栽培方式對航天誘變當歸SP2繁種特性的影響

崔林剛 郭鳳霞，* 陳垣，* 徐波 李瑞霞

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院/農(nóng)學院/干旱生境作物學國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2天津市現(xiàn)代中藥資源研究企業(yè)重點實驗室/天津天士力現(xiàn)代中藥資源有限公司，天津 300410）

當歸［Angelicasinensis（Oliv.） Diels］別名岷歸，為傘形科多年生草本藥用植物，以干燥根入藥，味甘、辛、性溫，有補血活血、調(diào)經(jīng)止痛、潤腸通便的功效［1］，是治療婦科疾病的常用中草藥［2］。當歸野生資源已趨滅絕，栽培種主要為地方農(nóng)家雜合群體［3］。當歸一般采用育苗地保護性免耕栽培繁種，第1年種子育苗，采挖種苗后耙平土壤，第2年留地小苗返青成藥，成藥株不采挖，越冬后第3年生產(chǎn)種子。在第2年成藥期植株一旦抽薹，根部萎縮木質(zhì)化，不能成藥，稱“早薹株”，所產(chǎn)種子稱“火藥籽”［3］。另外，三年栽培過程中，每年都有一定比率的植株因根腐病導致根部腐爛和植株死亡。因此，當歸繁種系數(shù)很小，優(yōu)異株難以繁種，生產(chǎn)上缺乏優(yōu)良新品種。

然而，當歸新品種選育起步晚，進程慢。王富勝等［4］采用系統(tǒng)法選育出岷歸5號，較對照增產(chǎn)17.4%。馬偉明等［5］采用全息生育適度系數(shù)法，綜合13個主要農(nóng)藝性狀，從7個品種（系）中選出DG2005-02和岷歸3號，但因早期抽薹和根病問題嚴重影響其繁種，新品系難以推廣應(yīng)用。2017年開始，當歸新品種步入航天誘變育種階段［6］。航天育種也稱為太空誘變育種［6-9］，是指通過搭載宇宙飛船或返回式衛(wèi)星，將種子、花粉等繁殖材料利用太空中的強輻射、微重力、高真空、弱磁場等特殊的環(huán)境誘變因子，使其發(fā)生基因突變，創(chuàng)造遺傳變異群體［10-11］，從中選育出優(yōu)良特性和品質(zhì)的植物新種質(zhì)、新品種的現(xiàn)代育種新技術(shù)［12-15］。農(nóng)作物航天育種主要側(cè)重于產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性的改良［16-17］。航天育種涉及的中草藥主要有黃芩［12］、丹參［13］、鳳仙花［14］、白術(shù)［15］、夏枯草［18］、決明［19］、黃芪［20］和柴胡［21］等，研究多集中在航天SP1代的田間表型性狀觀察，SP2代重點有效成分比較。例如，從夏枯草SP2田間表型性狀變異群體中，選育出10株產(chǎn)量突出和5株品質(zhì)優(yōu)良的植株［18］。航天誘變決明SP2代葉綠素含量升高，可溶性糖含量變異度大［19］。上述研究為藥用植物新品種選育開拓了技術(shù)途徑，創(chuàng)造了變異群體，但大多研究仍停留在性狀比較階段。盡管研究從栽培茬口、有機肥調(diào)控和種苗大小探尋了降低當歸早薹率的技術(shù)途徑［22-24］和繁種特性［25］，但栽培方式對當歸繁種特性影響的研究尚鮮見報道。甘肅農(nóng)業(yè)大學中藥材生態(tài)有機栽培課題組2017年獲得航天誘變SP0種子，經(jīng)歷SP1代自然選擇后獲得優(yōu)異SP2代變異群體，2021年成藥期早期抽薹率為0，2022年進入繁種期［6，24］。因此，本研究通過將當歸種子搭載不同航天器，在太空誘變不同時間創(chuàng)造當歸變異群體后，采用留苗與移栽不同方式栽培研究，從而提高新品種選育效率，以期為保障后世代繁種提供科學技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅省定西市岷縣禾馱鄉(xiāng)石家臺村，地理位置為34.4 241 560N、104.26 394 442E，屬典型溫帶大陸性季風氣候，海拔2 787.36 m，年均降水量600～800 mm，年平均溫度6 ℃，該土壤類型為高山草甸土，土質(zhì)肥沃疏松，適宜當歸生長和繁育，是當歸的道地產(chǎn)區(qū)［6，23-24］。當歸育苗試驗用有機肥由甘肅天耀生物科技有限公司生產(chǎn)，有機質(zhì)＞45%，N+P2O5+K2O含量≥5%，pH值5.5～8.5，水分≤30%，每袋規(guī)格40 kg。育苗栽培和種苗移栽時，將結(jié)合整地均一次性施入的有機肥（2 250 kg·hm-2）作為底肥，使土壤肥力保持一致。

1.2 種質(zhì)來源

航天搭載當歸種子2016年8月采自岷縣3年生當歸地方農(nóng)家品種群體種株，由甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院陳垣教授鑒定為當歸［Angelicasinensis（Oliv.）Diels］種子，風干后隨機分為3份，其中1份留地面作為對照（CK），另2份由天士力醫(yī)藥集團股份有限公司委托國家航天局分別搭載航天器，“長征7號”運載火箭于2016年6月26日返回，在太空運行22 h；“神舟十一號”載人飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心2016年10月17日7時30分發(fā)射，2016年11月18日13時59分返回艙在內(nèi)蒙古中部著陸，歷時33 d。根據(jù)誘變時間不同，將當歸種子后世代群體分別命名為航歸22 h、航歸33 d［6］。

1.3 試驗設(shè)計

該繁種試驗采用的是SP0代航歸種子經(jīng)過育苗、成藥、繁種形成的SP2代種子。SP2代種子育苗時將試驗田按東西走向劃分為3個區(qū)組，每個區(qū)組劃分6個小區(qū)，區(qū)組長10.5 m、寬1.2 m，共18個小區(qū)，小區(qū)面積1.8 m2（1.5 m×1.2 m），為了減少邊緣效應(yīng)，以拉繩劃分區(qū)組和小區(qū)，小區(qū)間距0.30 m。肥料均在種子播種前結(jié)合整地以底肥一次性施入，2020年6月18日播種，為了確保各小區(qū)種子播種量一致，播種前種子按小區(qū)精確稱量（精度1/100 g），逐區(qū)撒播，每小區(qū)播種5 g（凈播種量3.5 g，種子衣占比30%），播種后均勻覆蓋麥草保墑增溫，覆蓋厚度以遮住土壤為宜。播種完畢四周設(shè)地埂保護，當歸育苗期不使用任何農(nóng)藥和除草劑預防病蟲草害，人工除草5次，其他田間管理與大田同步一致。2020年10月6—7日冬前采挖種苗時，各誘變?nèi)后w預留一部分種苗不采挖，讓其在田間自然越冬，留苗栽培群體命名為留苗航歸22 h和留苗航歸33 d。采挖的種苗就地假植貯藏，備用于春季移栽。

2021年4月16日整地，4月17日種苗移栽，采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復，試驗田按坡度走向劃分為6個區(qū)組，實施3個重復，使每一區(qū)組處于同一坡度位置，區(qū)組長18.0 m、寬1.0 m，共18個小區(qū)，小區(qū)面積為18 m2（1 m ×18 m），為了減少邊緣效應(yīng)，以拉繩劃分區(qū)組和小區(qū)，每小區(qū)固定行號和株號移栽。肥料均在種苗移栽前結(jié)合整地以底肥一次性施入，移栽栽培群體分別命名為移栽航歸22 h和移栽航歸33 d。在成藥年對每個處理進行隨機掛牌標記，在繁種年對存活的掛牌標記株進行指標測定。

1.4 當歸繁種栽培期生長動態(tài)測定

在6月23日、8月1日、8月20日利用卷尺測定株高和株幅（精度1/10 cm），采用數(shù)顯游標卡尺測定莖粗（精度1/100 mm），目測計取單株葉片數(shù)。株高是根莖部至植株最高點的距離，株幅為植株地上部分展開所能形成的最大距離，莖粗為植株抽薹后地上部分1 cm處的直徑，最后統(tǒng)計計算成活率、死株率和成種株率（成種率）［23-25］：

成活率=成活株/返青株×100%

死株率=返青后死亡株/返青株×100%

成種率=采種株數(shù)/成活株×100%。

1.5 葉綠素及氮含量測定

采用TYS-4N便攜式植物營養(yǎng)測定儀（浙江托普云農(nóng)）測定葉片葉綠素含量和氮含量。

1.6 當歸采種與指標測定

當歸種子于2022年8月21日首次采收，選取部分成熟種子進行采收，按不同處理進行單株采收，立即裝入對應(yīng)株號的尼龍網(wǎng)袋，每株1袋，嚴防種子混雜。2022年9月15日對剩余植株進行一次性全部采收，連根挖出裝入尼龍網(wǎng)袋，每個植株1袋防止單株種子混雜。

對上述采收的移栽航歸33 d和22 h群體與留苗航歸22 h和33 d群體的個體單株進行指標測定，包括根長、根粗、根重、單株生產(chǎn)力［20-24］等。當歸根長采用卷尺測量（精度1/10 cm），根粗和種子大?。ǚN子長、寬）采用數(shù)顯游標卡尺測量（精度1/100 mm），百粒重采用電子天平測定（精度1/10 000 g）。最后計算繁種指數(shù)（breeding index）與各指標的變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）：

繁種指數(shù)=單株種果重/單株重

變異系數(shù)=標準差/平均數(shù)×100%。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)整理、制作圖表，采用SPSS 24.0軟件進行顯著性分析，多重比較選用Duncan法［22-24］，群體間生長指標差異性結(jié)合t檢驗進行描述。采用因子分析對采種株農(nóng)藝綜合性狀和種果重綜合評比打分并排序。

2 結(jié)果與分析

2.1 航天誘變對當歸SP2采種株成活與成種的影響

在地面留存未搭載航天器的對照（CK）種子經(jīng)過育苗、成藥生長，留苗與移栽的地面留存植株均未成功進入繁種年。移栽栽培中，航歸22 h群體各小區(qū)返青株成活率較航歸33 d群體提高14.65個百分點，死株率增加6.00個百分點，成種率提高19.7個百分點，但差異均不顯著（表1）。

表1 SP2代太空搭載當歸繁種期成種率Table 1 Seed formation rate of Angelica sinensis SP2 generation during the breeding period

2.2 航天誘變對當歸SP2采種株生長發(fā)育動態(tài)的影響

從太空搭載當歸群體生長趨勢看，返青期各群體的株高并無顯著差異，營養(yǎng)生長期逐漸表現(xiàn)出群體間的差異性。7月植株開始抽薹，營養(yǎng)與生殖生長交互重疊，薹伸長植株快速增高。8月各群體均處于旺盛期，群體間差異性達最大，移栽航歸22 h群體較移栽航歸33 d、留苗航歸22 h和33 d群體分別增高23.17 cm（P＜0.05）、13.21 cm（P＞0.05）和10.30 cm（P＞0.05），隨發(fā)育時間延后，植株高度達到穩(wěn)定水平，并維持群體間穩(wěn)定的差異性，8月下旬開始種子陸續(xù)成熟。

移栽航歸33 d群體莖最粗，8月1日較移栽航歸22 h、留苗航歸22 h和33 d群體分別增粗0.48、1.85和1.23 mm（P＞0.05）。移栽航歸22 h群體葉片數(shù)比留苗航歸群體多。隨著葉面積擴大，株幅擴展使各群體間差異性更加明顯。移栽航歸22 h株幅較移栽航歸33 d、留苗航歸22 h和33 d群體分別增大21.81、22.35和21.68 cm（P＜0.05），葉片數(shù)分別提高136.1%、109.2%和180.1%（P＜0.05）。6月下旬開始移栽航歸33 d群體葉片數(shù)呈減少趨勢，移栽航歸22 h與留苗航歸群體葉片數(shù)均先增后減，但移栽航歸22 h群體葉片數(shù)始終最多（圖1）。

2.3 移栽對航天誘變當歸SP2代葉綠素的影響

如圖2所示，移栽對于航天搭載當歸群體的葉綠素含量存在一定影響，隨著生長期延后葉綠素逐漸降低。在6月23日葉綠素含量高低依次為：留苗航歸22 h＞移栽航歸22 h＞移栽航歸33 d＞留苗航歸33 d。留苗航歸22 h群體葉綠素最高，且與移栽航歸22 h群體無顯著差異。留苗航歸22 h、移栽航歸22 h、移栽航歸33 d和留苗航歸33 d群體在8月1日較6月23日分別下降33.4%、13.8%、2.0%和18.2%，8月20日較8月1日分別下降10.4%、38.1%、26.4%和18.5%。移栽航歸33 d群體葉綠素始終高于移栽航歸22 h群體與留苗航歸群體的水平。

圖2 SP2代太空搭載當歸群體葉綠素及氮含量的比較Fig.2 Comparison of chlorophyll and nitrogen contents of Angelica sinensis SP2 generation

移栽對于航天搭載當歸的氮含量也具有一定影響，在返青期6月23日留苗航歸22 h群體氮含量最高（＞10.00 mg·g-1），但與移栽航歸22 h和33 d群體無顯著差異，氮含量從高到底依次為留苗航歸22 h＞移栽航歸22 h＞移栽航歸33 d＞留苗航歸33 d。8月1日較6月23日各群體氮含量分別下降31.5%、25.5%、2.8%和17.1%。各處理群體在8月20日較8月1日分別下降7.0%、24.2%、23.1%和15.8%。8月開始移栽航歸33 d群體氮含量始終高于其他群體。

2.4 種子形態(tài)特征

SP2代種子測定顯示（表2），各處理SP2代群體種子之間，長寬均無顯著差異，留苗航歸33 d群體種子最大，種子平均長度大于6.00 mm，平均寬度大于4.00 mm。從長寬綜合衡量，各處理群體種子大小依次為留苗航歸33 d＞移栽航歸33 d＞留苗航歸22 h＞移栽航歸22 h。

表2 SP2代太空搭載當歸種子形態(tài)Table 2 Seed morphology of space mutagenesis of Angelica sinensis SP2 generation

移栽航歸33 d群體與留苗航歸群體的種子百粒重具有顯著差異（P＜0.05），各群體種子百粒重高低依次為留苗航歸33 d＞移栽航歸22 h＞留苗航歸22 h＞移栽航歸33 d。

2.5 移栽對太空搭載當歸單株生產(chǎn)力的影響

由表3可知，移栽航歸22 h群體比移栽航歸33 d群體單株生產(chǎn)力顯著提高（P＜0.05），移栽航歸22 h單株種果重、莖葉重和單根重同樣顯著高于留苗航歸22 h和33 d群體（P＜0.05）。移栽航歸22 h群體的單株平均種果重最大（21.30 g），各處理群體單株種果重從高到低依次為移栽航歸22 h＞留苗航歸33 d＞留苗航歸22 h＞移栽航歸33 d，單根重從高到低依次為移栽航歸22 h＞移栽航歸33 d＞留苗航歸22 h＞留苗航歸33 d。移栽航歸22 h群體單株種果重較移栽航歸33 d、留苗航歸22 h和33 d群體分別提高1 527.5%、482.2%和377.7%，單株根重分別提高235.3%、256.8%和265.2%，根長分別提高44.5%、36.7%和6.0%，根粗分別提高83.3%、83.7%和83.9%。移栽航歸22 h群體地下和地上部生長指標均最大，單株種果重最高，繁種指數(shù)最大，移栽航歸33 d群體單株種果重最小，繁種指數(shù)也最小。

表3 太空搭載當歸SP2代單株生產(chǎn)力Table 3 Single plant productivity of Angelica sinensis SP2 generation

種果重變異系數(shù)最大的為留苗航歸33 d群體，其次為移栽航歸33 d群體；單根重變異系數(shù)最大的為移栽航歸22 h群體，其次為留苗航歸22 h。移栽航歸22 h群體單株種果重變異系數(shù)最小，留苗航歸33 d群體根長、根粗和莖葉重變異系數(shù)均最小，移栽航歸22 h從繁種指標和變異系數(shù)均表現(xiàn)出優(yōu)異的群體性狀（表4）。

表4 太空搭載當歸SP2單株生產(chǎn)力的變異系數(shù)Table 4 Coefficient of variation of individual productivity of Angelica sinensis SP2 generation

2.6 移栽對太空搭載當歸繁種影響的綜合因子分析

基于航天當歸16個性狀指標主成分的綜合因子分析顯示，特征值大于1的主成分有3個，貢獻率分別為43.057%、14.675%和12.364%，累計貢獻率為70.096%，故提取前3個特征值和貢獻率計算各指標的權(quán)重值（表5）。第1主成分中，莖葉重、傘重和一級分支的絕對值居前3位，說明第1主成分是當歸繁種量因子。第2主成分中，種子長、種子寬和百粒重居前3位，說明第2主成分是當歸種子質(zhì)量因子。第3主成分莖節(jié)數(shù)、株高和莖粗居前3位，說明第3主成分是繁種株地上部分生長決定因素。權(quán)重占7%以上的指標依次為株高、莖節(jié)數(shù)、莖粗。根據(jù)各性狀指標隸屬度與權(quán)重大小計算，各處理群體的綜合因子大小依次為移栽航歸22 h（0.813 3）＞留苗航歸33 d（0.408 3）＞留苗航歸22 h（0.237 8）＞移栽航歸33 d（0.033 4）（表6）。

表5 基于主成分分析航天搭載當歸SP2生長因子與繁種性指標負荷量與權(quán)重Table 5 Based on principal component analysis，the load and weight of Angelica sinensis SP2 growth and reproductive indicators

表6 航天搭載當歸SP2生長指標與繁種性隸屬度的綜合評價Table 6 Comprehensive evaluation of the growth index and complex membership of Angelica sinensis SP2 generation

3 討論

航天搭載種子技術(shù)已拓展應(yīng)用到中藥材基原植物新種質(zhì)的創(chuàng)造，單成鋼等［12］研究分析了航天搭載種子對黃芩SP1群體的影響，從總體上看，航天搭載對黃芩SP1群體地上部性狀起抑制作用，但有一定的擴大各性狀的變異譜作用，如航天誘變使過氧化物同工酶酶譜多態(tài)性增加。變異系數(shù)可用于比較誘變?nèi)后w各性狀的變異程度，變異系數(shù)大說明在該群體中出現(xiàn)優(yōu)良個體的概率大，變異系數(shù)小則代表群體相對穩(wěn)定［20］。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，不同航天器搭載種子培育的當歸SP2代繁種群體變異度增大，并表現(xiàn)出群體間和栽培方式的差異性。經(jīng)移栽栽培進入繁種年的航歸22 h群體個體更大，生長發(fā)育更旺盛，繁種指數(shù)最大，但移栽栽培的航歸33 d群體植株普遍較矮，個體生長指標與留苗栽培的對應(yīng)群體基本一致，說明移栽栽培對于誘變時間不同的當歸群體地上部分的促進作用并不相同，固定誘變的方向也不同。返青初期移栽航歸群體的葉片數(shù)均高于留苗航歸群體的水平，說明移栽栽培有利于促進基生葉，為個體后期生長發(fā)育奠定良好的生物量和抗逆基礎(chǔ)，這也可能是當歸傳統(tǒng)采用育苗移栽栽培的主要原因之一。另外，本研究各處理群體中，留苗和移栽航歸33 d群體單株種果重變異度均較大，而根長、根粗和莖葉重相對穩(wěn)定；移栽和留苗航歸22 h群體根重變異度較大，單株種果重相對穩(wěn)定，說明搭載時間長對地上部生物量積累的誘變效應(yīng)大，搭載時間短對地下部誘變效應(yīng)大，種子搭載增大了當歸SP2代個體間抗逆性和生長發(fā)育的差異性，增加了種性傳遞能力的多樣性。

葉綠素是植物光合作用進行生物量積累的基礎(chǔ)，周國莉等［13］利用紫外分光光度法對航天搭載丹參SP1進行葉綠素及可溶性糖含量測定發(fā)現(xiàn)，航天誘變對丹參SP1產(chǎn)生了積極的影響，其葉片總光合色素含量得到顯著增加，可溶性糖含量逐漸增高。本研究利用便攜式植物營養(yǎng)測定儀田間測定發(fā)現(xiàn)，在返青期留苗和移栽航歸22 h群體葉綠素和氮含量均較高，但隨生長期延后下降較快，留苗和移栽航歸33 d群體初期葉綠素及氮含量均較低，后期下降緩慢，說明誘變方向及其性狀固定具有不確定性，也說明當歸在整個繁種過程中具有生理補償效應(yīng)，以保障其個體繁殖。

另外，本研究在地面留存未搭載的對照（CK）當歸未能進入繁種年。搭載航歸群體均完成第二代生活史，8月下旬至9月上旬種子陸續(xù)成熟，但表現(xiàn)出誘變?nèi)后w和栽培方式的差異性，移栽航歸22 h群體綜合表現(xiàn)最優(yōu)，其采種量、根重、根長和根粗均最大，其次為留苗航歸33 d群體，留苗航歸22 h和移栽航歸33 d相接近，說明航天搭載對于當歸繁種具有正向效應(yīng)，栽培方式對誘變?nèi)后w的性狀表現(xiàn)也有選擇性差異。這一結(jié)果與大豆相關(guān)研究結(jié)果相似［26］，大豆經(jīng)航天誘變后SP2代2份材料的株高、單株結(jié)莢和粒數(shù)均有正向增加趨勢［27］。留苗栽培實際含有直播栽培的內(nèi)涵，但與直播栽培又有所不同，留苗地發(fā)生了種苗采挖擾動，而直播無需采挖擾動。直播栽培的當歸畝產(chǎn)量比移栽栽培高，但藥材個頭小，單株重有所降低［28-29］，可能是直播栽培側(cè)根少，主要靠提高單位面積密度增產(chǎn)。種苗大小對當歸產(chǎn)量和繁衍能力均具有影響，大苗繁種系數(shù)更大［30］。本研究移栽栽培的SP2代航歸群體根部指標突出，但留苗航歸33 d也表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，說明栽培方式對航歸33 d群體繁種的選擇差異性較對航歸22 h群體的選擇差異性小，移栽栽培可促進SP2代繁種，留苗栽培可拓展變異度，增加性狀多樣性。

4 結(jié)論

太空搭載種子對當歸具有誘變效應(yīng)，運載火箭搭載時間短，誘變效應(yīng)更佳，選育效率更高。移栽栽培的航歸22 h群體種果重高且性狀相對穩(wěn)定，留苗栽培的航歸33 d群體性狀的變異系數(shù)增大，對搭載航歸的不同方式栽培拓展了當歸優(yōu)良變異基礎(chǔ)群體，主要表現(xiàn)為農(nóng)藝性狀的正向突變?nèi)缰旮摺⒅攴?、莖粗、葉片數(shù)、根長、根粗、種果重等指標。經(jīng)對各處理群體的地上、地下部分和種果重綜合評比，移栽航歸22 h群體優(yōu)勢最強，特異性突出，是當歸新品種選育的寶貴優(yōu)異種質(zhì)。由于誘變的不確定性，SP2代各群體優(yōu)良株系的穩(wěn)定性和一致性有待后世代進一步測定，要想獲得符合特異性、一致性和穩(wěn)定性的優(yōu)良當歸品種，還需要根據(jù)育種目標連續(xù)定向選育，結(jié)合分子育種鑒定技術(shù)，進行大量田間和實驗室篩選研究，直到選育出穩(wěn)定的優(yōu)良品種。