小麥輻射育種過程中輻射劑量的研究

李春盈， 張建周， 齊建雙， 劉 明

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所， 鄭州 450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所， 鄭州 450002)

輻射誘變技術(shù)在農(nóng)作物種質(zhì)資源創(chuàng)制、新品種培育方面已得到廣泛應(yīng)用[1-2]。我國自20世紀(jì)50年代后期開始植物輻射誘變育種研究，雖然起步較晚，但培育的突變品種數(shù)量和種植面積在國際上具有較大領(lǐng)先優(yōu)勢，為推動誘變育種學(xué)科發(fā)展和保障我國糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)[1]。目前，小麥新品種同質(zhì)化嚴(yán)重、親本資源遺傳基礎(chǔ)狹窄，而輻射處理較易獲得早熟、矮稈、優(yōu)質(zhì)、抗病等突變類型。雖然輻射處理同時改變多個性狀比較困難，但對改善某一性狀效果比較明顯[3-4]。所以，可以選擇目前當(dāng)?shù)剡m應(yīng)性廣、綜合性狀好，但有一個或多個性狀需要改進(jìn)的小麥品種進(jìn)行輻射處理，從而達(dá)到對品種改良的目的。輻射育種可以大大縮短品種的培育時間，而且該方法簡便、安全、無隱患，既是對常規(guī)育種的重要補(bǔ)充，又是常規(guī)育種難以替代的育種途徑。

γ射線輻射劑量選擇是關(guān)乎輻射育種成敗最為關(guān)鍵的一環(huán)。一般認(rèn)為，照射后成活率在50%左右(半致死劑量)，不育率低于30%的輻射劑量較合適[5]。陳輝等[6]研究認(rèn)為，穩(wěn)定品種的適宜劑量應(yīng)為200～300 Gy，低于200 Gy大多數(shù)品種變異率很低，而高于300 Gy則成活率、不育率會大大降低；損傷程度和有害變異也會大大增加。張建偉等[7]研究也認(rèn)為，200～300 Gy的輻射劑量為小麥品種較適宜的劑量。為了能夠順利開展小麥輻射育種，本試驗(yàn)參考以上研究結(jié)果，連續(xù)兩年采用不同劑量對不同的小麥品種干種子進(jìn)行輻射處理，經(jīng)過4個世代的觀察，探索不同小麥品種的適宜輻射劑量，以期為小麥輻射育種與種質(zhì)創(chuàng)新提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

許科1號、衡觀35、百農(nóng)207、揚(yáng)富麥101號、百農(nóng)201、寧麥13共6個小麥(TriticumaestivumL.)品種，種子水分控制在(13±0.1)%。

1.2 方 法

1.2.1輻射處理1

2016年秋季播種前，對衡觀35、許科1號和百農(nóng)207等3個品種，每個品種干種子取兩份，每份500 g。參考陳輝等[6]的研究結(jié)果，每個品種的兩份樣品分別采用60Co-γ射線200 Gy和300 Gy進(jìn)行處理。

1.2.2輻射處理2

2017年秋季播種前，對供試的6個品種，每個品種種子取1份，每份500 g。根據(jù)品種的冬春性采用了兩個不同的輻射劑量，其中對半冬性的3個品種(衡觀35、許科1號和百農(nóng)207)，采用60Co-γ射線325 Gy進(jìn)行輻射處理；對春性和弱春性的3個品種(百農(nóng)201、寧麥13和揚(yáng)富麥101)，采用60Co-γ射線310 Gy進(jìn)行輻射處理。

1.2.3田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了保證輻射后代不出現(xiàn)過多畸形變異[8]，達(dá)到預(yù)期效果，所有材料輻射處理后，每個品種的種子立即分成2份于次日進(jìn)行播種。其中一份400粒，單獨(dú)種植，分成4個重復(fù)種植，用于調(diào)查田間出苗率。另一份用條播機(jī)進(jìn)行稀播，行距20 cm，播長18 m，每幅6行，每個處理4幅；各設(shè)對照一組，一幅，長度2 m。

1.2.4輻射后代處理方法和數(shù)據(jù)調(diào)查

2016年3個品種的處理后代：M1調(diào)查基本苗、最大分蘗、有效穗、株高，此代多為隱性變異[4]，不選單株，收獲主莖[9]；M2調(diào)查株高和變異株數(shù)。

2017年處理后代中，對M1調(diào)查出苗率、基本苗、最大分蘗、有效穗、穗長、穗粒數(shù)、株高，不選單株，收獲主莖。

對M2觀察篩選變異株，對中選單株進(jìn)行單獨(dú)脫粒、編號，當(dāng)年秋播點(diǎn)播種成株行。

對M3進(jìn)行嚴(yán)格選擇和淘汰，選擇符合育種目標(biāo)或可作為材料的單株和株行，收獲單株和株行，分別進(jìn)行脫粒和編號。單株收獲后繼續(xù)種成株行；株行收獲后種到鑒定圃。

M4時把選中符合育種目標(biāo)的株行，當(dāng)年秋播進(jìn)鑒定圃。鑒定圃中選擇綜合性狀好且性狀穩(wěn)定、產(chǎn)量高的優(yōu)良品系，進(jìn)入比較試驗(yàn)；對性狀不好或不穩(wěn)定的直接淘汰；對具有一個或多個優(yōu)良性狀但暫時不符合育種目標(biāo)的材料，作為資源材料保留。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2016年試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)果表明，對衡觀35、許科1號和百農(nóng)207等3個品種在采用劑量200 Gy和300 Gy處理后，各處理后代與對照相比，M1出苗情況與對照無明顯差異；總體來說M1株高稍有降低，但在M2時，株高等性狀與對照幾乎相同，除了許科1號300 Gy輻射出現(xiàn)一株有效變異外，各個生長發(fā)育階段均與對照性狀相同，沒有發(fā)現(xiàn)明顯變異單株。

小麥對輻射的敏感性不僅受到環(huán)境因素的影響，還受到品種冬春性、種皮、千粒重以及種子含水量等特性影響[10]。因此，針對不同的小麥穩(wěn)定品種，適宜輻射劑量是存在差異的。200、300 Gy劑量的60Co-γ射線對本試驗(yàn)選用的3個穩(wěn)定品種發(fā)生誘變的效果不理想，劑量偏低。

表1 M1代出苗及M2變異情況

2.2 2017年試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1M1性狀調(diào)查結(jié)果

從表2可以看出，各處理M1的出苗率、株高、千粒重相比對照都明顯降低。對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果(表3)表明，各處理M1出苗率減少率在57%以上，平均出苗率是對照平均出苗率的41.4%；各處理M1有效穗數(shù)減少率都在48%以上。從圖1可以看出，各處理M1的出苗率，比各自對照降低率基本接近，但基本苗上，百農(nóng)201 M1比對照減少率最大，可能與品種特性有關(guān)；輻射處理后基本苗、最大分蘗數(shù)、有效穗和出苗率比各自對照降低率均較大，而穗粒數(shù)、穗長和株高相對降低率較少，以株高降低率最低。各處理M1穗粒數(shù)減少，減少率范圍在19.4%～30.8%之間；穗長變短，降低率在25.7%～38.9%之間。株高降低率在12.3%～21.7%之間。而且從田間觀察也可以看出，M1幼苗生長勢很弱，畸形苗弱苗較多，幼苗葉片短小窄細(xì)，分蘗慢，分蘗莖細(xì)弱，拔節(jié)晚，起身慢，分蘗大量死亡。處理材料后代性狀的這些變化現(xiàn)象，與盧宗凡等[11]研究的結(jié)果相符。這說明采用的對春性和弱春性品種310 Gy的輻射劑量和對半冬性品種325 Gy的輻射劑量是可行的。

表2 2017年輻射材料M1性狀

表3 2017年處理后代M1性狀比各自對照降低百分率

2.2.2M2代正向變異株數(shù)及獲得的穩(wěn)定品系

M2代出現(xiàn)大量變異植株。正向變異株數(shù)及M4代獲得的穩(wěn)定且符合育種目標(biāo)的材料數(shù)目(見表4)。

表4 2017年輻射材料M2代正向變異株數(shù)及M4代穩(wěn)定品系材料數(shù)目

表4結(jié)果表明，本試驗(yàn)對春性和弱春性品種采用的310 Gy和對半冬性品種采用的325 Gy這兩個輻射劑量均引起了較多變異，獲得了具有育種目標(biāo)的優(yōu)良品系。綜合比較這兩種劑量正向變異個數(shù)和獲得的穩(wěn)定品系總數(shù)，對半冬性品種采用的325 Gy輻射劑量優(yōu)于對春性和弱春性品種采用的310 Gy輻射劑量。

本研究變異單株在M4代基本穩(wěn)定，M5代即可進(jìn)入比較試驗(yàn)，輻射育種比雜交選育后代穩(wěn)定時間快，這與尹明章[5]認(rèn)為輻射育種3～5代就可穩(wěn)定的研究結(jié)論相符。

3 討 論

3.1 輻射變異的影響因素探討

進(jìn)行輻射育種的目的就是要獲得足夠多的變異材料，而輻射劑量的選擇是輻射成功與否的關(guān)鍵。影響輻射效果的因素非常多，輻射誘變有正反兩個方向，突變頻率也因品種、性狀而異[12]。此外，耿興敏等[13]、王芳棋等[10]也認(rèn)為不同植物品種或類型由于存在遺傳差異而對輻射的敏感性不同。植物的敏感性還受到其他因素的影響，例如氧氣、溫度、種子含水量等。含水量是影響輻射敏感性的重要因素之一，用γ射線照射干種子時，其含水量最好在10%～15%之間[5]；在濕度低時，種子含水量下降，當(dāng)含水量達(dá)13%以下時，輻射敏感性很強(qiáng)[14]；一般認(rèn)為，將種子含水量調(diào)整到13%～15%就可以避免氧的增效作用[15]。所以水分含量也應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)。盧宗凡等[16]研究認(rèn)為，不同的品種和材料對輻射劑量敏感性差別較大。半致死劑量：冬性品種>半冬性品種>春性品種>F0種子。不同植物品種或類型的材料，由于存在遺傳差異和環(huán)境因素影響而對輻射的敏感性不同，這就造成了不同品種的致死和半致死劑量沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這就需要在進(jìn)行輻射育種時，針對育種材料找到適宜的輻射劑量。

3.2 適宜劑量的初步探索

2017年對衡觀35、許科1號和百農(nóng)207等3個品種，在采用劑量200 Gy和300 Gy處理后，各處理后代與對照相比，M1株高稍有降低，但在M2株高等與未處理對照性狀差異很小，僅許科1號在300 Gy輻射劑量M2出現(xiàn)一株變異，其余兩個品種各個生長發(fā)育階段均與未處理對照性狀相同。M1出苗情況、株高以及M1和M2的變異情況均與未處理對照無明顯差異。輻射誘變育種的目的在于誘變出現(xiàn)較多變異，這樣才有可能選擇到符合育種目標(biāo)的變異單株。適宜的輻射劑量是能否獲得優(yōu)良變異材料的關(guān)鍵，劑量過高或過低，誘變效果都不好。陳輝等[6]認(rèn)為，穩(wěn)定品種的適宜劑量應(yīng)為200～300 Gy，低于200 Gy大多數(shù)品種變異率很低，而高于300 Gy則成活率、不育率會大大降低。本研究采用最小劑量(200 Gy)和最大劑量(300 Gy)對衡觀35、許科1號和百農(nóng)207等3個半冬性穩(wěn)定品種進(jìn)行輻射處理，結(jié)果表明，M1出苗率與對照無異，而且沒有明顯的變異植株出現(xiàn)，認(rèn)為本研究選擇的試驗(yàn)品種適宜輻射劑量應(yīng)該高于300 Gy。這與陳輝[6]研究結(jié)果不一致。植物對輻射的敏感性不僅受到環(huán)境因素的影響，例如氧氣、溫度；還受到品種冬春性、種皮、千粒重以及種子含水量等特性影響[10]。因此，不同的穩(wěn)定品種適宜輻射劑量之間存在差異。

3.3 不同類型小麥品種輻射劑量的選擇

根據(jù)2017年的試驗(yàn)結(jié)果，本研究根據(jù)品種的冬春性，對春性、弱春性品種和半冬性品種分別采用310 Gy和325 Gy劑量處理。結(jié)果表明，這兩個輻射劑量均引起了較多變異，所有輻射品種均表現(xiàn)為：M1出苗率低，幼苗生長勢很弱，幼苗葉片短小窄細(xì)，分蘗慢，分蘗莖細(xì)弱，拔節(jié)晚，起身慢，分蘗大量死亡，株高普遍降低，穗長變短，有效穗數(shù)和穗粒數(shù)減少，千粒重降低。M4每個輻射品種均獲得了具有育種目標(biāo)的優(yōu)良品系。輻射后代基本性狀的變化與盧宗凡等[11]研究的結(jié)果相同。這說明對半冬性品種采用325 Gy的輻射劑量和對春性、弱春性品種采用310 Gy的輻射劑量均可行。

3.4 關(guān)于合適輻射劑量的參考標(biāo)準(zhǔn)探討

黃可兵等[17]認(rèn)為，用60Co-γ射線輻照誘變育種要根據(jù)適合該品種輻照劑量進(jìn)行誘變，這樣誘變的突變率高,變異范圍廣，能產(chǎn)生新基因和新類型，從而選育出有一定利用價值的中間材料和農(nóng)作物新品種。但對不同類型的品種所需合適輻射劑量的參考標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者有不同的意見，耿興敏等[13]認(rèn)為，半致死劑量既是確定輻射敏感性的主要指標(biāo)，也是輻射育種適宜誘變劑量的參考；徐冠仁[18]認(rèn)為，出芽率在60%～70%之間為輻射最適劑量；周小梅等[19]、Dae等[20]認(rèn)為，臨界劑量和半致死劑量最優(yōu)；尹明章[5]認(rèn)為，照射后成活率在50%左右(半致死劑量)，不育率低于30%的輻射劑量較合適。本研究中2017年輻射處理 的6個穩(wěn)定品種后代，出苗率在35.9%～39.3%之間，平均出苗率是對照平均出苗率的41.4%，出苗率低于50%。但處理材料的后代出現(xiàn)了較多變異，獲得了具有育種目標(biāo)的優(yōu)良品系。那么，輻射后田間出苗率為40%左右，這一指標(biāo)可以作為輻射育種中判斷輻射劑量是否可行的參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

對于小麥進(jìn)行輻射育種，適宜的輻射劑量是能否獲得優(yōu)良變異材料的關(guān)鍵因素。不同的穩(wěn)定品種適宜輻射劑量存在差異。輻射后田間出苗率為40%左右，這一指標(biāo)可以作為輻射育種中判斷輻射劑量是否可行的參考依據(jù)。由于存在遺傳差異和環(huán)境因素影響，不同小麥品種對輻射的敏感性不同，因而不同品種的致死和半致死劑量也不同，在進(jìn)行輻射育種時，針對不同的育種材料找到適宜的輻射劑量。在同等的條件下，輻射時種子水分應(yīng)當(dāng)控制在13%左右；在初次輻射時應(yīng)直接給予大于300 Gy的不同劑量處理。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，建議冬性品種應(yīng)在320 Gy以上，春性、弱春性品種在310 Gy左右。而且確定是否為適宜的輻射劑量時，可以將輻射后田間出苗率為40%左右作為輻射育種輻射劑量是否可行的參考依據(jù)。對于最為合適的劑量范圍，有待下一步增大品種范圍，采用多個劑量進(jìn)行研究。