Root length/cm芽苗高度Seeding height/cm0313.57±10.90ab38.40±1.01a48.00±7.92a76.34±9.15a200314.83±8.89a34.97±0.64b38.70±2.92b66.21±1.88b250233.73±4.51b33.90±0.53b29.21±2.13c53.81±3.93c300209.37±9.38c33.00±0.62c26.99±0.92d48.44±1.98c350209.50±3.97c32.57±0.93cd21.27±2.16d43.87±1.23d400206.93±3.30c32.80±1.47cd19.19±2.99d42.27±4.58d450205.43±6.34c25.20±1.30d16.65±2.29d37.78±1.98d

2.3 不同剂量60Co-γ射线辐射对谷稗种子芽苗根系活力的影响

60Co-γ射线辐射处理芽苗的根系活力的变化如图2所示。根系活力随辐射剂量增加而呈现先增加后降低的变化趋势，且在250 Gy辐射剂量时根系活力最高，450 Gy辐射剂量根系活力最低。200～300 Gy辐射剂量根系活力分别比对照增加了36.56%，58.81%和18.26%，350～450 Gy辐射剂量根系活力分别比对照降低了19.63%，41.84%和66.65%。

图2 60Co-γ辐照对谷稗芽苗根系活力的影响Fig.2 Effect of 60Co-γ radiation on root activity of seedling of Echinochloa crusgalli

2.4 60Co-γ射线辐射对谷稗种子出苗率和成苗率的影响

60Co-γ射线辐射处理对谷稗种子出苗率和成苗率的影响如表3所示。种子出苗率随辐射剂量增加呈先增加后降低的变化趋势，且在300 Gy时出苗率最高，辐射处理提高了谷稗种子出苗率，但降低了幼苗的成苗率，不同剂量辐射处理下谷稗种子幼苗的成苗率均低于50%，说明200 Gy以上辐射剂量对谷稗种子的成苗产生了极大的影响。

在不同辐射剂量中，谷稗种子成苗率半致死剂量常被认为是辐射诱变率最高的剂量，并能获得可利用的诱变体，因此常采用半致死剂量作为植物辐射的最佳剂量[10-13]。根据谷稗种子在不同辐射剂量下的成苗率(表3)，建立辐射剂量(X)对成苗率(Y)的回归方程，成苗率Y=-0.1136X+59.58(R2=0.98641)，半致死剂量是84.33 Gy。

表3 60Co-γ射线辐照对谷稗出苗率和成苗率的影响Table 3 Effects of 60Co-γ irradiation on germination ratio and survival rate of Echinochloa crusgalli

3 讨论

适宜的辐射剂量可增加有效突变体的获得，在一定范围内增加辐射剂量可以拓宽突变谱，但过高的辐射剂量会降低出芽率、增加畸变率，一般都以半致死剂量作为辐射育种适宜的辐射剂量[10-13]。但哪种辐射剂量能够获得最多的有益突变暂无定论[14]。韩贵清[6]等人的研究认为30 Gy的辐照即对谷稗有正向作用，而本试验采用高剂量(200～450 Gy)辐照谷稗种子，综合分析发现，200～250 Gy剂量辐照对于谷稗也有一定的正向作用。本研究中，谷稗的干种子发芽率比较低，但在辐照后发芽情况有一定增加，其原因可能是辐射对种子萌发的生理活动产生了一定的促进作用。从试验结果来看，辐射处理对谷稗种子发芽具有一定的促进作用，随着辐射剂量的增加，种子活力受到的抑制作用也增强，并且表现出辐射剂量越大，抑制作用越明显，种子活力越低的变化趋势，这与耿兴敏[15]等人研究60Co-γ辐射对桂花种子萌发的影响的结果基本一致。

根的生长情况和活力水平直接影响地上部的生长和营养状况及产量水平。根系活力是衡量根系功能的主要指标之一[16-17]。试验发现200～300 Gy60Co-γ射线辐射处理对种子芽苗根系活力有促进作用。

随着辐射剂量的增加，辐射处理对谷稗种子芽苗的生长产生明显的抑制作用，导致种子芽苗的根长和芽长显著降低，鲜重和干重也出现降低的变化趋势，原因可能与60Co-γ射线在辐照时破坏了部分种胚有关，而种胚受损可能会导致细胞生长和增殖受阻，进而影响种子的生理活动[15-16]，也有可能是因为辐射能量的堆积导致根尖及芽尖分生区细胞分裂受到抑制，并且这种抑制随芽苗生长而不断显现，最终导致幼苗生长困难甚至不能成苗[12]。而出苗率与成苗率试验也证明了这一点，各个辐射剂量处理的种子在出苗第一周均能正常生长，但在第二周后均出现芽苗不同数量的死亡，表现为由芽尖开始自上而下的萎蔫直至死亡，而无辐射处理组则可以正常生长。结合对谷稗根系活力的变化研究可以推测由于高剂量的60Co-γ射线对根部生长及根系活力的影响最终导致了出苗与成苗率不符的情况。

从发芽试验和根系活力测定结果来看，250 Gy左右的辐射剂量能有效地诱导谷稗种子发生变异，又不会使种子受到过度损伤而影响萌发和幼苗生长，对幼苗的表现分析，谷稗的适宜辐照剂量应小于250 Gy，根据成苗率试验结果分析，最适宜谷稗的辐射剂量大概在84.33 Gy左右，这需要进一步的探索以确定该剂量是否是一个适合谷稗变异品种筛选的剂量。

4 结论

谷稗种子在200～450 Gy高辐射剂量下，其发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数的变化均随辐射剂量的增加呈现先增加后降低的变化趋势；除200 Gy辐射剂量的芽苗鲜重比对照略有增加外，其他辐射剂量芽苗的根长、芽长、鲜重、干重均低于对照组；根系活力随辐射剂量增加呈现先增加后降低的变化趋势；经辐射处理的谷稗种子在出苗率上有一定的增加，但成苗率均下降。说明高剂量60Co-γ射线辐射对于谷稗种子萌发、芽苗生长、出苗率和成苗率产生不同的影响。