空間誘變對(duì)‘德欽’紫花苜蓿農(nóng)藝性狀和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

摘要：空間誘變育種是以高科技返回式衛(wèi)星為背景的一種新型育種方法，本研究以載人飛船搭載的‘德欽’紫花苜蓿（Medicago sativa L.）為處理組，以未搭載的‘德欽’紫花苜蓿為對(duì)照組，從農(nóng)藝性狀和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等方面進(jìn)行研究。結(jié)果表明：空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉柄長(zhǎng)、莖粗、分枝數(shù)、葉重、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、粗蛋白含量、粗脂肪含量和相對(duì)飼用價(jià)值顯著增加（Plt;0.05），酸性洗滌纖維含量顯著下降（Plt;0.05）；各觀測(cè)指標(biāo)中鮮草產(chǎn)量的變異比例最大，粗蛋白的變異比例次之；空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿在葉面積、葉柄長(zhǎng)、莖粗、分枝數(shù)、產(chǎn)草量、葉重、粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維等性狀上出現(xiàn)了顯著變異。本研究表明，空間誘變可提高‘德欽’紫花苜蓿的產(chǎn)草量和品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：空間誘變；紫花苜蓿；農(nóng)藝性狀；營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

中圖分類號(hào)：S963.22+3.3""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""" 文章編號(hào)：1007-0435（2024）06-1962-06

The Impacts of Spatial Mutagenesis on Agronomic Traits and

Nutrient Quality of ‘Deqin’ Alfalfa

KUANG Qian1， ZONG Ya-qian1， YANG Wen2， HUANG He-ping1*， HE Cheng-gang1*， JIANG Hua1*

（1. College of Animal Science and Technology， Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan Province 650201， China;

2. Forage and Feed Workstation of Yunnan Province， Kunming， Yunnan Province 650224， China）

Abstract：The breeding method of spatial mutagenesis is a novel approach that utilizes advanced satellite technology. In this study，‘Deqin’ alfalfa from manned spacecraft was served as the treatment group，while uncarried alfalfa from ‘Deqin’ was used as the control group，agronomic traits and nutrient quality were investigated. The results showed that the leaf length，leaf width，leaf area，petiole length，stem diameter，branch number，leaf weight，fresh grass yield，hay yield，crude protein content，ether extract content and relative feeding value of ‘Deqin’ alfalfa significantly increased after spatial mutagenesis （Plt;0.05）. There was a notable decrease in acid detergent fiber content （Plt;0.05）. The fresh grass yield exhibited the highest variation ratio，followed by crude protein. The leaf area，petiole length，stem diameter，branch number，grass yield，leaf weight，crude protein，ether extract and acid detergent fiber of ‘Deqin’ alfalfa exhibited significant changes after spatial mutagenesis. The study showed that spatial mutagenesis had the potential to enhance both the quantity and quality of ‘Deqin’alfalfa.

Key words：Spatial mutagenesis;Alfalfa;Agronomic traits;Nutrient quality

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是我國(guó)重要的豆科牧草之一［1］，具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值，尤其是“糧改飼”以來(lái)，苜蓿生產(chǎn)受到高度重視。由于紫花苜蓿是同源四倍體植物且具有自交不親和性，育種難度較大，所以利用太空強(qiáng)輻射、高真空、微重力等特殊環(huán)境對(duì)紫花苜蓿材料進(jìn)行誘變處理，使紫花苜蓿內(nèi)部發(fā)生目前地面尚不能產(chǎn)生的變異以獲得新種質(zhì)、新品種、新材料［2］?？臻g誘變育種與其他常規(guī)的育種方法相比，具有變異程度大、育種時(shí)間短的特點(diǎn)［3］，可以引起物種農(nóng)藝性狀、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理生化等各種各樣的變異，其中一些變異具有遺傳性［3-5］。已有研究表明，空間誘變能使玉米（Zea mays L.） 莖節(jié)間變短、果穗變粗變長(zhǎng)、株高矮化、雄穗分枝減少［6］；能提高紫羊茅（Festuca rubra L.）的出苗率，使植株產(chǎn)量增加、冠幅變大、小穗數(shù)和生殖枝數(shù)增多［7］。通過(guò)空間誘變成功培育出粗蛋白質(zhì)含量高的水稻（Oryza sativa L.）新品種和具有抗倒伏、抗病的小麥（Triticum aestivum L.）新品種［8-9］。不同品種的紫花苜蓿經(jīng)空間誘變后，成活率和莖粗有差別，株高出現(xiàn)增高和矮化，葉面積增大，出現(xiàn)了速生單株，產(chǎn)草量和粗蛋白含量顯著增加，酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量顯著降低［10-13］。另外，衛(wèi)星搭載對(duì)苜蓿植株 DNA 甲基化水平有顯著影響且提高紫花苜蓿的過(guò)氧化物酶活性［14-15］。此外，范潤(rùn)鈞等［16］在對(duì)航天誘變的4個(gè)紫花苜蓿品種研究中發(fā)現(xiàn)，15個(gè)等位基因與地面對(duì)照基因組比較存在多態(tài)性，多態(tài)性表現(xiàn)為擴(kuò)增片段的缺失或增加。

‘德欽’紫花苜蓿發(fā)現(xiàn)于云南省迪慶藏族自治州德欽縣，經(jīng)栽培馴化于2010年通過(guò)全國(guó)草品種審定委員會(huì)審定為野生栽培種。他主要分布于瀾滄江、金沙江流域海拔2 000～3 000 m的干熱河谷和森林邊緣，在干熱河谷地區(qū)正常生長(zhǎng)［17］，提高其產(chǎn)量和品質(zhì)對(duì)促進(jìn)干熱河谷地區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展具有非常重要的作用?？臻g誘變對(duì)‘德欽’紫花苜蓿的影響至今還未見(jiàn)報(bào)道，因此，本研究以未搭載的‘德欽’紫花苜蓿為對(duì)照組，以載人飛船搭載的‘德欽’紫花苜蓿為處理組，從農(nóng)藝性狀和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等方面進(jìn)行研究，篩選出空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿SP1代變異單株，為‘德欽’紫花苜蓿品種改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)材料種植于中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所大棚內(nèi)（北緯25°8′17″，東經(jīng)102°44′20″，海拔1 950 m）。該地年平均溫度為14.7℃，年降水量為900～1 100 mm，年日照時(shí)間為2 411.8 h，土壤pH值為7.0，屬北亞熱帶高原季風(fēng)氣候。

1.2 供試材料

供試材料為經(jīng)空間誘變的‘德欽’紫花苜蓿種子和未經(jīng)空間誘變的‘德欽’紫花苜蓿種子。該空間誘變種子于2020年5月5日搭載新一代載人飛船試驗(yàn)船送到太空，于5月8日返回地面。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)材料 2021年3月中旬，將經(jīng)空間誘變的‘德欽’紫花苜蓿種子與未經(jīng)空間誘變的‘德欽’紫花苜蓿種子用58℃溫水浸泡6小時(shí)，播種于中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所大棚內(nèi)，大棚內(nèi)是自然光照條件，且通風(fēng)條件良好。播種后15天將材料移栽到花盆，每個(gè)花盆10株，花盆的長(zhǎng)寬高分別為50，34，26.3 cm。土壤由泥炭土、普通本地紅土、珍珠巖按照2∶1∶1的比例混合而成，泥炭土和珍珠巖購(gòu)買(mǎi)于市場(chǎng)，普通本地紅土取自山坡上。土壤肥力、灌溉、鋤草等條件保持一致，單株做標(biāo)記。

1.3.2 測(cè)定的指標(biāo)與方法 試驗(yàn)材料于播種當(dāng)年（2021年）觀測(cè)以下指標(biāo)：

a） 生育期：分為播種期、出苗期、分枝期、現(xiàn)蕾期、初花期。

b） 株高：初花期時(shí)測(cè)量植株最高處到地面的自然高度。

c） 葉的測(cè)定：初花期取第一根孕蕾枝葉中段的葉片測(cè)量長(zhǎng)寬，利用葉面積儀測(cè)量葉面積。

d） 莖粗：初花期利用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗。

e） 葉數(shù)：初花期將整株刈割，枝和葉分開(kāi)后統(tǒng)計(jì)葉片數(shù)。

f） 分枝數(shù)：初花期將整株刈割，統(tǒng)計(jì)一級(jí)分枝的個(gè)數(shù)。

g） 葉柄：初花期測(cè)量第一根孕蕾枝中段的葉柄長(zhǎng)度。

h） 莖、葉重：為初花期第一茬草的單株干重。

i） 鮮草產(chǎn)量：?jiǎn)沃昃幪?hào)稱重記錄全年共4茬的產(chǎn)草量，均在初花期刈割。

j） 干草產(chǎn)量：?jiǎn)沃昃幪?hào)記錄全年共4茬的干草產(chǎn)草量，均在初花期刈割，殺青、烘干、稱重。

k） 生長(zhǎng)速度：?jiǎn)沃暝诔趸ㄆ跍y(cè)定株高，并計(jì)算日生長(zhǎng)量。

l） 莖葉比：?jiǎn)沃昵o的干重/葉的干重。

m） 干鮮比：?jiǎn)沃旮芍?鮮重。

1.3.3 營(yíng)養(yǎng)成分、相對(duì)飼用價(jià)值的測(cè)定及方法 播種當(dāng)年（2021年），在初花期刈割全株材料，全年共收獲4茬草，殺青、烘干、混合粉碎，測(cè)定粗蛋白（Crude protein，CP）、粗脂肪（Ether extract，EE）、中性洗滌纖維（Neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗滌纖維（Acid detergent fiber，ADF）、粗灰分（Crude ash，CA）含量，按照張麗英［18］《飼料分析及飼料質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)》方法進(jìn)行測(cè)定。

通過(guò)NDF，ADF、干物質(zhì)采食量（Dry matter intake，DMI）和可消化干物質(zhì)（Digestible dry matter，DDM）計(jì)算得到相對(duì)飼用價(jià)值（Relative feed value，RFV），計(jì)算公式如下［19］：

DMI（%BW）=120/NDF（%DM）

DDM（%DM）=88.9-0.779×ADF（%DM）

RFV=DMI（%BW）×DDM（%DM）/1.29

DMI表示干物質(zhì)采食量，單位為%BM，其含義為占體重的百分比；DDM表示可消化干物質(zhì)，單位為%DM，RFV表示相對(duì)飼用價(jià)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007整理數(shù)據(jù)和繪制圖表，同時(shí)采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 出苗率

試驗(yàn)品種（SP1）于2021年3月24日播種，3月26日開(kāi)始陸續(xù)出苗，播種129株，出苗113株，出苗率為87.5%，對(duì)照組出苗率為85.4%，差異不顯著。

2.2 生育期

空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿的分枝期較對(duì)照的分枝期推后了5天，其它幾個(gè)生育期變化不明顯（表1）。

2.3 空間誘變對(duì)‘德欽’紫花苜蓿農(nóng)藝性狀的影響

由表2可知，空間誘變顯著提高了‘德欽’紫花苜蓿的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉柄長(zhǎng)、莖粗、分枝數(shù)、葉重、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、莖葉比和干鮮比（Plt;0.05）；而小葉數(shù)、株高、莖重變化不顯著?？臻g誘變后‘德欽’紫花苜蓿農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)變化范圍為11.47%～73.43%，其中鮮草產(chǎn)量、分枝數(shù)、干草產(chǎn)量、莖重、葉面積、莖葉比、葉寬、株高、葉重、葉長(zhǎng)、莖粗、小葉數(shù)和葉柄長(zhǎng)的變異系數(shù)比例分別較對(duì)照提高144.66%，113.02%，74.85%，60.15%，42.90%，38.45%，37.55%，35.81%，27.60%，26.71%，13.94%，11.94%，1.85%，而干鮮比的變異系數(shù)比例較對(duì)照降低28.75%。

2.4 空間誘變對(duì)‘德欽’紫花苜蓿營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

由表3可知，空間誘變顯著提高了‘德欽’紫花苜蓿的粗蛋白、粗脂肪含量（Plt;0.05），且顯著降低了酸性洗滌纖維含量（Plt;0.05）；而中性洗滌纖維與粗灰分含量變化不顯著。誘變后的相對(duì)飼用價(jià)值變化范圍為103.12%～168.68%；與對(duì)照相比較，具有顯著差異（Plt;0.05）。根據(jù)牧草干草質(zhì)量市場(chǎng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［20］，空間誘變后的‘德欽’紫花苜蓿干草等級(jí)可達(dá)到2～特級(jí)，RFV值越大，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越好。營(yíng)養(yǎng)成分的變異系數(shù)變化范圍為9.33%～17.02%，其中粗蛋白、酸性洗滌纖維、粗灰分、粗脂肪、中性洗滌纖維的變異系數(shù)比例分別較對(duì)照提高了137.40%，97.71%，92.97%，59.66%，40.83%。

2.5 農(nóng)藝性狀和營(yíng)養(yǎng)成分的相關(guān)性分析

由表4可知，空間誘變后鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量分別與株高、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、莖粗、分枝數(shù)、莖重、葉重、小葉數(shù)、日生長(zhǎng)量、葉柄長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05）；且干草產(chǎn)量與粗蛋白含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05）。而粗蛋白含量與分枝數(shù)、葉寬也呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），與酸性洗滌纖維呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05）。

3 討論

空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿出苗率雖較對(duì)照提高2.1%，但差異不顯著，徐云遠(yuǎn)等［21］研究空間搭載紫花苜蓿后的發(fā)芽率和田間出苗率與對(duì)照也沒(méi)有顯著差異，在分枝期較對(duì)照提前了5天，其他生育期較對(duì)照提前1天，具體的原因還有待進(jìn)一步分析。本研究中最高單株株高較對(duì)照高8.1 cm，最矮單株較對(duì)照矮11.5 cm，出現(xiàn)了高桿和矮化的植株，表明通過(guò)空間誘變可改變牧草的生長(zhǎng)高度，對(duì)牧草種質(zhì)進(jìn)行改良是可行的［13］。植株的株高和生長(zhǎng)速度是衡量其生長(zhǎng)發(fā)育狀況的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是反映草地生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，高植株通常具有高的草產(chǎn)量［22-23］，草產(chǎn)量是牧草研究中最直觀有效的性狀之一，本研究中鮮草產(chǎn)量與株高、日生長(zhǎng)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05）；植株高大，吸收的營(yíng)養(yǎng)增加，抗逆性增強(qiáng)，不僅莖稈粗壯，分枝數(shù)增多，而且增大葉面積，從而增加鮮草產(chǎn)量。本研究中鮮草產(chǎn)量與葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉重、分枝數(shù)、莖粗、莖重呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），說(shuō)明鮮草產(chǎn)量與這些農(nóng)藝性狀密切相關(guān)，這些性狀的變化有利于提高紫花苜蓿的鮮草產(chǎn)量。

牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的優(yōu)劣決定著牧草經(jīng)濟(jì)價(jià)值的高低，粗蛋白、粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量是評(píng)價(jià)優(yōu)質(zhì)牧草的重要指標(biāo)［24］。紫花苜蓿中70%左右的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存在于葉片中，葉片數(shù)的增多及葉面積的增大，有利于營(yíng)養(yǎng)成分的提高。粗蛋白主要來(lái)源于葉片，葉面積越大粗蛋白含量越高，葉片數(shù)、分枝數(shù)越多產(chǎn)量也就越高?？臻g誘變后分枝數(shù)與粗蛋白含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），即分枝數(shù)越多，粗蛋白含量越高，而葉寬、干草產(chǎn)量與粗蛋白含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），即葉片越大、產(chǎn)量越高，粗蛋白的含量也就越高。此外，誘變后其葉面積、葉長(zhǎng)、葉寬和葉重都顯著提高（Plt;0.05）；單株粗蛋白含量可達(dá)23.46%，較對(duì)照顯著提高（Plt;0.05），植株中葉片的比例也是影響紫花苜蓿蛋白質(zhì)含量的主要因素之一［25-26］。誘變后分枝數(shù)顯著提高（Plt;0.05），小葉數(shù)增多，葉重顯著高于莖重（Plt;0.05），葉量增加能提高粗蛋白含量。其次，葉的比例高于莖，不僅可以降低莖的木質(zhì)化程度，而且可以降低纖維含量。在相關(guān)性分析中，酸性洗滌纖維與粗蛋白呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即粗蛋白含量越高，酸性洗滌纖維含量越低，本研究中酸性洗滌纖維含量顯著下降（Plt;0.05），說(shuō)明空間誘變可以使纖維的含量降低。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，空間誘變后‘德欽’紫花苜蓿的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉柄長(zhǎng)、莖粗、分枝數(shù)、葉重、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維顯著變異，獲得了SP1代變異單株，這些具有優(yōu)良性狀的單株為后續(xù)快速實(shí)現(xiàn)對(duì)‘德欽’紫花苜蓿目標(biāo)性狀的精準(zhǔn)改良提供了豐富的種質(zhì)資源。在后續(xù)的研究中，我們將結(jié)合種質(zhì)資源、遺傳多樣性和分子生物學(xué)，闡明有益突變性狀的分子調(diào)控機(jī)制，縮短育種時(shí)間，提高產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和抗逆性，為改良出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)品種應(yīng)用于生產(chǎn)提供基礎(chǔ)。

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［26］姚瑤. 不同施肥處理和干燥方式對(duì)紫花苜蓿生物學(xué)特性及營(yíng)養(yǎng)成分的影響［D］. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017：2-3

（責(zé)任編輯 閔芝智）