航天誘變黔草1號高羊茅形態多樣性研究

尹 瓊， 吳佳海， 陳 超

(1.貴州農業職業學院， 貴陽 551400； 2.貴州省草業研究所， 貴陽 550006；3.貴州大學， 貴陽 550025)

航天誘變育種又稱太空育種，是指利用各種返回式空間飛行器搭載生物種質材料進入空間環境，在空間特殊的物理誘變因素下，搭載的生物材料發生變異，返地后經過地面的精心選擇和培育，最終獲得新品種的一種高新育種技術[1]。由于航天育種復雜的誘變條件與誘變環境，使其具有誘變變異頻率高、變異幅度大、優良性狀穩定快等特點，而且還可以獲得一些迄今在地球上尚未出現的變異材料。目前我國已搭載了涉及糧、棉、油、蔬菜、瓜果和花卉等1 000多個品種[2-3]。與農作物相比，草類植物空間誘變育種相對滯后，隨著新型搭載工具的出現以及草業的發展，草航天育種的研究日益受到重視[4-5]。目前已在紅豆草[6]、沙打旺[7]、草地早熟禾[8-10]、黑麥草、結縷草[11]、高羊茅[12]等草類植物中開展了研究，并結合地面形態學指標觀測以及分子標記技術對變異后的植株進行分析獲得有益的遺傳性狀與DNA分子變異的證據。有關草本植物的空間誘變研究表明，空間搭載對草類部分農藝性狀有顯著的誘變作用[13-14]。

高羊茅(Festucaarundinacea)又稱葦狀羊茅，隸屬禾本科(Poaceae)、早熟禾亞科(Pooideae)、早熟禾族(Poeae)、羊茅屬內的Bovinae亞屬，是溫帶地區廣泛應用的多年生冷季型草坪草和牧草[15]。生境條件多樣，遺傳多樣性豐富，原產于歐洲，在我國新疆、東北中部濕潤地區、貴州西北部亦有分布[16-18]。貴州有著豐富的野生高羊茅資源，黔草1號就是以貴州地方野生高羊茅作親本，采用改良混合選擇法育成的高羊茅新品種[19]。與其他高羊茅相比，具有根系發達、固土能力強，生育期長，抗逆性強，繁殖能力強等特點，在生產上已進行了較大面積的推廣應用。

目前對高羊茅的誘變育種研究不多，盡管各種同工酶標記[20]和DNA分子標記[21]已經被廣泛地應用于植物種質資源的鑒定和分類方面的研究，但形態性狀的鑒定和描述，仍然是種質資源研究的最基本的方法和途徑[22-23]。本試驗以黔草1號高羊茅種子經航天誘變后的33份Sp 1代種質資源為試驗材料，Sp 0代黔草1號高羊茅為對照。通過形態學觀察，研究高羊茅種質資源的遺傳多樣性，為進一步研究Sp 2代突變株系提供試驗基礎，并對于篩選在外形、抗性等方面具有更優良性狀的變異個體從而培育出優秀的高羊茅新品系具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料共34份，均取自貴州省草業研究所獨山科研基地，其中33份為經航天搭載的黔草1號高羊茅種子繁殖的Sp 1代株系，1份對照為黔草1號高羊茅(Sp 0代)。

1.2 形態變異的觀測指標和測定

試驗對高羊茅航天誘變種質遺傳多樣性進行分析。在高羊茅營養生長時期，從每份材料中分別隨機抽取15個不同植株(重復)，測量并記錄了株高、葉長、葉寬、莖粗、葉含水量、莖含水量、莖葉比、冠根比共8個指標。

1.3 統計方法

1)采用SPSS 11.5、Excel統計分析軟件對8個形態指標測定值進行統計描述，測定平均值、標準差、變異范圍、變異系數及多樣性指數[24]。

2)對數據進行標準化處理，采用SPSS 11.5軟件按歐氏距離進行聚類，并繪制樹狀圖，分析材料間的形態相似性。

2 結果與分析

2.1 形態變異分析

以黔草1號為對照，對所有航天誘變高羊茅材料的8個形態學性狀進行描述性統計分析，包含平均值、標準差、最小值、最大值、極差、變異系數(見表1)。

表1 描述性統計

結果顯示，變異系數分布于3.05%～19.95%之間，在8個性狀中以株高、葉長、冠根比的變異系數最大，分別為19.95%、19.88%、19.86%，表明航天誘變高羊茅材料各形態學性狀均存在較大的差異，且變異程度不一致。根據形態性狀遺傳變異統計結果，航天誘變之后的黔草1號高羊茅的植株形態與對照有不同程度的差異，這表明航天誘變對黔草1號高羊茅有著較強的影響，有利于品種選育。

2.2 形態多樣性分析

利用馬育華[24]發表的形態遺傳多樣性指數計算方法，對供試材料不同形態學性狀遺傳多樣性指數進行統計(見表2)。

表2 多樣性指數統計

研究結果表明，8個形態指標的多樣性指數為3.517 2，遠大于中國小麥的形態多樣性指數1.095 4[25]，也大于鵝觀草形態多樣性指數(1.781)[26]，以及貴州野生匍匐剪股(1.999 1)[27]。表明黔草1號高羊茅經航天誘變后具有較大的遺傳差異。另外，不同性狀的多樣性指數差異較大，在本研究中，莖粗、含水量和葉寬的多樣性指數較高，而冠根比、株高、葉長的多樣性指數較低。可能是黔草1號高羊茅種子在經過航天搭載后，產生了突變，但每個指標的變異程度并不一致。

2.3 聚類分析

對高羊茅8個形態指標進行標準化后，選擇歐氏距離進行聚類分析。聚類結果見圖1。

圖1 形態聚類圖

根據聚類結果，可將誘變高羊茅分為三大類，每一類在形態上表現出一定的相似性。第一類包括SP 1-95、SP 1-71、SP 1-42和ck(黔草1號)四份材料，表現為株叢低矮，葉短而寬，植株纖細，含水量豐富；第二類包括SP 1-80、SP 1-14、SP 1-40、SP 1-88、SP 1-85、SP 1-73、SP 1-12、SP 1-32和SP 1-22，其葉長且寬，莖纖細，根量豐富，與第一類相比，株叢較高大，含水量低；其余材料均歸為第三類，株叢高大，葉片長且寬，莖粗，莖含水量比葉片大，葉量豐富，根量是這幾類中最豐富的，屬于高大型。在這三類中，僅SP 1-95、SP 1-71、SP 1-42和黔草1號高羊茅歸為一類，具有相似的形態。其他30份材料又再聚為兩類，且類與類之間表現出的性狀都不一樣，這表明經過航天誘變之后的高羊茅材料大部分都與親本在形態上表現出較大的差異，航天搭載對黔草1號高羊茅種子產生了較強的影響。

3 討 論

形態性狀變異往往具有適應和進化上的意義，它是在形態水平上對遺傳多樣性進行的闡述，反映了群體×環境的復雜性及其適應環境壓力的廣泛程度[28]。研究表明，航天誘變具有變異多、變幅大、變異后代中有益變異出現幾率大和穩定性快等特點[29]，是培育優良新品種、新種質資源的新途徑。根據形態性狀遺傳變異統計結果，航天誘變之后的黔草1號高羊茅的植株形態與對照有不同程度的差異，這表明航天誘變對黔草1號高羊茅有著較強的影響，有利于品種選育。研究還發現，航天誘變高羊茅材料在葉含水量、莖含水量、莖葉比、冠根比等形態指標上有著較大的變異。

根據形態多樣性指數統計結果，8個形態指標的多樣性指數為3.517 2，顯示出較大的遺傳變異。不同性狀的多樣性指數差異較大，原因可能是黔草1號高羊茅種子在經過航天搭載后，產生了突變，但每個指標的變異程度不一樣。總的來說，同一物種，誘變材料的形態多樣性指數要高于栽培品種，因為栽培品種受人為定向選擇，只有合乎人們需求的經濟性狀才得以保存。試驗選擇的材料是在經過航天搭載之后黔草1號高羊茅種子播種的子一代，在形態性狀上會和親本產生差異，但產生的差異是有利差異還是無利差異，還需要進行進一步的研究。

根據聚類結果，將誘變高羊茅分為三大類，分別為纖細低矮型、纖細高大型和高大粗壯型，每一類表現出的性狀都不一樣，這表明經過航天誘變之后的高羊茅材料大部分都與親本在形態上表現出較大的差異，航天搭載對黔草1號高羊茅種子產生了較強的影響。

航天誘變育種技術的核心是利用空間環境的綜合物理因素對植物或生物遺傳性的強烈動搖和誘變，獲得地面常規方法較難得到甚至是罕見的種質材料，選育突破性新品種。在經歷了空間飛行的植物種子返地種植后，通常在Sp 1代所產生的變異性較小，而在Sp 2代則會顯現出與對照更加明顯的差異性，相關性狀表現為強烈的廣譜分離，一般在Sp 3、Sp 4代以后，變異形狀趨于穩定遺傳[2]。本研究中在誘變當代就產生了外形上的明顯差異，但還不能確定該差異性是植物本身基因組發生重組、突變產生的，還是僅僅由于種子的生理結構損傷而導致的不能穩定遺傳的生理變異，因此還需進一步對Sp 2代進行觀察和檢驗，鑒別是生理變化還是遺傳改變，從中選出有益的突變種質材料，以期培育出優良的高羊茅新品系，為育種提供更多種質資源。