航天搭載菊苣種子的生物學(xué)特性研究

張玉，白史且，王曾珍，李達旭，鄧永昌

（四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都611731）

＊植物航天誘變育種又稱航天育種或太空育種，是指利用返回式衛(wèi)星或熱氣球?qū)⒅参锓N子帶到太空，利用太空特殊的環(huán)境（宇宙射線、微重力、高真空、弱磁場等）對植物種子產(chǎn)生誘變，再返回地面選育新種質(zhì)、新材料，培育新品種的育種技術(shù)。植物航天誘變育種具有變異頻率高，變異幅度大、變異譜廣，易發(fā)生單一性狀變異、穩(wěn)定快速、育種周期縮短、突變體的遺傳穩(wěn)定性好等獨特的優(yōu)勢，因而備受育種工作者的青睞。

我國航天育種起步于20世紀60年代，1987年我國首次利用FSW－O返回式衛(wèi)星搭載植物種子，拉開了中國空間誘變育種的序幕。到目前共搭載了糧食作物、經(jīng)濟作物、蔬菜、花卉、微生物菌株等800多個品種，占世界各國航天誘變育成品種總數(shù)的30%左右［1－8］，植物航天誘變育種已成為我國相對獨立且有效的育種手段，運用這一技術(shù)已成功選育出小麥（Triticumaestivum）、水稻（Oryzasativa）、棉花（Gossypiumspp.）、大豆（Glycinemax）、青椒（Capsicumfrutescens）、油菜（Brassicanapus）、番茄（Solanumlycopersicum）、黃瓜（Cucumissativus）、西瓜（Citrulluslanatus）、大蔥（Alliumfistulosum）等農(nóng)作物新品種或新品系［9］。近年來在牧草和草坪草方面，航天誘變育種發(fā)展迅速，用衛(wèi)星搭載的品種有紅豆草（Onobrychisviciaefolia）、苜蓿（Medicagosativa）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、冰草（Agropyroncristatum×A.Desertorumcv.Mengnong）、野牛草（Buchloe）、胡枝子（Lespedezabicolor）、新麥草（Psathyrostachys）、草地早熟禾（Poaspp.）、結(jié)縷草（Zoysiajaponica）、狗牙根（Cynodondactylon）、假儉草（Eremochloaophiuroides）和高羊茅等（Festucaarundinacea）［10－14］，并對搭載材料的形態(tài)學(xué)、物候期、細胞學(xué)、生理生化和分子水平的變異進行了研究，通過空間誘變已獲得很多寶貴的突變材料，從中選育出了一批優(yōu)良品種，空間誘變育種作為一種新的育種途徑已受到國內(nèi)外遺傳育種界的重視［15］。

菊苣（Cichoriumintybus）具有適應(yīng)性廣、抗逆性強、再生快、營養(yǎng)豐富、適口性好、產(chǎn)草量高、用途多等優(yōu)良特性，是一個具有重要經(jīng)濟價值和開發(fā)潛力的新興優(yōu)質(zhì)飼料作物，得到廣泛贊譽［16］。但菊苣品種單一，在南方高溫高濕季節(jié)生長速度緩慢，還易發(fā)生軟腐病，抗旱耐鹽堿能力差等缺點，限制了它更為廣泛的應(yīng)用，為此，我們對菊苣單株種子進行了航天搭載，并對誘變種子SP1代的生物學(xué)特性進行了初步研究，以期為菊苣突變體的創(chuàng)制、種質(zhì)改良和品種選育提供中間材料和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

2份普那菊苣單株種子（用SAG0001和SAG0002表示）于2008年10月15日17時10分在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號丙運載火箭發(fā)射升空，經(jīng)過17 d的軌道運行返回地面，軌道高度距地面在200～300 km，艙內(nèi)溫度為10～30℃，真空度為10－9～10－5Pa，微重力為10－3～10－5g，2份材料分別命名為SAG0001和SAG0002，以未經(jīng)搭載的普那菊苣種子為對照。

1.2 方法

1.2.1 種子發(fā)芽試驗 各取100粒搭載和未搭載的種子，播種于直徑為80 mm的培養(yǎng)皿內(nèi)，采用紙上（TP）發(fā)芽床，于25℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，5 d計算發(fā)芽數(shù)（以子葉外露長度超過種子大小的50%以上為發(fā)芽），10 d發(fā)芽結(jié)束，統(tǒng)計發(fā)芽率，重復(fù)3次，結(jié)果以其平均值表示。發(fā)芽指數(shù)（GI）按下列公式計算：GI＝∑（Gt／Dt），Gt為在t日內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.2.2 幼苗根系生長試驗 在統(tǒng)計發(fā)芽率的過程中，每天記錄根長變化、根的生長速度以及比較根的形態(tài)變化，直至發(fā)芽試驗第12天為止。

1.2.3 幼苗莖葉和根系鮮重試驗 在發(fā)芽試驗的第12天，對每處理隨機抽取30株幼苗，剪下幼苗的莖葉和根系，用濾紙吸干表面水分后稱鮮重。

1.2.4 田間農(nóng)藝性狀觀察 在新津試驗基地用種子進行育苗，3葉期進行移栽，株行距35 cm×40 cm，每隔10行設(shè)一對照，處理群體共500株，大田常規(guī)管理。主要觀測物候期、基部第4片成熟葉長和葉寬、抽薹期基莖粗、株高、分枝數(shù)、生殖枝數(shù)、小花數(shù)等。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL和SPSS等分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢變化

航天誘變對菊苣種子發(fā)芽有顯著的影響，經(jīng)過搭載后，材料SAG0001發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)都顯著降低，分別為7.33%和7.84%，是對照（分別為62.67%和64.33%）材料的1／10，而材料SAG0002的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)都較對照稍高，分別為66.33%和71.34%。2份材料搭載后發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)變化不一致，可能是太空綜合環(huán)境因素影響了種子活力，對SAG0001起到了明顯的抑制作用，對SAG0002起到了極大的促進作用。

2.2 幼苗根和莖葉生長變化

航天搭載后SAG0001在發(fā)芽不同時期的主根長度與對照接近，并在第12天超過了對照；而SAG0002的根系長度則遠遠高于對照，主根長度是對照的1.4倍（圖1）。

航天搭載材料SAG0001的根系鮮重接近對照值，而SAG0002的根系鮮重超過了對照；并且2份航天材料的莖葉鮮重都遠高于對照值，SAG0001的莖葉鮮重是對照的1.43倍，而SAG0002的莖葉鮮重更是對照的1.46倍（圖2）。

圖1 航天誘變對幼苗根系生長的影響Fig.1 The effects on seedling root growth of C.intybus by space mutagenesis

圖2 航天誘變對幼苗莖葉和根系的影響Fig.2 The effects on the seedling leaf and root of C.intybus by space mutagenesis

2.3 田間農(nóng)藝性狀觀測

2.3.1 物候期觀測 分別對航天誘變的2份材料進行物候期觀測，結(jié)果表明航天搭載前后菊苣物候期差異不明顯（表1）。

表1 航天誘變材料物候期觀測Table 1 Phenology observations of space mutagenesis materials （年.月.日Year.month.day）

2.3.2 葉片生長變化 經(jīng)航天誘變后的2份材料，葉片長生長曲線與對照相似，都是慢快慢的生長趨勢。2月中旬到4月中旬SAG0001葉片生長速度快于SAG0002和對照，蓮座后期到抽薹期SAG0002葉片生長速度快于SAG0001和對照，在此之前2份搭載材料葉片生長速度都快于對照，抽薹到開花期間SAG0001葉片生長速度顯著下降，明顯低于對照和SAG0002。從整個葉片平均長度來看，SAG0002和SAG0001差異不顯著，分別為31.79和32.94 cm，都稍長于對照的29.17 cm（圖3）。

2份航天搭載材料葉片寬度較對照寬，生長前期SAG0001葉片寬度高于SAG0002，但生長后期SAG0002葉片寬度顯著高于SAG0001。SAG0001、SAG0002和對照葉片寬度總平均分別為7.81，9.52和5.71 cm（圖4）。

圖3 航天誘變對普那菊苣葉長的影響Fig.3 The effects on the leaf length of C.intybus cv.Puna by space mutagenesis

圖4 航天誘變對普那菊苣葉寬的影響Fig.4 The effects on the leaf width of C.intybus cv.Puna by space mutagenesis

2.3.3 株高變化 2份航天材料生長的速度均超過了對照，而SAG0001在生長前、中期表現(xiàn)較好，SAG0002則在生長后期表現(xiàn)更為突出。SAG0001、SAG0002和對照總的平均株高分別為77.58，72.70和58.26 cm。

2.3.4 基莖粗的變化 2份航天誘變材料的基莖粗都較對照略低，且SAG0002相對于材料SAG0001表現(xiàn)更好。SAG0001、SAG0002和對照總的平均莖粗分別為2.08，2.17和2.26 cm（圖6）。

2.3.5 生殖生長變化 主要對生殖生長的分枝數(shù)、生殖枝數(shù)和小花數(shù)進行了統(tǒng)計，2份航天誘變材料的分枝數(shù)、生殖枝數(shù)和小花數(shù)都顯著高于對照，其中以SAG0002表現(xiàn)尤為突出（表2）。

3 討論與結(jié)論

草種由于具有質(zhì)量輕、體積小、包裝簡單、便于攜帶等優(yōu)點，種子搭載后不僅可以探索空間條件對生物影響的機理，為人類開拓空間資源提供理論依據(jù)，而且草類植物主要是以收獲和利用營養(yǎng)器官為主，相對于以收獲籽實為主的農(nóng)作物而言，可能更易在太空條件引起變異，通過搭載后可能選育出性狀更突出更優(yōu)異的新品系。

圖5 航天誘變對普那菊苣株高的影響Fig.5 The effects on the height of C.intybus cv.Puna by space mutagenesis

圖6 航天誘變對普那菊苣基莖粗的影響Fig.6 The effects on base stem diameter of C.intybus cv.Puna by space mutagenesis

航天搭載菊苣SP1代研究結(jié)果表明，SAG0001發(fā)芽率、發(fā)芽勢和莖基部粗明顯低于對照，根系生長速度、根系鮮重與對照相當(dāng)，根系生長速度、葉片長和寬、株高和生殖生長等方面都優(yōu)于對照，SAG0001群體形態(tài)綜合表現(xiàn)較好；而SAG0002群體除莖基部粗性狀外，其余性狀都優(yōu)于對照，形態(tài)學(xué)性狀綜合最好，其特征為植株高大、單株分枝數(shù)多、基莖較粗、生殖枝和小花數(shù)多，從研究結(jié)果可以初步表明航天搭載從總體上對菊苣地上部性狀起到一定的促進作用，SAG0002綜合性狀較SAG0001好。說明航天誘變受到空間微重力、宇宙中高能粒子、宇宙射線等因素的綜合影響，表現(xiàn)出更大的變異。這與前人認為的生物材料在高空飛行中發(fā)生突變不是單一因素的作用，而是空間多個因素綜合作用的結(jié)果一致［18－21］。

本研究只從形態(tài)方面對航天誘變材料的變異進行了對比分析，不能確定其變異是環(huán)境因素引起的，還是遺傳物質(zhì)引起的，因此，要確定其變異是遺傳的，還需利用分子生物學(xué)技術(shù)進一步明確航天搭載材料遺傳物質(zhì)變異的真實性；明確了遺傳的真實性后，還應(yīng)篩選有明顯變異的個體，研究突變性狀遺傳規(guī)律，并加以利用。

表2 航天誘變對普那菊苣分枝數(shù)、生殖枝數(shù)和小花數(shù)的影響Table 2 The effects of number on branches，reproductive branches and florets of C.intybus cv.Puna by space induction

致謝：中國航天育種中心為本研究提供了搭載條件，在此衷心感謝。

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