60Co-γ辐射对谷稗幼苗生长和微量元素吸收的影响

李 波， 邬婷婷， 李 红， 张英俊

(1.齐齐哈尔大学生命科学与农林学院， 抗性基因工程与寒地生物多样性保护黑龙江省重点实验室， 黑龙江 齐齐哈尔 161006； 2. 黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院， 黑龙江 齐齐哈尔161005；3. 中国农业大学动物科学技术学院， 北京100193)

60Co-γ射线辐射是目前应用比较广泛的诱变育种方法之一，具有突变率高、育种周期短等特点。辐射可打破基因连锁，使种子受到损伤，萌发过程受阻，辐射剂量越高，畸变效应越明显[1]。铁、锰、锌、硼、镍等多种微量元素，虽然在自然界中含量较低，但对植物的生长发育是必不可少的，过多或过少均会对植物的生长发育造成影响。铁、锰、锌与植物的细胞结构、光合作用、酶的组成以及植株生长发育息息相关。铁、锰、锌元素的缺失会导致植株生长缓慢、矮化、萎蔫，而过多则会导致植物的根系受损，降低植株生物量，光合作用遭到破坏，影响叶绿素的合成，易产生过多的活性氧抑制植株的生长发育。硼是植物生长发育所必须的营养元素，在维持细胞的完整性、植物多个代谢过程有着重要的作用[2]。镍元素参与氢酶的合成，具有调节表达的作用，在植物中与其他营养元素的协调平衡有关[3]。

具有旱稗、碱稗之称的谷稗是一种一年生禾本科牧草，具有抗倒伏、适应性强、产草量高、营养价值丰富等特点[4]。目前对禾本科牧草微量元素的相关报道有很多，包括长穗虎尾草(Chlorlsdolichostachya)、黑麦草(Lolium)、高羊茅(Festucaarundinacea)、狗牙根(Cynodondactylon)和聚合草(SymphytumofficinaleL)等，但对60Co-γ辐射后植物的微量元素含量的研究较少，仅对辐射后的姬松茸(AgaricusbaizeMurill)子实体[5]、苹果(Malum)[6]微量元素有相关报道。本研究探讨不同60Co-γ射线辐照剂量对谷稗种子的幼苗生长状况、矿质元素含量、不同器官间元素间的相关性的影响，旨在为谷稗牧草的进一步研究奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料及辐射处理

供试谷稗种子(朝牧1号)由黑龙江省畜牧研究所提供，中国农业科学院原子能利用研究所进行60Co-γ射线辐射处理，辐射剂量为50，100，150，200和250 Gy，剂量率为15 Gy·min-1，以未辐射的种子为对照。

1.2 方法

1.2.1植株的培养及生长性状的测定 将谷稗种子用9×9的营养钵土培，每钵中均匀撒入籽粒饱满的种子30粒，每个处理各种20钵，待植株培养至45 d时随机取各组30株用直尺测定株高和最长根长度。

1.2.2微量元素含量的测定 将样品根系洗净，根部和茎叶部分开，105 ℃下杀青 15 min，于80 ℃烘干至恒重后粉碎，准确称取 0.100 g样品，置于50 ml小烧杯中，加入浓硝酸10 mL在电热板上100℃低温消解30 min，冷却后再加2 mL 60% 高纯度盐酸，加热使瓶内白烟逐渐消失，在溶液呈无色透明约有1 mL时停止加热，冷却后溶液定容至100 mL。利用电感耦合等离子体质谱法测定茎叶和根部样品中5种微量元素含量。以上每个处理测定重复3次。

1.3 数据处理

采用Excel 2010对数据进行整理，SPSS 21.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 60Co-γ辐射对谷稗幼苗生长的影响

图1显示随着辐射剂量增加，辐射组幼苗最长根长度均高于对照(250 Gy除外)，50～200 Gy幼苗最长根长分别比对照增加了13.33%，9.88%，6.17%和38.52%，仅200 Gy幼苗最长根长与对照比较差异显著(P<0.05)。幼苗地上株高和植株总长均随辐射剂量增加而降低，地上株高与对照比较分别降低了13.83%，33.25%，51.53%，49.12%和74.72%，植株总长与对照比较分别降低了11.18%，29.04%，45.89%，40.55%和68.50%，除50 Gy植株总长外，其余辐射组的地上株高和植株总长与对照比较均差异显著(P<0.05)，说明辐射对谷稗幼苗生长主要通过抑制地上部分生长。

2.2 60Co-γ辐射剂量对谷稗种子的幼苗微量元素影响

2.2.1铁元素 图2a显示随辐射剂量增加，谷稗幼苗茎叶部Fe元素含量呈先增后减趋势，根部Fe元素含量呈增加趋势，250 Gy组略有降低但降低幅度不大，不同器官的Fe元素含量均高于对照。茎叶部和根部Fe元素含量分别在辐射剂量150和200 Gy时最高，比对照增加了252.22%和174.47%，除根部50和100 Gy外，其余辐射组茎叶和根部Fe元素含量均与对照差异显著(P<0.05)。

2.2.2锰元素 图2b显示随辐射剂量增加，谷稗幼苗茎叶部Mn元素含量呈先增后减趋势，根部Mn元素含量整体呈增加趋势，不同器官的Mn元素含量均高于对照。茎叶部和根部Mn元素含量分别在辐射剂量150和200 Gy时最高，比对照增加了329.44%和180.52%，茎叶和根部Mn元素含量均与对照差异显著(P<0.05)。

2.2.3锌元素 图2c显示随辐射剂量增加，谷稗幼苗茎叶部Zn元素含量随呈先增后减趋势，根部Zn元素含量呈降低趋势，不同器官的Zn元素含量均高于对照。茎叶部和根部Zn元素含量在辐射剂量100 Gy时最高，分别比对照增加了364.89%和71.82%，除50 Gy茎叶部外，其余辐射组茎叶部和根部Zn元素含量均与对照差异显著(P<0.05)。

2.2.4硼元素 图2d显示随辐射剂量增加，谷稗幼苗茎叶和根部的B元素含量均呈先增后减趋势，除250 Gy根部B元素含量外，其余辐射组茎叶和根部B元素含量均高于对照。茎叶部和根部B元素含量分别在辐射剂量150 和100 Gy时最高，比对照增加了278.01%和11.64%，辐射组茎叶和根部B元素含量均与对照差异显著(P<0.05)。

2.2.5镍元素 图2e显示随辐射剂量增加，谷稗幼苗茎叶部Ni元素含量呈先增后减的趋势，根部Ni元素含量呈增加趋势，除100 Gy茎叶部外，其余茎叶部Ni元素含量均低于对照，根部Ni元素含量均高于对照。茎叶部100 Gy比对照增加了84.62%；根部Ni元素含量在辐射剂量200时最高，比对照增加了1762.14%，辐射组茎叶和根部Ni元素含量均与对照差异显著(P<0.05)。

图1 60Co-γ辐射谷稗幼苗(培养45 d)生长的影响Fig.1 Effects of 60Co-γ radiation on the growth of Echinochloa crusgalli seedlings (culture 45 d)注：不同小写字母代表同一生长参数不同剂量辐射间在0.05水平上差异显著，下同Note：Different lowercase letters indicate significant difference in the same growth parameter at different dosages of 60Co-γ radiation at the 0.05 level, the same as below

图2 60Co-γ辐射对谷稗幼苗微量元素含量的影响Fig.2 Effect of 60Co-γ radiation on trace element content of Echinochloa crusgalli seedlings注：不同小写字母代表同一谷稗幼苗器官不同辐射间差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant difference in the same organ of Echinochloa crusgalli seedlings at different dose of 60Co-γ radiation at the 0.05 level

2.3 相关性分析

由表1可知，谷稗幼苗的茎叶部Mn与B元素、Fe与Ni元素之间呈极显著正相关(P<0.01)，Zn元素与Fe、Mn、B和Ni元素之间呈显著正相关(P<0.05)；谷稗幼苗的根部Fe元素与Mn和Ni元素、Mn元素与Ni元素之间均呈极显著正相关(P<0.05)，而Fe元素与Zn和B元素、Mn与Zn元素之间呈极显著负相关(P<0.01)，Mn与B元素、Zn与Ni元素之间呈显著负相关(P<0.05)。

表1 谷稗幼苗不同器官微量元素间的相关性Tab.1 Correlation among trace elements in different organs of Echinochloa crusgalli seedlings

注：**表示在0.01水平差异显著，*表示在0.05水平差异显著

Note：** indicate significant correlation at the 0.01 level,* indicate significant correlation at the 0.05 level

3 讨论

辐射处理对植株的生长发育的影响比较大，在幼苗期主要表现在株高和根长上，本研究发现随着辐射剂量的升高，植株的株高逐渐降低，主要表现为低剂量促进而高剂量抑制生长，这与对苜蓿(Medicagosativa)[7]和无芒雀麦(BromusinermisLeyss)[8]的研究结果相一致，适宜剂量的辐射促进了幼苗根长的生长(250 Gy除外)，但植株总长度呈降低的趋势，可能是由于高剂量的辐射抑制了铁元素向幼苗茎叶部的转移能力，铁、锰、锌在根部元素含量远大于茎叶部对应元素含量，使得这些元素沉积在植株根部，这与秦樊鑫[9]等人的研究结果相似，导致根部中毒，高剂量辐射组的幼苗成苗受阻，出现了矮化的现象。虽然辐射促进了茎叶部硼元素含量，但降低了茎叶部镍元素(100 Gy除外)含量，促进作用明显低于多种元素叠加的抑制作用，导致高辐射剂量植株矮小，幼苗发育不良。

不同器官矿质元素间的相关性表现结果有所不同，茎叶部多数微量元素间呈显著正相关，这与沈超[10]等对山核桃的研究结果相近；但在根部多数元素是呈显著负相关的，说明不同矿质元素在不同器官的分布的规律有所差异。

4 结论

60Co-γ辐射显著影响谷稗幼苗生长、不同器官的微量元素含量以及5种微量元素间的相关性，主要表现在一定的辐射剂量(50～200 Gy)可以促进谷稗幼苗主根的生长，抑制幼苗株高和总长度，辐射促进了5种微量元素的积累(茎叶Ni元素除外)，对植株的生长造成了不同程度的抑制作用。