137Cs-γ射線輻照對玉米自交系種子發芽和苗期生長的影響

陳金躍， 杜龍崗， 熊立東， 任夢云， 楊文新， 王美興， 陸艷婷

(浙江省農業科學院 作物與核技術利用研究所， 浙江 杭州 310021)

種質資源的單一、貧乏是選育出突破性品種的限制因素。特異種質資源的發現、收集和利用可以帶來新品種培育的突破。農作物傳統育種周期長，自然突變率低，有益突變少，不利于新品種培育，對優質、多抗和高產等定向育種更為不利。誘變育種是作物育種最重要的途徑之一。輻射誘變是通過不同的輻射誘變源對作物種子進行輻照處理，誘發DNA片段的斷裂、異位、缺失或重組等來引起突變，操作方便，誘導獲得的突變頻率較高。目前主要輻射源有：X射線、γ射線、快中子、激光、離子束等。近年來，有關玉米種子的輻照效應已有一些報道，通過輻射誘變[1-3]、電子束[4-5]、太空誘變[6-7]、重離子[8-9]等途徑誘發玉米種子突變，創造出了一批新的突變材料。利用γ射線輻射農作物可達到改良某些或某個性狀的目的，誘變創制出一些特異種質資源(突變體)，成效明顯[2]。但至今未見137Cs-γ射線輻射對玉米種子誘變效應的相關報道。本研究以玉米自交系種子為材料，進行了137Cs-γ射線多種劑量的輻照處理，以了解137Cs-γ射線對不同類型玉米自交系種子發芽率和苗期生長的影響，為玉米輻射誘變中提高有效誘變率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

參試的玉米自交系有糯玉米自交系萬母、天 932母、白2，百粒重分別為25.5、28.1、28.0 g；甜玉米自交系杭玉甜12母、D113，百粒重分別為13.7和12.6 g。均為鮮食玉米類型。

1.2 處理設計

玉米種子輻照處理在浙江省農業科學院國家水稻改良中心輻射育種研究室(浙江省輻照中心)進行，分別用150、250、350、450、600 Gy的137Cs-γ射線共5種劑量處理上述玉米干種子，每個玉米自交系種子150粒，以不輻照處理(即0 Gy)為對照。

輻照后的玉米種子進行發芽試驗。發芽試驗于2021年3月在研究室進行。取長寬高為40 cm×17 cm×12 cm的種植箱，放入經洗凈滅菌的細砂，加入適量純凈水，將150粒玉米種子隨機平分3份(3次重復，隨機排列)，均勻放至種植箱中，種子之間保持足夠的距離，以保證種子都能充分接觸水分，吸水一致，生長良好。種植箱放入博迅牌生化培養箱(SPX-150B-Z型)培養發芽，設定溫度30 ℃，變幅不超過±2 ℃，共培養2 d。第3天開始將種植箱放入恒溫培養室，設定溫度28 ℃，變幅不超過±2 ℃，自然光照。

1.3 調查項目及方法

發芽力與苗高。第3天開始統計發芽勢，第7天統計發芽率，第15天統計活苗率以及每棵活苗的總根數、白根數、根長。以發芽勢、發芽率作為衡量種子發芽力的指標。只長芽不發根或只發根不長芽的種子不計算在內并取出。從每個種植箱內隨機選取非四周位置的10株幼苗跟蹤測量第3、7、10、15天苗高，苗高以cm為單位，保留一位小數。

干物重。第15天每處理隨機取10株苗測定根部性狀和干物重。并將每處理30株的莖葉與根分開, 先放入烘箱中以105 ℃殺青30 min，再以75 ℃烘干至恒重后稱重。

1.4 數據分析

用SPSS軟件進行所有數據的統計分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 對發芽率和成苗率的影響

由表1可見，0～600 Gy不同輻照劑量處理對玉米種子的發芽有顯著影響，表現為隨著輻照劑量的增加，種子發芽率和成苗率下降。在600 Gy大劑量輻照下，甜玉米自交系杭玉甜12母、D113的3 d發芽率分別為47.3%、44.7%，16 d的成苗率分別為0%、2.0%，達致死劑量，經600 Gy劑量輻照處理后萌發的幼苗在之后出現生長停滯并死亡，成苗率比發芽率呈現顯著下降。糯玉米自交系萬母、天932母、白2在600 Gy大劑量輻照下的3 d發芽率分別為19.3%、24.7%、32.0%，16 d的成苗率分別為10.7%、15.3%、10.0%，表現出與甜玉米自交系相似的趨勢，接近致死劑量，說明糯玉米自交系的致死劑量高于甜玉米自交系。從表1可以看出在450 Gy劑量下，2個甜玉米自交系成苗率分別為42.0%、51.3%，3個糯玉米自交系成苗率分別為60.7%、63.3%、54.0%，可以推斷5個玉米自交系的半致死劑量在450 Gy左右。0、150、250 Gy等幾個劑量輻照處理后大部分玉米自交系的發芽率在處理間沒有顯著或極顯著差異。

表1 輻照劑量對玉米自交系發芽率和成苗率的影響

不同輻照劑量處理的玉米自交系隨著出苗天數的增加其成苗率存在差異。隨著劑量的增加，除天932母自交系外，其余玉米種子成苗率在處理劑量小于250 Gy范圍無顯著性差異，大于250 Gy輻照劑量處理，隨著生長天數的增加成苗率逐漸下降。表明甜玉米自交系杭玉甜12母、D113的輻照半致死劑量小于450 Gy，輻照致死劑量約600 Gy；糯玉米自交系萬母、天932母、白2的輻照半致死劑量在450 Gy左右。

2.2 對幼苗生長的影響

對5個玉米自交系在0～600 Gy輻照劑量處理的幼苗苗高進行測量，輻照處理明顯抑制幼苗生長，且隨劑量增大，抑制作用增加。150、250、350、450、600 Gy處理甜玉米杭玉甜12母自交系的16 d苗高分別為17.0、14.9、12.2、7.4、0 cm，較對照18.1 cm分別降低6.1%、17.7%、32.6%、59.1%、100%(圖1)；糯玉米萬母自交系則分別為21.0、19.0、17.5、11.8、3.7，較對照21.7 cm分別降低3.2%、12.4%、19.4%、45.6%、82.9%。在150 Gy以上劑量處理時，5個玉米自交系苗高較對照均明顯降低，且甜玉米比糯玉米更明顯。表明150 Gy以上劑量處理對玉米自交系具有較大的輻射誘變效應。

圖1 輻照劑量對玉米自交系苗高的影響

圖1表明，5個不同玉米自交系發芽3、7、10、16 d時的苗高，總體變化規律相似，隨輻照劑量的增大，苗高逐漸下降。試驗中，供試的甜玉米和糯玉米自交系均呈現同樣的趨勢，甜玉米比糯玉米自交系生長受阻更明顯。通過對出苗情況、存活率結合生長情況的綜合分析，認為450～600 Gy高劑量處理后，大部分的種子仍舊能發芽長根，但隨著生長發育的進行，600 Gy高劑量處理的生長停滯，至第16天，甜玉米自交系全部死苗，糯玉米自交系的死苗率接近90%。也可以確認以137Cs-γ為輻射源的600 Gy輻照劑量為供試玉米自交系的輻射致死劑量。

2.3 對生長量的影響

表2給出了發芽后16 d的30株玉米自交系幼苗的莖葉干重，600 Gy劑量處理后各玉米自交系成苗數太少未統計。

表2 輻照劑量對玉米自交系幼苗莖葉干重的影響

從表2可以看出，杭玉甜12母、D113、萬母、天 932母、白2經150 Gy處理莖葉干重較對照下降34.68%、18.53%、34.75%、16.17%、7.95%，經450 Gy處理較對照下降50.88%、54.96%、66.83%、66.63%、72.84%。表明隨著輻照劑量的增大，玉米自交系幼苗的莖葉干重隨之下降，下降程度因品種不同略有差異。

由表3可見，不同輻照劑量對玉米自交系幼苗根系生長的影響顯著。隨著輻照劑量的增加，幼苗根長顯著降低，總根數、白根數隨之減少，不同自交系間降幅略有差異。說明輻照處理明顯抑制幼苗的根系生長，且隨輻照劑量增大抑制更加明顯。600 Gy處理的所有供試玉米自交系幼苗都沒有白根，這也進一步確認137Cs-γ輻射源的600 Gy為供試玉米自交系的輻射致死劑量。

表3 輻照劑量對玉米自交系幼苗根系生長的影響

3 小結與討論

最近種業“卡脖子”技術受到黨和國家領導人及學術界的高度重視，浙江省政府以及省內種業和農學界對此也高度重視[10-11]。突破種業“卡脖子”技術，需要在育種技術上積極探索，長期以來的實踐表明，輻射誘變育種是浙江省作物育種取得突破的重要途徑之一[12]，因此，有必要對各種作物種子的輻照誘變效應進行系統研究。

試驗表明，137Cs-γ射線對玉米自交系種子具有較強的輻照效應。低劑量輻照對玉米種子出芽率沒有明顯影響；隨著輻照劑量的增加，對玉米種子的發芽勢和幼苗生長影響逐漸加大；較高劑量下玉米自交系種子的發芽率顯著下降，苗高和根系生長量顯著降低，不同遺傳背景的品種之間對輻射敏感性表現出一定的差異。從本試驗的結果來看，甜玉米與糯玉米間對輻照劑量的感應存在差異。甜玉米自交系杭玉甜12母、D113干種子的輻照半致死劑量小于450 Gy，輻照致死劑量約600 Gy；糯玉米自交系萬母、天932母、白2干種子的輻照半致死劑量在450 Gy左右，輻照致死劑量也在600 Gy左右。這些結果對于進一步開展甜、糯玉米的輻射誘變育種，對浙江省種業的進一步發展具有積極意義。