航天誘變對甜菜生殖生長期幾種激素含量的影響

劉乃新 ，吳則東 ，王華忠

（1.黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點實驗室，哈爾濱150080；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所/黑龍江大學(xué)農(nóng)作物研究院，哈爾濱 150080；3.農(nóng)業(yè)部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心，哈爾濱 150080）

利用返回式衛(wèi)星等所能到達(dá)的空間環(huán)境對植物（種子）的誘變作用產(chǎn)生有益的變異，在地面選育植物新種質(zhì)、新材料，培育新品種的高新技術(shù)育種途徑和方法，稱為航天育種或空間誘變育種[1]。自1987年以來，在國家863計劃和重點攻關(guān)等項目的資助下，我國科學(xué)工作者15次利用返回式衛(wèi)星和神舟飛船搭載植物種子，經(jīng)多年地面種植篩選，先后育成60多個農(nóng)作物優(yōu)異新種質(zhì)、新品系并進(jìn)入省級以上品種區(qū)域試驗，其中已通過國家或省級審定的新品種或新組合20個，包括水稻13個、小麥3個、番茄2個、青椒和芝麻各1個，并從中獲得了一些有可能對產(chǎn)量有突破性影響的罕見突變[2]，其中包括水稻、小麥、番茄、青椒和芝麻在內(nèi)的30多個新品種或新組合已通過國家或省級審定，并已進(jìn)入市場推廣。而關(guān)于航天育種誘變機(jī)理的研究也在很多作物間展開，目前多集中在同工酶電泳及分子標(biāo)記譜帶的差異，但是對航天誘變后激素含量差異的研究還少見有報道，為此本文通過對航天誘變甜菜在花期幾種激素含量變化的比較研究，為闡明航天誘變的機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

實驗組的甜菜種子于2006年9月9日15時，由我國自行研制的“實踐八號”航天育種衛(wèi)星搭載長征二號丙運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空，“實踐八號”育種衛(wèi)星返回艙經(jīng)過15d的在軌飛行，于2006年9月24日上午10點42分，在四川省遂寧地區(qū)安全回收。本次實驗研究的材料為3個優(yōu)良的四倍體品系，航天誘變品系分別命名為H1、H2和H3，其對照分別為CK1、CK2和CK3，其中航天品系當(dāng)年在海南培育母根，2007年在農(nóng)村隔離采種，每個航天誘變的品系選取1株外形變異較大的留種，并和對照種子當(dāng)年在山東培育母根，2008年4月20日分別栽植航天誘變品系及對照母根，2008年7月4日上午取樣，各材料分別選取10株生長健壯的個體，分別取未開放的花蕾和葉片作為實驗材料。

1.2 測定方法

1.2.1 激素的制備 將花蕾及葉片各稱1g，加2mL樣品提取液，在冰浴下研磨成勻漿，轉(zhuǎn)入10mL試管，再用2mL提取液分次將研缽沖洗干凈，一并轉(zhuǎn)入試管中，搖勻后放置在4℃冰箱中提取4h，4000r/min離心15min（實驗中離心機(jī)型號為LDZ5-2），取上清液。沉淀中加1mL提取液，攪勻，置4℃下再提取1h，離心，合并上清液并記錄體積，殘渣棄去。用氮氣吹干，除去提取液中的甲醇，用樣品稀釋液定容。

1.2.2 激素含量的測定 試劑盒由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控研究室提供，激素的測定采用間接酶聯(lián)免疫法（ELISA），酶標(biāo)儀的型號為Thermo Multiskan MK3，間接法的原理可用公式表示：Ab+H+HP=AbH+AbHP

其中Ab表示抗體，H表示游離激素，HP表示吸附在板上的激素－蛋白質(zhì)復(fù)合物。根據(jù)質(zhì)量作用定律，當(dāng)該反應(yīng)體系中Ab及HP的量確定時，游離H越多，結(jié)合物AbH形成的就越多，而AbHP形成的就越少，即結(jié)合在板上的抗體就越少，通過酶標(biāo)二抗檢測結(jié)合物AbHP的多少，就可以確定游離H量的多少。

1.2.3 結(jié)果計算 本試驗采用標(biāo)準(zhǔn)樣品的OD值與濃度的自然對數(shù)做一元三次線性方程。曲線的橫坐標(biāo)用激素標(biāo)樣各濃度（ng/mL）的自然對數(shù)表示，縱坐標(biāo)用各濃度顯色值表示。樣品的濃度依據(jù)樣品的OD值帶入方程求得樣品的激素含量，結(jié)果取3次平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 航天誘變甜菜及其對照品系花期ZR含量的差異

航天誘變甜菜及其對照品系花期葉片ZR含量的差異見圖1-1，從圖1-1我們可以看出，3個品系航天及其對照表現(xiàn)并不一致，其中H1和H3均表現(xiàn)為航天品系葉片ZR含量高于對照，而2號品系則表現(xiàn)為航天品系的ZR含量遠(yuǎn)低于對照，且差異達(dá)到了4倍左右。航天誘變甜菜及其對照品系花蕾ZR含量的差異見圖1-2，從圖1-2我們可以看出，3個品系航天及其對照表現(xiàn)結(jié)果一致，均表現(xiàn)為航天品系ZR含量高于對照，且H2花蕾中ZR的含量超過了CK2的2倍，差異極顯著。從圖1-1和圖1-2對照來看，花蕾中ZR的含量除了CK2外，其余均高于葉片中ZR的含量，且有的差異顯著。這點與航天誘變番茄突變體MS1相同[3]。

圖1-1 航天誘變甜菜及其對照葉片ZR含量的差異

圖1-2 航天誘變甜菜及其對照花蕾ZR含量的差異

2.2 航天誘變甜菜及其對照品系花期IAA含量的差異

從圖2-1我們可以看出，3個不同甜菜品系均表現(xiàn)為航天品系葉片中IAA的含量高于對照，且H2及H3號與對照IAA含量的差異極顯著。從圖2-2我們可以看出，3個不同航天誘變甜菜品系與其對照在花蕾中IAA含量的差異的表現(xiàn)與葉片中相似，均表現(xiàn)為航天品系高于對照。而且從兩個圖的對比也可以看出，每個品系花蕾中IAA的含量均明顯高于葉片。

2.3 航天誘變甜菜及其對照品系花期ABA含量的差異

從圖3－1、3－2可以看出，在葉片中，3個不同甜菜品系均表現(xiàn)為航天處理ABA的含量高于對照；但在花蕾中的表現(xiàn)卻不同，除了H1花蕾中ABA的含量遠(yuǎn)高于對照外，H2及H3花蕾中ABA的含量均低于對照品系，且H3與其對照花蕾中ABA的含量差異顯著。

2.4 航天誘變甜菜及其對照品系花期GA3含量的差異

從圖4-1可以看出，3個甜菜品系均表現(xiàn)為航天品系葉片中的GA3含量均高于其對照品系，只是H1與對照之間的差異不大。而從圖4-2我們可以看出，H1和H2花蕾中GA3含量的表現(xiàn)與葉片中相同，均表現(xiàn)為航天品系花蕾中GA3的含量高于對照品系，且差異顯著，而H3花蕾中GA3含量則與葉片中相反，表現(xiàn)為航天處理中GA3的含量低于對照，但依然差異不大。

3 航天誘變機(jī)理的討論

植物內(nèi)源激素是植物體內(nèi)代謝反應(yīng)的產(chǎn)物，它產(chǎn)生于植物本身，同時又在不同水平上對植物的生長發(fā)育和生命活動進(jìn)行調(diào)控。目前認(rèn)為激素是植物信號傳導(dǎo)最重要的調(diào)節(jié)因子。許多研究結(jié)果表明，激素處理能誘導(dǎo)新的mRNA和蛋白質(zhì)的合成，說明激素的許多作用是通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)的方式實現(xiàn)的[4]。不同的激素具有不同的功能，IAA具有使細(xì)胞伸長，及改變基因表達(dá)的作用；GA3具有許多生理作用，研究最多的是誘導(dǎo)禾谷類α-淀粉酶的合成和釋放、莖的延長和開花等等[5]。促進(jìn)莖延長是與細(xì)胞壁伸展性有關(guān)，細(xì)胞伸展的形狀和方向決定于細(xì)胞壁，當(dāng)它們與細(xì)胞長軸呈橫向排列時，就會使細(xì)胞延長[6]。而植物的生長發(fā)育是各種因素綜合作用的結(jié)果，內(nèi)源激素對植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)作用也是一個相互協(xié)調(diào)的過程。研究表明，IAA和GA3均有促進(jìn)植物生長的效應(yīng)，而ABA均能拮抗這兩者的促進(jìn)效應(yīng)。

從本文的研究結(jié)果來看，航天誘變的3個四倍體品系在花期葉片及花蕾中4種激素水平較之對照均發(fā)生了變化，但不同的品系變化不同，1號品系無論是在葉片還是在花蕾中，均表現(xiàn)為航天誘變處理后4種激素的含量高于對照；而2號品系航天誘變處理后不論在葉片還是在花蕾中，均表現(xiàn)為IAA和GA3含量高于對照，而另外兩種激素葉片和花蕾的表現(xiàn)正好相反；而3號品系航天誘變處理后花期不論在葉片還是在花蕾中，均表現(xiàn)為IAA和ZR含量高于對照，而另外兩種激素葉片和花蕾的表現(xiàn)正好相反。說明了航天誘變處理對于不同的品系表現(xiàn)不同。這可能是因為太空輻射誘變是一個復(fù)雜的過程，首先射線的能量沉積在物質(zhì)上，引起物質(zhì)的原子和分子的激發(fā)與電離，電離過程隨后形成自由基，自由基與DNA作用可以引起DNA多種類型的損傷，包括堿基變化、脫落、氫鍵的斷裂、單雙鍵斷裂、DNA及蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子之間的交聯(lián)[7,8]?？臻g環(huán)境不僅可以導(dǎo)致基因組DNA的堿基變異，并可造成DNA的斷裂和重組，從而誘發(fā)可遺傳變異；研究還發(fā)現(xiàn)，植物中存在大量轉(zhuǎn)座子序列和逆轉(zhuǎn)座子序列，太空環(huán)境可使轉(zhuǎn)座子激活，活化的轉(zhuǎn)座子通過移位、插入和丟失，導(dǎo)致基因的變異和染色體的變異遺傳給后代[2]。另外航天器搭載的植物種子還要受到其他因素的作用，如大氣結(jié)構(gòu)、高真空、交變磁場、太空低壓力、低氣溫等以及在起飛時的強(qiáng)振動和落地時的強(qiáng)沖擊。這些因素也可能引起生物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生變異[9]。所以，航天過程的條件極為復(fù)雜，能夠使植物遺傳性發(fā)生變異常常是以微重力和強(qiáng)輻射為主要因素的多因素的綜合效應(yīng)。因此從我們對3個不同甜菜航天誘變品系花期葉片及花蕾中4種激素含量的測定可以得知，經(jīng)過空間復(fù)雜的環(huán)境條件的誘變，誘變的不同品系的與對照植株發(fā)生了很大的變化，但是不同品系之間的變化卻有很大的不同，說明在空間復(fù)雜的環(huán)境條件下，不同的個體變體是多樣的，想要闡明其突變的機(jī)理還需要做更進(jìn)一步的研究。

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