航天誘變對(duì)四種常綠樹種種子特性與幼苗生理的影響

摘 要：本研究以油松、白皮松、青海云杉、祁連圓柏為材料，比較并分析了各樹種經(jīng)歷航天誘變與地面對(duì)照的生長(zhǎng)性狀、光合特性以及內(nèi)源物質(zhì)的差異。結(jié)果表明：航天誘變對(duì)四個(gè)常綠樹種子的千粒重與成苗率影響不明顯；航天誘變后四種植物幼苗株高、基徑均高于地面對(duì)照組，除白皮松平均葉片數(shù)高于地面對(duì)照組，油松、青海云杉和祁連圓柏的平均葉片數(shù)均少于地面對(duì)照組，白皮松的平均比葉面積與地面對(duì)照組沒(méi)有明顯差異，油松、青海云杉和祁連圓柏的平均比葉面積均高于地面對(duì)照組，且祁連圓柏達(dá)到極顯著水平；對(duì)光響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在油松中，除1000μmol/m2/s光強(qiáng)外，航天誘變組的凈光合速率均低于地面對(duì)照組；而白皮松中，航天誘變組的凈光合速率均明顯低于地面對(duì)照組，青海云杉和祁連圓柏的光合效率對(duì)光的響應(yīng)變化不明顯；對(duì)CO2響應(yīng)曲線進(jìn)行測(cè)定，隨著CO2濃度的升高，四種植物航天誘變組的凈光合速率大都低于地面對(duì)照組。對(duì)四個(gè)植物的內(nèi)源物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，經(jīng)航天誘變后只有白皮松葉片中的可溶性糖含量顯著增加，其他三個(gè)樹種并無(wú)顯著差異，經(jīng)過(guò)航天處理后相比于對(duì)照組，四個(gè)樹種葉片內(nèi)ABA含量均降低。

關(guān)鍵詞：航天誘變；常綠樹；種子發(fā)育；幼苗生長(zhǎng)

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為經(jīng)過(guò)太空誘變處理優(yōu)質(zhì)油松種子，優(yōu)質(zhì)白皮松種子，優(yōu)質(zhì)青海云杉，優(yōu)質(zhì)祁連圓柏種子四種常綠樹種航天育種種子。

1.2 育苗管理

2021年3月24日-2021年3月25日，對(duì)油松、青海云杉種子進(jìn)行浸種催芽，對(duì)白皮松、祁連圓柏種子進(jìn)行層積催芽。根據(jù)國(guó)標(biāo)發(fā)芽處理要求，白皮松于1-5℃層積45天，祁連圓柏于20℃下層積60天后，轉(zhuǎn)3-5℃下層積45天。待種子露白后開始播種。

每種每個(gè)處理各培養(yǎng)10盆，每個(gè)處理破壞性取樣與非破壞性取樣各設(shè)定5個(gè)重復(fù)。在光照培養(yǎng)箱里進(jìn)行催芽，待種子露白后，播種在容器中，容器選用直徑3.5 cm，高21 cm的規(guī)格大小，輕基質(zhì)配比為進(jìn)口品質(zhì)泥炭：珍珠巖=3：1。使用硫酸亞鐵、多菌靈混拌進(jìn)行殺菌消毒。采用自然光進(jìn)行培養(yǎng)，溫室內(nèi)光衰減率約30%。在幼苗出土脫殼期進(jìn)行補(bǔ)光管理，時(shí)間為每天22：00時(shí)至次日2：00，補(bǔ)光強(qiáng)度為3 μmol·m-2·s-1。實(shí)驗(yàn)期間用JL-19空氣溫濕光記錄儀測(cè)定溫室內(nèi)的溫濕度，溫室內(nèi)晝夜溫度保持為28/18℃，相對(duì)濕度為40%-80%。各樹種按照育苗技術(shù)規(guī)程進(jìn)行日常培養(yǎng)管理，培養(yǎng)一段時(shí)間后，待幼苗長(zhǎng)到一定高度后開展實(shí)驗(yàn)。

1.3種子千粒重與成苗率測(cè)定

在播種前2021年3月23日，對(duì)青海云杉、油松、白皮松種子千粒重進(jìn)行測(cè)定、并將相同數(shù)量的誘變種子和對(duì)照組種子分別放置于覆蓋濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿中，并將培養(yǎng)皿放置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)。培養(yǎng)箱內(nèi)溫度設(shè)置為25℃，濕度維持在60%～70%。每隔一段時(shí)間向培養(yǎng)皿中添加水分以保持濕潤(rùn)的萌發(fā)環(huán)境。待種子開始萌發(fā)后進(jìn)行移栽。一個(gè)月后在間苗前統(tǒng)計(jì)航天誘變組和對(duì)照組每種樹種的種子成苗總量并計(jì)算成苗率。成苗率=成活幼苗/播種幼苗×100%

1.4生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

在幼苗盆栽中各隨機(jī)挑取10盆，各盆栽中隨機(jī)選取一株健康且長(zhǎng)勢(shì)一致幼苗進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定。用卷尺測(cè)量株高H（cm），測(cè)量從幼苗基部到頂端的距離，用游標(biāo)卡尺在土痕處測(cè)定幼苗基徑D（cm），并記錄每株的葉片數(shù)量，重復(fù)五次。

于破壞性取樣的幼苗盆栽中，各處理組合隨機(jī)挑選5盆健康且長(zhǎng)勢(shì)一致的個(gè)體，對(duì)葉片進(jìn)行隨機(jī)采樣，采樣后立即用分析天平稱其鮮重，用掃描儀掃取單葉面積。在烘箱內(nèi)烘干，70℃下烘72 h。烘干后立即稱量各葉片干重。比葉面積=單葉面積/干重×100%

2結(jié)果與分析

2.1航天誘變對(duì)種子千粒重與成苗率的影響

航天誘變影響了白皮松、青海云杉、油松的種子千粒重。在浸種前進(jìn)行種子千粒重測(cè)定，經(jīng)過(guò)航天誘變，白皮松種子的千粒重顯著性小于地面對(duì)照（分別為155.95g和159.74g，p＜0.001）；青海云杉也如此（分別為4.59g和5.19g，p=0.005）；但油松經(jīng)過(guò)航天誘變后種子千粒重大于地面對(duì)照（分別為51.48 g和45.89 g，p＜0.001）；祁連圓柏航天種子千粒重為190.01g，與地面對(duì)照189.66g相比差異不明顯。

在間苗前統(tǒng)計(jì)油松、白皮松、青海云杉和祁連圓柏種子成苗率，航天誘變對(duì)四個(gè)常綠樹種子的成苗率產(chǎn)生了一定影響。白皮松和祁連圓柏經(jīng)航天誘變后的種子成苗率（99.31%、69.80%）明顯高于地面對(duì)照組（86.11%、64.45%）；油松經(jīng)航天誘變后種子成苗率為79.75%，稍低于地面對(duì)照組80.34%；而青海云杉經(jīng)航天誘變后成苗率為91.50%，稍高于地面對(duì)照組90.96%。

2.2航天誘變對(duì)幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

航天誘變后植株的平均株高均高于地面對(duì)照組。并且航天誘變?cè)黾恿藴y(cè)試樣本株高分布范圍，油松地面對(duì)照組株高分布范圍為5.5 cm～14.4 cm，油松航天誘變組株高分布范圍為4.5 cm～16.9 cm；白皮松地面對(duì)照組株高為1.4 cm～3.7 cm，航天誘變組為1.4 cm～4.5 cm；青海云杉地面對(duì)照組為0.6 cm～2.0 cm，而航天誘變組為0.6 cm～2.5 cm；祁連圓柏地面對(duì)照組為0.6 cm～1.7 cm，而航天誘變組為0.6 cm～2.0 cm。其變異系數(shù)分別為：油松地面對(duì)照10.99%、油松航天誘變15.96%，白皮松地面對(duì)照8.20%、白皮松航天誘變11.25%，青海云杉地面對(duì)照8.52%、青海云杉航天誘變18.24%，祁連圓柏地面對(duì)照28.56%、祁連圓柏航天誘變28.79%。

與平均株高類似，經(jīng)航天誘變后植株的平均基徑均高于地面對(duì)照組，且被測(cè)樣本基徑的分布范圍增大，油松地面對(duì)照組基徑分布范圍為1.60 cm～3.09 cm，油松航天誘變組基徑分布范圍為1.40 cm～3.10 cm；白皮松地面對(duì)照組基徑為0.70 cm～1.31 cm，航天誘變組為0.84 cm～1.74 cm；青海云杉地面對(duì)照組基徑為0.42 cm～0.94 cm，而航天誘變組為0.42 cm～0.99 cm；祁連圓柏地面對(duì)照組為0.32 cm～0.67 cm，航天誘變組為0.23 cm～0.82 cm。其變異系數(shù)分別為：油松地面對(duì)照6.59%、油松航天誘變8.96%，白皮松地面對(duì)照10.20%、白皮松航天誘變14.10%，青海云杉地面對(duì)照8.06%、青海云杉航天誘變12.37%，祁連圓柏地面對(duì)照18.94%、祁連圓柏航天誘變23.23%。

2.3航天誘變對(duì)光合效率的影響

2.3.1光響應(yīng)曲線

隨著光合有效輻射的增加，四個(gè)樹種植株的凈光合速率均呈上升的趨勢(shì)。在油松中，除1000 μmol/m2/s光強(qiáng)外，航天誘變組的凈光合速率均低于地面對(duì)照組；而白皮松中，航天誘變組的凈光合速率均明顯低于地面對(duì)照組；青海云杉和祁連圓柏的光合效率對(duì)光的響應(yīng)變化不明顯，但在光照強(qiáng)度較低時(shí)，航天誘變后的青海云杉和祁連圓柏的光合效率增加幅度大于地面對(duì)照。

利用非直角雙曲線模型擬合曲線并計(jì)算相應(yīng)參數(shù)（表1），決定系數(shù)R2均大于0.991。最大凈光合速率Pmax反映葉片在光飽和點(diǎn)時(shí)的最大光合能力，不同植物物種間最大凈光合速率存在一定差異。從結(jié)果看出，四個(gè)樹種地面對(duì)照的光合能力由強(qiáng)至弱分別為白皮松gt;祁連圓柏gt;青海云杉gt;油松。經(jīng)過(guò)航天誘變后，油松、青海云杉和祁連圓柏的最大光合能力變化顯著升高，只有白皮松的最大光合速率顯著降低，四個(gè)樹種的光合能力排序變化為白皮松gt;青海云杉gt;祁連圓柏gt;油松。從結(jié)果看出，四個(gè)樹種地面對(duì)照的光能轉(zhuǎn)化效率排序?yàn)榘灼に蒰t;油松gt;祁連圓柏gt;青海云杉。經(jīng)過(guò)航天誘變，降低了油松和白皮松的表觀量子效率，使其對(duì)弱光的吸收、轉(zhuǎn)換和利用能力下降，卻增加了青海云杉和祁連圓柏的表觀量子效率，相反，使其對(duì)弱光的吸收、轉(zhuǎn)換和利用能力上升，此時(shí)的排序?yàn)槠钸B圓柏gt;青海云杉gt;油松gt;白皮松。

暗呼吸速率Rd反映了植物在黑暗條件下未進(jìn)行光合作用的呼吸速率。從結(jié)果看出，四個(gè)樹種地面對(duì)照的暗呼吸速率排序?yàn)槠钸B圓柏gt;青海云杉gt;白皮松gt;油松。經(jīng)過(guò)航天誘變后，油松、白皮松和青海云杉的暗呼吸速率顯著升高，說(shuō)明經(jīng)過(guò)航天誘變后，油松、白皮松和青海云杉的呼吸作用加強(qiáng)，黑暗時(shí)的體內(nèi)的代謝運(yùn)轉(zhuǎn)加強(qiáng)。只有祁連圓柏的暗呼吸速率顯著降低，說(shuō)明祁連圓柏經(jīng)過(guò)航天誘變后減弱了葉片的呼吸作用來(lái)減少能量消耗。此時(shí)四個(gè)樹種的暗呼吸速率排序變化為油松gt;青海云杉gt;白皮松gt;祁連圓柏。

2.3.2光合效率-CO2濃度響應(yīng)曲線

隨著CO2濃度的升高，油松、白皮松、青海云杉和祁連圓柏的凈光合速率逐漸升高趨勢(shì)，且航天誘變后，四個(gè)樹種的凈光合速率大都低于地面對(duì)照組。利用直角雙曲線模型擬合曲線并計(jì)算相應(yīng)參數(shù)（表2），決定系數(shù)R2均大于0.936。結(jié)果顯示，四個(gè)樹種的初始羧化效率由高至低依次為白皮松gt;青海云杉gt;油松gt;祁連圓柏，說(shuō)明白皮松和青海云杉利用低濃度CO2的能力強(qiáng)于油松和祁連圓柏。另外，光呼吸速率由小至大的排序依次為油松lt;青海云杉lt;祁連圓柏lt;白皮松，說(shuō)明油松和青海云杉的CO2同化能力強(qiáng)于祁連圓柏和白皮松。航天誘變降低了油松、白皮松、青海云杉和祁連圓柏的初始羧化效率α和光呼吸速率Rp，降低了對(duì)低濃度CO2利用率，同時(shí)減少了光呼吸消耗。航天誘變后四個(gè)樹種的初始羧化效率由高至低依次為油松gt;青海云杉gt;祁連圓柏gt;白皮松；而航天誘變后四個(gè)樹種的光呼吸速率由小至大的排序依次為白皮松lt;祁連圓柏lt;青海云杉lt;油松。四個(gè)樹種地面對(duì)照的最大凈光合速率Pmax排序依次為白皮松gt;油松gt;青海云杉gt;祁連圓柏，說(shuō)明白皮松的光合能力最大。

2.4航天誘變對(duì)幼苗內(nèi)源物質(zhì)的影響

2.4.1可溶性糖影響

四個(gè)樹種的地面對(duì)照組葉片平均可溶性糖含量相差不大，經(jīng)航天誘變后，油松葉片中的平均可溶性糖含量有所降低，而青海云杉和祁連圓柏葉片中的可溶性糖含量有所增加，值得一提的是，白皮松葉片中的可溶性糖含量顯著性增加。航天誘變后，四個(gè)樹種葉片的平均可溶性糖含量的分布范圍均增大，分別為油松地面對(duì)照組葉片可溶性糖含量分布范圍為2.36～6.08 μg/g，航天誘變組分布范圍為2.29～8.76 μg/g；白皮松地面對(duì)照組分布范圍為2.08～5.50μg/g，白皮松航天誘變組分布范圍為3.24～10.81μg/g；青海云杉地面對(duì)照組葉可溶性糖含量1.24～7.39μg/g，航天誘變組1.19～8.35 μg/g；祁連圓柏地面對(duì)照組1.00～6.08 μg/g，航天誘變組1.01～7.93 μg/g。其變異系數(shù)分別為油松地面對(duì)照組22.75%、航天誘變組37.35%，白皮松地面對(duì)照組27.10%、航天誘變組31.73%，青海云杉地面對(duì)照組43.26%、航天誘變組49.76%。祁連圓柏地面對(duì)照組39.10%、航天誘變組47.54%。

2.4.2脫落酸影響

脫落酸ABA不僅調(diào)節(jié)植物的成熟與衰老，還可增加植物的抗逆性。通過(guò)對(duì)油松、白皮松、青海云杉和祁連圓柏葉片中的ABA含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，四個(gè)樹種葉片內(nèi)平均ABA含量由高至低依次為祁連圓柏gt;青海云杉gt;白皮松gt;油松，由此推斷祁連圓柏和青海云杉對(duì)逆境的抵抗能力稍強(qiáng)于油松和白皮松。經(jīng)航天誘變后，四個(gè)樹種葉片內(nèi)ABA含量均減低，但ABA含量的分布范圍均增大，分別為油松地面對(duì)照組葉片ABA含量分布范圍為53.66～188.40 ng/g，航天誘變組分布范圍為49.00～192.23 ng/g；白皮松地面對(duì)照組分布范圍為54.04～189.71 ng/g，白皮松航天誘變組分布范圍為49.35～193.57 ng/g；青海云杉地面對(duì)照組葉ABA含量71.62～208.28 ng/g，航天誘變組66.30～211.87 ng/g；祁連圓柏地面對(duì)照組98.56～231.53 ng/g，航天誘變組92.66～234.72 ng/g。但它們的變異系數(shù)無(wú)明顯差異，分別為油松地面對(duì)照組29.07%、航天誘變組28.83%，白皮松地面對(duì)照組29.07%、航天誘變組28.83%，青海云杉地面對(duì)照組24.84%、航天誘變組24.61%。祁連圓柏地面對(duì)照組20.01%、航天誘變組19.79%。

3討論

3.1航天誘變對(duì)于四種常綠樹的誘變效應(yīng)

本次航天誘變對(duì)油松、白皮松、青海云杉和祁連圓柏種子發(fā)育與幼苗的生長(zhǎng)產(chǎn)生了較大影響，且影響著各樹種生長(zhǎng)的不同方面。航天誘變四個(gè)常綠樹種的發(fā)芽率與成苗率造成一定影響。對(duì)四種植物的千粒重影響不明顯，對(duì)白皮松種苗的成苗率有著一定的促進(jìn)作用但是對(duì)其他三種不明顯。油松經(jīng)航天誘變后，平均株高、平均基徑、平均比葉面積增大，葉片數(shù)減少；白皮松經(jīng)航天誘變后，平均株高、基徑增大，葉片數(shù)極顯著增多，比葉面積無(wú)明顯變化；青海云杉經(jīng)航天誘變后，平均株高、基徑、葉片數(shù)、比葉面積均不同程度增大；祁連圓柏經(jīng)航天誘變后，平均株高、平均基徑、平均葉片數(shù)變化不明顯，但比葉面積極顯著增大。四個(gè)樹種經(jīng)航天誘變后，生長(zhǎng)指標(biāo)均有所增加，說(shuō)明航天誘變對(duì)林木生長(zhǎng)性狀具有一定的正向作用。但是生長(zhǎng)性狀得到的正向變異不同，對(duì)四個(gè)樹種的光強(qiáng)和CO2濃度的響應(yīng)曲線進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，四種植物在誘變后各個(gè)水平下的光合效率大多一定水平的下降，并未得到顯著的提升，說(shuō)明航天誘變影響了四種植物在光合作用之外的生理反應(yīng)，促進(jìn)了種苗的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)于促進(jìn)機(jī)理仍需要進(jìn)一步研究。

3.2航天誘變對(duì)于四種常綠樹選育的指導(dǎo)作用

我國(guó)自2002年木本植物航天誘變育種開始以來(lái)，已經(jīng)獲得了一些通過(guò)航天誘變的林木品種。但是相比農(nóng)作物、藥用植物而言，木本植物仍屬于起步階段。航天誘變育種周期相比于傳統(tǒng)育種短，并且能夠創(chuàng)造特異性突變基因。但是由于誘變技術(shù)本身的不確定性，產(chǎn)生的變異對(duì)性狀的影響也不統(tǒng)一，并且由于性狀的遺傳力不同，在確定親本后對(duì)于后代種子的選育仍需大量工作。本次研究對(duì)四種常綠樹的種子、幼苗的生長(zhǎng)生理特性進(jìn)行研究，對(duì)為下一步選育變異單株，進(jìn)而培育新的種質(zhì)資源奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)繼續(xù)對(duì)四種常綠樹后續(xù)的生長(zhǎng)性狀、木材特性和生理特性等進(jìn)行測(cè)定，遴選出優(yōu)質(zhì)變異植株，為各種育種目標(biāo)提供更豐富的選擇材料和雜交親本，目標(biāo)培育出能夠穩(wěn)定遺傳的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)的常綠樹新品種。

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