60Co—γ輻射種子對(duì)西瓜幼苗葉片光合色素及氣體交換參數(shù)的影響

李金霞 李玉明 陳菁菁 韓國君 陳年來

摘 要： 通過對(duì)3類不同質(zhì)量（包括12個(gè)品種）的西瓜干種子進(jìn)行不同劑量的輻射處理，研究了60Co-γ射線輻射對(duì)西瓜幼苗葉片光合色素及氣體交換參數(shù)的影響。結(jié)果表明： 60Co-γ射線輻射后，西瓜幼苗葉片葉綠素a和類胡蘿卜素的含量隨輻射劑量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，葉綠素b的含量隨輻射劑量的增加總體呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì);氣體交換參數(shù)Gs、Pn、Tr隨著輻射劑量的增加而減小。不同質(zhì)量西瓜種子對(duì)60Co-γ輻射的敏感性表現(xiàn)為大種子材料>小種子材料>中等種子材料;不同種質(zhì)類型西瓜種子對(duì)60Co-γ輻射的敏感性表現(xiàn)為雜交種子品種>常規(guī)種子品種。

關(guān)鍵詞： 西瓜; 60Co-γ射線輻射; 光合色素; 氣體交換參數(shù)

Effects of 60Co-γ irradiation on photosynthetic pigments and gas exchange parameters of the leaves of watermelon

LI Jinxia1， LI Yuming2， CHEN Jingjing3， HAN Guojun1， CHEN Nianlai1

（1. College of Resources and Environment， Gansu Agricultural University， Lanzhou， 730070，China;2.College of Agronomy， Gansu Agricultural University， Lanzhou， 730070， China; 3. College of Life Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou， 730070，China）

Abstract：Three different quality （including 12 varieties） of dry watermelon seeds were irradiated with various doses（200 Gy～1 000 Gy） of 60Co-γ rays. The photosynthetic pigments and gas exchange parameters of watermelon seedling leaf were studied. The results showed that under 60Co-γ rays treatments，the chlorophyll a and carotenoid contents in the leaves of watermelon seedlings increased initially and then declined，the chlorophyll b content in leaves of their seedlings declined on the whole;gas exchange parameters Gs，Pn，Tr，gradually declined. The order of the radiation sensitivity of different size watermelon seed was large seed>small seed>medium seed;and the order of the radiation sensitivity with different genotype watermelon seed was hybrid seed>conventional seed.

Key words：Water melon; 60Co-γ irradiation; Photosynthetic pigments; Gas exchange parameters

西瓜被譽(yù)為“夏季水果之王”，在世界十大果品中居第5位[1]。中國是世界西瓜生產(chǎn)與消費(fèi)大國，面積占世界總面積的60%以上，產(chǎn)量占70%以上;人均年消費(fèi)量是世界人均量的2～3倍，占全國夏季果品市場(chǎng)總量的50%以上[2-3]。但是由于人工選育以及西瓜品種的單一化，使得西瓜種質(zhì)資源相對(duì)匱乏，而種質(zhì)資源是開展科學(xué)研究和新品種培育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略資源的一部分，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被高度關(guān)注[4]，因此創(chuàng)造出新的西瓜種質(zhì)資源，對(duì)于西瓜育種工作尤為重要。

目前，誘變育種作為一種新興的育種技術(shù)[5]，通過人為的利用物理誘變因素，誘發(fā)植物遺傳變異，從而在短時(shí)間內(nèi)獲得有利用價(jià)值的突變體，極大地提高了人們定向創(chuàng)造和篩選變異的可能性[6]，已成為農(nóng)業(yè)新品種改良的重要途徑之一[7]。γ射線作為一種誘變育種輻射源，是創(chuàng)造植物突變體最有效的誘變因子，具有操作簡(jiǎn)單、快捷以及突變頻率高等優(yōu)點(diǎn)[8-11]，已在小麥、水稻等禾本科農(nóng)作物的農(nóng)藝性狀研究及育種中被廣泛利用[10，12]。而誘變處理同時(shí)作為一種逆境因子會(huì)對(duì)植株的光合性能產(chǎn)生一定影響[13]，植物光合性能的好壞最終又可影響其生長、產(chǎn)量和質(zhì)量。以西瓜種子作為輻照材料進(jìn)行60Co-γ輻射誘變處理的研究尚未見報(bào)道。為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和市場(chǎng)的需求， 我們開展了西瓜的輻射育種工作。

本試驗(yàn)通過對(duì)3類不同質(zhì)量（包括12個(gè)品種）的西瓜干種子進(jìn)行不同劑量的60Co-γ射線輻射處理，通過測(cè)定輻射后西瓜幼苗葉片光合色素含量、光合氣體交換指標(biāo)等的變化來研究西瓜對(duì)不同劑量的誘變處理所產(chǎn)生的輻射生物學(xué)效應(yīng)，探討西瓜對(duì)不同劑量誘變處理所反映出的誘變效應(yīng)的差異性，為研究60Co-γ射線輻射對(duì)西瓜光合生理特性的影響機(jī)制提供理論依據(jù)，對(duì)西瓜的輻射誘變育種具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料

供試西瓜品種（資源材料）12個(gè)，由國家蔬菜工程技術(shù)中心和甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類研究所提供（表1）。

表1 供試西瓜材料性狀

[種子

區(qū)組＼&品種名稱或

材料代碼＼&千粒

質(zhì)量/g＼&種質(zhì)

類型＼&種子來源＼&大種子

中等

種子

小種子＼&甜籽1號(hào)

白2號(hào)

85-8

SCK

004-5

金城5號(hào)

238

WW150

紅籽黃肉

5

483

京欣1號(hào)＼&280

224

165

163

95

92

87

83

67

57

53

47＼&雜交種

常規(guī)種

常規(guī)種

常規(guī)種

常規(guī)種

雜交種

常規(guī)種

常規(guī)種

常規(guī)種

常規(guī)種

常規(guī)種

雜交種＼&甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類研究所

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類研究所

國家蔬菜工程技術(shù)中心

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類研究所

國家蔬菜工程技術(shù)中心

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類研究所

國家蔬菜工程技術(shù)中心

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類研究所

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類研究所

國家蔬菜工程技術(shù)中心

國家蔬菜工程技術(shù)中心

國家蔬菜工程技術(shù)中心＼&]

1.2 方法

1.2.1 輻射處理 60Co-γ輻照在甘肅省天辰輻射公司進(jìn)行，劑量率為1.5 Gy·min-1，干種子設(shè)5個(gè)輻照劑量，分別為200、400、600、800、1 000 Gy，以不處理干種子為對(duì)照（CK）。每個(gè)品種-劑量組合3次重復(fù)，每重復(fù)處理50粒種子，裝入小種子袋中輻射。

1.2.2 大田試驗(yàn) 大田輻射效應(yīng)觀察試驗(yàn)在甘肅省民勤縣薛百鄉(xiāng)試驗(yàn)站進(jìn)行。2012年5月2日水旱塘覆膜種植，每處理3次重復(fù)、每次重復(fù)播種25穴，每穴播2粒種子，行株距為1.2 m×0.5 m。肥水管理與當(dāng)?shù)厣唐饭咸锵嗤瑹o整枝。

1.3 觀察測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 葉片光合色素含量 在西瓜植株伸蔓期采集不同處理的西瓜植株第6～第7節(jié)位葉6～9片，測(cè)定不同處理的葉綠素含量，3次重復(fù)。光和色素測(cè)定參照張憲政的丙酮乙醇混合液法[14]，稱取剪碎的葉片0.2 g，分別放入3支試管中，加入混合液，封口，移至暗處保存，直至葉肉組織呈白色。以混合液為空白，在OPRON-3100紫外分光光度計(jì)上測(cè)定波長為665 nm（葉綠素a的最大吸收峰）、649 nm（葉綠素b的最大吸收峰）、470 nm（類胡蘿卜素的最大吸收峰）下提取液的吸光度。根據(jù)以下公式計(jì)算光合色素的質(zhì)量濃度C（mg·L-1）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以鮮質(zhì)量計(jì)）（mg·g-1）：

Ca=13.95D665-6.68D649

Cb=24.96D649-7.32D665

Cx·c=（1000D470-2.05Ca-114.8Cb）/245

色素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mg·g-1）=（色素的濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)）/樣品鮮質(zhì)量

式中：Ca、Cb、Cx.c分別為葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素的濃度。

1.3.2 葉片氣體交換參數(shù) 在果實(shí)膨大期，選取‘紅籽黃肉、‘WW150、‘238、‘5號(hào)、‘SCK共5個(gè)品種測(cè)定氣體交換參數(shù)。每處理中各選3株生育期相近的西瓜植株，于上午9：00-11：00用CI-310光合儀（美國CID公司生產(chǎn)）測(cè)定西瓜第6～第7節(jié)位葉子的氣孔導(dǎo)度（Gs）、凈光合速率（Pn）及蒸騰速率（Tr）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)利用EXCEL和SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 60Co-γ射線輻射對(duì)西瓜葉片光合色素含量的影響

2.1.1 葉綠素含量 60Co-γ射線輻射后西瓜幼苗葉片葉綠素a的含量隨著輻射劑量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，但差異不顯著（表2）。其中大種子品種經(jīng)輻射后西瓜葉片葉綠素a含量均低于對(duì)照，抑制作用明顯。中等種子品種在600 Gy及以上劑量，西瓜葉片葉綠素a含量較對(duì)照有所增加。小種子品種在200～600 Gy范圍內(nèi)，西瓜葉片葉綠素a含量較對(duì)照明顯增加，1 000 Gy條件下，葉綠素a含量為對(duì)照的92.81%，與200～600 Gy條件下差異顯著。輻射對(duì)不同質(zhì)量西瓜葉綠素a含量的抑制作用表現(xiàn)為大種子材料>小種子材料>中等種子材料。不同種質(zhì)類型西瓜干種子經(jīng)輻射處理后葉綠素a含量差異不顯著。經(jīng)輻射后雜交種子品種、常規(guī)種子品種西瓜葉片平均葉綠素a含量減少為對(duì)照的1.27%、0.00，因此輻射對(duì)不同種質(zhì)類型西瓜葉綠素a含量的抑制作用表現(xiàn)為雜交種子品種>常規(guī)種子品種。

表2 60Co-γ射線輻射處理后對(duì)西瓜

葉片葉綠素a含量的影響

（mg·g-1）

[品種區(qū)組＼&劑量/Gy＼&平均值

（處理）＼&CK＼&200＼&400＼&600＼&800＼&1000＼&大種子

中等種子

小種子

雜交種子

常規(guī)種子

平均值＼&1.69 a

1.45 a

1.53 ab

1.58 a

1.55 a

1.56 a＼&1.61 a

1.39 a

1.67 a

1.52 a

1.57 a

1.55 a＼&1.62 a

1.43 a

1.68 a

1.61 a

1.56 a

1.58 a＼&1.59 a

1.63 a

1.66 a

1.63 a

1.63 a

1.63 a＼&1.62 a

1.60 a

1.54 ab

1.52 a

1.44 a

1.54 a＼&1.64 a

1.54 a

1.42b

1.50 a

1.54 a

1.53 a＼&1.63

1.51

1.58

1.56

1.55

1.57＼&]

[注] 表中不同小寫字母表示同行差異顯著（P<0.0）5，下表同。

由表3看出，西瓜葉片葉綠素b含量隨著60Co-γ輻射劑量的增加總體呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，但差異不顯著。輻射后大種子品種、中等種子品種葉片葉綠素b含量均小于對(duì)照，而小種子品種在200～600 Gy輻射范圍內(nèi)，葉綠素b含量較對(duì)照稍高，但無顯著差異。1 000 Gy條件下，小種子品種葉片葉綠素b含量較對(duì)照減小了15%，與200～600 Gy處理下差異顯著。經(jīng)輻射后大、中、小種子品種西瓜葉片平均葉綠素b含量較對(duì)照分別減小了4%、4%、2%，可見輻射后大種子品種的敏感性較強(qiáng)。不同種質(zhì)類型西瓜干種子經(jīng)60Co-γ射線輻射處理后，對(duì)葉綠素b含量的影響不明顯。

2.1.2 類胡蘿卜素含量 60Co-γ射線輻射后西瓜葉片類胡蘿卜素的含量隨著輻射劑量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，但差異不顯著（表4）。其中，中等種子品種經(jīng)輻射后西瓜葉片平均類胡蘿卜素含量大于對(duì)照，但差異不顯著。小種子在200～600 Gy劑量范圍，西瓜葉片平均類胡蘿卜素含量較對(duì)照有所增加，差異不顯著，800 Gy及以上劑量抑制作用明顯。不同種質(zhì)類型西瓜干種子經(jīng)輻射處理后，對(duì)平均類胡蘿卜素含量的影響不明顯。

表4 60Co-γ射線輻射處理后對(duì)西瓜

葉片類胡蘿卜素含量的影響

（mg·g-1）

[品種區(qū)組＼&劑量/Gy＼&CK＼&200＼&400＼&600＼&800＼&1000＼&平均值

（處理）＼&大種子

中等種子

小種子

雜交種子

常規(guī)種子

平均值＼&0.34 a

0.31 a

0.33 ab

0.33 a

0.33 a

0.33 a＼&0.31 a

0.32 a

0.36 a

0.33 a

0.33 a

0.33 a＼&0.33 a

0.32 a

0.38 a

0.34 a

0.33 a

0.34 a＼&0.35 a

0.34 a

0.37 a

0.34 a

0.34 a

0.35 a＼&0.34 a

0.34 a

0.25b

0.33 a

0.33 a

0.32 a＼&0.35 a

0.33 a

0.31 ab

0.33 a

0.33 a

0.33 a＼&0.34

0.33

0.33

0.33

0.33

0.33＼&]

2.2 60Co-γ射線輻射對(duì)西瓜葉片氣體交換特性的影響

2.2.1 氣孔導(dǎo)度 60Co-γ射線輻射對(duì)西瓜葉片氣孔導(dǎo)度的影響見圖1。不同劑量處理對(duì)不同品種的Gs影響不盡相同，大種子品種在200、600、800、1 000 Gy處理下，與對(duì)照相比差異達(dá)顯著水平，其中在200、600 Gy 處理下，大種子品種的Gs大于對(duì)照，800～1 000 Gy 劑量處理下則低于對(duì)照;中等種子品種除1 000 Gy劑量處理下較對(duì)照稍有增加外，其余較對(duì)照均不同程度減小，差異達(dá)顯著水平;小種子品種在600、800 Gy處理下與對(duì)照相比差異顯著， 其余劑量處理下差異不顯著，在200～400 Gy輻射范圍內(nèi)的值高于對(duì)照。

2.2.2 凈光合速率 從圖2可以看出，大種子、小種子品種Pn隨輻射劑量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，由圖1可知，輻射后葉片的氣孔導(dǎo)度降低，因此，輻射植株凈光合速率的下降可能是由于氣孔的關(guān)閉引起的，所以氣孔限制引起了光合作用的下降，從而抑制了輻射處理西瓜植株的生長。中等種子品種除1 000 Gy條件下較對(duì)照有所增加外，其余較對(duì)照均減小，差異達(dá)顯著水平。大種子品種經(jīng)200～600 Gy輻射后，西瓜葉片Pn與對(duì)照相比均不同程度的增加，其中200 Gy 劑量處理增加最多，與對(duì)照相比差異達(dá)顯著水平;小種子品種經(jīng)低劑量200～400 Gy輻射后，西瓜葉片Pn與對(duì)照相比有所增加，其中400 Gy 劑量處理增加最多，與對(duì)照相比差異顯著。雜交種子品種除200、600、800 Gy劑量處理的幼苗葉片Pn與對(duì)照差異顯著外，其他各處理之間均無顯著差異。常規(guī)種子品種除400 Gy處理的西瓜幼苗葉片Pn與對(duì)照差異不顯著外， 其他各處理較對(duì)照均有顯著差異。

2.2.3 蒸騰速率 60Co-γ輻射后中等種子、小種子品種西瓜葉片Tr較對(duì)照均不同程度減小，其中800 Gy 劑量處理的Tr 最低，與對(duì)照的差異均達(dá)到顯著水平（圖3）。大種子品種在200、600 Gy劑量處理下，西瓜葉片Tr較對(duì)照顯著增加，其余各處理較對(duì)照有所降低，其中400、1 000 Gy 劑量處理下與對(duì)照相比差異達(dá)顯著水平。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)研究得出，低劑量（200～400 Gy）輻射對(duì)不同質(zhì)量西瓜種子的生長具有促進(jìn)作用。胡超等[15]在菊花輻射后代生理生化的研究中指出，低劑量輻射使菊花的凈光合速率增加，可能是由于低劑量的輻射加強(qiáng)了一些光合作用過程中的酶以及其他物質(zhì)的基因表達(dá)。本實(shí)驗(yàn)中，200 Gy輻射下，大種子品種光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率較對(duì)照有所增加，中等種子品種類胡蘿卜素以及小種子品種葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、光合速率較對(duì)照有所增加。這與王文恩等[16]在研究60Co-γ射線對(duì)日本結(jié)縷草干種子的輻射效應(yīng)、張慧琴等[17]在研究60Co-γ輻射對(duì)不同品種草莓離體葉片再生及芽生長影響的結(jié)論相一致，但與尹淑霞等[18]在研究60Co-γ射線輻射對(duì)黑麥草種子發(fā)芽及POD同工酶影響的結(jié)論相反，可能是由于不同作物、不同質(zhì)量種子對(duì)60Co-γ輻射的抗輻射能力不同，部分作物種子具有損傷修復(fù)作用，進(jìn)而減輕輻射損傷，修復(fù)系統(tǒng)的過度活動(dòng)會(huì)引起加速生長[19]。

葉片中光合色素的含量是反映植物光合能力的一個(gè)重要指標(biāo)，環(huán)境因子的改變會(huì)引起光合色素含量的變化，進(jìn)而引起光合性能的改變[20]。在高等植物中，參與光合作用的色素包括葉綠素（a和b）和類胡蘿卜素。本研究結(jié)果表明：60Co-γ射線輻射植物材料的過程中，隨著輻射劑量的增大，西瓜種子光合色素的含量變化復(fù)雜。不同質(zhì)量西瓜種子葉綠素和類胡蘿卜素含量總體表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，葉片葉綠素含量有不同程度的減少，葉綠素a的減少幅度大于葉綠素b。光合色素含量發(fā)生變化可能是是輻射對(duì)葉綠體造成了損傷。葉綠素含量降低是植物受到傷害的主要特征，其下降的主要原因是輻照對(duì)葉綠體結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致葉綠素分解[21]。丘運(yùn)蘭等[22]研究發(fā)現(xiàn)輻射會(huì)導(dǎo)致葉肉細(xì)胞Lw1基因有輕微的損傷。許銀蓮、強(qiáng)繼業(yè)[23]通過對(duì)60Co-γ射線輻射對(duì)粉掌鐵蘭輻射效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，輻射可提高植物中葉片的葉綠素含量，增強(qiáng)植物的光合作用。與本試驗(yàn)結(jié)果不一致，這可能是因?yàn)橄嗤椛錀l件對(duì)不同作物的損傷程度不同。不同種類作物的輻射敏感性不同，不同品種間也存在差異[24]。60Co-γ射線會(huì)使葉片中的光和色素含量發(fā)生變化，所以輻射處理時(shí)在適宜范圍內(nèi)應(yīng)盡量選擇小劑量。

本試驗(yàn)中，不同質(zhì)量西瓜干種子經(jīng)60Co-γ射線輻射后葉片氣孔導(dǎo)度、凈光合速率變化不同。中等種子品種經(jīng)輻射后，大、小種子品種經(jīng)高劑量輻射后，氣孔導(dǎo)度、凈光合速率均減小，這可能是由于輻射破壞了西瓜葉片中的部分酶結(jié)構(gòu)，致使光和電子的傳遞速率減慢，從而導(dǎo)致凈光合速率較對(duì)照減弱。這與羅南書、鐘章成[25]的結(jié)論相一致。

總之，光合色素及氣體交換參數(shù)的測(cè)定是研究西瓜在輻射脅迫下的生物學(xué)效應(yīng)的有效手段，本試驗(yàn)結(jié)果也為西瓜的誘變育種與其光合特性間建立了一定的聯(lián)系，從而為西瓜的輻射誘變育種提供了一定的理論依據(jù)。

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