太空诱变对大葱和洋葱种子萌发及幼苗生长的影响

张仕林,潘学勤,沈若刚,惠林冲,龚俊岭

(1上海蔬菜研究所,上海 201899;2上海惠和种业有限公司,上海 201899;3连云港市农业科学院,连云港 222000)

葱属(Alliums)大多为多年生草本植物,在全球广泛分布,共约850种[1],葱属蔬菜常见的有大葱、洋葱等,具有很高的食用价值及药用价值[2]。大葱(Allium fistulosumL.)和洋葱(Allium cepaL.)在我国有着悠久的种植历史和广阔的地理栽培分布,我国是世界上最大的大葱和洋葱种植及出口国家,且其种植规模、产量以及种子用量仍有逐年递增的趋势[3-6]。大葱和洋葱常规育种周期长,在自然环境下产生变异的可能性极低,诱变育种是其植物遗传性状改良的有效方法,能够获得新的种质资源[7]。太空诱变育种能够利用太空特殊的环境诱变因子,在短期内使诱变材料发生突变,创造出罕见的种质材料和基因资源,与常规物理和化学诱变相比具有明显优势,引起广泛重视[8-9]。我国科学工作者经过30多年的探索,已经将太空诱变育种广泛运用到了蔬菜植物的育种中,并培育出辣椒、石刁柏、黄瓜、青花菜等新品种[10]。随着大葱和洋葱产业的不断发展,其良种水平远不能适应生产发展的需要,太空诱变成为大葱和洋葱种质创新的新途径,然而目前尚无此方面的研究报道。本研究利用“新一代载人飞船试验船”对大葱和洋葱种子进行太空搭载,通过对诱变材料种子萌发及其幼苗生长的分析,研究其叶片保护酶及叶绿素含量的生理特性,探讨太空诱变处理的植株和对照植株的差异,以期为葱属蔬菜太空诱变育种及种质创新提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据上海市农业技术推广服务中心“航天育种平台建设”项目课题组的相关安排,上海惠和种业有限公司提供了上海蔬菜研究所葱蒜类育种室培育的高代自交系:大葱种子(SPB19)和洋葱种子(SPO19)各20 g,于2020年5月5日18时,搭载“新一代载人飞船试验船”上天,在轨飞行67 h,之后与同品系未诱变种子(对照)一起放于5℃的种子低温干燥储存仓库中保存。试验于2020年8—10月在上海惠和种业有限公司种子检测实验室及育种农场进行。将上述大葱和洋葱高代自交系种子分为两组,一组为经太空诱变的种子,一组为未经太空诱变的种子(对照),两组种子均取1 000粒。

1.2 试验方法

1.2.1 种子处理及播种

将太空诱变及对照种子用透明塑料发芽盒进行发芽试验(种子间距0.5 cm)[11],放入光照培养箱中,并设定白天光照为4 000 lx、温度为白天25℃∕夜晚20℃、光周期为白天14 h∕夜晚10 h,自播种后36 h起每12 h观察发芽情况,待生长稳定后测量相关数据,每盒100粒种子,4次重复。在进行发芽盒试验的同时,将上述种子播种于200孔的基质穴盘中用于模拟地播试验,正常水肥管理,每个重复为200株幼苗,3次重复。

1.2.2 发芽指标的测定

参照《国际种子检验规程》(ISTA)的标准并结合葱属蔬菜种子发芽实际,从有种子发芽开始每半日(12 h)进行一次调查,并计算种子发茅势、发芽率、发芽指数和根系活力指数。在第10天随机选取10株幼苗,测定芽鲜重和胚根长。

种子发芽势=第3天种子的发芽数∕供试种子总数×100%;

种子发芽率=第7天种子的发芽数∕供试种子总数×100%;

发芽指数Gi=∑Gt∕Dt,Gt是当天的发芽数,Dt是对应的发芽天数;

活力指数Vi=Gi×S,S是根长的均值(cm)。

1.2.3 幼苗期试验

待上述穴盘的幼苗苗龄达35 d(约3叶1心)时,对其生长及生理指标进行测定。使用直尺对幼苗长度进行测量,随机测量10株。选择从内往外第2片叶进行生理指标测量,随机测量10株,3次重复。采用氮蓝四唑法(NBT)测定超氧化物岐化酶(SOD)活性[12];采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[13];采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量[14];采用蒽酮比色法测定可溶性糖(SS)含量[15];根系活力测定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[16];参照李合生[16]的方法进行叶绿素含量测定。

1.3 数据分析

采用SPSS 20.0软件对试验数据进行方差分析,并对平均数进行Duncan’s多重比较。

2 结果与分析

2.1 太空诱变对大葱和洋葱种子萌发的影响

种子发芽时间的长短和一定时间内的发芽数量可以体现种子的发芽速度[7]。由表1可知,太空诱变对葱属蔬菜种子萌发产生了显著影响。在实验室条件下,经太空诱变的大葱、洋葱种子播种后分别于132 h和144 h发芽完毕,对照种子(CK)均为156 h后发芽完毕;经太空诱变的大葱、洋葱种子半日平均发芽率分别为9.67%和8.85%,对照大葱、洋葱种子半日平均发芽率分别为8.95%和8.86%。在穴盘播种条件下,诱变种子的发芽趋势与实验室条件下种子发芽趋势基本一致,但发芽开始和完毕时间较其延后了12—24 h。

表1 太空诱变对大葱和洋葱种子不同时间发芽数量的影响Table 1 Effects of space mutation on seed germination quantity of welsh onion and onion at different time

由表2可知,太空诱变对大葱和洋葱种子的发芽率和发芽势均有影响。太空诱变后,大葱、洋葱种子的发芽率分别为87.0%和88.5%,分别较对照低11.5个和9.0个百分点。太空诱变后,大葱、洋葱种子的发芽势分别为74.8%和70.8%,分别较对照高7.3和2.0个百分点。此外,太空诱变种子的初始半日发芽量在前72 h均较对照高,发芽高峰期时间提前了12 h。经太空诱变的种子成活率与成苗率与穴盘播种条件下一致,出苗后不再有植株死亡而损失。

表2 太空诱变对大葱和洋葱种子发芽率、发芽势及成苗率的影响Table 2 Effects of space mutation on germination rate,germination potential and seedling rate of Welsh onion and onion seeds

2.2 太空诱变对大葱和洋葱幼苗生长的影响

由图1和表3可知,太空诱变后,大葱和洋葱幼苗形态受到显著影响,表现为生长加快、植株更高、叶色更绿、根系更发达。太空诱变后,大葱和洋葱幼苗的株高分别较对照高27.7%和22.2%;假茎粗分别较对照高20.0%和15.9%;幼苗根数分别较对照高4.3%和6.5%;幼苗根长分别较对照高8.7%和11.1%;幼苗根粗分别较对照高6.8%和9.3%;全株鲜重分别较对照高23.1%和22.7%。

图1 太空诱变对大葱和洋葱幼苗形态的影响Fig.1 Effects of space mutation on seedling morphology of welsh onion and onion

表3 太空诱变大葱和洋葱幼苗生长指标的影响Table 3 Effects of space mutation on growth indexes of welsh onion and onion seedlings

2.3 太空诱变对大葱和洋葱幼苗叶片保护酶、叶绿素含量及根系活力的影响

由表4可知,太空诱变后,大葱和洋葱幼苗叶片保护酶受到显著影响,表现为SOD、POD活性升高,MDA含量降低。太空诱变后,大葱和洋葱幼苗叶片的SOD活性分别较对照高10.9%和12.1%,POD活性分别较对照高5.9%和19.5%,MDA含量分别较对照低22.4%和18.5%。太空诱变后,可溶性糖含量、根系活力和叶绿素含量均显著提高,大葱和洋葱幼苗叶片的可溶性糖含量分别较对照高29.4%和17.4%,总叶绿素含量分别较对照高8.0%和24.7%,根系活力分别较对照高12.7%和17.9%。总体而言,太空诱变促进了大葱和洋葱幼苗的生长,提高了其生理指标数值。

表4 太空诱变对大葱和洋葱幼苗叶片保护酶、叶绿素含量及根系活力的影响Table 4 Effects of space mutation on leaf protective enzymes,chlorophyll content and root activity of welsh onion and onion seedlings

3 讨论

植物种质资源受到太空环境中宇宙粒子、强辐射、高真空、微重力等因素复杂而综合的作用,会导致其生理生化改变和遗传变异,并且大多数变异性状稳定较快,能创造新种质资源,培育优良品种[17]。太空环境对植物种子的诱变效应不尽相同,番茄[18]、马铃薯[19]、西瓜[20]、茄子[21]等作物的SP1代发芽率、发芽势以及成苗能力均受到不同程度抑制;而小麦[22]、玉米[23]、芥菜[24]、豌豆[10]种子的发芽、出苗及生长受到促进,这与本研究基本一致。本试验中,经太空诱变的大葱和洋葱种子的发芽势在前72 h均高于对照,但种子发芽率却最终低于对照,推测发芽势上升的原因可能是太空环境对种子起到引发作用,而发芽率下降的原因可能是太空环境对种子造成某种生理损伤并导致死亡。太空诱变对不同植物幼苗生长的影响也存在差异,如马铃薯、桔梗株高明显降低,芝麻株高明显增加等[25]。本试验中,经太空诱变的大葱和洋葱幼苗的各项生长指标均显著高于对照,表明太空诱变促进了其生长。

植物经化学、物理辐射和太空等诱变后体内的多种酶活性会增强或下降以便提升植物抗逆特性[26],EMS诱变处理茄子[27]、60Co-γ辐射处理黄瓜[28]、航天诱变处理芥菜[24]均导致植物体内SOD、POD活性及MDA含量改变。本试验中,太空强辐射环境使大葱和洋葱幼苗叶片的SOD、POD活性大幅增强,MDA含量大幅降低,这与其他太空诱变植物的研究结果相似。叶绿素与叶片吸收、传递和转化光能紧密相关[25],大葱和洋葱幼苗经太空诱变后叶绿素含量显著升高,这与多数植物经太空诱变后叶绿素含量表现出升高的研究结果相似。经太空诱变的大葱和洋葱幼苗的可溶性糖含量增加,表明太空诱变后细胞内代谢增强,促进淀粉水解为可溶性碳水化合物,增加细胞的渗透调节能力。本试验着重研究了太空诱变大葱和洋葱种子萌发及幼苗生理生化和形态的变化,后续试验将对其继续进行田间观察,利用分子生物学手段对其是否产生遗传变异进行相关分析,以期找到表现优异的变异株,通过系统选育获得可持续遗传稳定性,为葱属蔬菜育种及种质创新提供帮助。