60Co-γ辐射对2种锦带幼苗生长及生理指标的影响

张洁,宋佳宝,史宝胜

(河北农业大学 园林与旅游学院 ,河北 保定 071000)

“白花锦带花”(Weigelaflorida“Alba”)与“锦带花”(Weigelaflorida)均为忍冬科、锦带花属灌木。锦带花具有抗寒性强、生长快、冠形优美、花色艳丽、观赏期长且无病虫害和繁殖容易等优良特性[1]。辐射育种利用放射性同位素放出的射线(如α射线、γ射线)照射各种农作物种子、植株或其他器官,使种子或植株发生遗传变异,然后经过人工育种和栽培获得优良的新品种,可以提高变异频率,加速育种进程,可大幅度改良某些性状,创造人类需要的变异类型,从中选择培育出优良的生物品种,且变异范围广[2]。60Co-γ射线是常用的辐射诱变源,在一定剂量范围内辐射植物可以刺激体内激素合成,增强细胞的抗氧化能力,进而促进生长,增强抗性[3]。目前尚未见关于锦带花辐射选育品种技术的有关研究。为此,以“白花锦带花”“锦带花”种子为试验材料,利用60Co-γ射线辐射锦带花种子,以研究辐射诱变对锦带花叶片生长发育和主要生理指标的影响,为选择优质锦带花新品种、充实全国锦带花品种资源,奠定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

“锦带花”“白花锦带花”种子于2021年12月采自雾灵山自然保护区。选取形态饱满的休眠期种子,置于4 ℃冰箱冷藏备用。

1.2 试验方法

将采集到的种子送到北京大学钴物楼辐射,照射源为2 Gy/min的60Co-γ射线,辐照剂量为0、50、100、200、300 Gy,将未辐射种子作为对照。在河北农业大学西校区温室内播种。每次处理播种60粒,设置3个重复,对播种的幼苗进行常规管理。

分别于9、10、11月用直尺测定播种后的幼苗苗高,采用游标尺测量叶长、叶宽、节间距。

可溶性蛋白质量分数测定采用考马斯亮蓝法[5];叶绿素总含量的测定采用叶绿素仪法[6];丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸法[7-8];超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用氮蓝四唑光化还原法[9];过氧化物酶(POD)活性的测定采用高锰酸钾滴定法[10];叶绿素荧光采用叶绿素荧光仪法[10];光合速率的测定采用光合仪法[11]。

1.3 数据处理

运用Excel 2010、Origin 2021整理数据和制图;以SPSS 26.0软件进行单因素方差分析(One-Way ANOVA),多重比较使用Duncan新复极差法,采用Photoshop 2019处理图片。

2 结果与分析

2.1 辐射对2种锦带花幼苗形态的影响

2.1.1 辐射对2种锦带株高的影响 辐射对2种锦带株高的影响,见图1、图2。

图1 不同辐射剂量下“白花锦带花”在不同时期的株高

图2 不同辐射剂量下“锦带花”在不同时期的株高

由图1可知,11月份时,“白花锦带花”在50 Gy辐射处理下,株高显著增加并达到最高值54.0 cm;100 Gy辐射处理时株高相对50 Gy减少,“白花锦带花”在50 Gy剂量下,株高较CK增加6.4 cm;300 Gy辐射处理时株高最低,为37.0 cm,较CK显著降低10.6 cm。

由图2可知,11月份时,“锦带花”50 Gy 辐射处理时株高显著增大,并且达到最高值46.2 cm;100 Gy 辐射处理时株高相对50 Gy减少,50 Gy辐射下株高较CK显著增加12.6 cm;300 Gy辐射处理时株高降到最低,与对照相比差异显著。

2.1.2 辐射对2种锦带叶长、叶宽的影响 统计各组锦带花叶长、叶宽的结果见表1。

表1 不同剂量辐射下“白花锦带花”与“锦带花”幼苗的形态指标

由表1可知,辐射处理对锦带花叶片长度影响较大,伴随辐射剂量的升高,2种锦带叶片长度均表现出先增加后减少的趋势。“白花锦带花”11月份对照与50 Gy相比差异显著,50、100 Gy分别比对照增加5.48、1.44 cm,200、300 Gy分别比对照减少0.29、3.72 cm。“锦带花”11月份对照与50 Gy相比有显著差异,50、100 Gy相比对照分别增加2.44、1.09 cm,200、300 Gy相比对照分别减少1.17、2.84 cm。

辐射处理对2种锦带叶片宽度影响较大,辐射剂量增大,2种锦带叶宽都先增大后减小。“白花锦带花”11月份对照与300 Gy的差异显著,与其他处理相比较差异不显著,50、100 Gy相比对照分别增加1.16、0.32 cm,200、300 Gy相比对照分别减少0.08、1.00 cm。“锦带花”11月份对照处理与300 Gy相比来说差异显著,与其他处理相比较差异不显著,50、100 Gy相比对照分别增加0.48、0.09 cm,200、300 Gy相比对照分别减少0.61、0.71cm。

2.1.3 辐射对2种锦带节间距的影响 统计各组锦带花节间距的结果见图3、图4。

图3 不同辐射剂量下“白花锦带花”不同时期的节间距

图4 不同辐射剂量下“锦带花”不同时期的节间距

由图3、图4可知,辐射处理对锦带节间距影响较大,随着辐射剂量的增加,2种锦带节间距均呈先增加后减少的趋势。“白花锦带花”11月份对照处理与50、300 Gy辐射处理相比有显著差异,50、100 Gy分别比对照增加1.12、0.32 cm,200、300 Gy分别比对照减少0.08、1.40 cm。“锦带花”11月份对照处理与50、300 Gy辐射处理相比有显著差异,50、100、200 Gy分别比对照增加1.15、0.79、0.16 cm,300 Gy比对照减少1.63 cm。

2.2 辐射对叶片光合作用的影响

60Co-γ辐射对“白花锦带花”与“锦带花”Ci(胞间CO2浓度)、gs(气孔导度)、A(净光合速率)、E(蒸腾速率)、WUE(水分利用效率)都呈现出不同程度的影响,统计各组锦带花光合速率的结果见表2。

表2 不同剂量辐射下“白花锦带花”与“锦带花”幼苗生长的光合速率

由表2可知,在反映辐射处理后种子活力与早期生长的所有指标中,光合作用是其中1个良好指标。辐射处理后,“白花锦带花”与“锦带花”幼苗期叶内的各个指标都呈先升后降的趋势,“锦带花”E在100 Gy达到峰值,其他指标在50 Gy辐射处理时达到最高值。“白花锦带花”在50 Gy辐射处理下的Ci比对照高了18.33 μmol/mol,与对照相比差异不显著;“锦带花”在50 Gy辐射处理下的Ci比对照高了16.67 μmol/mol,与对照处理相比差异不显著。“白花锦带花”在50 Gy辐射处理下gs比对照高了50.33 mmol/(m2·s),与对照差异显著;“锦带花”在50 Gy辐射处理下gs比对照高了92.00 mmol/(m2·s),与对照差异显著;在50 Gy辐射处理下“白花锦带花”A比对照高了1.47 mmol/(m2·s),与对照差异不显著,“锦带花”A比对照高了3.20 mmol/(m2·s),与对照相比来说差异显著;“白花锦带花”在50 Gy时E比对照高0.39 mmol/(m2·s),与对照相比差异不显著。“锦带花”在100 Gy时E比对照高了1.89 mmol/(m2·s),相比对照来说差异显著;“白花锦带花”在50 Gy时WUE比对照高了0.53 mmol/mol,与对照相比来说差异显著;“锦带花”在50 Gy时WUE比对照高了0.41 mmol/mol,相比对照来说差异不显著。总结得出:低剂量辐射可使Ci、gs、A、E、WUE显著升高,但随着辐射剂量的增大,Ci、gs、A、E、WUE呈现出下降的趋势。

2.3 辐射对叶片叶绿素含量的影响

辐射对2种锦带叶绿素含量的影响见图5。

图5 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”叶绿素含量指标

由图5可知,在辐射处理下,“白花锦带花”与“锦带花”幼苗期叶内的叶绿素含量都呈现下降的趋势,在300 Gy剂量下叶绿素含量最低。“白花锦带花”在300 Gy剂量下叶绿素含量为28.20 mg/g,比对照显著降低8.07 mg/g;“锦带花”在300 Gy剂量下叶绿素含量为30.07 mg/g,比对照显著降低4.63 mg/g。且2种锦带花对照处理与其他处理相比较差异均显著。可以得出,辐射可使叶绿素含量降低。

2.4 辐射对叶片叶绿素荧光的影响

辐射对Fo(初始荧光)、Fm(最大荧光)、Fv/Fo(PSⅡ潜在光化学效率)、Fv/Fm(PSⅡ最大光化学效率)的影响见图6、图7、图8和图9。

图6 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”(初始荧光)Fo

图7 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”(最大荧光)Fm

图8 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”(PSⅡ潜在光化学效率)Fv/Fo

图9 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”(PSⅡ最大光化学效率)Fv/Fm

由图6、图7、图8和图9可知 ,辐射对锦带花Fo、Fm、Fv/Fo、Fv/Fm均有不同程度的影响。

由图6可知,辐射处理后,“白花锦带花”与“锦带花”幼苗期叶内的Fo都呈先升后降的趋势。“白花锦带花”在50 Gy辐射处理时达到最大值,且比对照处理高698.67,对照处理与其他各辐射处理下差异都不显著;“锦带花”在100 Gy辐射处理时达到最大值,且比对照处理高693.66,然后呈下降趋势,对照与300 Gy处理相比差异显著,与其他各辐射处理相比差异不显著。

由图7可知,“白花锦带花”与“锦带花”幼苗期叶内的Fm都呈先升后降的趋势。“白花锦带花”在50 Gy辐射处理时达到最大值26 508.00。“锦带花”50 Gy处理与对照相比增加4 075.66。

由图8可知,“白花锦带花”与“锦带花”幼苗期叶内的Fv/Fo都呈先升后降的趋势。“白花锦带花”在50 Gy辐射处理时达到最大值,且与对照相比显著增加0.45,然后呈下降趋势;“锦带花”在50 Gy辐射处理时达到最大值,且比对照显著增加0.23,然后呈下降趋势。

由图9可知,随着辐射剂量的升高,“白花锦带花”和“锦带花”幼苗期叶内的Fv/Fm均呈先上升后下降的趋势,“白花锦带花”在100 Gy处理时Fv/Fm达到最高值0.72,对照与300 Gy辐射处理相比差异显著;“锦带花”Fv/Fm在50 Gy处理时达到最高值2.45。

2.5 辐射对叶片生理特征的影响

2.5.1 POD活性 辐射对2种锦带POD活性的影响见图10。

图10 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”POD活性

由图10可知,“白花锦带花”与“锦带花”幼苗期叶片中的POD活性都表现为先升高后降低,“白花锦带花”在50 Gy的辐射剂量下POD活性最强,与对照组相比显著增加0.10 U/g,然后呈下降趋势,下降到比对照数值低。“锦带花”在100 Gy辐射剂量下POD活性最强;与对照组相比增加0.15 U/g。对照组处理POD活性低于50、100 Gy辐射处理,且差异显著,与200、300 Gy处理相比无显著差异。总结得出,低剂量辐射能使POD活性明显增强,辐射剂量增加,POD活性显著下降。

2.5.2 SOD活性 辐射对2种锦带SOD活性的影响见图11。

图11 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”SOD活性

由图11可知,“白花锦带花”在200 Gy辐射剂量下SOD活性最强,比对照增加23.47 U/g,50 Gy处理与300 Gy处理SOD活性低于对照,100、200 Gy处理高于对照;“锦带花”在100 Gy辐射剂量下SOD活性最强,比对照增加2.87 U/g。“锦带花”在50 Gy辐射剂量时SOD活性最低,且小于对照。对照处理下SOD活性与50 Gy处理相比来说差异显著。说明低辐射剂量能在一定程度上提高锦带花幼苗的防御能力,但是随着辐射剂量增大,植物受到迫害酶活性就会呈现出下降的趋势[14]。

2.5.3 丙二醛(MDA)含量 植物遭受干旱胁迫会对其体内的细胞膜造成影响,在细胞膜发生反应膜脂质氧化的同时会释放出丙二醛(MDA)这种物质,干旱胁迫越加重,其膜脂化反应越强烈,MDA含量就越高[13]。辐射对2种锦带MDA活性的影响见图12。

图12 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”MDA含量

由图12可知,“白花锦带花”与“锦带花”幼苗期叶片中的MDA含量随辐射剂量的增加均呈现出上升的趋势。“白花锦带花”在300 Gy辐射剂量下达到最高值,相比于对照显著增加0.95 μmol/g。“锦带花”在200 Gy辐射剂量下达到最高值,相比于对照显著增加0.77 μmol/g。总结得出,随着辐射剂量的增大,MDA含量也显著上升。

2.5.4 可溶性蛋白含量 辐射对2种锦带可溶性蛋白含量的影响,见图13。

图13 不同辐射剂量下“白花锦带花”与“锦带花”可溶性蛋白含量

由图13可知,经辐射处理后,“白花锦带花”与“锦带花”幼苗期叶内的可溶性蛋白含量呈“降低-升高-降低”的趋势。“白花锦带花”在300 Gy剂量下可溶性蛋白含量最小,比对照显著减少0.20 ug/g,对照处理与50 Gy辐射处理组相比差异显著。“锦带花”在300 Gy剂量下可溶性蛋白含量最小,比对照显著减少0.15 ug/g。可以得出:随着辐射剂量的增大,可溶性蛋白含量也会下降。

3 讨论

3.1 辐射对2种锦带花生长量的影响

植物的生长情况是反映辐射效果的良好指标[12]。其中,苗高就是一项重要的参考指标[13]。研究表明,植物在γ射线照射下会引起种子萌发和幼苗生长的变化。一般来说,低剂量辐照会刺激种子萌发和幼苗生长;高剂量则抑制[14]。本试验结果显示,2种锦带花种子经60Co-γ射线辐射处理后,各形态指标呈现出不同的变化趋势,证明辐射对2种锦带花有不同程度的影响:低剂量会促进苗高、叶长叶宽、节间距的增加;高剂量会抑制苗高、叶长叶宽、节间距的增加。Zaka等研究结果发现豌豆的辐射剂量在大于6 Gy时,其幼苗的生长会受到强烈的的抑制[18]。王瑞玲试验得出水蜡种子在30 Gy剂量的辐射下,幼苗的叶片鲜质量呈现出明显的下降趋势[19]。

3.2 辐射对2种锦带花叶绿素含量的影响

在本试验中,随着辐射剂量的增加,2种锦带花叶片内叶绿素含量均呈现出降低的趋势且低于未经处理的对照株叶绿素含量。此结果与范菁研究茭白、Thiede等研究金荞麦得出的结论一致[20-21]。辐射会对锦带花产生叶绿素有抑制作用,这可能是因为叶片经过辐射作用后其内在的叶绿素酶会加快对叶绿素的分解作用[17]。相关研究表明:辐射能引发植物类囊体膨胀, 阻碍叶内同化产物的转运及叶绿素的合成,改变光合作用。Fan等研究100 Gy辐射剂量的60Co-γ辐照茭白时,叶绿素a显著下降,电子传递速率也呈现明显的下降趋势[17]。Kim等研究拟南芥时也得到了一致的结论[15]。综上所述,辐射会使植物产生一种保护机制来维持自身的生长,具体表现为叶绿素含量的下降以及光合作用参数的上升。

3.3 辐射对2种锦带花酶活性的影响

许多学者研究了辐射对植物酶活性的影响,结果显示:辐射会使多数植物的丙二醛含量会上升,但是SOD、POD酶活性会随着辐射剂量的增加而呈现出先上升后下降的趋势。然而,酶活性的变化趋势也会因植物种类不同而差异。在本试验中,随着辐射剂量的升高,“白花锦带花”与“锦带花”的SOD、POD酶活性均为先上升后下降,50 Gy时酶活性最高。此结论与Zaka等研究针茅、Vandenhove等研究拟南芥、王瑞玲研究水蜡得出低剂量辐射促进幼苗酶活性增加,高剂量起抑制作用的结论相似[17-18]。植物遭受外界环境胁迫会对其体内的细胞膜造成影响,在细胞膜发生反应膜脂质氧化的同时会释放出丙二醛(MDA)这种物质,胁迫越加重,其膜脂化反应越强烈,MDA含量就越高[22]。因此MDA含量的多少可以反映植株受害程度的大小,MDA含量越高,说明植株受害越严重[23]。

3.4 辐射对2种锦带花可溶性蛋白的影响

植物的可溶性蛋白含量反映出植物的抗逆性强弱。为应对外界的辐射并维持自身的生长,植物会主动积累可溶性蛋白,从而维持其自身的生长。本试验在供试剂量范围内,锦带花的可溶性蛋白含量均有所下降,与郑宾国等研究鱼腥藻得出的结论一致,可能是辐射增强了锦带花蛋白质的分解与代谢,导致蛋白质结构和蛋白酶活性增加,可溶性蛋白含量降低[16]。

4 结论

为了探究辐射诱变对“白花锦带花”和“锦带花”形态及生理特性的影响,采用不同剂量(0～300 Gy)的60Co-γ射线辐射“白花锦带花”与“锦带花”休眠期种子,观测辐射对锦带花生长的影响,测定其生长量及幼苗叶片的叶绿素含量、叶绿素荧光指标、光合作用参数、SOD、POD、MDA和可溶性蛋白含量。

(1) 随着辐射剂量的增加,2种锦带花幼苗的株高、叶长、叶宽、节间距均呈现先升高后降低的变化趋势,当辐射剂量达到50 Gy时其各项形态指标达到最高值,当辐射剂量达到 200 Gy时,各项形态指标呈现出明显的下降趋势。说明低剂量辐射促进幼苗的生长,高剂量辐射抑制幼苗的生长。

(2) 辐射对于2种锦带花叶片叶绿素含量以及光合作用参数也有显著影响。本试验中随着辐射剂量的增加,2种锦带花叶绿素含量均呈现出逐渐降低的趋势。说明辐射会对锦带花产生叶绿素有抑制作用;随着辐射剂量的增加,2种锦带花的光和作用参数先升高后降低,说明在低剂量辐射作用下可以提高植物的光合作用参数,高剂量辐射则抑制植物的光合参数。

(3) 辐射对2种锦带花叶片酶活性也有显著影响。随着辐射剂量的升高,POD活性、SOD活性呈现出先上升后下降的趋势;锦带花叶片可溶性蛋白含量呈现"降-升-降"的趋势,但是都低于对照。说明辐射降低可溶性蛋白含量。

综上所述,锦带花幼苗对0～100 Gy剂量的60Co-γ具有一定的耐受力。在60Co-γ射线诱变育种中,“白花锦带花”种子最佳辐射量为50 Gy,而"锦带花"最佳辐射量为50～100 Gy。剂量过高会抑制锦带花的生长发育。本试验选定的是相同剂量率条件下不同剂量γ辐射对锦带花种子的影响,可以进一步研究不同剂量率辐射对锦带花的影响,从而提高筛选和利用有利变异的效率。