重離子束輻照對不同蠶豆品種的誘變效應

邵 揚， 李 強， 黃青巖， 白云飛， 汪學英， 茍懷祥， 郭延平

(臨夏州農(nóng)業(yè)科學院， 甘肅 臨夏 731100)

通過物理誘變方法，利用X、γ、β射線，中子、電子及重離子束等對作物種子、植株或器官進行誘變獲取突變體的方法已被育種工作者廣泛應用[1]。輻照誘變引起作物DNA鏈斷裂、堿基替換或基因片段的缺失，如果修復后不能復原就會引起突變。目前，很多國家已通過輻射誘變育成可推廣品種2 252個，其中我國先后育成可推廣品種162個，占總育成量的27.2%，每年增產(chǎn)糧食33～40億kg[2]。輻射育種具有突變率高、育種周期短等優(yōu)點，能夠突破傳統(tǒng)雜交育種利用現(xiàn)有基因重組不能創(chuàng)造新基因的短板，在改進作物成熟期、品質(zhì)和抗性等方面具有顯著效應[2]。華勁松等[3]研究發(fā)現(xiàn)，60Co-γ射線處理蠶豆干種子，110～140 Gy誘變劑量可使植株生理及形態(tài)發(fā)生較大變化，獲得較高的突變率和更多的變異類型。何莉等[4]利用60Co-γ射線誘變蠶豆種子發(fā)現(xiàn)，誘變可有效提高蠶豆光合效能，是高光效育種的有效手段。重離子束作為一種新的誘變輻射源，自20世紀80年代應用以來，因其傳能線密度大、DNA損傷修復效應小、育種周期短等優(yōu)點，逐漸成為輻照誘變育種的新途徑[5]。目前，中國科學院近代物理研究所與多家單位合作，選育出小麥、甜高粱等[6-8]作物新品種，并大面積推廣，取得了顯著的經(jīng)濟效益，但利用重離子束輻照誘變蠶豆的研究鮮有報道。為此，利用重離子束對蠶豆種子進行輻照，研究重離子束輻照對蠶豆的誘變效應，為蠶豆重離子束輻照誘變育種奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1材料

蠶豆：自封頂(1份，中粒，早熟)、小粒不褐變材料(2份，小粒)、康樂尕蠶豆(1份，中粒，炒貨)和臨蠶8號(1份，大粒)共計5個蠶豆品種，均為臨夏州農(nóng)業(yè)科學院蠶豆研究中心保存。蠶豆種子重離子束輻照由中國科學院近代物理研究所完成。

1.2方法

1.2.1試驗設(shè)計輻照材料M1和M2代試驗于2017-2018年在臨夏州農(nóng)業(yè)科學院北塬現(xiàn)代農(nóng)業(yè)試驗站進行。5份材料中每個蠶豆品種重離子束輻照劑量分別設(shè)40 Gy、55 Gy、70 Gy、85 Gy和100 Gy 5個處理，以未輻照種子為對照(CK)，共計6個處理。輻照蠶豆品種種植在隔離網(wǎng)室中，施肥、除草等田間管理與對照一致。

1.2.2指標測定

1) M1代出苗率、成活率。統(tǒng)計田間出苗數(shù)及成活苗數(shù)，并計算出苗率與成活率。

出苗率=(出苗數(shù)/種植總粒數(shù))×100%

成活率=(成活數(shù)/出苗數(shù))×100%

2) 葉綠素SPAD值。葉綠素SPAD值采用SPAD502葉綠素測定儀測定，在盛花期測定M2代所有出苗植株葉片葉綠素SPAD值，取其平均數(shù)。

3) M2代青莢長度、粒數(shù)。分別測定并考察M2代青莢長度、莢粒數(shù)。

4) 考種。按要求對M2代植株進行考種。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2結(jié)果與分析

2.1輻照劑量對各品種M1代出苗率的影響

從表1看出，不同處理各品種M1代出苗率的變化。不褐變1與不褐變2：對照(CK)2個品種M1代的出苗率分別為81.89%和34.29%；不同輻照劑量處理后，2個品種M1代的出苗率均為0，即均未出苗，原因可能是種子質(zhì)量不好或不褐變材料種皮薄，離子束穿透能量大，胚芽被殺死所致。臨蠶8號：對照M1代的出苗率為97.14%；40 Gy、55 Gy、70 Gy和85 Gy M1代的出苗率分別為12.50%、13.16%、7.32%和17.50%，100 Gy M1代的出苗率為0，即均未出苗。康樂尕蠶豆：對照M1代的出苗率為92.38%；40 Gy、55 Gy、70 Gy、85 Gy和100 Gy雖然均有出苗，但出苗率低，分別為6.15%、7.58%、3.13%，1.54%和1.56%，隨著輻照劑量的增加呈下降趨勢。自封頂：對照M1代的出苗率為96.19%；40 Gy、55 Gy、85 Gy和100 Gy出苗率分別為8.00%、10.20%、4.17%和1.96%，變化趨勢與康樂尕蠶豆大致相同，但70 Gy未出苗，原因不詳。由于不褐變1與不褐變2在各輻照劑量處理下均未出苗，后續(xù)試驗選擇臨蠶8號、康樂尕蠶豆和自封頂3個品種。

表1 不同輻照劑量處理各品種M1代的出苗率

注：-為無數(shù)據(jù)，下同。

Note:- indicates no data. The same below.

2.2輻照劑量對各品種M2代葉綠素SPAD值的影響

從表2可知，不同處理臨蠶8號、康樂尕蠶豆和自封頂M2代葉綠素SPAD值的變化。臨蠶8號：40 Gy、55 Gy、70 Gy和85 Gy M2代葉綠素SPAD值分別為29.91、29.81、27.83和30.39，除100 Gy(未出苗)無SPAD值和70 Gy M2代葉綠素SPAD值(27.83)低于CK外，其余輻照劑量處理M2代葉綠素SPAD值均高于CK。康樂尕蠶豆：40 Gy、55 Gy、85 Gy和100 Gy M2代葉綠素SPAD值分別為32.25、31.22、33.24和31.48，除70 Gy(未出苗)無SPAD值外，其余輻照劑量處理M2代葉綠素SPAD值均高于CK。自封頂：40 Gy、55 Gy、70 Gy、85 Gy和100 Gy M2代葉綠素SPAD值分別為29.94、29.76、28.66、30.70和32.39，除70 Gy M2代葉綠素SPAD值(28.66)低于CK外，其余輻照劑量處理M2代葉綠素SPAD值均高于CK。通過輻照進行高葉綠素含量材料篩選，可為后期高光效育種奠定基礎(chǔ)。

表2不同輻照劑量處理各品種M2代的葉綠素SPAD值

2.3輻照劑量對各品種M2代植株性狀的影響

從表3看出，不同處理各品種株高、分枝數(shù)、單株莢數(shù)和單株粒數(shù)的變化。株高：臨蠶8號、康樂尕蠶豆和自封頂?shù)淖兎謩e為132.10～161.00 cm、127.50～160.40 cm和72.60～169.20 cm，各品種不同輻照劑量處理(自封頂55 Gy除外)均高于CK，其中自封頂?shù)?0 Gy和100 Gy產(chǎn)生變異，分別為169.2 cm和156.00 cm，遠高于對照和其余輻照劑量處理，其有限結(jié)莢習性變?yōu)闊o限結(jié)莢，這個變化特性有利于選育飼用品種，對糧改飼具有一定的促進作用。分枝數(shù)：臨蠶8號，除40 Gy與CK均為1.8個/株，其余輻照劑量處理均較CK多；康樂尕蠶豆的55 Gy和85 Gy均較CK少，其余2個輻照處理均較CK多；自封頂?shù)?5 Gy與CK均為1.6個/株，其余輻照劑量處理均較CK多。單株莢數(shù)：臨蠶8號、康樂尕蠶豆和自封頂?shù)淖兎謩e為10.40～16.00個、9.40～26.00個和9.90～28.20個，其中臨蠶8號的40 Gy和70 Gy較CK少，55 Gy和85 Gy較CK多；康樂尕蠶豆的55 Gy和85 Gy較CK少，40 Gy和100 Gy較CK多；自封頂所有處理均高于CK。單株粒數(shù)：臨蠶8號、康樂尕蠶豆和自封頂?shù)淖兎謩e為15.60～27.80 粒、16.20～42.60粒和18.10～48.40 粒，其中臨蠶8號除40 Gy較CK少外，其余輻照劑量處理均較CK多；康樂尕蠶豆除100 Gy較CK多外，其余輻照劑量處理均較CK少；自封頂各輻照處理均較CK多。

表3不同輻照劑量處理各品種M2代植株的性狀表現(xiàn)

2.4輻照劑量對各品種M2代青莢的影響

從表4可知，不同處理各品種青莢長、青莢寬和青莢粒數(shù)的變化。青莢長：臨蠶8號的55 Gy最長，為10.86 cm；85 Gy其次，為10.80 cm；70 Gy最短，為9.60 cm。康樂尕蠶豆的55 Gy最長，為8.00 cm；100 Gy其次，為7.60 cm；CK最短，為6.90 cm。自封頂?shù)?0 Gy最長，為11.00 cm；85 Gy其次，為8.30 cm；CK最短，為6.40 cm。青莢寬：臨蠶8號的85 Gy最寬，為2.44 cm；55 Gy其次，為2.2 cm；CK最窄，為1.89 cm。康樂尕蠶豆的55 Gy最寬，為1.88 cm；85 Gy其次，為1.86 cm；CK最窄，為1.68 cm。自封頂?shù)?0 Gy最寬，為2.18 cm；55 Gy和85 Gy其次，均為1.94 cm；CK最窄，為1.76 cm。青莢粒數(shù)：臨蠶8號的55 Gy最多，為27.80粒/株；85 Gy其次，為27.20粒/株；40 Gy最少，為15.60粒/株。康樂尕蠶豆的100 Gy最多，為42.60粒/株；40 Gy其次，為23.60粒/株；85 Gy最少，為16.20粒/株。自封頂?shù)?5 Gy最多，為48.40粒/株；100 Gy其次，均為34.00粒/株；CK最少，為15.40粒/株。

表4不同輻照劑量處理各品種M2代的青莢性狀

總體看，輻照后各品種青莢長和青莢寬均增大，莢粒數(shù)增多，尤其臨蠶8號的85 Gy青莢長/寬增大明顯，這對后期選育糧菜兼用品種具有重要的指導意義；康樂尕蠶豆脂肪含量較高，通過輻照增加產(chǎn)量，可以促進菜、糧、飼兼用品種的選育；自封頂輻照后產(chǎn)量提高，株高適中，對選育機械化生產(chǎn)品種具有指導意義。

2.5輻照劑量對各品種M2代產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

從表5看出，不同處理臨蠶8號、康樂尕蠶豆和自封頂3個品種的莢長、莢寬、莢粒數(shù)和百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素的變化存在差異，對產(chǎn)量的構(gòu)成產(chǎn)生決定作用。臨蠶8號的85 Gy產(chǎn)量最高，為464.78 kg/667m2，較對照提高45.91%；康樂尕蠶豆的100 Gy的產(chǎn)量最高，為456.32 kg/667m2，較對照提高84.30%；自封頂?shù)?5 Gy產(chǎn)量最高，為589.85 kg/667m2，較對照提高187.31%。表明，大粒品種在85 Gy和小粒品種在100 Gy下可有效提高光和效應，增加產(chǎn)量，結(jié)合青莢變化趨勢，有助于選育糧菜飼兼用、高光效品種。總體看，大粒品種、中小粒品種和小粒不褐變材料分別應在85 Gy、100 Gy和40 Gy的輻照劑量進行重離子輻照誘變品種篩選。

表5不同輻照劑量處理各品種M2代的產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量

注：臨蠶8號、康樂尕蠶豆和自封頂對照的產(chǎn)量分別為318.53 kg/667m2、247.60 kg/667m2和205.30 kg/667m2。

Note: Yields of Lincan 8, Kanglega, and Zifengding were respectively 318.53 kg/667m2, 247.60 kg/667m2and 205.30 kg/667m2.

3結(jié)論與討論

重離子束輻照誘變是近年發(fā)展起來的培育作物新品種的重要技術(shù)手段之一[9]。華勁松等[3]研究發(fā)現(xiàn)，60Co-γ射線110～140 Gy處理蠶豆干種子，可使植株生理及形態(tài)發(fā)生較大變化，獲得較高的突變率和更多的變異類型。何莉等[4]利用60Co-γ射線誘變蠶豆種子發(fā)現(xiàn)，誘變可有效提高蠶豆光合效能，是高光效育種的有效手段。研究結(jié)果表明，輻照劑量為85～100 Gy時，蠶豆葉片葉綠素相對含量明顯提高，產(chǎn)量增加，與何莉等[4]研究結(jié)果一致。自封頂在40 Gy和100 Gy輻照處理時株型發(fā)生改變，與華勁松[3]研究結(jié)果一致。研究中還發(fā)現(xiàn)，臨蠶8號在輻照劑為40 Gy時花色發(fā)生變化，這有助于選育觀光農(nóng)業(yè)生產(chǎn)型蠶豆新品種。綜合看，大粒品種和中粒品種分別適宜在85 Gy和100 Gy重離子束輻照劑量下進行誘變品種的篩選。通過重離子束輻照誘變，對高光效新品種選育、糧菜飼兼用高產(chǎn)品種選育具有重要的意義，但具體新品種的選育還要進一步深入研究。