60Co-γ辐射对矾根幼苗生理特性的影响

胡 瑶 张跃龙 李宏告 雷星宇 张 勇 李丽辉

(湖南省核农学与航天育种研究所,湖南 长沙 410125)

矾根(Heuchera micrantha),虎耳草科矾根属,多年生常绿草本花卉,浅根性、叶基生,品种繁多,各品种叶色不同,喜温凉,厌炎热,复总状花序,花小巧,钟状,以红色和白色为主,花期为4-6月份,是少有的彩叶阴生地被植物[1-2]。目前国内对矾根的研究主要集中在适应性栽培[3-4]、组织培养技术[5-6]及光合特性[7]等方面,而关于育种方面的研究较少。目前,辐射诱变技术已广泛应用于观赏植物新品种的选育,如桂花、菊花、兰花、牡丹等。植物经γ 射线辐射后,其细胞或器官会发生生物化学、细胞学、生理学或形态学变化,进而影响植株生长和发育[8-9],以得到预期的效果。李风童等[10]研究不同辐射剂量60Co-γ 射线对德国鸢尾杂交种子影响,发现20～40 Gy辐射剂量可以改善德国鸢尾种子萌发率,60～80 Gy可以作为德国鸢尾杂交种子的诱变剂量;周雅倩等[11]探讨了60Co-γ辐射处理对树兰的生物学效应,发现辐射对植物生长的影响较大;李玲[12]探讨了60Co-γ辐射对牡丹种子萌发特性、染色体结构及幼苗生长的影响,表明辐射牡丹种子的较适宜剂量范围为26.28～43.8 Gy,此范围可引起牡丹染色体结构发生变化,增加出现新品种的机会,且不会造成伤害,可应用于牡丹辐射育种实践。但目前鲜见关于辐射技术在矾根育种方面的研究报道。为此,本试验参照其他植物辐射诱变经验[13-16],对矾根进行不同剂量的60Co-γ 射线辐射处理,探究辐射前后矾根幼苗的生理特性,以期找到矾根的适宜辐射剂量,为矾根辐射育种技术改良提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

矾根硒富浪芭品种组培幼苗,购自珠海诺德生物科技有限公司,植株生长健壮,无病虫害。辐射处理于2017年11月20日在湖南省核农学与航天育种研究所辐照中心进行,采用60Co-γ 射线,设置0(CK)、10、20、30 Gy 4个辐射剂量,剂量率均为1 Gy·min-1。每处理20株,设3 次重复。处理后幼苗立即种植,整个栽培过程按常规方法管理。

1.2 试验方法

1.2.1 形态指标的测定 经辐射处理的组培幼苗栽种1个月后,生长基本达到稳定状态。此时开始对其进行形态指标的测量,包括株高、单株叶片数、最大叶长、最大叶宽等。每月定期测定上述指标,连续测量6个月。

1.2.2 生理指标的测定 辐射后将栽种好的矾根放置大棚中,正常管理。5个月后取各处理植株顶生第4位完全叶进行相关生理指标的测定,包括可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛(malonaldehyde,MDA)、游离脯氨酸含量等,测定方法参考《植物生理生化实验原理和技术》[17]。

1.2.3 数据统计 数据采用SPSS 17.0软件进行方差分析,使用最小显著差数法,所有测定指标均重复3次。采用Origin 8.0软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同剂量60Co-γ辐射处理对矾根幼苗形态指标的影响

2.1.1 辐射处理对矾根幼苗株高的影响 研究表明,一定剂量的60Co-γ 射线辐射对种子发芽率及幼苗生长有明显的抑制作用[18-20]。由图1可知,矾根幼苗经辐射处理后,其株高总体低于CK,且随着辐射剂量的增加,植株相对矮小,证实了辐射对矾根幼苗植株的生长具有一定的抑制作用。到生长旺季(4-5月)时,10 Gy辐射处理的矾根生长量与CK的差距明显缩小,说明辐射在一定程度上刺激了幼苗的生长速度。由此可见,低剂量辐射处理对植物生长影响较小,随着辐射剂量的增大,其对植物生长的影响也逐渐增大。

2.1.2 辐射处理对矾根幼苗单株叶片数的影响 由图2可知,与CK相比,辐射处理后矾根幼苗的单株叶片数减少,说明辐射对幼苗叶片数产生了不同程度的影响。生长初期,各处理间差异不显著;从3月开始,辐射处理后矾根幼苗的单株叶片数显著低于CK;到5月份时,30 Gy辐射处理矾根幼苗的单株叶片数较CK显著减少55.6%,说明辐射剂量越大,矾根叶片数越少。春季为植物新芽萌生时期,此时经辐射处理的矾根幼苗未表现出旺盛生长的趋势,说明辐射处理对矾根幼苗叶片数影响较大。

2.1.3 辐射处理对矾根幼苗叶长的影响 由图3可知,辐射处理后矾根幼苗叶长均低于CK,生长高峰期集中在3-5月。随着辐射剂量的增加,矾根叶长呈逐渐下降的趋势;生长初期各处理间叶长差异不显著,生长到3月时,辐射处理与CK间存在差异显著,辐射剂量越大,叶长越短。由此可见,辐射处理对矾根幼苗叶长的影响较大。此外,在10 Gy辐射处理下,矾根整体叶长低于CK,但在3-4月的生长速度高于CK,说明低剂量辐射对矾根幼苗生长期的生长速度有一定的刺激作用。

图1 不同辐射剂量对矾根幼苗株高的影响Fig.1 Effects of different radiation dosages on the plant height of Heuchera micrantha seedings

图2 不同辐射剂量对矾根幼苗单株叶片数的影响Fig.2 Effects of different radiation dosages on the number of leaves per plant of Heuchera micrantha seedings

图3 不同辐射剂量对矾根幼苗叶长的影响Fig.3 Effects of different radiation dosages on the leaf length of Heuchera micrantha seedings

2.1.4 辐射处理对矾根幼苗叶宽的影响 由图4可知,整个生长季经辐射处理的矾根幼苗叶宽均较CK小,随着辐射剂量的增加,矾根叶片宽度减小。其中,30 Gy 剂量处理的矾根幼苗叶宽在整个生长季始终与CK间差异显著(P＜0.05)。此外,CK 在4月生长速度加快,而经辐射处理的幼苗在3月其生长速度加快,生长旺盛期(4月)辐射处理幼苗的叶宽与CK 存在显著性差异。表明辐射处理在一定程度上刺激了矾根幼苗提前进入快速生长期,但总体上对幼苗叶宽存在抑制作用。

2.2 不同剂量60Co-γ辐射处理对矾根幼苗生理指标的影响

图4 不同辐射剂量对矾根幼苗叶宽的影响Fig.4 Effects of different radiation dosages on the leaf width of Heuchera micrantha seedings

2.2.1 辐射处理对矾根幼苗可溶性糖含量的影响 由图5可知,随着辐射剂量的增加,矾根幼苗叶片可溶性糖含量呈先增加后减少的趋势。10 Gy辐射处理时可溶性糖含量显著增加;20 Gy辐射处理时可溶性糖含量达到最高值,较CK显著增加42.4%;30 Gy辐射处理时可溶性糖含量最低,较CK 降低8.7%,但差异不显著。

图5 不同辐射剂量对矾根幼苗可溶性糖含量的影响Fig.5 Effects of different radiation dosages on the soluble sugar content of Heuchera micrantha seedings

2.2.2 辐射处理对矾根幼苗可溶性蛋白质含量的影响 由图6可知,随着辐射剂量的增加,矾根幼苗叶片可溶性蛋白含量呈先增加后减少的趋势,10 Gy辐射处理时可溶性蛋白质含量较CK 小幅增加,差异不显著;30 Gy辐射处理时可溶性蛋白质含量显著低于CK;20 Gy辐射处理时可溶性蛋白质含量显著高于其他处理,较CK 增加40.6%。

图6 不同辐射剂量对矾根幼苗可溶性蛋白含量的影响Fig.6 Effects of different radiation dosages on the soluble protein content of Heuchera micrantha seedings

2.2.3 辐射处理对矾根幼苗游离脯氨酸含量的影响 植物在正常生长条件下,游离脯氨酸含量很低,当其遭遇逆境胁迫时,游离脯氨酸会大量积累,这也是植物在逆境条件下的自卫反应之一[21]。由图7可知,随着辐射剂量的增加,矾根幼苗叶片游离脯氨酸含量呈先增加后减少的趋势;当辐射剂量达到20 Gy时,游离脯氨酸含量达到峰值,与CK、10 Gy 剂量处理间差异显著,但与30 Gy 剂量处理间差异不显著。说明辐射给矾根幼苗造成了一定的损伤,辐射剂量为20 Gy时,矾根幼苗能通过自身积累来修复损伤,但随着辐射剂量的增加,自我修复能力减弱。

图7 不同辐射剂量对矾根幼苗游离脯氨酸含量的影响Fig.7 Effects of different radiation dosages on the free proline content of Heuchera micrantha seedings

2.2.4 辐射处理对矾根幼苗丙二醛含量的影响 MDA是膜脂过氧化的主要产物之一,反映膜受损伤的程度。由图8可知,矾根幼苗MDA含量随着辐射剂量的增加而逐渐升高,但均未表现出差异显著性;30 Gy剂量处理的MDA含量较CK 增加11%。表明辐射对矾根幼苗的损伤会随着剂量的增加逐渐增大。

图8 不同辐射剂量对矾根幼苗MDA含量的影响Fig.8 Effects of different radiation dosages on the MDA content of Heuchera micrantha seedings

3 讨论

辐射剂量的选择对植物辐射育种有着极其重要的影响,选择适宜的辐射剂量,是获得理想突变体的技术前提。60Co-γ辐射敏感性试验是开展矾根幼苗辐射育种的基础。本试验中,0～30 Gy辐射剂量范围内,所有处理均未出现全部致死现象,说明矾根幼苗辐射处理的致死剂量应高于30 Gy。要获得理想的变异,必须选择合适的辐射剂量。辐射处理对植物的生长大多存在抑制作用,但抑制效应因不同植物而异,抑制表现时间和抑制部位也存在差异[22-23],但过高的辐射剂量会使生物体正常的代谢受到干扰[24-25]。本研究结果表明,低剂量辐射处理对矾根幼苗株高、叶片数、最大叶长、最大叶宽有一定的影响,随着辐射剂量的增加,对矾根幼苗的生长存在一定的抑制作用,且呈增强趋势。这与林兵等[26]和徐佳琦等[27]研究60Co-γ辐射对荷兰鸢尾生长表现出抑制效应的结果相符。

MDA是膜脂过氧化的产物之一,代表植物膜脂过氧化程度,其含量与膜脂过氧化程度呈正相关,通过测定MDA的积累量可衡量膜系统受损程度以及植物受伤害的程度[28]。本试验结果表明,矾根幼苗叶片的MDA含量随着辐射剂量的增加而升高,这与滕娟等[29]测定三七幼苗MDA的结果相似,说明辐射剂量与植物膜脂过氧化的作用呈正相关关系,细胞内有害物质增多,使得植物体内通过不断积累MDA 来修复因辐射处理带来的损伤。

植物体内可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸的含量与植物的抗逆性有关,在逆境条件下植物会主动积累这些物质,来适应外界环境的变化,从而起到有效的保护作用[26]。本试验中,可溶性糖、游离脯氨酸和可溶性蛋白含量随着辐射剂量的增加都出现先增加后减小的趋势,且均在20 Gy 剂量处理时达到最大值。说明辐射对矾根幼苗有一定的损伤,可通过积累上述物质来修复损伤,其中20 Gy 剂量处理时的修复能力最强,超过该剂量后植物本身的修复能力逐渐减弱,说明矾根幼苗对于60Co-γ辐射耐受最佳剂量为20 Gy。

4 结论

本研究结果表明,矾根幼苗在0～30 Gy60Co-γ辐射下,部分形态指标与CK 存在一定差异,未出现直接死亡现象。随着辐射剂量的增加,60Co-γ对矾根幼苗株高、叶片数、叶长、叶宽存在一定的抑制作用。此外,随着辐射剂量的增加,MDA含量逐渐增加,可溶性蛋白含量逐渐减小,可溶性糖和游离脯氨酸含量先升高后降低,均在20 Gy时达到最大值。说明矾根幼苗对0～30 Gy60Co-γ 低剂量具有一定的耐受力,且未出现明显的变异,下一步需要扩大剂量范围进行深入研究。