電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜、韭蘭的誘變效應

劉 玲，王 丹*，閔可憐，陳 敏，黎熠睿，湛曉蝶，楊青青，崔正旭，田 甲，陳 浩，黃 敏

(1.西南科技大學生命科學與工程學院，四川 綿陽 621010;2.四川省原子能研究院，四川 成都 610101)

【研究意義】紅花石蒜(Lycorisradiatavar.radiata)，又名龍爪花、蟑螂花，為石蒜科石蒜屬的多年生草本鱗莖植物，原產(chǎn)于日本和中國[1-3]。石蒜耐寒性強，喜陰，也耐干旱，適應能力強，具有“花葉期不遇”的奇異特性[4]。因其葉片翠綠，花朵具有艷麗的顏色而深受人們的喜愛，是常見的切花材料之一。在園林景色中起到了非常好的調(diào)節(jié)作用，有很高的觀賞價值，在全世界范圍內(nèi)應用廣泛。石蒜屬同屬不同種石蒜在自然條件下能相互雜交形成新的種類，這在植物界是十分罕見的[5]。但是，在自然條件下相互雜交形成的新品種，其大多數(shù)品種不具備遺傳性。目前，國內(nèi)外對石蒜的研究主要針對其生物堿含量，但在其輻照誘變育種方面鮮有報道[5-6]。

韭蘭(ZephyranthesgrandifloraLindl.)，又名韭蓮、風雨花，為石蒜科、蔥蓮屬的多年生草本植物，原產(chǎn)于墨西哥、古巴等地，我國廣東、湖北、貴州、上海等地均有分布[7-8]。韭蘭具有生長茂盛、開花繁盛的特點，且鱗莖的分生能力強。在園林中，多作為花壇、花鏡和草地邊緣的點綴，是一種深受人們喜愛的觀賞性植物，在世界各地均有栽植[9]。我國引種栽培的韭蘭常出現(xiàn)開花卻不留種的情況，只能依靠球莖進行無性繁殖。采用輻照誘變方式對紅花石蒜和韭蘭進行育種的方法較為鮮見，采用電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照誘變育種尚未見報道，所以本研究對紅花石蒜、韭蘭誘變育種具有很重要的指導意義。【前人研究進展】輻照誘變育種的主要目的是獲得更多的優(yōu)良突變體，起到?jīng)Q定性因素的是輻照源、輻照劑量以及輻照對象。輻照誘變育種在最初常采用X射線對花卉進行輻照，并獲得了顯著成效。例如，德國霍恩瑟內(nèi)[10]采用X射線照射油兼用亞麻獲得1個新品種；周利斌等[11]采用的8MV X射線結(jié)合無性繁殖方法對非洲紫羅蘭進行輻照誘變育種，最終培育出了具有穩(wěn)定遺傳的葉綠素缺失的突變體；顧德法[12]采用軟X射線對早稻進行輻射誘變育種，在經(jīng)過3代的觀察后得出在經(jīng)710-2840 R輻照的早稻出現(xiàn)了較大的變異系數(shù)；Ahloowalia B S等[13-14]采用軟X射線對50個品種的杜鵑進行輻照誘變育種，最終發(fā)現(xiàn)31 %的植株都產(chǎn)生了嵌合體變異的情況。從20世紀90年代開始，我國便開始采用電子束對植物進行輻照誘變育種。目前在禾谷類植物和菊花上獲得了很大的突破。林祖軍等[15]采用電子束對菊花的4個品種的組培苗、3種顏色的唐蒼蒲種球和1種顏色的百合種球進行輻照誘變育種，發(fā)現(xiàn)處理后的種球均出現(xiàn)了提前開花的現(xiàn)象，同時，菊花組培苗經(jīng)過輻照后花朵出現(xiàn)了2～3株的變異株；張志偉等[16]采用電子束輻照對唐菖蒲進行誘變育種，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后的百合在M1代花粉活力有所下降；王陽等[17]采用電子束對百合進行輻照誘變，發(fā)現(xiàn)電子束嚴重破壞了當代的生殖生長，在M2代中發(fā)現(xiàn)了花朵顏色變深、花瓣斑點長突起變短的變異株。本次實驗采用新型的輻照方式——電子束轉(zhuǎn)靶X射線，其主要原理是利用電子束轟擊重金屬靶，這種方法不僅具有電子束的優(yōu)點，還具有X射線的優(yōu)點，簡單可靠、加工速度快、無放射源、穿透能力較強、劑量精準、重復性好，并可全程劑量跟蹤。利用該技術(shù)對植物進行雙重變異，可以讓育種者在有限的時間內(nèi)進行大量的篩選，提高了育種變異的效率。目前，電子束轉(zhuǎn)靶X射線主要運用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、化工等方面。采用這種新型輻照方式對花卉進行輻照誘變育種的方式還未見報道。

1 材料與方法

1.1 供試種球的選擇

本研究供試材料為石蒜和韭蘭，分別購買于四川天香雅源花卉有限公司、四川天喜花卉有限公司。挑選大小基本一致，無病蟲害的種球，其中石蒜平均單重為(12.80±1.40)g，直徑(2.52±0.18)cm；韭蘭的平均單重為(9.29±1.00)g，直徑(2.15±0.16)cm。

1.2 石蒜、韭蘭種球各生理生化指標的測定

有研究表明在進行輻照處理時種球鱗莖的大小、含水量等生理生化指標將影響輻照的效果[18-19]。本研究先對種球鱗莖的重量、含水量、可溶性糖、還原糖和淀粉含量進行測定，以便后期進行種間分析。其中，含水量采用烘干法進行測定[20]，可溶性糖采用蒽酮比色法測定[21]，還原糖采用3，5-二硝基水楊酸法測定[21]，淀粉采用蒽酮試劑法測定[22]。

1.3 電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照處理韭蘭、石蒜種球

2017年9月在四川原子能研究院對韭蘭、石蒜2個品種的供試種球分別進行電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照處理，每個品種分別設(shè)0、25、50、75和100 Gy 5個劑量梯度，輻照能量為2 MeV 10 Ma。

1.4 輻照后韭蘭、石蒜種球種植及其生理生化指標的觀察統(tǒng)計

本研究將輻照后的韭蘭、石蒜種球種植于西南科技大學溫室花房內(nèi)，按隨機區(qū)組設(shè)計方式栽植。石蒜每盆6個種球、韭蘭5個種球種植盛有營養(yǎng)土的花盆中，花盆規(guī)格為長49 cm、寬20 cm、高14 cm，各種營養(yǎng)土用土比例為生物有機質(zhì)蚯蚓植物栽培專用：有機營養(yǎng)土：精致營養(yǎng)土：礦物蛭石為5∶2∶2∶1。研究考慮到溫室花房內(nèi)不同區(qū)域的環(huán)境條件存在差異，故將種植區(qū)域分為3組，每組花盆按劑量的不同進行隨機排列，各組中每個劑量下石蒜、韭蘭均設(shè)置3盆。根據(jù)土壤濕度情況，適量澆水。每隔10 d對種球的出苗率、植株高度、葉片數(shù)量進行統(tǒng)計，80 d時對其最大葉面積進行測定及最長根長、根數(shù)進行觀察統(tǒng)計。

出苗率=出苗株數(shù)/種植種球數(shù)×100 %

1.5 數(shù)據(jù)處理

本研究運用SPSS、Office 2003對測定數(shù)據(jù)進行方差分析及多重比較、Origin軟件進行作圖。

表1不同劑量電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照對紅花石蒜、韭蘭種球出苗率的影響

Table 1 Effects of X-ray irradiation with different doses of electron beam to target X-rays on the emergence rate of red spider lily andZephyranthesgrandiflora(%)

品種Varieties劑量Dose時間Time10 d20 d30 d40 d50 d60 d70 d80 d石蒜Lycoris radiata (L’Her.) Herb.0 Gy2.224.4431.1182.2295.5695.5695.5695.5625 Gy0.000.000.006.6737.7866.6771.1186.6750 Gy0.000.002.2215.5628.8980.0091.1193.3375 Gy0.000.000.006.6740.0082.2297.7897.78100 Gy0.000.000.004.4457.7884.4493.3397.78韭蘭Zephyranthes grandiflora Lindl.0 Gy44.4490.7490.7490.7492.5992.5992.5992.5925 Gy0.0079.6390.7492.5992.5994.4494.4494.4450 Gy3.7048.1588.8990.7494.4494.4496.3098.1575 Gy5.5657.4190.7490.7490.7490.7490.7490.74100 Gy16.6753.7083.3383.3388.8988.8988.8988.89

注：1.表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；2. 不同字母之間表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: 1. The data in the table are average (+standard deviation); 2. There are significant differences between different letters (P<0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜、韭蘭生長情況的影響

2.1.1 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜、韭蘭出苗率的影響 由表1可以看出，紅花石蒜的處理組與對照組相比，各處理組出苗情況存在不同程度的滯后現(xiàn)象。對照組在種植10 d時即出現(xiàn)部分種球出苗，50 d時達最大出苗率，為95.56 %；50 Gy處理組在種植20 d時見部分種球出苗，而25、75、100 Gy處理組均為種植30 d才見部分種球出苗，除25 Gy處理組最大出苗率小于90 %外，其他組出苗率均高于90 %。70～80 d時，25 Gy處理組出苗率增加了15.56 %，而其他組增長很小或未增長，很大程度上說明80 d時25 Gy處理組未達最大出苗率，以致其出苗率顯著小于其他組。說明輻照雖然造成紅花石蒜種球損傷，使其生命活力減弱，但對其出苗能力并不產(chǎn)生很大的影響。這可能是由于紅花石蒜種球較大，輻照可能只是對暴露出種球外的幼芽造成了損傷，而未損傷藏于種球之中的幼苗，因此表現(xiàn)出出芽滯后，而并未對最大出芽率造成明顯影響。經(jīng)過輻照處理后的韭蘭種球出苗率表現(xiàn)出與石蒜相似的規(guī)律，其處理組種球的出苗相對于對照組均有不同程度的滯后，且最大出苗率間無顯著性差異。

2.1.2 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對韭蘭、石蒜根生長、根數(shù)的影響 栽種后第80天時撥出部分種球，測量其最長根長并統(tǒng)計根數(shù)。圖1顯示，對照組的最長根長和根數(shù)均顯著高于處理組，處理組間的最長根長和根數(shù)基本不存在顯著性差異，但存在隨劑量增大根長縮短和根數(shù)減少的趨勢，其中石蒜對照組最長根長高出25 Gy組12.56 cm，相應的韭蘭高出12.00 cm。說明電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照對石蒜和韭蘭2個品種根的生長產(chǎn)生了明顯的負影響，且劑量越大影響越大。

不同字母之間表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同圖1 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對石蒜、韭蘭根長、根數(shù)量的影響Fig.1 Effects of electron beam to target X-rays on length and root number of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

圖2 石蒜、韭蘭各劑量生根情況Fig.2 Rooting situation of different dose of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

圖3 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對石蒜、韭蘭株高的影響 Fig.3 Effects of Electron beam to target X-rays on plant height of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

由圖2可以看出,紅花石蒜和韭蘭對照組的根系均明顯好于處理組，且處理組間均無明顯差異。這很可能是由于紅花石蒜和韭蘭種球經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線處理后，其原始藏于種球底部表面的根尖分生組織嚴重受損，但種球可利用其自身儲藏的營養(yǎng)物質(zhì)進行新陳代謝，因此表現(xiàn)出輻照處理組也能發(fā)芽出苗，而所出苗生長狀況差于對照組。

2.1.3 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜、韭蘭株高影響 本研究所測株高為單株最長葉片直立時頂端到地面的高度，以株高較為穩(wěn)定時作為測量的時間結(jié)點。由圖3可以看出，紅花石蒜、韭蘭種球經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照處理后，各時間點的株高均顯著低于對照組，且不同輻照劑量間株高基本無顯著性差異。70 d時，石蒜對照組株高達26.1 cm，而處理組最高僅為5.7 cm；韭蘭對照組株高達37.2 cm，而處理組最高僅為8.8 cm。說明本研究設(shè)置的各個電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照劑量對石蒜和韭蘭造成的損傷程度基本相同。

2.1.4 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜、韭蘭最大單葉面積的影響 由圖4可知，在經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線處理后的石蒜、韭蘭植株的最大單片葉面積都顯著低于對照組，而各處理組之間的最大單片葉面積無顯著性差異。其中紅花石蒜對照組最大單片葉面積為18.89 cm2，而處理組中最大單片葉面積為3.44 cm2(100 Gy組最大單片葉面積)；韭蘭對照組最大單片葉面積為21.92 cm2，而處理組中最大單片葉面積為4.39 cm2(25 Gy組最大單片葉面積)。說明在本研究設(shè)置的輻照劑量中電子束轉(zhuǎn)靶X射線對石蒜和韭蘭造成的損傷基本一致。

圖4 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對石蒜、韭蘭葉面積的影響Fig.4 Effects of electron beam to target X-rays on leaf area of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

圖5 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對石蒜、韭蘭葉片數(shù)量的影響 Fig.5 Effects of electron beam to target X-rays on number of leaves of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

圖6 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜、韭蘭種球內(nèi)含物的影響Fig.6 Effects of electron beam to target X-rays on contents of red spider lily and Zephyranthes grandiflora

2.1.5 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜、韭蘭葉片數(shù)量的影響 由圖5可知,紅花石蒜、韭蘭種球經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照處理后，各時間點的葉片數(shù)量均顯著低于對照組，且不同輻照劑量間葉片數(shù)量無顯著性差異。說明在本研究設(shè)置的輻照劑量中電子束轉(zhuǎn)靶X射線對石蒜和韭蘭造成的損傷基本一致。

2.2 電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜、韭蘭種球內(nèi)含物的影響

在植物體內(nèi)，可溶性糖作為植物生長狀況的重要指標，它同植物的呼吸作用有著密切的關(guān)系，也是植物呼吸的物質(zhì)基礎(chǔ)。當植物受到外界的脅迫，會主動積累一些可溶性糖，以便在受到脅迫的環(huán)境中生存。從圖6可以看出，紅花石蒜的可溶性糖呈現(xiàn)出處理組均高于對照組，處理組之間并無顯著性差異。其中，對照組的可溶性糖含量在6.40 %左右，而處理組最高為8.53 %。這說明紅花石蒜在受到輻照處理后，主動積累了一定的可溶性糖，降低體內(nèi)的滲透式。韭蘭的可溶性糖同紅花石蒜相似，呈現(xiàn)出處理組均高于對照組。但在經(jīng)輻照后呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，由此可以判斷出韭蘭在受到輻照的脅迫后，降低了韭蘭體內(nèi)的滲透式，是韭蘭對輻射傷害的應激反應，而下降可能是因為輻射劑量太高傷害了韭蘭體內(nèi)的抵御能力，從而呈現(xiàn)除了先上升后下降的趨勢。紅花石蒜、韭蘭在經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線后的可溶性糖的規(guī)律與生長情況的各指標相似。表明受到輻照后的紅花石蒜和韭蘭均有損傷。

還原糖反映的是植物體內(nèi)碳水化合物的運轉(zhuǎn)情況、同時也是作為呼吸作用的基質(zhì)。它同可溶性糖相似，在植物體內(nèi)起著代謝的作用。如圖6所示，石蒜和韭蘭呈現(xiàn)出的變化規(guī)律有所不同。經(jīng)輻照處理后的紅花石蒜隨著劑量的增加而逐漸降低；經(jīng)輻照后的韭蘭呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢，在75 Gy時達到了極值，韭蘭還原糖處理效果次序依次為75 Gy>100 Gy>CK>50 Gy>25 Gy。但紅花石蒜和韭蘭2者的還原糖變化幅度均較小，是否說明經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線對紅花石蒜和韭蘭2個品種的花卉影響相對較小，這是否與植物體內(nèi)所含的含水量有關(guān)系還需進一步證實[23]。

淀粉作為植物體內(nèi)的有機物，是作為能量來進行儲存的。從圖6可以看出，石蒜在經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照后鱗莖中的淀粉含量均大于對照組，呈現(xiàn)出上升的趨勢，在經(jīng)100 Gy輻照后達到最大值，這可能是因為受到輻照后部分淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖來維持滲透的平衡。而25、50、75 Gy組間的差異較小，可能是因為石蒜在受到輻照后，自動控制鱗莖內(nèi)的淀粉含量，調(diào)節(jié)可溶性含量來維持體內(nèi)的滲透的平衡，表明石蒜在經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線處理后，在25、50、75 Gy中具有一定的耐受性。

3 討 論

紅花石蒜和韭蘭在采用25、50、75、100 Gy的電子束轉(zhuǎn)靶X射線后，均表現(xiàn)出了處理組之間無顯著性差異，但處理組與對照組之間差異較大，展現(xiàn)出來的形態(tài)特征相似。

電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照劑量25～100 Gy對紅花石蒜、韭蘭的生長有著重要的影響，無論是生理指標還是生長指標都照成了一定的傷害。但輻照后的紅花石蒜和韭蘭在輻照劑量為25～100 Gy之間敏感性差異較小，處理組之間主要表現(xiàn)在植株的形態(tài)上受到抑制和損傷，最為顯著表現(xiàn)的為葉片長度顯著變短、葉面積顯著減小、葉片數(shù)量減少、根長度減短和數(shù)量明顯減少等現(xiàn)象。說明了電子束轉(zhuǎn)靶X射線嚴重影響了紅花石蒜、韭蘭根的生長速度和數(shù)量，導致其葉片數(shù)量的減少，葉面積的減小，影響植物的光合作用，從而影響了植物的發(fā)育速度和生長速度。這與陳睿等[24]得出的2個品種的杜鵑在60Co-γ射線，輻照劑量為25～65 Gy輻照后結(jié)論基本一致；與趙興華等[25]采用4～6 Gy劑量的60Co-γ射線對百合鱗莖進行輻照的結(jié)論基本一致。因此，在今后的實際應用中，電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照紅花石蒜、韭蘭時應降低輻照劑量。試驗測定紅花石蒜、韭蘭鱗莖中可溶性糖、還原糖以及淀粉的含量。可溶性糖、還原糖、淀粉均屬于糖類，糖類含量上升可能是由于低劑量輻照對植物細胞的傷害較大，而下降則可能是由于輻射劑量對植物細胞的傷害較小。紅花石蒜和韭蘭在可溶性糖、還原糖以及淀粉的趨勢相似,這是否和植物體內(nèi)的含量相似還有待進一步的證實[23]。本實驗說明紅花石蒜和韭蘭在經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照處理后均有抑制作用。

輻射敏感性不同是指不同的植物種類對輻照劑量的反應存在著較大的差異[26]。敏感性可通過植物對不同的輻照劑量所引起的一定的遺傳學效應來進行評定[26-28]。一般情況下，同種植物能接受的輻照劑量大，表示敏感性小，反之則表示敏感性大，這說明輻照劑量與敏感程度呈現(xiàn)出負相關(guān)性[29]。紅花石蒜和韭蘭經(jīng)采用25～100 Gy的電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照后無論是在生長指標還是生理指標上表現(xiàn)出來的特性相似，說明了經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線后的紅花石蒜和韭蘭的輻射敏感性相似。

4 結(jié) 論

本研究主要探索在電子束轉(zhuǎn)靶X射線這種新型的輻照方式下不同的誘變劑量對紅花石蒜、韭蘭的生長發(fā)育影響，以期為成功選育紅花石蒜、韭蘭新品種奠定基礎(chǔ)；為經(jīng)電子束轉(zhuǎn)靶X射線輻照的紅花石蒜、韭蘭輻照誘變育種提供了參考。