太空誘變對大蔥和洋蔥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

張仕林,潘學(xué)勤,沈若剛,惠林沖,龔俊嶺

(1上海蔬菜研究所,上海 201899;2上?；莺头N業(yè)有限公司,上海 201899;3連云港市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,連云港 222000)

蔥屬(Alliums)大多為多年生草本植物,在全球廣泛分布,共約850種[1],蔥屬蔬菜常見的有大蔥、洋蔥等,具有很高的食用價值及藥用價值[2]。大蔥(Allium fistulosumL.)和洋蔥(Allium cepaL.)在我國有著悠久的種植歷史和廣闊的地理栽培分布,我國是世界上最大的大蔥和洋蔥種植及出口國家,且其種植規(guī)模、產(chǎn)量以及種子用量仍有逐年遞增的趨勢[3-6]。大蔥和洋蔥常規(guī)育種周期長,在自然環(huán)境下產(chǎn)生變異的可能性極低,誘變育種是其植物遺傳性狀改良的有效方法,能夠獲得新的種質(zhì)資源[7]。太空誘變育種能夠利用太空特殊的環(huán)境誘變因子,在短期內(nèi)使誘變材料發(fā)生突變,創(chuàng)造出罕見的種質(zhì)材料和基因資源,與常規(guī)物理和化學(xué)誘變相比具有明顯優(yōu)勢,引起廣泛重視[8-9]。我國科學(xué)工作者經(jīng)過30多年的探索,已經(jīng)將太空誘變育種廣泛運用到了蔬菜植物的育種中,并培育出辣椒、石刁柏、黃瓜、青花菜等新品種[10]。隨著大蔥和洋蔥產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,其良種水平遠(yuǎn)不能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要,太空誘變成為大蔥和洋蔥種質(zhì)創(chuàng)新的新途徑,然而目前尚無此方面的研究報道。本研究利用“新一代載人飛船試驗船”對大蔥和洋蔥種子進(jìn)行太空搭載,通過對誘變材料種子萌發(fā)及其幼苗生長的分析,研究其葉片保護(hù)酶及葉綠素含量的生理特性,探討太空誘變處理的植株和對照植株的差異,以期為蔥屬蔬菜太空誘變育種及種質(zhì)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據(jù)上海市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心“航天育種平臺建設(shè)”項目課題組的相關(guān)安排,上海惠和種業(yè)有限公司提供了上海蔬菜研究所蔥蒜類育種室培育的高代自交系:大蔥種子(SPB19)和洋蔥種子(SPO19)各20 g,于2020年5月5日18時,搭載“新一代載人飛船試驗船”上天,在軌飛行67 h,之后與同品系未誘變種子(對照)一起放于5℃的種子低溫干燥儲存?zhèn)}庫中保存。試驗于2020年8—10月在上?；莺头N業(yè)有限公司種子檢測實驗室及育種農(nóng)場進(jìn)行。將上述大蔥和洋蔥高代自交系種子分為兩組,一組為經(jīng)太空誘變的種子,一組為未經(jīng)太空誘變的種子(對照),兩組種子均取1 000粒。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子處理及播種

將太空誘變及對照種子用透明塑料發(fā)芽盒進(jìn)行發(fā)芽試驗(種子間距0.5 cm)[11],放入光照培養(yǎng)箱中,并設(shè)定白天光照為4 000 lx、溫度為白天25℃∕夜晚20℃、光周期為白天14 h∕夜晚10 h,自播種后36 h起每12 h觀察發(fā)芽情況,待生長穩(wěn)定后測量相關(guān)數(shù)據(jù),每盒100粒種子,4次重復(fù)。在進(jìn)行發(fā)芽盒試驗的同時,將上述種子播種于200孔的基質(zhì)穴盤中用于模擬地播試驗,正常水肥管理,每個重復(fù)為200株幼苗,3次重復(fù)。

1.2.2 發(fā)芽指標(biāo)的測定

參照《國際種子檢驗規(guī)程》(ISTA)的標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合蔥屬蔬菜種子發(fā)芽實際,從有種子發(fā)芽開始每半日(12 h)進(jìn)行一次調(diào)查,并計算種子發(fā)茅勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和根系活力指數(shù)。在第10天隨機(jī)選取10株幼苗,測定芽鮮重和胚根長。

種子發(fā)芽勢=第3天種子的發(fā)芽數(shù)∕供試種子總數(shù)×100%;

種子發(fā)芽率=第7天種子的發(fā)芽數(shù)∕供試種子總數(shù)×100%;

發(fā)芽指數(shù)Gi=∑Gt∕Dt,Gt是當(dāng)天的發(fā)芽數(shù),Dt是對應(yīng)的發(fā)芽天數(shù);

活力指數(shù)Vi=Gi×S,S是根長的均值(cm)。

1.2.3 幼苗期試驗

待上述穴盤的幼苗苗齡達(dá)35 d(約3葉1心)時,對其生長及生理指標(biāo)進(jìn)行測定。使用直尺對幼苗長度進(jìn)行測量,隨機(jī)測量10株。選擇從內(nèi)往外第2片葉進(jìn)行生理指標(biāo)測量,隨機(jī)測量10株,3次重復(fù)。采用氮藍(lán)四唑法(NBT)測定超氧化物岐化酶(SOD)活性[12];采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[13];采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量[14];采用蒽酮比色法測定可溶性糖(SS)含量[15];根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[16];參照李合生[16]的方法進(jìn)行葉綠素含量測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,并對平均數(shù)進(jìn)行Duncan’s多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 太空誘變對大蔥和洋蔥種子萌發(fā)的影響

種子發(fā)芽時間的長短和一定時間內(nèi)的發(fā)芽數(shù)量可以體現(xiàn)種子的發(fā)芽速度[7]。由表1可知,太空誘變對蔥屬蔬菜種子萌發(fā)產(chǎn)生了顯著影響。在實驗室條件下,經(jīng)太空誘變的大蔥、洋蔥種子播種后分別于132 h和144 h發(fā)芽完畢,對照種子(CK)均為156 h后發(fā)芽完畢;經(jīng)太空誘變的大蔥、洋蔥種子半日平均發(fā)芽率分別為9.67%和8.85%,對照大蔥、洋蔥種子半日平均發(fā)芽率分別為8.95%和8.86%。在穴盤播種條件下,誘變種子的發(fā)芽趨勢與實驗室條件下種子發(fā)芽趨勢基本一致,但發(fā)芽開始和完畢時間較其延后了12—24 h。

表1 太空誘變對大蔥和洋蔥種子不同時間發(fā)芽數(shù)量的影響Table 1 Effects of space mutation on seed germination quantity of welsh onion and onion at different time

由表2可知,太空誘變對大蔥和洋蔥種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均有影響。太空誘變后,大蔥、洋蔥種子的發(fā)芽率分別為87.0%和88.5%,分別較對照低11.5個和9.0個百分點。太空誘變后,大蔥、洋蔥種子的發(fā)芽勢分別為74.8%和70.8%,分別較對照高7.3和2.0個百分點。此外,太空誘變種子的初始半日發(fā)芽量在前72 h均較對照高,發(fā)芽高峰期時間提前了12 h。經(jīng)太空誘變的種子成活率與成苗率與穴盤播種條件下一致,出苗后不再有植株死亡而損失。

表2 太空誘變對大蔥和洋蔥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢及成苗率的影響Table 2 Effects of space mutation on germination rate,germination potential and seedling rate of Welsh onion and onion seeds

2.2 太空誘變對大蔥和洋蔥幼苗生長的影響

由圖1和表3可知,太空誘變后,大蔥和洋蔥幼苗形態(tài)受到顯著影響,表現(xiàn)為生長加快、植株更高、葉色更綠、根系更發(fā)達(dá)。太空誘變后,大蔥和洋蔥幼苗的株高分別較對照高27.7%和22.2%;假莖粗分別較對照高20.0%和15.9%;幼苗根數(shù)分別較對照高4.3%和6.5%;幼苗根長分別較對照高8.7%和11.1%;幼苗根粗分別較對照高6.8%和9.3%;全株鮮重分別較對照高23.1%和22.7%。

圖1 太空誘變對大蔥和洋蔥幼苗形態(tài)的影響Fig.1 Effects of space mutation on seedling morphology of welsh onion and onion

表3 太空誘變大蔥和洋蔥幼苗生長指標(biāo)的影響Table 3 Effects of space mutation on growth indexes of welsh onion and onion seedlings

2.3 太空誘變對大蔥和洋蔥幼苗葉片保護(hù)酶、葉綠素含量及根系活力的影響

由表4可知,太空誘變后,大蔥和洋蔥幼苗葉片保護(hù)酶受到顯著影響,表現(xiàn)為SOD、POD活性升高,MDA含量降低。太空誘變后,大蔥和洋蔥幼苗葉片的SOD活性分別較對照高10.9%和12.1%,POD活性分別較對照高5.9%和19.5%,MDA含量分別較對照低22.4%和18.5%。太空誘變后,可溶性糖含量、根系活力和葉綠素含量均顯著提高,大蔥和洋蔥幼苗葉片的可溶性糖含量分別較對照高29.4%和17.4%,總?cè)~綠素含量分別較對照高8.0%和24.7%,根系活力分別較對照高12.7%和17.9%。總體而言,太空誘變促進(jìn)了大蔥和洋蔥幼苗的生長,提高了其生理指標(biāo)數(shù)值。

表4 太空誘變對大蔥和洋蔥幼苗葉片保護(hù)酶、葉綠素含量及根系活力的影響Table 4 Effects of space mutation on leaf protective enzymes,chlorophyll content and root activity of welsh onion and onion seedlings

3 討論

植物種質(zhì)資源受到太空環(huán)境中宇宙粒子、強(qiáng)輻射、高真空、微重力等因素復(fù)雜而綜合的作用,會導(dǎo)致其生理生化改變和遺傳變異,并且大多數(shù)變異性狀穩(wěn)定較快,能創(chuàng)造新種質(zhì)資源,培育優(yōu)良品種[17]。太空環(huán)境對植物種子的誘變效應(yīng)不盡相同,番茄[18]、馬鈴薯[19]、西瓜[20]、茄子[21]等作物的SP1代發(fā)芽率、發(fā)芽勢以及成苗能力均受到不同程度抑制;而小麥[22]、玉米[23]、芥菜[24]、豌豆[10]種子的發(fā)芽、出苗及生長受到促進(jìn),這與本研究基本一致。本試驗中,經(jīng)太空誘變的大蔥和洋蔥種子的發(fā)芽勢在前72 h均高于對照,但種子發(fā)芽率卻最終低于對照,推測發(fā)芽勢上升的原因可能是太空環(huán)境對種子起到引發(fā)作用,而發(fā)芽率下降的原因可能是太空環(huán)境對種子造成某種生理損傷并導(dǎo)致死亡。太空誘變對不同植物幼苗生長的影響也存在差異,如馬鈴薯、桔梗株高明顯降低,芝麻株高明顯增加等[25]。本試驗中,經(jīng)太空誘變的大蔥和洋蔥幼苗的各項生長指標(biāo)均顯著高于對照,表明太空誘變促進(jìn)了其生長。

植物經(jīng)化學(xué)、物理輻射和太空等誘變后體內(nèi)的多種酶活性會增強(qiáng)或下降以便提升植物抗逆特性[26],EMS誘變處理茄子[27]、60Co-γ輻射處理黃瓜[28]、航天誘變處理芥菜[24]均導(dǎo)致植物體內(nèi)SOD、POD活性及MDA含量改變。本試驗中,太空強(qiáng)輻射環(huán)境使大蔥和洋蔥幼苗葉片的SOD、POD活性大幅增強(qiáng),MDA含量大幅降低,這與其他太空誘變植物的研究結(jié)果相似。葉綠素與葉片吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能緊密相關(guān)[25],大蔥和洋蔥幼苗經(jīng)太空誘變后葉綠素含量顯著升高,這與多數(shù)植物經(jīng)太空誘變后葉綠素含量表現(xiàn)出升高的研究結(jié)果相似。經(jīng)太空誘變的大蔥和洋蔥幼苗的可溶性糖含量增加,表明太空誘變后細(xì)胞內(nèi)代謝增強(qiáng),促進(jìn)淀粉水解為可溶性碳水化合物,增加細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力。本試驗著重研究了太空誘變大蔥和洋蔥種子萌發(fā)及幼苗生理生化和形態(tài)的變化,后續(xù)試驗將對其繼續(xù)進(jìn)行田間觀察,利用分子生物學(xué)手段對其是否產(chǎn)生遺傳變異進(jìn)行相關(guān)分析,以期找到表現(xiàn)優(yōu)異的變異株,通過系統(tǒng)選育獲得可持續(xù)遺傳穩(wěn)定性,為蔥屬蔬菜育種及種質(zhì)創(chuàng)新提供幫助。