60Co－γ射線輻射對(duì)4種百合的誘變效應(yīng)

李麗輝 胡 瑤 雷星宇 張躍龍 李宏告 胡 蝶 張 勇 鄧鋼橋

(湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所，湖南長(zhǎng)沙 430125)

百合(Liliumspp.)為百合科(Liliaceae)百合屬(Lilium)多年生草本植物，有較高的食用、藥用及觀賞價(jià)值[1]。百合花形雅致，幽香四溢，作為純潔、光明、自由的象征，是很好的切花和盆栽花卉。百合又是著名的保健食品和常用中藥，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和防病、治病功能。百合肉質(zhì)鱗片含有豐富的生物堿、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪和多種維生素及鈣、磷、鐵等元素，具有滋補(bǔ)養(yǎng)陰、潤(rùn)肺止咳、清心安神等功效，主治陰虛燥咳、勞嗽咯血、肺瘺、虛熱、煩燥驚悸、失眠、多夢(mèng)等癥，被廣泛用于食品、醫(yī)藥領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊[2－5]。但百合的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)也存在著許多問題，如品種退化、抗病性差、產(chǎn)量低、品質(zhì)差等。有的百合品種花型花色漂亮，但植株較高容易倒伏，影響觀賞效果，已成為百合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。百合常規(guī)育種方法較多[6－7]，其中，輻射誘變技術(shù)已廣泛應(yīng)用于觀賞植物新品種的選育，如鳶尾、蘭花、牡丹等。李風(fēng)童等[8]研究不同輻射劑量60Coγ 射線對(duì)德國(guó)鳶尾雜交種子的影響，發(fā)現(xiàn)20～40 Gy 輻射劑量可以改善德國(guó)鳶尾種子萌發(fā)率，60～80 Gy 可以作為德國(guó)鳶尾雜交種子的誘變劑量；周雅倩等[9]探討了60Co－γ 輻射處理對(duì)樹蘭的生物學(xué)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)輻射對(duì)植物生長(zhǎng)的影響較大。植物經(jīng)60Co－γ 射線輻射后，其細(xì)胞或器官會(huì)發(fā)生生物化學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)或形態(tài)學(xué)變化，進(jìn)而影響植株生長(zhǎng)和發(fā)育[10－11]。陸長(zhǎng)旬等[12]通過輻射亞洲百合鱗莖，對(duì)染色體畸變進(jìn)行研究。張克中等[13]進(jìn)行了輻射百合鱗片扦插誘生的不定芽植株變異研究，發(fā)現(xiàn)不定芽植株的花瓣、雄蕊、雌蕊及葉等器官均有變異；從不定芽植株的突變率來看，Pollyana 的輻射誘發(fā)適宜劑量為1～2 Gy，王百合及Romano 的適宜劑量為1～3 Gy。朱校奇等[14]研究輻射對(duì)卷丹百合鱗莖的生物學(xué)效應(yīng)及變異，適宜劑量為2 Gy。本研究采用60Co－γ 輻射處理卷丹百合、金百合、湖北百合、岷江百合品種，篩選不同性狀的優(yōu)質(zhì)變異株，以期為創(chuàng)制百合優(yōu)良種質(zhì)資源奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料來自龍山縣種植基地4 種百合，分別為卷丹百合(Lilium lancifoliumThunb)、金百合(Lilium bosniacum)、湖北百合(Lilium henryiBaker)、岷江百合(Lilium regaleWilson)，材料為當(dāng)年采挖的新鮮鱗莖。

1.2 試驗(yàn)方法

2019年10月選取4 種百合鱗莖各120 個(gè)，在湖南省核農(nóng)學(xué)與航天育種研究所輻照中心用60Co－γ 射線輻射處理，輻射劑量為0(CK)、2、4、6 Gy，劑量率分別為0、22、55、70 Gy·h－1，每處理10 個(gè)鱗莖，設(shè)3 次重復(fù)。于2019年11月6日在試驗(yàn)地進(jìn)行栽種，從播種到收獲進(jìn)行正常澆水、施肥等日常管理。從出苗到收種進(jìn)行觀察記錄，現(xiàn)花蕾時(shí)測(cè)量其株高，記錄已出苗正常開花的株數(shù)，植株枯萎后收獲其種球，用電子秤測(cè)定每蔸的產(chǎn)量；選取生長(zhǎng)發(fā)育較典型的植株，取自上向下數(shù)第4 片完全展開葉進(jìn)行生理指標(biāo)的測(cè)定[15]，葉綠素含量測(cè)定采用比色法[16]、可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法[17]、丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[16]、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性測(cè)定采用wst－8 法[16]。以上生理指標(biāo)的測(cè)定，每處理均設(shè)3 次重復(fù)。葉綠素含量、MDA 含量、可溶性糖含量、SOD 活性均按樣本鮮重計(jì)算。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 23.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 60Co-γ 射線輻射對(duì)4 種百合植株生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量的影響及變異情況

由表1可知，不同劑量處理4 個(gè)百合品種的鱗莖栽培后，出苗率在不同品種間有差異，但均隨著輻射劑量的增大而降低，除對(duì)照外，2 Gy 處理出苗率高，4 Gy處理部分致死，部分出苗，其中金百合及湖北百合出現(xiàn)植株矮化且正常開花及植株不正常開花的現(xiàn)象，所有品種6 Gy 處理均未出苗，卷丹百合在2 Gy 時(shí)出苗率、開花率、株高和平均產(chǎn)量均與對(duì)照無顯著差異，但在4 Gy 時(shí)出苗率很低，生長(zhǎng)緩慢，不正常開花；除了卷丹百合在2 Gy 時(shí)株高與對(duì)照差異小，其他均隨輻射劑量的增加而降低。而每個(gè)品種的每蔸平均產(chǎn)量均隨輻射劑量的增加而降低，其中卷丹百合和金百合在2 Gy 時(shí)與對(duì)照區(qū)別不大，4 Gy 處理時(shí)各品種(除金百合以外)地上部分生長(zhǎng)勢(shì)不好，地下部分均未生長(zhǎng)，甚至部分植株原鱗莖腐爛，導(dǎo)致產(chǎn)量為零。

試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，輻射劑量為2 Gy 時(shí)有2 株金百合品種在生長(zhǎng)階段花原基受抑制，其中1 株葉色較對(duì)照植株變深，葉綠體指標(biāo)值較對(duì)照植株高，植株矮化，生長(zhǎng)正常，但未正常開花，如圖1所示。

圖1 2 Gy 處理后金百合變異株與對(duì)照株Fig.1 Lilium bosniacum variant and control plant after 2 Gy γ-rays irradiation

2.2 60Co-γ 射線輻射對(duì)4 種百合品種葉片葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素之一，在一定范圍內(nèi)，其含量和比值可反映植物適應(yīng)和利用環(huán)境因子的能力以及光合作用水平，葉綠素含量高，植物具有較強(qiáng)的光合能力[18－20]。由表2可知，總體來說卷丹百合和金百合在輻射劑量為2 Gy 時(shí)葉綠素a、葉綠素b 及類胡蘿卜素含量均與對(duì)照差別不大；劑量達(dá)到4 Gy 時(shí)，葉綠體色素含量均顯著下降。而湖北百合和岷江百合在輻射劑量為2 Gy 時(shí)各葉綠素及類胡蘿卜素均高于對(duì)照，湖北百合在輻射劑量為4 Gy 時(shí)葉綠素及類胡蘿卜素均略低于對(duì)照，而岷江百合在輻射劑量為4 Gy 時(shí)未成活。因此，輻射處理對(duì)不同品種葉綠體色素含量的影響存在差異。

表2 γ 射線輻射處理對(duì)百合葉綠素與類胡蘿卜素含量的影響Table 2 The content of chlorophyll and carotenoids of Lilium after treatments of γ-rays irradiation

2.3 60Co-γ 射線輻射對(duì)4 種百合品種MDA 含量的影響

MDA 是植物細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度的體現(xiàn)，MDA含量高，說明植物細(xì)胞膜脂過氧化程度高，細(xì)胞膜受到的傷害越嚴(yán)重[21]。由圖2可知，隨著輻射劑量的增加，4 種百合品種MDA 含量均逐漸增加，只有卷丹百合在2 Gy 處理時(shí)MDA 與對(duì)照差異不顯著，較對(duì)照僅增加4%，這與卷丹百合2 Gy 輻射后栽培植株的生長(zhǎng)情況及表型性狀相符，說明2 Gy 對(duì)卷丹百合誘變效果影響小，需適度加大誘變劑量，而其他3 個(gè)品種受到的輻射損傷較嚴(yán)重，較對(duì)照分別增加28.3%、73.3%、68.3%，達(dá)到了一定的誘變效果。輻射劑量達(dá)到4 Gy時(shí)，3 個(gè)百合品種MDA 含量則與對(duì)照存在顯著差異，說明隨著輻射劑量的增加，對(duì)百合的損傷程度加劇。

圖2 γ 射線輻射對(duì)百合MDA 含量的影響Fig.2 The content of MDA of Lilium after treatments of γ-rays irradiation

2.4 60Co-γ 射線輻射對(duì)4 種百合品種SOD 活性的影響

SOD 是生物體內(nèi)重要的抗氧化酶。在逆境條件下，植物的抗性與植物體內(nèi)SOD 活性水平有關(guān)。保護(hù)酶活性可反映植物對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性[22－23]。由圖3可知，2 Gy 輻射處理4 個(gè)百合品種SOD 活性均增加，不同品種增加的幅度有差異，卷丹百合較對(duì)照增加65.8%、金百合增加23.7%、湖北百合增加59.2%、岷江百合增加45.9%，在2 Gy 時(shí)達(dá)到最高值，4 Gy 處理時(shí)，則均出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但仍然比對(duì)照高，說明輻射處理可以在一定程度上提高百合植株的防御能力，但隨著輻射劑量的增加，其防御能力降低，受損逐漸加重。

圖3 γ 射線輻射對(duì)百合SOD 活性的影響Fig.3 The SOD activity of Lilium after treatments of γ-rays irradiation

2.5 60Co-γ 射線輻射對(duì)4 種百合品種可溶性糖含量的影響

可溶性糖含量與植物的抗逆性有關(guān)，逆境條件下會(huì)主動(dòng)積累這些物質(zhì)，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，同時(shí)對(duì)植物起著有效的保護(hù)作用。由圖4可知，輻射劑量為2 Gy 時(shí)，4 個(gè)百合品種的可溶性糖含量都較對(duì)照增加，但增幅因品種而異，卷丹百合增加17.7%、金百合增加35.8%、湖北百合增加71.8%、岷江百合增加76.0%；輻射劑量增加至4 Gy 時(shí)，金百合和湖北百合的可溶性糖含量增加，而卷丹百合的可溶性糖含量則減少，且與對(duì)照相比也有一定程度的減少，這與卷丹百合在4 Gy 時(shí)存活率低且生長(zhǎng)勢(shì)不好有關(guān)，岷江百合在輻射劑量為4 Gy 時(shí)無存活，因此無數(shù)據(jù)比較。

圖4 γ 射線輻射對(duì)百合可溶性糖含量的影響Fig.4 The content of soluble sugar of Lilium after treatments of γ-rays irradiation

3 討論

全世界百合屬植物約100 種，其中我國(guó)原產(chǎn)55種[24]，可分為藥食用百合和觀賞百合。前人對(duì)觀賞百合的育種研究較多，也培育出了顏色豐富、花型各異的品種；藥食用百合一般為原生種，各品種間顏色、花型不同，存在花型小、植株太高、產(chǎn)量和質(zhì)量低等問題，這不僅制約百合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也是困撓藥食用百合育種的難題。本研究通過60Co－γ 輻射誘變4 種藥食用百合品種，目的是在產(chǎn)量、抗性及觀賞性方面選出優(yōu)異的種質(zhì)材料，為新品種選育提供參考。

研究表明，由于基因差異，不同品種百合對(duì)輻射反應(yīng)差異較大?？偟膩碚f，4 個(gè)品種百合隨著輻射劑量的增加生長(zhǎng)受到的抑制越明顯，這與林兵等[25]、徐佳琦等[26]研究60Co－γ 輻射對(duì)荷蘭鳶尾生長(zhǎng)表現(xiàn)出抑制效應(yīng)的結(jié)果相符。但卷丹百合在輻射劑量為2 Gy 時(shí)，各表現(xiàn)性狀與對(duì)照差異很小，這與朱校奇等[14]發(fā)現(xiàn)輻射誘變卷丹百合的適宜誘變劑量為2 Gy 有差異，可能與處理的劑量率有關(guān)。卷丹百合在4 Gy 的致死率高，生長(zhǎng)表現(xiàn)不佳，因此建議后續(xù)試驗(yàn)加大2～4 Gy 之間處理的梯度，選出最適宜的誘變劑量。金百合品種在輻射劑量為2 Gy 時(shí)出苗率較高，有一部分正常開花，其中有兩株生長(zhǎng)期頂端受抑制，生長(zhǎng)到一定程度不再生長(zhǎng)，到發(fā)育期，花原基受到抑制，未正常開花，但植株葉色濃綠，葉綠體色素含量稍偏高，輻射劑量增加至4 Gy 時(shí)有植株矮化且正常開花的現(xiàn)象，這與尹航等[27]輻射誘變香梨、胡瑤等[28]輻射誘變水仙的研究結(jié)果一致，此變異對(duì)選擇觀賞性盆栽新品種有重要意義。本試驗(yàn)中隨著輻射劑量的增加，4 個(gè)百合品種MDA 含量隨之增加，說明輻射處理對(duì)植株產(chǎn)生了膜脂過氧化損傷，致使其體內(nèi)的自由基和活性氧增加，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，損傷也越嚴(yán)重，與前人對(duì)三七[29]、中國(guó)水仙[28]、礬根[30]幼苗的研究結(jié)果相似。本試驗(yàn)所有品種(除岷江百合)SOD 活性均呈先升高后降低的趨勢(shì)，均在2 Gy 時(shí)達(dá)到最高值，說明該劑量輻射可激活植物修復(fù)酶的活性，緩解植物受損程度，但隨著輻射劑量的增加，植株體內(nèi)過氧化物積累過量，導(dǎo)致其活性下降。卷丹百合可溶性糖含量隨著輻射劑量增加呈先升高后降低趨勢(shì)，金百合和湖北百合可溶性糖含量隨著劑量的增加而增加，岷江百合在2 Gy 時(shí)增加，4 Gy無存活，說明輻射劑量可促進(jìn)植株體內(nèi)可溶性糖含量的積累，提高其承受輻射引起受損的能力，但不同品種間耐受的劑量存在差異。本試驗(yàn)中所有百合品種在輻射劑量為6 Gy 都無存活，說明輻射對(duì)不同植物品種存在著抑制作用[31]。本研究?jī)H進(jìn)行了第1 代的試驗(yàn)，還需多代試驗(yàn)觀察，并在這基礎(chǔ)上加大群體，增加區(qū)間劑量，篩選優(yōu)良變異株。

4 結(jié)論

本研究用60Co－γ 射線輻射誘變4 個(gè)百合品種，4個(gè)百合品種均在6 Gy 時(shí)均未發(fā)芽，達(dá)到致死劑量，而卷丹百合在2 Gy 時(shí)與對(duì)照差異不顯著，在4 Gy 時(shí)成活率低、生長(zhǎng)不佳，因此未找到適宜劑量，需在后續(xù)試驗(yàn)中增加2～4 Gy 之間的劑量梯度，金百合、湖北百合、岷江百合的適宜輻射劑量分別為2～4 Gy、2 Gy、2 Gy。本研究為百合的輻射育種提供了一定的技術(shù)參考。