航天诱变对四种木本花卉容器苗生长与生理特性的影响

胡 冰 陈朝黎 陈天笑 张如平 曾炳山 李湘阳 陆钊华，

（1中国林业科学研究院热带林业研究所，热带林业研究国家林业和草原局重点实验室，广东 广州 510520；2华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642）

航天诱变育种，简称航天育种，是一种将植物材料利用返回式卫星、高空气球或宇宙飞船，在太空特殊空间因素的作用下，使其产生遗传性变异，再经地面选育出植物新品种的育种新技术［1-2］。与传统育种技术相比，航空育种具有突变频率高、变异范围大、有益突变多、稳定性强等特点，为植物遗传改良和种质创新提供了一条新途径［3-4］。从1987 年首次进行航天诱变研究以来，我国已开展了30 多次农作物空间搭载试验，选育出一大批优质高产的植物新品种［5］。相比农作物，木本植物的航天诱变育种起步较晚，2002 年至今，已搭载桉树（Eucalyptusspp.）［6］、桑树（Morusalba）［7］、杨树（Populusussuriensis）［8］、小桐子（Jatrophacurcas）［9］等木本植物的种子。研究发现，航天诱变处理可使木本植物生长发育特性产生变化。航天搭载促进了4 个白桦（Betulaplatyphylla）家系种子的活力，导致1年生苗木矮化和叶绿素含量降低［10］；航天处理对文冠果（Xanthoceras sorbifolia）、五角枫（Acermono）和刺槐（Robiniapseudoacacia）的种子活力和抗逆性产生了一定的促进作用，但第二年时其生长速率才有明显提升［11］。

目前，已应用的观赏树木存在着优良品种少、外来树种多、珍贵化程度低等问题，迫切需要更多更优质的观赏树木，以适应森林城市高质量发展需求。凤凰木（Delonixregia）、蓝花楹（Jacarandamimosifolia）、腊肠树（Cassiafistula）为多年生高大落叶乔木，多花红千层（Callistemonspeciosus）为小乔木。凤凰木的花型酷似火焰［12］；蓝花楹的花色从淡紫色到深紫色不一，花朵密集成簇，能够遮盖整个树冠［13］；腊肠树具有金黄色的喇叭状花序［14］；红千层则具有深红色瓶刷般的花型［15］。这四种木本花卉因花朵颜色鲜艳，观赏性极佳，在我国华南地区作为常见的行道树、观赏树或庭院特色树种栽植［16-17］。目前，关于这四种木本花卉的研究多集中于园林应用［18］、育苗［19］及田间栽培技术［20］等方面，鲜见利用航天诱变育种进行种质资源创新的研究报道。航天诱变的不定向性为观赏花卉诱变提供了更多的可能性，可改良植株生长性状，如诱导改变花朵大小、增强花朵颜色等，从而提高整体观赏价值；也可提高其抗逆性，相比传统育种方法可大大提高育种效率，缩短育种周期。我国已通过辐射诱变育种技术培育出多种株型更加高大直立、花色和花型多变且抗逆性强的牡丹（Paeoniasuffruticosa）新品种［21-22］。

基于此，本研究利用新一代载人试验飞船搭载四种木本花卉种子进行航天诱变处理，研究航天诱变对四种木本花卉种子成苗率及苗期的生长性状、叶片形态、色素含量、生理活性等生理特性的影响，探讨其诱变效应，以期获得在生长性状或抗逆性方面产生变异的株系，为四种木本花卉的种质改良和品种选育提供参考，同时为航天诱变育种应用于林木遗传改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择优质凤凰木种子500 g、蓝花楹种子100 g、红千层种子100 g、腊肠树种子100 g为试验材料。将各树种的种子随机分成2 份，一份进行航天诱变处理，另一份留作地面对照，于4 ℃条件下保存。长征五号B火箭于2020年5 月5 日18 时升空，在轨飞行约67 h，轨道高度约300～8 000 km，穿越了范艾伦辐射带，于5月8日13时49分返回地面。2020年10月，将航天诱变处理后的种子同地面对照于中国林业科学研究院热带林业研究所温室（23°20′ N，113°19′ E）进行育苗。对凤凰木、蓝花楹和腊肠树种子进行沸水浸泡，至自然冷却后浸泡过夜，将吸胀种子撒播至装有泥炭土∶蛭石（1∶1）基质的育苗盘，用薄土覆盖。对未吸胀种子用浓硫酸浸泡25 min 后热水浸泡过夜，吸胀后进行播种。红千层种子直接撒播。待萌发后移栽至营养钵中，每钵1 株，培养条件为日平均温度约25 ℃，平均湿度约70%，自然光照强度约为6 000～7 000 lx。2021年10月，对容器苗进行调查与测定。

1.2 试验方法

1.2.1 生长特性的测定 分别随机选取每个树种航天诱变和地面对照幼苗各50 株，测定每株上自顶端向下第4 至第6 节成熟叶。利用卷尺和游标卡尺对各树种航天诱变和地面对照的幼苗进行株高、地径、叶长、叶宽的测量，调查幼苗的叶片或叶轴数，利用CI-203便携式叶面积仪（美国CID 公司）扫描得到叶片或叶轴的叶面积。

1.2.2 色素含量的测定 分别随机选取每个树种的航天处理和地面对照组幼苗各50 株，采集自顶端向下第4～第6 节成熟叶，迅速在液氮下研磨为粉末。称取叶片粉末样品0.5 g，以80%丙酮溶液为提取液，利用UV-2450 分光光度计（日本岛津公司）分别测定440、645、663 nm 波长下的吸光值，参照公式计算样品中的叶绿素和胡萝卜素含量：

1.2.3 生理活性的测定 叶片样品同1.2.2，利用蒽酮比色法测定叶片样品中可溶性糖的含量［23］；利用茚三酮法测定叶片样品中脯氨酸（Pro）的含量［24］；利用TTC 法测定根系样品中脱氢酶（plant dehydrogenase，PDHA）的活性［25］。每个样品设置6个技术重复。

1.2.4 数据分析 利用Excel 2016 和SPSS19 进行数据统计、单因素方差分析（one way analysis of variance，ANOVA）和皮尔森相关性分析（Pearson correlation analysis），利用Turkey HSD 进行事后多重比较，通过GraphPad Prism 9 作图。

2 结果与分析

2.1 四种木本花卉播种量与成苗率

各树种航天诱变处理和地面对照种子播种量及剔除病苗烂苗后移栽数量见表1。航天诱变处理后，各树种种子的成苗率差异性较大，凤凰木种子的成苗率高于地面对照，分别为78.97%和72.05%；蓝花楹和红千层种子的成苗率均低于地面对照，分别为79.92%、88.04%、69.69%和80.35%；腊肠树种子的成苗率与地面对照无明显差异，分别为27.91%和27.43%。另外凤凰木、蓝花楹和红千层种子的成苗率在69.69%～88.04%，而腊肠树种子成苗率仅为27.43%～27.91%，说明腊肠树种子的耐贮存能力较差，种子活力下降较快。

2.2 航天诱变处理对四种木本花卉苗期生长性状的影响

由图1可知，与对照相比，航天诱变处理的凤凰木和腊肠树苗期株高、地径和叶片数均显著或极显著降低了25.74% 和45.15%、11.14% 和19.51%、9.13% 和31.60%，群体的最小值和最大值均减小，变异系数改变；红千层苗期的株高、地径和叶片数极显著增加了64.93%、37.09%、118.25%，群体最小值和最大值均增大，株高和叶片数的变异系数分别增加了0.58和0.70个百分点，地径的变异系数减小了1.15个百分点；蓝花楹苗期的株高和地径没有显著性变化，群体最小值增加、最大值减小，变异系数分别减小了9.72和4.22个百分点，而叶片数极显著减少了12.77%，群体最小值和最大值均减小，变异系数减小了1.96个百分点。综上，经航天处理后，四个树种苗期的株高、地径、叶片数等生长性状均受到明显影响，不同树种对航天诱变处理的响应程度有所不同，凤凰木和腊肠树群体整体表现为负向变化，红千层群体整体表现为正向变化，蓝花楹除叶片数外，未发生显著变化。

2.3 航天诱变处理对四种木本花卉苗期叶片形态的影响

由于凤凰木、蓝花楹为二回羽状复叶，选择以叶轴为单位测定其叶形参数。由图2 可知，航天诱变处理后，凤凰木苗期的叶轴长、叶轴宽、叶轴长宽比和叶轴面积分别极显著减小28.25%、15.37%、16.71%和33.62%，各指标的群体最小值和最大值均减小，叶轴长、叶轴宽和叶轴面积的变异系数分别增大了2.00、2.31 和13.39 个百分点；腊肠树苗期的叶长、叶宽和叶面积也极显著性减小12.67%、15.00%和32.26%，其叶长、叶宽和叶长宽比的变异系数分别增加了6.79、4.68 和1.71 个百分点；蓝花楹和红千层苗期叶（轴）长、叶（轴）长宽比和蓝花楹的叶轴面积分别极显著增加了26.49%和18.78%、17.68%和15.70%及37.29%（由于红千层幼苗的叶片狭小且叶柄极短，无法利用叶面积仪获取叶面积，故其叶面积数据缺失），而叶（轴）宽无显著差异，且其变异系数多表现为降低。综上，航天诱变处理后，不同树种苗期的叶形参数变化程度不同，凤凰木和腊肠树群体的叶片普遍减小，蓝花楹和红千层的群体的叶片普遍增大。

图2 航天诱变处理后四种木本花卉苗期叶形参数的变化Fig.2 The changes in leaf shape parameters of four woody flower seedlings after space mutation

2.4 航天诱变处理对四种木本花卉苗期色素含量的影响

叶绿素和类胡萝卜素是植物光合作用中吸收和传递光能的重要色素，类胡萝卜素在强光下还可以保护叶绿素免受光氧化破坏。由图3 可知，经航天处理后，凤凰木、腊肠树苗期叶片的总叶绿素含量略有降低，红千层略有增加，而蓝花楹无明显变化。航天处理后，凤凰木和红千层苗期叶片总叶绿素含量和叶绿素b含量的变异系数的变化较小，两树种的叶绿素a 含量的变异系数分别相对增加了3.28 个百分点、减小了14.83 个百分点；而腊肠树苗期叶片总叶绿素含量和叶绿素a 含量的变异系数的变化较小，叶绿素b 含量的变异系数相对增加了13.27 个百分点；蓝花楹苗期的总叶绿素含量、叶绿素a含量和叶绿素b含量的变异系数分别相对增加了10.78、2.47 和3.85 个百分点。经航天处理后，凤凰木苗期叶片的类胡萝卜素含量显著增加了45.32%，但变异系数减小了17.77 个百分点；蓝花楹、红千层、腊肠树苗期叶片的类胡萝卜素含量无明显变化，其中腊肠树叶片类胡萝卜素含量的变异系数增加了9.79 个百分点，蓝花楹和红千层的变异系数无明显改变。由此可见，航天处理不同程度地影响了四种木本花卉苗期的总叶绿素含量或其组分含量的变异幅度，并显著提高了凤凰木叶片类胡萝卜素的平均含量。

图3 航天诱变处理后四种木本花卉苗期叶片色素含量的变化Fig.3 The changes in leaf pigment content of four woody flower seedlings after space mutation

2.5 航天诱变处理对四种木本花卉苗期生理活性的影响

可溶性糖含量、Pro 含量和PDHA 的活性均是反映植物的代谢活力和抗逆能力的重要指标。由图4可知，经航天处理后凤凰木、蓝花楹和红千层苗期的可溶性糖含量分别提高了36.46%、16.77% 和7.23%，其中凤凰木的变化达到极显著水平，变异系数分别减小了13.38、8.73 和2.53 个百分点；腊肠树苗期的可溶性糖含量降低了8.59%，其变异系数降低了1.45 个百分点。经航天处理后，凤凰木和蓝花楹苗期的Pro 含量分别增加45.45%和203.87%，其中蓝花楹的变化达到极显著水平，但其变异系数分别增加和降低了6.62 和1.28 个百分点；航天处理使红千层苗期Pro 含量显著性降低24.11%，其变异系数增加了36.08 个百分点；而腊肠树苗期的Pro 含量无明显变化，但其变异系数降低了30.92 个百分点。航天处理极显著影响了凤凰木、蓝花楹、红千层和腊肠树苗期的PDHA 活性，其中凤凰木、蓝花楹和腊肠树PDHA活性分别极显著降低47.38%、63.79%和39.83%，其变异系数分别增加了30.42、28.63 和8.68 个百分点；红千层PDHA 的活性极显著增加81.37%，但其变异系数降低了17.13 个百分点。因此，航天处理影响了四种木本花卉苗期PDHA 活性及其群体变异幅度，影响了凤凰木和蓝花楹苗期的可溶性糖含量的变异幅度及红千层和腊肠树苗期的Pro 含量的变异幅度。

图4 航天诱变处理后四种木本花卉苗期生理活性指标的变化Fig.4 The changes in physiologically active indexes of four woody flower seedlings after space mutation

2.6 航天诱变处理对四种木本花卉苗期生长与生理特性的相关性分析

对航天诱变处理与地面对照的四种木本花卉苗期的生长特性、叶片形态、色素含量及生理活性等进行Pearson 法相关性分析（图5）可知，航天诱变处理与凤凰木的株高、地径、叶片数、叶轴面积和总叶绿素含量等指标显著或极显著负相关，与叶轴宽、叶轴长宽比、Pro 含量和PDHA 活性等指标显著或极显著正相关；与蓝花楹的叶片数呈极显著负相关，与叶轴长、叶轴长宽比、叶轴面积、总叶绿素含量和PDHA 活性呈极显著正相关；与红千层的株高、地径、叶片数、叶长、叶长宽比和PDHA 活性呈极显著正相关，与Pro 含量呈极显著负相关；与腊肠树的株高、地径、叶片数、叶长、叶宽、叶面积和总叶绿素含量呈显著或极显著负相关。在各生长和生理活性指标方面，凤凰木、红千层和腊肠树的株高、地径和叶片数两两之间呈显著或极显著相关关系；四个树种中的总叶绿素含量与叶绿素a 和叶绿素b 含量两两之间呈极显著正相关关系；叶（轴）长、叶（轴）宽、叶（轴）长宽比和叶（轴）面积之间存在显著或极显著相关关系；Pro 含量与株高、地径、叶片数和叶绿素b 含量存在显著或极显著相关关系；PDHA 活性与株高、地径、叶片数、叶（轴）长、叶（轴）宽、叶（轴）长宽比、叶（轴）面积、总叶绿素、叶绿素a 和叶绿素b 含量均显著或极显著相关关系。综上，航天诱变处理抑制了腊肠树的生长和生理特性；促进了蓝花楹和红千层的生长和生理特性；抑制了凤凰木的生长特性和总叶绿素含量，促进其Pro 含量和PDHA 活性；且四个树种的生长特性与生理特性的变化密切相关。

3 讨论

在太空中，真空、微重力和宇宙射线等独特环境对植物种质资源产生了综合而复杂的作用，引起了其生理生化的改变和遗传性状的变异。已知航天诱变育种可以促进白桦、文冠果、五角枫和刺槐等种子的活力［10-11］；湿地松（Pinuselliottii）种子在太空诱变处理后发芽率、发芽势、出苗率均低于地面对照，但其成苗率高于地面对照［26］。本研究中凤凰木、蓝花楹和腊肠树种子均属顽拗型种子，为尽可能育成苗，进行了不同程度的催芽处理，因此未进行种子活力试验。在成苗率统计中，发现航天诱变处理后凤凰木的成苗率提高，而蓝花楹和红千层的成苗率降低，腊肠树的成苗率无明显改变。这可能是因为太空环境对种子的诱变效果不尽相同，推测植株成苗率上升的原因可能是太空环境对种子起到引发作用，而成苗率下降的原因可能是太空环境对种子造成某种生理损伤从而导致死亡。

航天诱变处理诱导四种木本花卉苗期的生长性状、叶片指标发生变化，对于高大乔木凤凰木和腊肠树群体而言，生长性状表现为负向变化，而小乔木红千层群体表现为正向变化。研究表明，航天诱变处理使了刺槐［11］和白桦［10］的株高和地径降低，但提高了小乔木油茶（Camelliaoleifera）的苗高和地径［27］。因此，航天诱变处理对不同类型植株的诱变效果有所差异。姜静等［10］发现太空环境使4 个不同家系的白桦均表现出矮化现象，航天诱变处理使文冠果和刺槐早期的苗高低于地面对照组［11］，而使赣早籼47 号（Oryzasativasubsp.indica）株高高于地面对照组［28］，这些研究结果均表明太空诱变可以引起高频的变异发生，但不同植物对于诱变处理的响应规律不同。这些变异可能是由于特殊的太空环境引起植物体内遗传物质的结构发生改变，植物的生长发育和信号转导等生理生化过程受到影响，使植物遗传性状改变。宋兴舜等［29］发现航天处理后1 月龄大青杨（Populusussuriensis）幼苗略高于同时期的地面对照，生长到6个月时，其株高、最大叶长、最大叶宽等指标均小于地面对照组；路超等［11］和李允菲等［30］研究发现，航天诱变处理使五角枫（Acermono）幼苗在幼苗期生长缓慢，但随着时间的延长，其生长指标逐渐优于对照组。空间诱变导致草本花卉鸡冠花（Celosiacristata）M0 代株高增加、叶片变大和冠幅增加，而M1 代产生了茎、花色、花型和分枝等更多变异类型，但所有的变异株均表现为矮化［31］。由此推测航天诱变对植株株高的抑制或促进作用，可能会随着地面生长环境的影响，使空间诱变的优势/劣势逐渐削弱或消失，有些表型也可能在生长后期或后代中才显现出来。

由于宇宙环境极其特殊复杂，物理因素众多，细胞壁重塑、氧化应激、防御反应和光合作用是在航天诱变植物中常见的改变过程［32］。本研究中，航天处理提高了凤凰木、蓝花楹和红千层苗期可溶性糖平均含量，降低了腊肠树苗期可溶性糖平均含量。可溶性糖在各种代谢反应中发挥重要作用，作为调节光合作用、渗透物质合成和蔗糖代谢相关基因表达的信号，随压力因素而改变［33］。脯氨酸是植物生长发育过程中的重要信号分子，参与植物渗透调节、抗氧化等过程，植物遭遇逆境胁迫时Pro 含量通常大幅度增加［34］。凤凰木和蓝花楹苗期的Pro 平均含量均增加，表明航天诱变环境对其产生了一定程度的胁迫作用。PDHA 的活性很大程度上反应了生物体的活性状态，能直接表示生物细胞对其基质降解能力的强弱［35］。本研究中航天诱导凤凰木、蓝花楹和腊肠树苗期的PDHA 平均活性极显著降低，可能是航天诱导对凤凰木、蓝花楹和腊肠树等三种树种对空间环境的影响较为敏感，受到空间环境的胁迫作用后，均受到不同程度的损伤。

我国航天诱变育种技术的应用已处于国际领先水平，但诱变机理等基础理论研究仍相对薄弱。本研究中，太空环境改变植株的株高、地径、叶片指标、色素含量和生理代谢过程，可能是因为太空环境损伤DNA，改变了植物的染色体结构，从而影响了植株的生长进程［36］，这些诱变机理的解析需进一步开展。此外，本研究进行了航空诱变对四种木本花卉苗期生长的影响及评价，以期尽早获得相关突变株系，植株的株型、抗逆性、花色、花形、花期等特征的变异还需持续关注与研究，进一步更全面地评价突变指标，筛选有益突变株，并通过无性繁殖技术，对诱变的有益变异进行固定和利用。

4 结论

航天诱变处理对四种木本花卉苗期的生长和生理特性及其变异幅度产生了重要影响，诱变效果因树种特性而异。与对照相比，航天诱变处理使凤凰木种子的成苗率提高，蓝花楹和红千层种子的成苗率降低，腊肠树种子的成苗率无明显改变；航天诱变处理对凤凰木和腊肠树苗期株高、地径、叶片（轴）数、叶片（轴）大小等生长特性和叶片形态参数呈抑制作用，使其发生负向变异；对红千层苗期株高、地径、叶片数、叶长等生长特性及叶片形态参数和蓝花楹苗期的叶轴长和叶轴面积等叶片形态参数呈促进作用，使其发生正向变异；促进了凤凰木叶片中类胡萝卜素含量；促进了凤凰木、蓝花楹和红千层叶片中溶性糖含量，抑制了腊肠树的可溶性糖含量；促进了凤凰木、蓝花楹叶片中Pro 含量，抑制了红千层的Pro 含量；促进了凤凰木和红千层的PDHA 活性，抑制了蓝花楹和腊肠树的PDHA活性。