60Co-γ輻射對谷稗幼苗生長和微量元素吸收的影響

李 波， 鄔婷婷， 李 紅， 張英俊

(1.齊齊哈爾大學(xué)生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院， 抗性基因工程與寒地生物多樣性保護(hù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 齊齊哈爾 161006； 2. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院， 黑龍江 齊齊哈爾161005；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京100193)

60Co-γ射線輻射是目前應(yīng)用比較廣泛的誘變育種方法之一，具有突變率高、育種周期短等特點(diǎn)。輻射可打破基因連鎖，使種子受到損傷，萌發(fā)過程受阻，輻射劑量越高，畸變效應(yīng)越明顯[1]。鐵、錳、鋅、硼、鎳等多種微量元素，雖然在自然界中含量較低，但對植物的生長發(fā)育是必不可少的，過多或過少均會(huì)對植物的生長發(fā)育造成影響。鐵、錳、鋅與植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、光合作用、酶的組成以及植株生長發(fā)育息息相關(guān)。鐵、錳、鋅元素的缺失會(huì)導(dǎo)致植株生長緩慢、矮化、萎蔫，而過多則會(huì)導(dǎo)致植物的根系受損，降低植株生物量，光合作用遭到破壞，影響葉綠素的合成，易產(chǎn)生過多的活性氧抑制植株的生長發(fā)育。硼是植物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素，在維持細(xì)胞的完整性、植物多個(gè)代謝過程有著重要的作用[2]。鎳元素參與氫酶的合成，具有調(diào)節(jié)表達(dá)的作用，在植物中與其他營養(yǎng)元素的協(xié)調(diào)平衡有關(guān)[3]。

具有旱稗、堿稗之稱的谷稗是一種一年生禾本科牧草，具有抗倒伏、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)草量高、營養(yǎng)價(jià)值豐富等特點(diǎn)[4]。目前對禾本科牧草微量元素的相關(guān)報(bào)道有很多，包括長穗虎尾草(Chlorlsdolichostachya)、黑麥草(Lolium)、高羊茅(Festucaarundinacea)、狗牙根(Cynodondactylon)和聚合草(SymphytumofficinaleL)等，但對60Co-γ輻射后植物的微量元素含量的研究較少，僅對輻射后的姬松茸(AgaricusbaizeMurill)子實(shí)體[5]、蘋果(Malum)[6]微量元素有相關(guān)報(bào)道。本研究探討不同60Co-γ射線輻照劑量對谷稗種子的幼苗生長狀況、礦質(zhì)元素含量、不同器官間元素間的相關(guān)性的影響，旨在為谷稗牧草的進(jìn)一步研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及輻射處理

供試谷稗種子(朝牧1號(hào))由黑龍江省畜牧研究所提供，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能利用研究所進(jìn)行60Co-γ射線輻射處理，輻射劑量為50，100，150，200和250 Gy，劑量率為15 Gy·min-1，以未輻射的種子為對照。

1.2 方法

1.2.1植株的培養(yǎng)及生長性狀的測定 將谷稗種子用9×9的營養(yǎng)缽?fù)僚啵坷徶芯鶆蛉鋈胱蚜ｏ枬M的種子30粒，每個(gè)處理各種20缽，待植株培養(yǎng)至45 d時(shí)隨機(jī)取各組30株用直尺測定株高和最長根長度。

1.2.2微量元素含量的測定 將樣品根系洗凈，根部和莖葉部分開，105 ℃下殺青 15 min，于80 ℃烘干至恒重后粉碎，準(zhǔn)確稱取 0.100 g樣品，置于50 ml小燒杯中，加入濃硝酸10 mL在電熱板上100℃低溫消解30 min，冷卻后再加2 mL 60% 高純度鹽酸，加熱使瓶內(nèi)白煙逐漸消失，在溶液呈無色透明約有1 mL時(shí)停止加熱，冷卻后溶液定容至100 mL。利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定莖葉和根部樣品中5種微量元素含量。以上每個(gè)處理測定重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，SPSS 21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 60Co-γ輻射對谷稗幼苗生長的影響

圖1顯示隨著輻射劑量增加，輻射組幼苗最長根長度均高于對照(250 Gy除外)，50～200 Gy幼苗最長根長分別比對照增加了13.33%，9.88%，6.17%和38.52%，僅200 Gy幼苗最長根長與對照比較差異顯著(P<0.05)。幼苗地上株高和植株總長均隨輻射劑量增加而降低，地上株高與對照比較分別降低了13.83%，33.25%，51.53%，49.12%和74.72%，植株總長與對照比較分別降低了11.18%，29.04%，45.89%，40.55%和68.50%，除50 Gy植株總長外，其余輻射組的地上株高和植株總長與對照比較均差異顯著(P<0.05)，說明輻射對谷稗幼苗生長主要通過抑制地上部分生長。

2.2 60Co-γ輻射劑量對谷稗種子的幼苗微量元素影響

2.2.1鐵元素 圖2a顯示隨輻射劑量增加，谷稗幼苗莖葉部Fe元素含量呈先增后減趨勢，根部Fe元素含量呈增加趨勢，250 Gy組略有降低但降低幅度不大，不同器官的Fe元素含量均高于對照。莖葉部和根部Fe元素含量分別在輻射劑量150和200 Gy時(shí)最高，比對照增加了252.22%和174.47%，除根部50和100 Gy外，其余輻射組莖葉和根部Fe元素含量均與對照差異顯著(P<0.05)。

2.2.2錳元素 圖2b顯示隨輻射劑量增加，谷稗幼苗莖葉部Mn元素含量呈先增后減趨勢，根部Mn元素含量整體呈增加趨勢，不同器官的Mn元素含量均高于對照。莖葉部和根部Mn元素含量分別在輻射劑量150和200 Gy時(shí)最高，比對照增加了329.44%和180.52%，莖葉和根部Mn元素含量均與對照差異顯著(P<0.05)。

2.2.3鋅元素 圖2c顯示隨輻射劑量增加，谷稗幼苗莖葉部Zn元素含量隨呈先增后減趨勢，根部Zn元素含量呈降低趨勢，不同器官的Zn元素含量均高于對照。莖葉部和根部Zn元素含量在輻射劑量100 Gy時(shí)最高，分別比對照增加了364.89%和71.82%，除50 Gy莖葉部外，其余輻射組莖葉部和根部Zn元素含量均與對照差異顯著(P<0.05)。

2.2.4硼元素 圖2d顯示隨輻射劑量增加，谷稗幼苗莖葉和根部的B元素含量均呈先增后減趨勢，除250 Gy根部B元素含量外，其余輻射組莖葉和根部B元素含量均高于對照。莖葉部和根部B元素含量分別在輻射劑量150 和100 Gy時(shí)最高，比對照增加了278.01%和11.64%，輻射組莖葉和根部B元素含量均與對照差異顯著(P<0.05)。

2.2.5鎳元素 圖2e顯示隨輻射劑量增加，谷稗幼苗莖葉部Ni元素含量呈先增后減的趨勢，根部Ni元素含量呈增加趨勢，除100 Gy莖葉部外，其余莖葉部Ni元素含量均低于對照，根部Ni元素含量均高于對照。莖葉部100 Gy比對照增加了84.62%；根部Ni元素含量在輻射劑量200時(shí)最高，比對照增加了1762.14%，輻射組莖葉和根部Ni元素含量均與對照差異顯著(P<0.05)。

圖1 60Co-γ輻射谷稗幼苗(培養(yǎng)45 d)生長的影響Fig.1 Effects of 60Co-γ radiation on the growth of Echinochloa crusgalli seedlings (culture 45 d)注：不同小寫字母代表同一生長參數(shù)不同劑量輻射間在0.05水平上差異顯著，下同Note：Different lowercase letters indicate significant difference in the same growth parameter at different dosages of 60Co-γ radiation at the 0.05 level, the same as below

圖2 60Co-γ輻射對谷稗幼苗微量元素含量的影響Fig.2 Effect of 60Co-γ radiation on trace element content of Echinochloa crusgalli seedlings注：不同小寫字母代表同一谷稗幼苗器官不同輻射間差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant difference in the same organ of Echinochloa crusgalli seedlings at different dose of 60Co-γ radiation at the 0.05 level

2.3 相關(guān)性分析

由表1可知，谷稗幼苗的莖葉部Mn與B元素、Fe與Ni元素之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，Zn元素與Fe、Mn、B和Ni元素之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；谷稗幼苗的根部Fe元素與Mn和Ni元素、Mn元素與Ni元素之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.05)，而Fe元素與Zn和B元素、Mn與Zn元素之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，Mn與B元素、Zn與Ni元素之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表1 谷稗幼苗不同器官微量元素間的相關(guān)性Tab.1 Correlation among trace elements in different organs of Echinochloa crusgalli seedlings

注：**表示在0.01水平差異顯著，*表示在0.05水平差異顯著

Note：** indicate significant correlation at the 0.01 level,* indicate significant correlation at the 0.05 level

3 討論

輻射處理對植株的生長發(fā)育的影響比較大，在幼苗期主要表現(xiàn)在株高和根長上，本研究發(fā)現(xiàn)隨著輻射劑量的升高，植株的株高逐漸降低，主要表現(xiàn)為低劑量促進(jìn)而高劑量抑制生長，這與對苜蓿(Medicagosativa)[7]和無芒雀麥(BromusinermisLeyss)[8]的研究結(jié)果相一致，適宜劑量的輻射促進(jìn)了幼苗根長的生長(250 Gy除外)，但植株總長度呈降低的趨勢，可能是由于高劑量的輻射抑制了鐵元素向幼苗莖葉部的轉(zhuǎn)移能力，鐵、錳、鋅在根部元素含量遠(yuǎn)大于莖葉部對應(yīng)元素含量，使得這些元素沉積在植株根部，這與秦樊鑫[9]等人的研究結(jié)果相似，導(dǎo)致根部中毒，高劑量輻射組的幼苗成苗受阻，出現(xiàn)了矮化的現(xiàn)象。雖然輻射促進(jìn)了莖葉部硼元素含量，但降低了莖葉部鎳元素(100 Gy除外)含量，促進(jìn)作用明顯低于多種元素疊加的抑制作用，導(dǎo)致高輻射劑量植株矮小，幼苗發(fā)育不良。

不同器官礦質(zhì)元素間的相關(guān)性表現(xiàn)結(jié)果有所不同，莖葉部多數(shù)微量元素間呈顯著正相關(guān)，這與沈超[10]等對山核桃的研究結(jié)果相近；但在根部多數(shù)元素是呈顯著負(fù)相關(guān)的，說明不同礦質(zhì)元素在不同器官的分布的規(guī)律有所差異。

4 結(jié)論

60Co-γ輻射顯著影響谷稗幼苗生長、不同器官的微量元素含量以及5種微量元素間的相關(guān)性，主要表現(xiàn)在一定的輻射劑量(50～200 Gy)可以促進(jìn)谷稗幼苗主根的生長，抑制幼苗株高和總長度，輻射促進(jìn)了5種微量元素的積累(莖葉Ni元素除外)，對植株的生長造成了不同程度的抑制作用。