不同剂量60Co-γ射线对谷稗种子萌发及幼苗生长特性的影响

贾秀峰，李 波，李 红，邬婷婷，马 赫

(1.齐齐哈尔大学教育与传媒学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.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；3.黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

诱变育种一般分为物理和化学诱变育种。在物理因素中，辐射通常用于处理植物并诱导突变以培育新品种。因此，物理诱变育种常被称为辐射诱变育种。辐射诱变技术已经成为生物育种中重要的物理诱变手段，是创造新品种及新种质资源的一条有效途径，辐射诱变的种类很多，主要有 X 射线、γ 射线、中子、离子束及多种因素结合的空间诱变[1]，由于各种射线电离密度不同，产生生物效应不同，突变率也不同。在辐射诱变中常采用γ射线辐照，而60Co-γ射线又是其中最常用的一种辐射源[2]。利用辐射已成功地获得了很多早熟、矮化、抗逆、优质、育性及其他特异突变体，为基因功能的研究和育种提供了优良的种质资源[3]。

辐射育种首先要确定适宜的诱变剂量才能获得有效的诱变效果，而诱变剂量是按照材料对辐射敏感程度来确定的。在一定剂量的辐射作用下，生物体组织的形态和功能及细胞内含物会发生相应变化，它是评价植物对辐射反应的重要指标，也是确定诱变剂量以及处理方法的依据。针对特定的品种，需通过试验重新确定其适宜的辐射剂量，研究人员先后对狗牙根[4]、扁穗牛鞭草[5]、高羊茅[6]和无芒雀麦[7]等重要的牧草进行60Co-γ射线辐射的种子萌发和幼苗生长影响的研究，并确定其最适辐射剂量。近年来，利用 γ射线辐射诱变了许多牧草种类, 如沙打旺、苏丹草、苜蓿、黑麦草等, 育成了新牧1号紫花苜蓿 、超早熟沙打旺、多花黑麦草等牧草新品种和新材料，为我国草业发展做出了卓越贡献[8]。

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[9]。在盐碱及干旱条件下也可生长，其干草、籽实的粗蛋白、粗脂肪及维生素均高于其他禾谷类植物，对畜牧业发展有着重要的应用价值，但对其种质资源更新的研究甚少，导致谷稗品种单一。本研究探讨不同60Co-γ射线辐照剂量对谷稗种子萌发及芽苗生长特性的影响，为谷稗的人工诱变育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以黑龙江畜牧研究所提供的60Co-γ不同辐射剂量的谷稗(朝牧1号)干种子为材料。

1.2 试验方法

1.2.160Co-γ射线辐照处理谷稗种子 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，强度分为低剂量(50、100、150 Gy)；中剂量(200、250、300 Gy)；高剂量(350、400、450 Gy)，剂量率15 Gy·min-1，每个处理100 g种子，以同批未辐照的种子为对照。

1.2.2 谷稗种子发芽试验 选取辐射处理和对照的种子各150粒，用35℃蒸馏水浸泡2 h，置入铺有2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，以3 d发芽种子数计算发芽势，以7 d发芽种子数计算发芽率。取7 d芽苗20株，用游标卡尺测量其芽长、根长和芽苗总长度。选取芽苗10株，测其鲜重，80℃烘箱烘干后测其干重。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=∑Gt/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×∑Gt/Dt(S指芽苗的根长)；相对含水量=(第7 d芽苗重量-烘干后芽苗重量)/第7 d芽苗重量×100%。

1.2.3 出苗率与成苗率调查 选取辐射处理和对照的种子各45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%

1.2.4 数据的分析处理 图表绘制使用Excel 2010软件，利用SPSS 16.0统计分析软件进行数据差异显著性和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 辐照处理对谷稗种子萌发的影响

由表1可见，60Co-γ射线辐射处理后，种子发芽率、发芽势、发芽指数随着辐射剂量的增加呈先增后降的趋势，而活力指数则随着辐射剂量增加而降低。低辐射剂量后谷稗种子的发芽率、发芽势、发芽指数均高于对照组，而中高辐射剂量明显降低了谷稗种子的发芽率和活力指数，但却提高了谷稗种子的发芽势和发芽指数。

谷稗种子发芽率比较低，50～150 Gy低辐射剂量提高种子发芽率，辐射剂量为150 Gy时发芽率达最大值，但与对照组比较差异不显著(P>0.05)，300～450 Gy辐射剂量下，种子的发芽率均低于70%；50～450 Gy辐射剂量下种子的发芽势和发芽指数均高于对照组，而活力指数均低于对照组，在250 Gy和350 Gy辐射剂量时发芽势和发芽指数分别达到最大值，450 Gy辐射剂量时活力指数达到最小值，高辐射剂量对种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数影响极大(P<0.05)，说明辐射处理影响谷稗种子发芽的整齐度和生命力。

2.2 辐照处理对谷稗种子芽苗生长特性的影响

60Co-γ射线辐射处理后对谷稗种子芽苗的总长、主根长和芽长的影响随辐射剂量增加而减少(表2)，低剂量辐射对芽苗的生长影响较小，而中高辐射剂量对芽苗的生长影响较大，400 Gy和450 Gy时芽长比对照下降了50%以上，350、400、450 Gy的高剂量下主根长和芽苗总长分别比对照下降了60%和50%以上，450 Gy辐射剂量下芽苗生长的抑制作用最强，中高辐射剂量对谷稗芽苗生长带来了一定的不利影响，辐射使谷稗芽苗出现了一定程度的矮化。辐射组与对照相比芽苗的总长、主根长和芽长差异显著(P<0.05)。

2.3 辐照处理对谷稗芽苗生物量和相对含水量的影响

60Co-γ射线辐射种子的芽苗鲜重、干重和相对含水量随辐射剂量增加呈先增后降的趋势(表2)，不同辐射剂量对芽苗鲜重、干重和相对含水量的影响程度不同。低辐射剂量除50 Gy外对鲜重的影响不大，150 Gy的鲜重比对照增加了8.80%，但差异不显著(P>0.05)，300～450Gy辐射组对芽苗鲜重影响较大，均较对照组下降30%以上，除100 Gy和150 Gy辐射剂量外，其它辐射剂量和对照的芽苗鲜重差异显著(P<0.05)；芽苗干重均低于对照，50～450 Gy辐射组与对照相比芽苗干重降低了2.91%～11.58%，辐射组与对照比较差异显著(P<0.05)；不同辐射剂量促进芽苗相对含水量的增加，50～450 Gy辐射剂量比对照的相对含水量增加了29.37%～57.54%。辐射对幼苗相对含水量影响较大(P<0.05)。

2.4 辐照处理对谷稗种子出苗率和幼苗成苗率的影响

种子出苗率和幼苗成苗率均随辐射剂量的增加呈先增后减的趋势(表3)，中低辐射剂量对种子出苗率有一定的促进作用，高辐射剂量中450 Gy体现为抑制作用。低辐射剂量对幼苗成苗率影响不大，中高辐射剂量则体现出极高的抑制作用，甚至高辐射剂量使谷稗幼苗无法成苗。

表1 辐照处理对谷稗种子萌发特性的影响

注:同列不同小写字母表示处理间显著差异(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatment (P<0.05), the same below.

表2 辐照处理对谷稗种子芽苗生长特性的影响

表3 辐照处理对谷稗出苗率和成苗率的影响

2.5 辐照处理后谷稗种子萌发相关指标的相关性分析和主成分分析

不同剂量的60Co-γ射线辐射后谷稗种子萌发指标的相关性分析见表4。经60Co-γ射线辐射后，发芽率、活力指数、芽长、主根长、芽苗总长、鲜重均与成苗率呈极显著正相关，相关系数分别为0.933、0.874、0.958、0.894、0.936和0.802，干重与成苗率呈显著相关，相关系数为0.754，发芽势和发芽指数与成苗率呈极显著负相关，相关系数分别为-0.854和-0.853，为了进一步了解60Co-γ射线辐射对谷稗种子萌发期各指标的关系，对其进行主成分分析。

60Co-γ辐射后谷稗种子萌发相关指标的主成分分析特征值和贡献率见表5，60Co-γ辐射后谷稗萌发性状主成分分析矩阵见表6，在所测定的12个萌发相关指标中，前2个主成分的累计贡献率为85.736%，特征值总和为10.289。通过对10个辐射剂量12个相关指标的计算，获得了各指标对综合性状贡献大小的特征向量(表6)。通过各萌发性状在主成分中系数的大小，确定了其在萌发过程中的作用以及方向。同时各主成分之间彼此独立，它们分别来自不同的萌发指标。

表4 辐照处理后谷稗种子萌发相关性状的相关系数矩阵

注：X1～X12分别为发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、芽长、主根长、芽苗总长、鲜重、干重、相对含水量、出苗率和成苗率。*为P<0.05水平显著相关，**为P<0.01水平极显著相关。下同。

Note:X1～X12are germination rate, germination potential, germination index, vigor index, bud length, main root length, total length of bud seedling, fresh weight, dry weight, relative water content, germination rate and survival rate, respectively. * is significantly correlated withP<0.05 level, ** is significantly correlated withP<0.01 level. The same below.

由表6可知，第一主成分Y1中，芽长、芽苗总长和主根长具有较大的正系数值，其中以芽长度的荷载值最大，芽苗总长和主根长的荷载值次之，而发芽指数、发芽势和相对含水量则具有较大的负系数值，表明第一主成分主要反映了芽长、芽苗总长和主根长等形态数据，描述了芽苗的生长指标特性。

第二主成分Y2中，相对含水量、出苗率、发芽率和鲜重具有较大的正系数值，其中以相对含水量的荷载值最大，出苗率和鲜重次之，而活力指数和芽苗长度则具有较大的负系数值，第二主成分升高时，相对含水量、出苗率、发芽率和鲜重必然增加，而芽苗长度和活力指数则会降低，因此第二主成分可以看作是以出苗率、发芽率为主的早期萌发指标特性。

依据主成分的方差贡献率和主成分的原性状相关矩阵值计算出特征向量，特征向量大于0.3的作为60Co-γ射线辐照影响谷稗萌发特性的主要指标，它们分别为芽长、芽苗总长、主根长、成苗率、活力指数、发芽率、相对含水量和出苗率。

表5 辐照处理后谷稗种子萌发指标主成分分析的特征值和贡献率

表6 辐照处理谷稗种子萌发性状主成分矩阵和特征向量

3 讨 论

关于辐射诱变，其关键点在于找到合适的辐射剂量，根据韩贵清、刘军丽等[9-10]的相关研究，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。不同种类的植物对于辐射的敏感度不同导致适宜剂量也不同[10]。在经过辐射处理后，谷稗种子的发芽率和发芽势出现了先增加后减小的趋势，这与韩贵清等[9]所提出的谷稗种子在经过60Co-γ射线辐照后，随着辐射剂量的增大谷稗种子发芽率和发芽势逐渐降低的结论不同，其原因在于其研究的是超低剂量的辐射对谷稗种子的影响，我们扩大了辐照范围后发现低剂量的辐射是对谷稗种子发芽有促进作用的，这与王月华等[11]对早熟禾的研究结果一致。随着辐射剂量的增大，辐射能量积累量越来越多，导致谷稗活力指数出现了随辐射剂量增加而降低的趋势，这与耿兴敏等[12]研究60Co-γ辐射对桂花种子萌发的影响的结果一致。

随着辐射剂量的增加，对谷稗种子芽苗生长也产生了明显的抑制作用，导致种子芽苗的根长和芽长显著降低，生物量也出现降低的趋势，原因可能与60Co-γ射线辐照过程中破坏了部分种胚有关，因为种胚受损就会导致细胞生长和增殖受阻，自然会对芽苗生长产生影响，这与耿兴敏等[12]对桂花种子芽苗和蔡春菊等[13]研究毛竹种子幼苗的结果一致。

辐射能量的堆积也可能导致芽尖分生区细胞分裂产生抑制作用，且会随着芽苗生长而不断体现出来，最终导致幼苗难以生长，甚至不能成苗[14]。试验发现，虽然中高辐射剂量种子可以正常出苗，但一周后芽苗出现了大量死亡，具体表现为从芽尖开始自上而下的萎蔫直至死亡，这种中高剂量的辐射对谷稗芽尖的影响最终导致其出苗率和成苗率不一致。

辐射育种首先要确定适宜的诱变剂量才能获得有效的诱变，而诱变剂量是按照材料的辐射敏感性来确定的。Xu等[15]1998年报道，目前已知的禾本科作物适宜诱变剂量为：燕麦种子半致死剂量在200～350 Gy之间，黑麦、高粱、小黑麦种子半致死剂量在200～300 Gy之间。但韩贵清等[9]研究中使用超低剂量的γ射线辐射,御谷和谷稗幼苗高度不同程度地高于对照。本研究参照前人试验确定了初步辐射范围为50～450 Gy，每50 Gy为一个辐射剂量共计9个试验组。在试验过程中发现，虽然辐射剂量的增加使得发芽势有所增加，但是7 d时发芽率出现了明显的先增后减的趋势，且活力指数出现明显的下降。且在7 d时芽苗长度及根长也随辐射剂量的增加而减小。除450 Gy组外，7 d时出苗率虽均有所增高，但21 d成苗率表现出了极其强烈的抑制作用，300～450 Gy辐射组导致谷稗种子幼苗无法成苗。

辐射对种子萌发和幼苗生长的影响是由多种因素相互作用而构成的较为复杂的体系, 用单一指标很难准确分析辐射的影响[16], 必须对多个指标运用相关性分析法、主成分分析法、矩阵分析法等进行综合分析[17], 真实地评价60Co-γ射线辐射诱变处理对不同性状因子的影响。通过主成分分析法，采用发芽率、成活率等共12个测量指标，对辐射剂量处理谷稗种子诱变效应进行综合评价，表明影响谷稗诱变效应的主导因子为芽长、芽苗总长、主根长、成苗率、活力指数、发芽率、相对含水量和出苗率。综合考虑各主成分的重要程度、生长特性指标和早期萌发指标，初步认为低辐射剂量可以很好地反映60Co-γ射线对谷稗的诱变效应。

不同辐射剂量对谷稗种子的萌发、芽苗生长和种子出苗率及幼苗成苗率产生了不同的影响。低辐射剂量可促进种子萌发，中高辐射剂量由于辐射的作用导致多项萌发特性指标显著下降，甚至使谷稗幼苗无法成苗。综合分析50～150 Gy低辐射剂量对谷稗种子有良好的诱变效果。