周琳 張永春 楊柳燕 蔡友銘
摘要:以鳶尾組培苗為試驗(yàn)材料,比較不同誘變處理對鳶尾組培苗生理生化指標(biāo)的影響。研究結(jié)果表明,不同誘變處理均導(dǎo)致丙二醛(MDA)和過氧化氫(H2O2)的積累、超氧陰離子自由基(O-2·)生成速率提高以及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性的增強(qiáng),而且誘變劑量越高,這些生理生化指標(biāo)的值越高。秋水仙素和60Co-γ誘變處理相比,高劑量(20.0、40.0 Gy)的60Co-γ對鳶尾組培苗造成的損傷更為明顯,該處理下,鳶尾組培苗MDA含量和活性氧積累更明顯,抗氧化酶活性也較高,但成活率較低。低劑量(2.5、5.0、10.0 Gy)的 60Co-γ 處理下,雖然各生理生化指標(biāo)略高于或接近秋水仙素處理,但其成活率仍低于秋水仙素處理。不同誘變處理培養(yǎng)30 d后,均轉(zhuǎn)接至新鮮繼代培養(yǎng)基,轉(zhuǎn)接后10 d鳶尾葉片生理生化各項指標(biāo)均有所下降,表明對于誘變處理的材料,縮短其繼代培養(yǎng)時間,可減少活性氧或有害物質(zhì)的積累,提高其成活率。
關(guān)鍵詞:鳶尾;組培苗;化學(xué)誘變;物理誘變;生理生化指標(biāo);成活率
中圖分類號:S682.1+90.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號:1002-1302(2020)13-0150-07
收稿日期:2019-07-29
基金項目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃(編號:16391900200);上海市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目[編號:滬農(nóng)科產(chǎn)字(2019)第8號];上海市科委研發(fā)平臺建設(shè)項目(編號:18DZ2291400)。
作者簡介:周琳(1989—),女,江蘇無錫人,博士,主要從事花卉遺傳育種研究。Tel:(021)62207245;E-mail:zhoulin6816@126.com。
通信作者:蔡友銘,博士,研究員,主要從事花卉育種與生產(chǎn)研究。Tel:(021)52231163;E-mail:zhangyc@saas.sh.cn。鳶尾屬(Iris)為鳶尾科(Iridaceae)最大的屬,該屬植物具有花型多樣、花色艷麗、花期較長等優(yōu)點(diǎn),有“宿根皇后”的美譽(yù)[1-2]。鳶尾屬植物因其可觀花和觀葉、生態(tài)適應(yīng)性廣等特點(diǎn),目前已被廣泛應(yīng)用于河道綠化、水質(zhì)凈化、生態(tài)保護(hù)、草坪鑲邊以及與常綠喬木配植形成花帶等[1,3],且切花類型的鳶尾備受市場歡迎。此外,鳶尾屬植物中的花菖蒲、馬藺、蝴蝶花等具有一定藥用價值[4],是部分中草藥的來源植物;細(xì)葉鳶尾、粗根鳶尾、中亞鳶尾等的根和根狀莖中的甲醇提取物被證實(shí)具有體外抗炎活性[5]。因此,鳶尾屬植物既是重要的觀賞和藥用植物,還可用于食品、紡織和化工領(lǐng)域,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和市場前景[6]。
鳶尾屬植物全球有300多種,但多數(shù)資源分布于北溫帶地區(qū)。雖然,我國鳶尾屬植物種質(zhì)資源豐富,大概有60個種,但多數(shù)資源仍處于引種栽培階段[7];而且鳶尾屬植物種間雜交親和性低,導(dǎo)致雜交育種工作進(jìn)展相對滯后。相較于其他花卉,鳶尾屬植物誘變育種研究相對滯后,研究報道多集中于輻射誘變育種方面,且誘變處理對鳶尾屬植物生理生化的影響未得到充分關(guān)注[8-10]。因此,本試驗(yàn)以路易斯安那鳶尾組培苗為試驗(yàn)材料,研究不同劑量化學(xué)誘變和輻射誘變處理對鳶尾組培苗生理生化的影響,以期基于生理生化響應(yīng)情況,篩選出合適的誘變劑量,提高誘變效率。
1材料與方法
1.1材料
試驗(yàn)于2018年3—8月開展,依托上海植物種苗組培專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺,以路易斯安那鳶尾(Heather Stream)當(dāng)年新萌發(fā)的幼嫩莖尖為外植體,參照祝劍峰等的外植體滅菌方法以及初代培養(yǎng)、繼代培養(yǎng)的培養(yǎng)基配方[11]進(jìn)行組織培養(yǎng),獲得鳶尾組培苗。鳶尾組培苗培養(yǎng)的光照度、光—暗周期和晝/夜溫度分別為30~35 μmol/(m2·s)、12 h—12 h、20 ℃/15 ℃。
1.2處理方法
選擇長勢較為一致的鳶尾組培苗(苗高5 cm),用于不同誘變處理。使用秋水仙素(Colchicine,美國SIGMA)進(jìn)行化學(xué)誘變處理,共設(shè)3個劑量梯度,分別為0.1%、0.2%和0.3%,將秋水仙素按照不同劑量處理添加至培養(yǎng)基中,培養(yǎng)24 h后,將組培苗轉(zhuǎn)接至新的繼代培養(yǎng)基中。通過上海束能輻照技術(shù)有限公司的60Co-γ射線進(jìn)行輻射誘變處理,共設(shè)2.5、5.0、10.0、20.0、40.0 Gy共5個劑量,劑量率為1 Gy/min。對照組(培養(yǎng)基中未添加秋水仙素,且未進(jìn)行60Co-γ輻射處理)、秋水仙素(0.1%、0.2%和0.3%)處理組和60Co-γ(2.5、5.0、10.0、20.0和40.0 Gy)處理組的鳶尾組培苗均為30株,重復(fù)3次。在試驗(yàn)期間,培養(yǎng)條件(培養(yǎng)基、光照度和周期、溫濕度)與前期培養(yǎng)條件一致,于培養(yǎng)30 d時轉(zhuǎn)接至新配制的繼代培養(yǎng)基,培養(yǎng)基配方參考祝劍峰等的研究[11]。
1.3測定指標(biāo)及測定方法
各處理(對照、化學(xué)誘變和物理誘變)均于培養(yǎng)0、5、10、15、20、30、40 d時取鳶尾組培苗葉片,按照各項生理生化指標(biāo)[12-17]測試需求稱質(zhì)量后,凍存于 -80 ℃ 冰箱。參照李合生的硫代巴比妥酸法[12]測定丙二醛(MDA)含量;參照Wang等的方法[13]測定超氧陰離子自由基( O-2· )產(chǎn)生速率;采用劉俊等的方法[14]測定H2O2含量;參照Giannopolitis的氮藍(lán)四唑(NBT)法[15]測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;參照Aebi的紫外吸收法[16]測定過氧化氫酶(CAT)活性;參照Bergmeyer的愈創(chuàng)木酚法[17]測定過氧化物酶(POD)活性;各處理均于培養(yǎng)60 d時統(tǒng)計組培苗成活率。每個測定指標(biāo)均設(shè)3次重復(fù)。
1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
使用Excel 2010整理數(shù)據(jù),采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行ANOVA方差分析和差異顯著性分析(Duncans新復(fù)極差法),使用Origin 8.5軟件作圖。
2結(jié)果與分析
2.1誘變處理對鳶尾葉片丙二醛含量的影響
從圖1可見,在培養(yǎng)0~40 d期間,對照組鳶尾葉片丙二醛(MDA)含量雖有波動,但其含量保持在0.77~0.98 nmol/g之間。秋水仙素和60Co-γ處理下,均表現(xiàn)為劑量越高則MDA含量越高;秋水仙素處理下,MDA含量變化范圍為0.70~2.94 nmol/g,而60Co-γ處理的變化范圍為0.72~6.39 nmol/g,高劑量(20、40 Gy)的60Co-γ處理下MDA含量明顯高于相同時期的秋水仙素處理。不同劑量 60Co-γ 處理的葉片MDA含量隨著培養(yǎng)時間的延長可顯著增加,在培養(yǎng)30 d更換新鮮繼代培養(yǎng)基后,有所降低,但在培養(yǎng)40 d時仍保持較高值。秋水仙素處理下,MDA含量變化趨勢與60Co-γ處理一致,在培養(yǎng)40 d時僅略微下降,與培養(yǎng)30 d時差異不顯著。值得關(guān)注的是,0.1%和0.2%秋水仙素處理,雖然處理劑量成倍增加,但在不同時期,0.2%秋水仙素處理的MDA含量僅略高于0.1%處理,兩者差異不明顯。
2.2誘變處理對鳶尾葉片H2O2含量的影響
由圖2可知,對照組在培養(yǎng)0~40 d期間,鳶尾葉片H2O2含量在 0.137~0.151 μmol/g之間浮動,始終保持較低水平且變化不顯著。不同劑量(2.5、5.0、20.0、40.0 Gy)60Co-γ誘變處理下,隨著劑量的增加H2O2含量明顯增加,大多處理于 30 d 時達(dá)到峰值,隨著繼代培養(yǎng)基的更新而降低;僅10 Gy處理在培養(yǎng)0~40 d期間H2O2含量始終保持增長。秋水仙素處理鳶尾時,不同濃度秋水仙素處理對H2O2含量的影響也表現(xiàn)為0~30 d期間增加,30~40 d期間下降。高濃度的秋水仙素處理下,H2O2含量明顯高于低濃度處理,在培養(yǎng)15、20 d時,0.3%秋水仙素處理下H2O2含量明顯高于0.1%和0.2%處理,在培養(yǎng)30、40 d時,0.3%處理的H2O2含量雖然仍高于0.1%和0.2%處理,但其差值相對減小。
2.3誘變處理對鳶尾葉片 O-2· 生成速率的影響
如圖3所示,對照組的 O-2· 生成速率變化范圍為0.344~0.419 nmol/(g·min),隨著培養(yǎng)時間的延長可顯著提高。60Co-γ和秋水仙素處理下, O-2·生成速率變化范圍分別為 0.345~0.979 nmol/(g·min)和0.341~0.796 nmol/(g·min)。秋水仙素誘變和 60Co-γ(2.5、5.0、10.0、20.0 Gy)誘變的 O-2· 生成速率均表現(xiàn)為在培養(yǎng)0~30d期間顯著提高,在
30~40 d期間有所降低;40 Gy處理下在培養(yǎng)0~20 d 期間顯著增加,在培養(yǎng)20、30、40 d時O-2· 生成速率分別為0.967、0.963、0.950 nmol/(g·min)。
2.4誘變處理對鳶尾葉片抗氧化酶活性的影響
2.4.1誘變處理對鳶尾組培苗SOD活性的影響由圖4可見,對照組鳶尾葉片SOD活性在86.64~
90.78 U/g之間波動,60Co-γ和秋水仙素處理均導(dǎo)致鳶尾葉片中SOD活性增強(qiáng),除了2.5、40.0 Gy處理以外,其余處理均表現(xiàn)為SOD活性在培養(yǎng)0~30 d 間顯著增強(qiáng),在30~40 d期間下降,且誘變劑量越高最終SOD活性越強(qiáng)。2.5 Gy處理下,SOD活性在培養(yǎng)0~20 d期間顯著增加,在培養(yǎng)20~40 d期間下降;而40.0 Gy處理下,SOD活性除了在培養(yǎng)30 d時有所下降,整體保持增長的趨勢,最終活性可達(dá)390.98 U/g?;瘜W(xué)誘變處理下,在培養(yǎng)5~30 d 期間,不同取樣時間的SOD活性總體顯著增長;而 60Co-γ 處理下,在前期5~30 d期間SOD活性增長顯著,但在培養(yǎng)30 d和40 d之間的SOD活性變化幅度相對較小。
2.4.2誘變處理對鳶尾組培苗CAT活性的影響在0~40 d期間,對照組CAT活性在68.01~71.05 U/g 間波動,但變化不顯著(圖5)。0.1%和0.2%秋水仙素處理及20、40 Gy處理下,鳶尾葉片中CAT活性在培養(yǎng)0~20 d期間顯著增強(qiáng),在培養(yǎng)20~40 d期間有所下降;其余處理均表現(xiàn)為在培養(yǎng)0~30 d期間CAT活性顯著增強(qiáng),在培養(yǎng)30~40 d期間降低。在20、40 Gy處理下,CAT活性于培養(yǎng)5 d時分別達(dá)到133.48、137.69 U/g,明顯高于0.1%和0.2%秋水仙素處理的最高值,此外在40 d時,其活性分別為155.24、169.11 U/g,仍保持較高水平。
2.4.3誘變處理對鳶尾組培苗POD活性的影響由圖6可知,相對于SOD和CAT,對照組POD在培養(yǎng)0~40 d期間活性變化更明顯,其活性在663.00~707.26 U/g間波動,且在培養(yǎng)30 d時達(dá)到最高值,即707.26 U/g。除了20 Gy處理在培養(yǎng)20 d和 30 d 時POD分別為1 255.68、1 254.13 U/g以外,其余各處理均表現(xiàn)為在培養(yǎng)0~30 d期間POD活性顯著增強(qiáng),在培養(yǎng)30~40 d期間降低。20、40 Gy 處理下,POD活性變化與CAT相似,即在5 d時分別顯著增強(qiáng)至804.09、823.28 U/g,在培養(yǎng)40 d時仍保持較高的水平,分別為1 152.17、1 151.87 U/g。
2.5誘變處理對鳶尾組培苗成活率的影響
不同誘變處理的鳶尾組培苗成活率見表1。秋水仙素和60Co-γ處理下,鳶尾組培苗成活率均表現(xiàn)為劑量越高成活率越低。不同劑量秋水仙素處理下,鳶尾組培苗成活率均在30%以上;不同劑量的60Co-γ處理導(dǎo)致鳶尾組培苗成活率較低,即使是2.5 Gy處理,其成活率也僅有21.11%,當(dāng)劑量為20、40 Gy時,其成活率甚至低于5%。此外,0.1%秋水仙素處理的成活率高于50%,但0.2%和0.3%的秋水仙素處理的成活率分別為35.56%和32.22%,0.2%和0.3%處理的成活率差異不顯著;5、10 Gy處理下,成活率較為相近,分別為13.33%和12.22%。
3結(jié)論與討論
由于自然界中自發(fā)突變頻率較低,且需長期積累, 而通過誘變技術(shù)(化學(xué)誘變和物理誘變)可獲得較為豐富的種質(zhì)材料,因此誘變育種已經(jīng)成為加快植物種質(zhì)資源改良和新種質(zhì)選育的重要方法[18]。經(jīng)過多年發(fā)展,觀賞植物的誘變方法、材料和劑量的選擇以及誘變機(jī)制已備受關(guān)注[19],然而,不同物種的誘變劑量存在較大差異;進(jìn)行誘變處理時,劑量過低,不能達(dá)到誘變效果,劑量過高,則極易導(dǎo)致植株死亡,因此根據(jù)物種篩選合適的誘變劑量,達(dá)到既能得到較多變異,又不引起植株過度損傷或死亡,對于誘變育種效率的提高具有重要意義。目前已有多個物種通過誘變處理后生理生化指標(biāo)的測定篩選出了合適的誘變劑量[20-22]。因此,本試驗(yàn)以路易斯安那鳶尾組培苗為試驗(yàn)材料,比較了不同誘變劑量對鳶尾組培苗生理生化指標(biāo)以及成活率的影響,以期篩選出最佳誘變劑量,用于后期大量誘變處理,進(jìn)而開展鳶尾新種質(zhì)選育工作,提高誘變效率和誘變苗的成活率。
誘變處理對植物的MDA、活性氧含量和抗氧化酶活性的變化一直備受關(guān)注[23]。多數(shù)的研究結(jié)果顯示,誘變育種均導(dǎo)致抗氧化酶活性的增強(qiáng)[20-22,24],表明誘變誘變處理可能導(dǎo)致組織產(chǎn)生了大量的活性氧,從而激發(fā)植物抗氧化系統(tǒng)來調(diào)控活性氧平衡。相較于抗氧化酶活性,誘變處理對MDA含量的影響上存在一定的爭議,申曉慧等報道,紫花苜蓿在物理誘變處理后,MDA含量變化不明顯[20,24],但溫嵐等在黃麻上的研究結(jié)果則表明,誘變導(dǎo)致了MDA含量顯著增加[22]。本試驗(yàn)中,在化學(xué)誘變(秋水仙素)和物理誘變(60Co-γ)2種不同的誘變處理下,均表現(xiàn)為高劑量下鳶尾葉片的MDA、H2O2含量以及O-2· 生成速率、抗氧化酶活性(SOD、CAT和POD)較高,由此可見2種誘變處理均對鳶尾組培苗造成了傷害,導(dǎo)致了MDA、H2O2和 O-2· 的大量積累,從而激發(fā)抗氧化酶活性的增強(qiáng),且劑量越高植株損傷越大。2種誘變方式相比,高劑量(20、40 Gy)的 60Co-γ 處理下,鳶尾組培苗各項生理生化指標(biāo)均明顯高于秋水仙素處理,且成活率極低;低劑量(2.5、5.0、10.0 Gy)處理下,鳶尾組培苗生理生化指標(biāo)則略高于或接近于秋水仙素處理;并且60Co-γ處理鳶尾組培苗整體成活率明顯低于秋水仙素處理,可見60Co-γ對鳶尾組培苗造成的損傷比秋水仙素更為嚴(yán)重。此外,雖然生理生化指標(biāo)存在一定差異,但0.1%和0.2%秋水仙素處理的成活率差異不顯著,5.0、10.0 Gy 60Co-γ處理成活率較為相近,可見誘變劑量雖然成倍增加,但劑量較低時,仍能保持一定的成活率;然而,誘變處理可能對植株造成長期的影響,其成活率雖然相近,但對于后續(xù)生根、煉苗、移栽等的影響仍需深入研究。不同誘變處理下,MDA、H2O2含量和 O-2· 生成速率基本表現(xiàn)為隨著培養(yǎng)時間的延長而顯著增加,在轉(zhuǎn)接后有所下降;抗氧化酶活性變化趨勢基本一致。值得關(guān)注的是,植物存在抗氧化系統(tǒng)以平衡活性氧[25-56],抗氧化酶可通過酶促反應(yīng)清除活性氧[27-28],但本試驗(yàn)中,隨著SOD等抗氧化酶活性的增強(qiáng), O-2·? 生成速率和H2O2含量仍持續(xù)增長,僅在轉(zhuǎn)接至新培養(yǎng)基后有所下降。因此,對于誘變處理的組培苗,轉(zhuǎn)接至新培養(yǎng)基可緩解誘變處理造成的傷害,因而可適當(dāng)縮短誘變處理后的繼代培養(yǎng)時間,以減少M(fèi)DA、H2O2等的積累。
本試驗(yàn)對不同誘變處理下,鳶尾組培苗生理生化指標(biāo)以及成活率進(jìn)行了初步統(tǒng)計分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同劑量誘變處理均引起鳶尾葉片中活性氧的積累,對其造成損傷。鳶尾組培苗適于低劑量的化學(xué)誘變(0.1%和0.2%秋水仙素)和物理誘變(2.5 Gy 60Co-γ)處理;高劑量的誘變處理則導(dǎo)致植株受損嚴(yán)重且成活率較低。此外,為緩解誘變處理對組培苗的傷害,可適當(dāng)縮短組培苗的繼代周期,以減少有毒有害物質(zhì)的積累,從而提高誘變處理組培苗的成活率。
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