航天誘變對四種木本花卉容器苗生長與生理特性的影響

胡 冰 陳朝黎 陳天笑 張如平 曾炳山 李湘陽 陸釗華，

（1中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，熱帶林業(yè)研究國家林業(yè)和草原局重點實驗室，廣東 廣州 510520；2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642）

航天誘變育種，簡稱航天育種，是一種將植物材料利用返回式衛(wèi)星、高空氣球或宇宙飛船，在太空特殊空間因素的作用下，使其產(chǎn)生遺傳性變異，再經(jīng)地面選育出植物新品種的育種新技術(shù)［1-2］。與傳統(tǒng)育種技術(shù)相比，航空育種具有突變頻率高、變異范圍大、有益突變多、穩(wěn)定性強等特點，為植物遺傳改良和種質(zhì)創(chuàng)新提供了一條新途徑［3-4］。從1987 年首次進行航天誘變研究以來，我國已開展了30 多次農(nóng)作物空間搭載試驗，選育出一大批優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的植物新品種［5］。相比農(nóng)作物，木本植物的航天誘變育種起步較晚，2002 年至今，已搭載桉樹（Eucalyptusspp.）［6］、桑樹（Morusalba）［7］、楊樹（Populusussuriensis）［8］、小桐子（Jatrophacurcas）［9］等木本植物的種子。研究發(fā)現(xiàn)，航天誘變處理可使木本植物生長發(fā)育特性產(chǎn)生變化。航天搭載促進了4 個白樺（Betulaplatyphylla）家系種子的活力，導(dǎo)致1年生苗木矮化和葉綠素含量降低［10］；航天處理對文冠果（Xanthoceras sorbifolia）、五角楓（Acermono）和刺槐（Robiniapseudoacacia）的種子活力和抗逆性產(chǎn)生了一定的促進作用，但第二年時其生長速率才有明顯提升［11］。

目前，已應(yīng)用的觀賞樹木存在著優(yōu)良品種少、外來樹種多、珍貴化程度低等問題，迫切需要更多更優(yōu)質(zhì)的觀賞樹木，以適應(yīng)森林城市高質(zhì)量發(fā)展需求。鳳凰木（Delonixregia）、藍花楹（Jacarandamimosifolia）、臘腸樹（Cassiafistula）為多年生高大落葉喬木，多花紅千層（Callistemonspeciosus）為小喬木。鳳凰木的花型酷似火焰［12］；藍花楹的花色從淡紫色到深紫色不一，花朵密集成簇，能夠遮蓋整個樹冠［13］；臘腸樹具有金黃色的喇叭狀花序［14］；紅千層則具有深紅色瓶刷般的花型［15］。這四種木本花卉因花朵顏色鮮艷，觀賞性極佳，在我國華南地區(qū)作為常見的行道樹、觀賞樹或庭院特色樹種栽植［16-17］。目前，關(guān)于這四種木本花卉的研究多集中于園林應(yīng)用［18］、育苗［19］及田間栽培技術(shù)［20］等方面，鮮見利用航天誘變育種進行種質(zhì)資源創(chuàng)新的研究報道。航天誘變的不定向性為觀賞花卉誘變提供了更多的可能性，可改良植株生長性狀，如誘導(dǎo)改變花朵大小、增強花朵顏色等，從而提高整體觀賞價值；也可提高其抗逆性，相比傳統(tǒng)育種方法可大大提高育種效率，縮短育種周期。我國已通過輻射誘變育種技術(shù)培育出多種株型更加高大直立、花色和花型多變且抗逆性強的牡丹（Paeoniasuffruticosa）新品種［21-22］。

基于此，本研究利用新一代載人試驗飛船搭載四種木本花卉種子進行航天誘變處理，研究航天誘變對四種木本花卉種子成苗率及苗期的生長性狀、葉片形態(tài)、色素含量、生理活性等生理特性的影響，探討其誘變效應(yīng)，以期獲得在生長性狀或抗逆性方面產(chǎn)生變異的株系，為四種木本花卉的種質(zhì)改良和品種選育提供參考，同時為航天誘變育種應(yīng)用于林木遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選擇優(yōu)質(zhì)鳳凰木種子500 g、藍花楹種子100 g、紅千層種子100 g、臘腸樹種子100 g為試驗材料。將各樹種的種子隨機分成2 份，一份進行航天誘變處理，另一份留作地面對照，于4 ℃條件下保存。長征五號B火箭于2020年5 月5 日18 時升空，在軌飛行約67 h，軌道高度約300～8 000 km，穿越了范艾倫輻射帶，于5月8日13時49分返回地面。2020年10月，將航天誘變處理后的種子同地面對照于中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所溫室（23°20′ N，113°19′ E）進行育苗。對鳳凰木、藍花楹和臘腸樹種子進行沸水浸泡，至自然冷卻后浸泡過夜，將吸脹種子撒播至裝有泥炭土∶蛭石（1∶1）基質(zhì)的育苗盤，用薄土覆蓋。對未吸脹種子用濃硫酸浸泡25 min 后熱水浸泡過夜，吸脹后進行播種。紅千層種子直接撒播。待萌發(fā)后移栽至營養(yǎng)缽中，每缽1 株，培養(yǎng)條件為日平均溫度約25 ℃，平均濕度約70%，自然光照強度約為6 000～7 000 lx。2021年10月，對容器苗進行調(diào)查與測定。

1.2 試驗方法

1.2.1 生長特性的測定 分別隨機選取每個樹種航天誘變和地面對照幼苗各50 株，測定每株上自頂端向下第4 至第6 節(jié)成熟葉。利用卷尺和游標卡尺對各樹種航天誘變和地面對照的幼苗進行株高、地徑、葉長、葉寬的測量，調(diào)查幼苗的葉片或葉軸數(shù)，利用CI-203便攜式葉面積儀（美國CID 公司）掃描得到葉片或葉軸的葉面積。

1.2.2 色素含量的測定 分別隨機選取每個樹種的航天處理和地面對照組幼苗各50 株，采集自頂端向下第4～第6 節(jié)成熟葉，迅速在液氮下研磨為粉末。稱取葉片粉末樣品0.5 g，以80%丙酮溶液為提取液，利用UV-2450 分光光度計（日本島津公司）分別測定440、645、663 nm 波長下的吸光值，參照公式計算樣品中的葉綠素和胡蘿卜素含量：

1.2.3 生理活性的測定 葉片樣品同1.2.2，利用蒽酮比色法測定葉片樣品中可溶性糖的含量［23］；利用茚三酮法測定葉片樣品中脯氨酸（Pro）的含量［24］；利用TTC 法測定根系樣品中脫氫酶（plant dehydrogenase，PDHA）的活性［25］。每個樣品設(shè)置6個技術(shù)重復(fù)。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 利用Excel 2016 和SPSS19 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、單因素方差分析（one way analysis of variance，ANOVA）和皮爾森相關(guān)性分析（Pearson correlation analysis），利用Turkey HSD 進行事后多重比較，通過GraphPad Prism 9 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 四種木本花卉播種量與成苗率

各樹種航天誘變處理和地面對照種子播種量及剔除病苗爛苗后移栽數(shù)量見表1。航天誘變處理后，各樹種種子的成苗率差異性較大，鳳凰木種子的成苗率高于地面對照，分別為78.97%和72.05%；藍花楹和紅千層種子的成苗率均低于地面對照，分別為79.92%、88.04%、69.69%和80.35%；臘腸樹種子的成苗率與地面對照無明顯差異，分別為27.91%和27.43%。另外鳳凰木、藍花楹和紅千層種子的成苗率在69.69%～88.04%，而臘腸樹種子成苗率僅為27.43%～27.91%，說明臘腸樹種子的耐貯存能力較差，種子活力下降較快。

2.2 航天誘變處理對四種木本花卉苗期生長性狀的影響

由圖1可知，與對照相比，航天誘變處理的鳳凰木和臘腸樹苗期株高、地徑和葉片數(shù)均顯著或極顯著降低了25.74% 和45.15%、11.14% 和19.51%、9.13% 和31.60%，群體的最小值和最大值均減小，變異系數(shù)改變；紅千層苗期的株高、地徑和葉片數(shù)極顯著增加了64.93%、37.09%、118.25%，群體最小值和最大值均增大，株高和葉片數(shù)的變異系數(shù)分別增加了0.58和0.70個百分點，地徑的變異系數(shù)減小了1.15個百分點；藍花楹苗期的株高和地徑?jīng)]有顯著性變化，群體最小值增加、最大值減小，變異系數(shù)分別減小了9.72和4.22個百分點，而葉片數(shù)極顯著減少了12.77%，群體最小值和最大值均減小，變異系數(shù)減小了1.96個百分點。綜上，經(jīng)航天處理后，四個樹種苗期的株高、地徑、葉片數(shù)等生長性狀均受到明顯影響，不同樹種對航天誘變處理的響應(yīng)程度有所不同，鳳凰木和臘腸樹群體整體表現(xiàn)為負向變化，紅千層群體整體表現(xiàn)為正向變化，藍花楹除葉片數(shù)外，未發(fā)生顯著變化。

2.3 航天誘變處理對四種木本花卉苗期葉片形態(tài)的影響

由于鳳凰木、藍花楹為二回羽狀復(fù)葉，選擇以葉軸為單位測定其葉形參數(shù)。由圖2 可知，航天誘變處理后，鳳凰木苗期的葉軸長、葉軸寬、葉軸長寬比和葉軸面積分別極顯著減小28.25%、15.37%、16.71%和33.62%，各指標的群體最小值和最大值均減小，葉軸長、葉軸寬和葉軸面積的變異系數(shù)分別增大了2.00、2.31 和13.39 個百分點；臘腸樹苗期的葉長、葉寬和葉面積也極顯著性減小12.67%、15.00%和32.26%，其葉長、葉寬和葉長寬比的變異系數(shù)分別增加了6.79、4.68 和1.71 個百分點；藍花楹和紅千層苗期葉（軸）長、葉（軸）長寬比和藍花楹的葉軸面積分別極顯著增加了26.49%和18.78%、17.68%和15.70%及37.29%（由于紅千層幼苗的葉片狹小且葉柄極短，無法利用葉面積儀獲取葉面積，故其葉面積數(shù)據(jù)缺失），而葉（軸）寬無顯著差異，且其變異系數(shù)多表現(xiàn)為降低。綜上，航天誘變處理后，不同樹種苗期的葉形參數(shù)變化程度不同，鳳凰木和臘腸樹群體的葉片普遍減小，藍花楹和紅千層的群體的葉片普遍增大。

圖2 航天誘變處理后四種木本花卉苗期葉形參數(shù)的變化Fig.2 The changes in leaf shape parameters of four woody flower seedlings after space mutation

2.4 航天誘變處理對四種木本花卉苗期色素含量的影響

葉綠素和類胡蘿卜素是植物光合作用中吸收和傳遞光能的重要色素，類胡蘿卜素在強光下還可以保護葉綠素免受光氧化破壞。由圖3 可知，經(jīng)航天處理后，鳳凰木、臘腸樹苗期葉片的總?cè)~綠素含量略有降低，紅千層略有增加，而藍花楹無明顯變化。航天處理后，鳳凰木和紅千層苗期葉片總?cè)~綠素含量和葉綠素b含量的變異系數(shù)的變化較小，兩樹種的葉綠素a 含量的變異系數(shù)分別相對增加了3.28 個百分點、減小了14.83 個百分點；而臘腸樹苗期葉片總?cè)~綠素含量和葉綠素a 含量的變異系數(shù)的變化較小，葉綠素b 含量的變異系數(shù)相對增加了13.27 個百分點；藍花楹苗期的總?cè)~綠素含量、葉綠素a含量和葉綠素b含量的變異系數(shù)分別相對增加了10.78、2.47 和3.85 個百分點。經(jīng)航天處理后，鳳凰木苗期葉片的類胡蘿卜素含量顯著增加了45.32%，但變異系數(shù)減小了17.77 個百分點；藍花楹、紅千層、臘腸樹苗期葉片的類胡蘿卜素含量無明顯變化，其中臘腸樹葉片類胡蘿卜素含量的變異系數(shù)增加了9.79 個百分點，藍花楹和紅千層的變異系數(shù)無明顯改變。由此可見，航天處理不同程度地影響了四種木本花卉苗期的總?cè)~綠素含量或其組分含量的變異幅度，并顯著提高了鳳凰木葉片類胡蘿卜素的平均含量。

圖3 航天誘變處理后四種木本花卉苗期葉片色素含量的變化Fig.3 The changes in leaf pigment content of four woody flower seedlings after space mutation

2.5 航天誘變處理對四種木本花卉苗期生理活性的影響

可溶性糖含量、Pro 含量和PDHA 的活性均是反映植物的代謝活力和抗逆能力的重要指標。由圖4可知，經(jīng)航天處理后鳳凰木、藍花楹和紅千層苗期的可溶性糖含量分別提高了36.46%、16.77% 和7.23%，其中鳳凰木的變化達到極顯著水平，變異系數(shù)分別減小了13.38、8.73 和2.53 個百分點；臘腸樹苗期的可溶性糖含量降低了8.59%，其變異系數(shù)降低了1.45 個百分點。經(jīng)航天處理后，鳳凰木和藍花楹苗期的Pro 含量分別增加45.45%和203.87%，其中藍花楹的變化達到極顯著水平，但其變異系數(shù)分別增加和降低了6.62 和1.28 個百分點；航天處理使紅千層苗期Pro 含量顯著性降低24.11%，其變異系數(shù)增加了36.08 個百分點；而臘腸樹苗期的Pro 含量無明顯變化，但其變異系數(shù)降低了30.92 個百分點。航天處理極顯著影響了鳳凰木、藍花楹、紅千層和臘腸樹苗期的PDHA 活性，其中鳳凰木、藍花楹和臘腸樹PDHA活性分別極顯著降低47.38%、63.79%和39.83%，其變異系數(shù)分別增加了30.42、28.63 和8.68 個百分點；紅千層PDHA 的活性極顯著增加81.37%，但其變異系數(shù)降低了17.13 個百分點。因此，航天處理影響了四種木本花卉苗期PDHA 活性及其群體變異幅度，影響了鳳凰木和藍花楹苗期的可溶性糖含量的變異幅度及紅千層和臘腸樹苗期的Pro 含量的變異幅度。

圖4 航天誘變處理后四種木本花卉苗期生理活性指標的變化Fig.4 The changes in physiologically active indexes of four woody flower seedlings after space mutation

2.6 航天誘變處理對四種木本花卉苗期生長與生理特性的相關(guān)性分析

對航天誘變處理與地面對照的四種木本花卉苗期的生長特性、葉片形態(tài)、色素含量及生理活性等進行Pearson 法相關(guān)性分析（圖5）可知，航天誘變處理與鳳凰木的株高、地徑、葉片數(shù)、葉軸面積和總?cè)~綠素含量等指標顯著或極顯著負相關(guān)，與葉軸寬、葉軸長寬比、Pro 含量和PDHA 活性等指標顯著或極顯著正相關(guān)；與藍花楹的葉片數(shù)呈極顯著負相關(guān)，與葉軸長、葉軸長寬比、葉軸面積、總?cè)~綠素含量和PDHA 活性呈極顯著正相關(guān)；與紅千層的株高、地徑、葉片數(shù)、葉長、葉長寬比和PDHA 活性呈極顯著正相關(guān)，與Pro 含量呈極顯著負相關(guān)；與臘腸樹的株高、地徑、葉片數(shù)、葉長、葉寬、葉面積和總?cè)~綠素含量呈顯著或極顯著負相關(guān)。在各生長和生理活性指標方面，鳳凰木、紅千層和臘腸樹的株高、地徑和葉片數(shù)兩兩之間呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系；四個樹種中的總?cè)~綠素含量與葉綠素a 和葉綠素b 含量兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；葉（軸）長、葉（軸）寬、葉（軸）長寬比和葉（軸）面積之間存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系；Pro 含量與株高、地徑、葉片數(shù)和葉綠素b 含量存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系；PDHA 活性與株高、地徑、葉片數(shù)、葉（軸）長、葉（軸）寬、葉（軸）長寬比、葉（軸）面積、總?cè)~綠素、葉綠素a 和葉綠素b 含量均顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。綜上，航天誘變處理抑制了臘腸樹的生長和生理特性；促進了藍花楹和紅千層的生長和生理特性；抑制了鳳凰木的生長特性和總?cè)~綠素含量，促進其Pro 含量和PDHA 活性；且四個樹種的生長特性與生理特性的變化密切相關(guān)。

3 討論

在太空中，真空、微重力和宇宙射線等獨特環(huán)境對植物種質(zhì)資源產(chǎn)生了綜合而復(fù)雜的作用，引起了其生理生化的改變和遺傳性狀的變異。已知航天誘變育種可以促進白樺、文冠果、五角楓和刺槐等種子的活力［10-11］；濕地松（Pinuselliottii）種子在太空誘變處理后發(fā)芽率、發(fā)芽勢、出苗率均低于地面對照，但其成苗率高于地面對照［26］。本研究中鳳凰木、藍花楹和臘腸樹種子均屬頑拗型種子，為盡可能育成苗，進行了不同程度的催芽處理，因此未進行種子活力試驗。在成苗率統(tǒng)計中，發(fā)現(xiàn)航天誘變處理后鳳凰木的成苗率提高，而藍花楹和紅千層的成苗率降低，臘腸樹的成苗率無明顯改變。這可能是因為太空環(huán)境對種子的誘變效果不盡相同，推測植株成苗率上升的原因可能是太空環(huán)境對種子起到引發(fā)作用，而成苗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從而導(dǎo)致死亡。

航天誘變處理誘導(dǎo)四種木本花卉苗期的生長性狀、葉片指標發(fā)生變化，對于高大喬木鳳凰木和臘腸樹群體而言，生長性狀表現(xiàn)為負向變化，而小喬木紅千層群體表現(xiàn)為正向變化。研究表明，航天誘變處理使了刺槐［11］和白樺［10］的株高和地徑降低，但提高了小喬木油茶（Camelliaoleifera）的苗高和地徑［27］。因此，航天誘變處理對不同類型植株的誘變效果有所差異。姜靜等［10］發(fā)現(xiàn)太空環(huán)境使4 個不同家系的白樺均表現(xiàn)出矮化現(xiàn)象，航天誘變處理使文冠果和刺槐早期的苗高低于地面對照組［11］，而使贛早秈47 號（Oryzasativasubsp.indica）株高高于地面對照組［28］，這些研究結(jié)果均表明太空誘變可以引起高頻的變異發(fā)生，但不同植物對于誘變處理的響應(yīng)規(guī)律不同。這些變異可能是由于特殊的太空環(huán)境引起植物體內(nèi)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，植物的生長發(fā)育和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等生理生化過程受到影響，使植物遺傳性狀改變。宋興舜等［29］發(fā)現(xiàn)航天處理后1 月齡大青楊（Populusussuriensis）幼苗略高于同時期的地面對照，生長到6個月時，其株高、最大葉長、最大葉寬等指標均小于地面對照組；路超等［11］和李允菲等［30］研究發(fā)現(xiàn)，航天誘變處理使五角楓（Acermono）幼苗在幼苗期生長緩慢，但隨著時間的延長，其生長指標逐漸優(yōu)于對照組?？臻g誘變導(dǎo)致草本花卉雞冠花（Celosiacristata）M0 代株高增加、葉片變大和冠幅增加，而M1 代產(chǎn)生了莖、花色、花型和分枝等更多變異類型，但所有的變異株均表現(xiàn)為矮化［31］。由此推測航天誘變對植株株高的抑制或促進作用，可能會隨著地面生長環(huán)境的影響，使空間誘變的優(yōu)勢/劣勢逐漸削弱或消失，有些表型也可能在生長后期或后代中才顯現(xiàn)出來。

由于宇宙環(huán)境極其特殊復(fù)雜，物理因素眾多，細胞壁重塑、氧化應(yīng)激、防御反應(yīng)和光合作用是在航天誘變植物中常見的改變過程［32］。本研究中，航天處理提高了鳳凰木、藍花楹和紅千層苗期可溶性糖平均含量，降低了臘腸樹苗期可溶性糖平均含量?？扇苄蕴窃诟鞣N代謝反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，作為調(diào)節(jié)光合作用、滲透物質(zhì)合成和蔗糖代謝相關(guān)基因表達的信號，隨壓力因素而改變［33］。脯氨酸是植物生長發(fā)育過程中的重要信號分子，參與植物滲透調(diào)節(jié)、抗氧化等過程，植物遭遇逆境脅迫時Pro 含量通常大幅度增加［34］。鳳凰木和藍花楹苗期的Pro 平均含量均增加，表明航天誘變環(huán)境對其產(chǎn)生了一定程度的脅迫作用。PDHA 的活性很大程度上反應(yīng)了生物體的活性狀態(tài)，能直接表示生物細胞對其基質(zhì)降解能力的強弱［35］。本研究中航天誘導(dǎo)鳳凰木、藍花楹和臘腸樹苗期的PDHA 平均活性極顯著降低，可能是航天誘導(dǎo)對鳳凰木、藍花楹和臘腸樹等三種樹種對空間環(huán)境的影響較為敏感，受到空間環(huán)境的脅迫作用后，均受到不同程度的損傷。

我國航天誘變育種技術(shù)的應(yīng)用已處于國際領(lǐng)先水平，但誘變機理等基礎(chǔ)理論研究仍相對薄弱。本研究中，太空環(huán)境改變植株的株高、地徑、葉片指標、色素含量和生理代謝過程，可能是因為太空環(huán)境損傷DNA，改變了植物的染色體結(jié)構(gòu)，從而影響了植株的生長進程［36］，這些誘變機理的解析需進一步開展。此外，本研究進行了航空誘變對四種木本花卉苗期生長的影響及評價，以期盡早獲得相關(guān)突變株系，植株的株型、抗逆性、花色、花形、花期等特征的變異還需持續(xù)關(guān)注與研究，進一步更全面地評價突變指標，篩選有益突變株，并通過無性繁殖技術(shù)，對誘變的有益變異進行固定和利用。

4 結(jié)論

航天誘變處理對四種木本花卉苗期的生長和生理特性及其變異幅度產(chǎn)生了重要影響，誘變效果因樹種特性而異。與對照相比，航天誘變處理使鳳凰木種子的成苗率提高，藍花楹和紅千層種子的成苗率降低，臘腸樹種子的成苗率無明顯改變；航天誘變處理對鳳凰木和臘腸樹苗期株高、地徑、葉片（軸）數(shù)、葉片（軸）大小等生長特性和葉片形態(tài)參數(shù)呈抑制作用，使其發(fā)生負向變異；對紅千層苗期株高、地徑、葉片數(shù)、葉長等生長特性及葉片形態(tài)參數(shù)和藍花楹苗期的葉軸長和葉軸面積等葉片形態(tài)參數(shù)呈促進作用，使其發(fā)生正向變異；促進了鳳凰木葉片中類胡蘿卜素含量；促進了鳳凰木、藍花楹和紅千層葉片中溶性糖含量，抑制了臘腸樹的可溶性糖含量；促進了鳳凰木、藍花楹葉片中Pro 含量，抑制了紅千層的Pro 含量；促進了鳳凰木和紅千層的PDHA 活性，抑制了藍花楹和臘腸樹的PDHA活性。