高劑量60Co-γ射線輻照對谷稗種子活力及 早期幼苗生長的影響

李 波， 馬 赫， 張曉雪， 趙 瑞， 丑純鳳， 孫 野

(齊齊哈爾大學生命科學與農林學院， 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

輻射誘變育種是獲得新品種及新種質資源的一條有效途徑。將輻射誘變育種與其他育種方式如雜交育種等結合，可以充分發揮其突變率高、后代性狀穩定等特點。在輻射誘變中人們常常采用γ射線進行輻照，60Co-γ和137Cs-γ射線又是其中最常用的兩種輻射源[1-2]，選擇合適的輻射劑量是輻射誘變育種成功的關鍵因素之一[3-4]。輻射誘變育種在我國牧草育種特別是沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)、苜蓿(MedicagosativaL.)中廣泛應用[5]，但在谷稗新品種選育中應用較少。

谷稗(Echinochloacrusgalli)是一種一年生的禾本科牧草，其適應性較強，生長快，是一種產量高、適口性好的優良飼料。其穗形似谷子，實為稗屬植物。其在鹽堿及干旱條件下也可生長，因此又被稱為“堿稗”或“旱稗”。谷稗干草、籽實的粗蛋白、粗脂肪及維生素都高于其他禾谷類植物[6-7]。雖然谷稗在畜牧業應用較多，但對其進行種質資源更新的研究甚少，導致谷稗品種單一，種質資源遺傳基礎狹窄，因此，如何拓寬谷稗遺傳基礎，創新谷稗種質資源，并采用多途徑和多種方法選育新品種，顯得十分重要。本試驗采用不同劑量60Co-γ射線輻照谷稗干種子，對輻照后種子的萌發、芽苗生長和根系活力等進行了探討研究，以期為谷稗輻射誘變育種提供科學依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

谷稗種子為‘朝牧1號’，由黑龍江省畜牧研究所提供。‘朝牧1號’谷稗具有適應性廣、抗逆性強、生長健壯、整齊一致、糧草兼收雙高產、草飼兼用雙優質等特點。

1.2 試驗方法

1.2.160Co-γ射線輻照 以中國農業科學院原子能利用研究所的60Co-γ射線為輻射源，于2016年5月進行谷稗干種子輻射處理，輻照劑量分別為0，200，250，300，350，400和450 Gy，劑量率15 Gy·min-1，每個處理100 g種子，以未輻照的種子為對照。

1.2.2發芽試驗 選取各輻射處理和對照的種子各50粒，用35℃蒸餾水浸泡2 h，置入鋪有兩層濾紙的發芽盒中，25℃恒溫培養箱中培養，以胚芽長度大于2 mm即視為發芽，每天觀察其發芽個數以計算發芽勢和發芽率，共觀測7 d。以3 d 發芽種子數計算發芽勢，以7 d 發芽種子個數計算發芽率。取發芽后第7 d具代表性的芽苗20株，用游標卡尺分別測量其芽長、根長。選取芽苗10株，測其鮮重和干重。各指標均重復3次。

發芽率(GR) ( %) =第7 d發芽種子數/供試種子數×100%；發芽勢(GE) ( %) =3 d內發芽種子數/供試種子數×100%；發芽指數(GI) =ΣGt/Dt ( Gt指時間t的發芽數，Dt指相應的發芽天數)；活力指數(VI) =S×ΣGt/Dt( S 指芽苗的根長)。

1.2.3根系活力測定 取芽苗幼根進行芽苗根系活力測定，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[8-9]，重復3次。

1.2.4出苗率與成苗率調查 選取輻射處理和對照的種子各15粒，用35℃蒸餾水浸泡2 h，播于裝有2：1的營養土與珍珠巖混合育苗缽中，置于溫室。播后7 d統計種子的出苗率，21 d統計幼苗的存活率即為種子的成苗率，重復測定3次。

出苗率(%)=出苗數/播種種子總數×100%

成苗率(%)=成苗數/播種種子總數×100%

根據谷稗在不同劑量下的成苗率，擬合直線回歸方程Y=a+bX，導出成苗率為 50%(LD50)時所對應的輻射劑量，以此確定谷稗種子輻照的最佳劑量范圍。

1.3 數據分析

使用SPSS 16.0統計分析軟件進行差異顯著性分析，圖表繪制使用Excel 2010軟件。

2 結果分析

2.1 不同劑量60Co-γ射線輻射對谷稗種子萌發的影響

60Co-γ射線輻射處理后，其發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數的變化如表1所示，隨著輻射劑量的增加，種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數呈先增高后降低的變化趨勢。谷稗種子發芽率比較低，經200～250 Gy劑量輻射雖能提高種子發芽率，但對發芽率提高影響不大，輻射劑量在300～350 Gy時，顯著促進種子發芽率，與對照相比差異顯著(P<0.05)，輻射劑量為350 Gy時達最高，比對照增加了14.99%。在200～450 Gy輻射劑量范圍內種子的發芽勢和發芽指數均高于對照，且在250 Gy時發芽勢和發芽指數達最高，比對照分別增加了63.88%和76.20%，與對照相比差異顯著(P<0.05)。活力指數的變化除350，400和450 Gy輻射劑量外均高于對照組，在200 Gy時達最高，比對照增加了32.24%，與對照相比差異顯著(P<0.05)。輻射處理對谷稗種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數產生不同的影響，250～350 Gy劑量可促進其種子萌發。

表1 60Co-γ射線輻照對谷稗種子萌發的影響Table1 Effects of 60Co-γ irradiation on seed germination of Echinochloa crusgalli

注:同列不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level, the same as below

2.2 不同劑量60Co-γ射線輻射對谷稗芽苗生長的影響

60Co-γ射線輻射處理后，種子的芽苗生長狀況如圖1所示，對種子芽苗的根長和芽長的影響如表2所示，根長和芽苗高度均隨輻射劑量增加而減少，450 Gy輻射劑量下根長和芽長均降低的最多。不同劑量輻照處理根長與對照相比分別降低了19.38%，39.15%，43.77%，55.69%，60.02%和65.31%，所有處理組與對照組相比均差異顯著(P<0.05)。芽長與對照相比分別降低了13.27%，29.51%，36.55%，42.53%，44.63%和50.51%，所有處理組與對照相比均差異顯著(P<0.05)，輻射對芽苗根的抑制作用大于芽長。

60Co-γ射線輻射處理對種子芽苗鮮重、干重的影響如表2所示，芽苗鮮重除200 Gy輻射劑量比對照略有增加外，其他劑量處理下均低于對照組，其他處理組芽苗鮮重與對照相比分別降低了25.46%，33.23 %，33.19 %，34.01%，34.49 %，除200 Gy劑量外，其余輻射劑量組與對照組比較差異顯著(P<0.05)，450 Gy輻射劑量鮮重降低的最多。干重隨著輻射劑量增加而降低，其他處理組與對照組相比分別降低了8.93%，11.72%，14.06%，15.18%，14.58%和34.36 %，與對照相比均差異顯著(P<0.05)，450 Gy輻射劑量干重降低的最多，輻射處理對芽苗鮮重的影響大于對干重的影響。

圖1 60Co-γ射線輻照后谷稗種子的芽苗Fig.1 The seedling of Echino chloacrusgalli seeds under 60Co-γ irradiation

表2 60Co-γ射線輻照對谷稗種子芽苗生長的影響Table2 Effects of seedling growth of Echinochloa crusgalli under 60Co-γ irradiation

輻射劑量Radiation dose/Gy鮮重Fresh weight/mg干重Dry weight/mg根長Root length/cm芽苗高度Seeding height/cm0313.57±10.90ab38.40±1.01a48.00±7.92a76.34±9.15a200314.83±8.89a34.97±0.64b38.70±2.92b66.21±1.88b250233.73±4.51b33.90±0.53b29.21±2.13c53.81±3.93c300209.37±9.38c33.00±0.62c26.99±0.92d48.44±1.98c350209.50±3.97c32.57±0.93cd21.27±2.16d43.87±1.23d400206.93±3.30c32.80±1.47cd19.19±2.99d42.27±4.58d450205.43±6.34c25.20±1.30d16.65±2.29d37.78±1.98d

2.3 不同劑量60Co-γ射線輻射對谷稗種子芽苗根系活力的影響

60Co-γ射線輻射處理芽苗的根系活力的變化如圖2所示。根系活力隨輻射劑量增加而呈現先增加后降低的變化趨勢，且在250 Gy輻射劑量時根系活力最高，450 Gy輻射劑量根系活力最低。200～300 Gy輻射劑量根系活力分別比對照增加了36.56%，58.81%和18.26%，350～450 Gy輻射劑量根系活力分別比對照降低了19.63%，41.84%和66.65%。

圖2 60Co-γ輻照對谷稗芽苗根系活力的影響Fig.2 Effect of 60Co-γ radiation on root activity of seedling of Echinochloa crusgalli

2.4 60Co-γ射線輻射對谷稗種子出苗率和成苗率的影響

60Co-γ射線輻射處理對谷稗種子出苗率和成苗率的影響如表3所示。種子出苗率隨輻射劑量增加呈先增加后降低的變化趨勢，且在300 Gy時出苗率最高，輻射處理提高了谷稗種子出苗率，但降低了幼苗的成苗率，不同劑量輻射處理下谷稗種子幼苗的成苗率均低于50%，說明200 Gy以上輻射劑量對谷稗種子的成苗產生了極大的影響。

在不同輻射劑量中，谷稗種子成苗率半致死劑量常被認為是輻射誘變率最高的劑量，并能獲得可利用的誘變體，因此常采用半致死劑量作為植物輻射的最佳劑量[10-13]。根據谷稗種子在不同輻射劑量下的成苗率(表3)，建立輻射劑量(X)對成苗率(Y)的回歸方程，成苗率Y=-0.1136X+59.58(R2=0.98641)，半致死劑量是84.33 Gy。

表3 60Co-γ射線輻照對谷稗出苗率和成苗率的影響Table 3 Effects of 60Co-γ irradiation on germination ratio and survival rate of Echinochloa crusgalli

3 討論

適宜的輻射劑量可增加有效突變體的獲得，在一定范圍內增加輻射劑量可以拓寬突變譜，但過高的輻射劑量會降低出芽率、增加畸變率，一般都以半致死劑量作為輻射育種適宜的輻射劑量[10-13]。但哪種輻射劑量能夠獲得最多的有益突變暫無定論[14]。韓貴清[6]等人的研究認為30 Gy的輻照即對谷稗有正向作用，而本試驗采用高劑量(200～450 Gy)輻照谷稗種子，綜合分析發現，200～250 Gy劑量輻照對于谷稗也有一定的正向作用。本研究中，谷稗的干種子發芽率比較低，但在輻照后發芽情況有一定增加，其原因可能是輻射對種子萌發的生理活動產生了一定的促進作用。從試驗結果來看，輻射處理對谷稗種子發芽具有一定的促進作用，隨著輻射劑量的增加，種子活力受到的抑制作用也增強，并且表現出輻射劑量越大，抑制作用越明顯，種子活力越低的變化趨勢，這與耿興敏[15]等人研究60Co-γ輻射對桂花種子萌發的影響的結果基本一致。

根的生長情況和活力水平直接影響地上部的生長和營養狀況及產量水平。根系活力是衡量根系功能的主要指標之一[16-17]。試驗發現200～300 Gy60Co-γ射線輻射處理對種子芽苗根系活力有促進作用。

隨著輻射劑量的增加，輻射處理對谷稗種子芽苗的生長產生明顯的抑制作用，導致種子芽苗的根長和芽長顯著降低，鮮重和干重也出現降低的變化趨勢，原因可能與60Co-γ射線在輻照時破壞了部分種胚有關，而種胚受損可能會導致細胞生長和增殖受阻，進而影響種子的生理活動[15-16]，也有可能是因為輻射能量的堆積導致根尖及芽尖分生區細胞分裂受到抑制，并且這種抑制隨芽苗生長而不斷顯現，最終導致幼苗生長困難甚至不能成苗[12]。而出苗率與成苗率試驗也證明了這一點，各個輻射劑量處理的種子在出苗第一周均能正常生長，但在第二周后均出現芽苗不同數量的死亡，表現為由芽尖開始自上而下的萎蔫直至死亡，而無輻射處理組則可以正常生長。結合對谷稗根系活力的變化研究可以推測由于高劑量的60Co-γ射線對根部生長及根系活力的影響最終導致了出苗與成苗率不符的情況。

從發芽試驗和根系活力測定結果來看，250 Gy左右的輻射劑量能有效地誘導谷稗種子發生變異，又不會使種子受到過度損傷而影響萌發和幼苗生長，對幼苗的表現分析，谷稗的適宜輻照劑量應小于250 Gy，根據成苗率試驗結果分析，最適宜谷稗的輻射劑量大概在84.33 Gy左右，這需要進一步的探索以確定該劑量是否是一個適合谷稗變異品種篩選的劑量。

4 結論

谷稗種子在200～450 Gy高輻射劑量下，其發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數的變化均隨輻射劑量的增加呈現先增加后降低的變化趨勢；除200 Gy輻射劑量的芽苗鮮重比對照略有增加外，其他輻射劑量芽苗的根長、芽長、鮮重、干重均低于對照組；根系活力隨輻射劑量增加呈現先增加后降低的變化趨勢；經輻射處理的谷稗種子在出苗率上有一定的增加，但成苗率均下降。說明高劑量60Co-γ射線輻射對于谷稗種子萌發、芽苗生長、出苗率和成苗率產生不同的影響。