60Co-γ輻射對黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

陳玉霞， 鉏曉艷， 邱建輝， 谷 峰， 林 勇， 劉尚洪

(湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術研究所，湖北武漢 430064)

黃瓜(CucumissativusL.)為葫蘆科1年生草本植物，是漢朝張騫出使西域時帶回來的，最初為野生，瓜色墨黑帶刺，味道非常苦，不能食用，后來經(jīng)過長期的栽培、改良，才成為現(xiàn)在甜脆可口的黃瓜。黃瓜中含有蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、多種礦物質(zhì)、微量元素和維生素，其中維生素E含量較高。黃瓜具有清熱解毒、調(diào)理腸胃、清肺利尿的功效，是人們最常食用的瓜類蔬菜[1]。人們生活水平的提高，對蔬菜的無公害化、周年供應等提出了更高要求，只有培育抗多種病害的黃瓜品種，才能使黃瓜生產(chǎn)無公害和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)成為現(xiàn)實。要在現(xiàn)有基礎上育成有突破性的抗病新品種，必須通過創(chuàng)新材料，如發(fā)病較嚴重的枯萎病，現(xiàn)有抗源很少，通過輻射誘變，將可獲得高抗枯萎病的突變體，從而獲得創(chuàng)新材料。據(jù)國際原子能機構(International Atomic Energy Agency，IAEA)2000年統(tǒng)計，全世界利用輻射育種技術育成作物新品種2 252個，其中我國育成農(nóng)作物品種605個，占世界總和的26.9%，平均推廣種植面積達9×106hm2以上，育成的新品種為我國增加糧食 30億～40億kg，棉花1.5億～1.8億kg，油料 0.75億kg，創(chuàng)經(jīng)濟效益33億元[2]。但目前輻射技術在黃瓜上的應用僅有少量報道，李加旺等利用60Co-γ射線輻射處理具有優(yōu)良特性的黃瓜自交系干種子，并在其變異后代群體中篩選出2個綜合性狀優(yōu)良的單株，經(jīng)3代系選，從中選出主要性狀能穩(wěn)定遺傳的株系M-8，并以其為親本育成適于日光溫室栽培的耐低溫弱光雜交一代新組合93-5黃瓜[3]。王玉懷利用60Co-γ射線輻射長春密刺干種子，從中發(fā)現(xiàn)黃色子葉突變的幼苗，研究表明黃色子葉為核遺傳的隱形性狀，受核內(nèi)一對等位基因控制，該性狀可作為苗期標記鑒別F1雜種[4]。本研究以60Co-γ射線輻照黃瓜品種新津春4號干種子，考察不同輻照劑量對黃瓜種子萌發(fā)、種子細胞膜透性、幼苗子葉葉綠素含量、幼苗生長量、幼苗各部位鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的影響，并探明黃瓜輻射誘變的半致死劑量，旨在為黃瓜抗病新品種的選育提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試品種 新津春4號干種子，牛皮紙袋包裝，每袋100粒，共8袋。

1.1.2 輻照設備 湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術研究所輻照中心60Co-γ射線源，設計裝源容量1.85×1016Bq，現(xiàn)有放射源活度1.26×1016Bq，單板3層排列。采用動態(tài)步進式輻照方式輻照黃瓜干種子。

1.1.3 儀器試劑 UV-vis8500紫外可見分光光度計、Sartorius電子分析天平、精密電導率儀、培養(yǎng)皿、濾紙、小刀、直尺、刻度試管、移液管、稱量瓶、丙酮。

1.2 方法

1.2.1 試驗時間和地點 2017年6月在湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術研究所輻照黃瓜種子并進行種子發(fā)芽試驗和幼苗觀察檢測分析。

1.2.2 處理設計 共設8個處理：處理1輻照劑量為0 Gy(未輻照種子作為對照)、處理2輻照劑量為50 Gy、處理3輻照劑量為100 Gy、處理4輻照劑量為255 Gy、處理5輻照劑量為500 Gy、處理6輻照劑量為675 Gy、處理7輻照劑量為 880 Gy、處理8輻照劑量為1 000 Gy。

1.2.3 發(fā)芽率及生長量測定 樣品輻照完畢后，每個處理各取種子30粒，分別放入8個100 mL燒杯中，加水浸種4 h。將濾紙置于培養(yǎng)皿中作發(fā)芽床，將種子置于濾紙上，保持濾紙濕潤，30 ℃恒溫暗培養(yǎng)[5]。種子萌發(fā)后，以胚根長達到或超過種子長度為標準記錄發(fā)芽數(shù)。每天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，第3天統(tǒng)計發(fā)芽勢，第5天測量幼苗根長和株高以及幼苗各部位鮮質(zhì)量、干質(zhì)量，第7天統(tǒng)計發(fā)芽率。

發(fā)芽勢=第3天發(fā)芽種子數(shù)/試驗種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽率=第7天發(fā)芽總粒數(shù)/試驗種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)=在第7天內(nèi)每天種子發(fā)芽數(shù)/相對應的種子發(fā)芽天數(shù)的發(fā)芽總和；

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×幼苗鮮質(zhì)量；

出苗率=子葉完全展開的幼苗數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

1.2.3 細胞膜透性測定 取不同輻照處理的凈種子各20粒，用蒸餾水沖洗3次，再用四蒸水沖洗2次。將清洗過的種子放入潔凈的100 mL三角瓶中，加入四蒸水60 mL，于25 ℃下浸泡24 h，用精密電導率儀測定浸出液的電導率(C1)，再將種子及浸出液100 ℃水浴30 min，冷卻至25 ℃后測定總電導率(C2)[6-7]。

相對電導率=(C1-C0)/(C2-C0)×100%。

式中：C0為四蒸水的電導率。

1.2.4 用葉絲浸提法[8]測定子葉葉綠素含量 用小刀和直尺切取1 cm2子葉葉片，切成長約5 mm、寬約1 mm的細絲，投入5 mL 80%丙酮的刻度試管中，封管口于暗中提取至細絲完全變白為止。分別在663、645 nm處讀取提取液的吸光度D，所用公式為：

葉綠素a(Chl a)含量=12.7D663 nm-2.69D645 nm；

葉綠素b(Chl b)含量=22.9D645 nm-4.86D663 nm；

葉綠素總含量(CV)=Chl a含量+Chl b含量；

CA=0.5CV/S。

式中：CA為單位面積的葉綠素含量；S為用于提取葉綠素的葉面積。

1.2.5 半致死劑量(LD50)計算 不同劑量輻照處理后的出苗率是確定輻射損傷效應的重要指標，是計算半致死劑量的依據(jù)，半致死劑量是輻射育種適宜誘變劑量的參考[9]。處理種子的出苗率為對照出苗率50%的輻射劑量即為半致死劑量。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照處理對黃瓜種子萌發(fā)的影響

不同的輻照劑量對黃瓜種子萌發(fā)的影響不同，具體結(jié)果如圖1所示。當輻照劑量為50 Gy(處理2)時，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)這4項發(fā)芽指標均高于對照和其他各輻照處理，分別比對照增加7.47%、4.96%、13.84%、27.04%，特別是發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)這2項指標明顯大幅提高，種子發(fā)芽時間短，發(fā)芽速度快，發(fā)芽整齊度高。當輻照劑量為100～880 Gy時，隨著輻照劑量的增加，黃瓜種子發(fā)芽進程明顯延遲，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率，發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)明顯下降，而且劑量越高，下降越明顯；當輻照劑量為1 000 Gy(處理8)時，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)只有對照的58.33%、48.86%、43.51%、12.81%，輻射損傷效應明顯。

2.2 輻照處理對黃瓜種子細胞膜透性的影響

輻照處理不僅能引起細胞核中DNA產(chǎn)生變異，同時還會引起膜損傷，膜透性會明顯改變，表現(xiàn)出種子浸出液電導率改變，對輻照處理后黃瓜種子 24 h 浸出液電導率及相對電導率測定結(jié)果見圖2。當輻照劑量為50 Gy(處理2)，2種電導率均低于未輻照處理，說明細胞膜透性小于對照，細胞膜未受到輻射損傷；當輻照劑量為255～880 Gy時，細胞滲出液濃度隨著輻照劑量的加大而增加，電導率越大，膜透性越大，細胞受損傷程度越大；當輻照劑量為1 000 Gy時，24 h電導率、相對電導率分別為23.92 μS/cm、29.78%，分別是對照的1.927、2.009倍。黃瓜種子的24 h電導率和相對電導率變化趨勢一致。

2.3 輻照處理對黃瓜幼苗子葉葉綠素含量的影響

對苗齡為5 d的黃瓜幼苗，于08：00取樣，測其子葉葉綠素含量，結(jié)果見圖3。從圖3可知，當輻照劑量為50 Gy(處理2)時，其子葉葉綠素含量為0.232 mg/dm2，高于對照和其他各處理。處理3以后，隨著輻照劑量的增加，子葉葉綠素含量直線下降，到1 000 Gy(處理8)時，葉綠素含量僅為 0.153 mg/dm2，比對照減少29.49%，幼苗葉綠素合成受到嚴重影響，植株葉面散生條狀黃斑。

2.4 輻照處理對黃瓜幼苗生長的影響

對第5天的幼苗，每處理取6株，考察幼苗的生長情況，測定根長和株高，其結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，不同的輻照劑量對黃瓜幼苗根系生長影響不同。當輻照劑量為50 Gy(處理2)時，幼苗平均根長為 3.4 cm，較對照增加0.3 cm，側(cè)根發(fā)生多，根系生長快。當輻照劑量為100～880 Gy時，隨著輻照劑量的增加，受輻照種子的幼苗根系生長明顯受到抑制，且劑量越大，抑制效果越明顯，側(cè)根發(fā)生也受到抑制。當輻照劑量為1 000 Gy時，絕大多數(shù)幼苗只有1條主根，平均根長只有0.8 cm，側(cè)根很少發(fā)生。

由圖4還可知輻照處理對黃瓜幼苗株高的影響與根系相似，當輻照劑量為50 Gy時，幼苗株高為 4.6 cm，高于對照0.4 cm，也高于其他各輻照處理。當輻照劑量為 880 Gy(處理7)、1 000 Gy(處理8)時，株高明顯較其他處理低，只有1.1、0.6 cm，分別比對照低3.1、3.6 cm，子葉生長緩慢，且其上散生條狀黃斑。

2.5 輻照處理對黃瓜幼苗各部位鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值的影響

考察第5天的黃瓜幼苗植株各部位的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量以及干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值，結(jié)果如表1所示。子葉的鮮質(zhì)量以處理2最高，平均每株為0.099 3 g，比對照增加0.014 7 g，處理3以后隨著輻照劑量的增加，子葉的鮮質(zhì)量逐漸下降，至處理8時每株子葉鮮質(zhì)量只有0.030 2 g，僅為對照的35.70%。下胚軸、根系的鮮質(zhì)量隨著輻照劑量的變化情況與子葉相似。

表1 輻照處理對黃瓜幼苗各部位鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及干/鮮比值的影響

注：測定的各部位數(shù)值指平均每株黃瓜幼苗鮮質(zhì)量和干質(zhì)量。

子葉、下胚軸、根系3個部位的干質(zhì)量表現(xiàn)一致，也是處理2最高，處理3以后隨著輻照劑量的增加，3個部位的干質(zhì)量明顯下降，劑量越大，下降越明顯。

值得注意的是子葉、下胚軸、根系3個部位的干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值，當輻照劑量為50 Gy時，3個部位的干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值分別為 0.141 0、0.136 4、0.109 4，均高于對照，3個部位的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量也高于對照，可見黃瓜種子經(jīng)50 Gy輻照處理以后，幼苗各部位在增加鮮質(zhì)量的同時，還使干質(zhì)量有相應的增加，說明不單是細胞含水量增加。當輻照劑量為100～1 000 Gy時，隨著輻照劑量的增加，子葉、下胚軸、根系的干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值明顯上升，有的處理還遠遠超過對照，這是由于不同劑量的輻照處理使幼苗根系生長受到抑制，根系吸收能力較弱，子葉、下胚軸的生長受到抑制，有機物合成受到影響，各部位鮮質(zhì)量、干質(zhì)量低于對照。因此，這種較高的干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值并不代表植株生長加強，而只是生長受抑制的表現(xiàn)。

2.6 黃瓜干種子輻射處理的半致死劑量

植物種子輻射當代的出苗率是確定輻射損傷效應的重要指標，是計算半致死劑量的依據(jù)。黃瓜種子的出苗率是指子葉完全展開的幼苗數(shù)占供試種子數(shù)的百分比。半致死劑量是輻射育種的適宜劑量。以輻照劑量0、100、255、500、675、880、1 000 Gy 為自變量(x)，相對應的出苗率36.80%、30.63%、26.32%、22.13%、19.27%、17.67%、16.22%為因變量(y，%)，進行回歸計算，得a=36.21，b=-0.018 7，直線方程式為y=33.27-0.018 7x。將對照出苗率的50%代入方程式，得LD50=795 Gy。

3 討論

在一定的劑量范圍內(nèi)，輻射能促進植物種子萌發(fā)和幼苗生長。王天龍等研究發(fā)現(xiàn)，輻射劑量為 20～60 Gy 時有利于蘿卜種子發(fā)芽，輻射劑量為 60～150 Gy 時有利于其幼苗根的生長[10]。陳桂松等用低劑量γ射線輻照黃瓜風干種子，發(fā)現(xiàn) 4.28 Gy 輻照劑量處理可明顯刺激黃瓜增產(chǎn)[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，當輻照劑量為50 Gy時，黃瓜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)4項發(fā)芽指標均高于對照，促進了黃瓜種子的萌發(fā)；第5天的黃瓜幼苗單位面積葉綠素含量高于對照和其他各輻照處理，有利于黃瓜幼苗有機物的合成；50 Gy輻照處理能促進幼苗根系生長，根長最長，側(cè)根發(fā)生多，有利于幼苗對水分和養(yǎng)分的吸收；50 Gy輻照處理能增加幼苗子葉、下胚軸、根系3個部位的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量及干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值，從而提高幼苗素質(zhì)。

輻射處理后種子的發(fā)芽情況是衡量輻射損傷的重要指標之一。敖妍等發(fā)現(xiàn)，對扶芳藤種子輻射后，其發(fā)芽率受到的抑制與輻射劑量呈極顯著負相關[12]。葛維亞等研究表明60Co-γ輻射處理明顯不利于地被菊種子的萌發(fā)[13]。在本試驗中，當輻射劑量≥100 Gy時，輻射處理對黃瓜種子的萌發(fā)具有明顯的抑制作用，隨著輻照劑量的增加，種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)明顯下降，輻照抑制了種子的萌發(fā)，其原因可能是輻射對種胚結(jié)構及萌發(fā)過程的生理活動產(chǎn)生了不同程度的影響。

輻射處理對幼苗生長的抑制作用，也是衡量輻射生物學效應的一個重要指標。從本研究對黃瓜種子輻射處理結(jié)果來看，100～1 000 Gy的輻射處理對幼苗生長抑制明顯，隨輻照劑量的增加，第5天的黃瓜幼苗子葉葉綠素含量逐漸下降，幼苗株高逐漸變矮，根長逐漸變短，子葉、根系及下胚軸生長明顯受到抑制，輻照劑量為1 000 Gy時，幼苗生長緩慢，株高最矮，大部分幼苗只有1條主根，側(cè)根很少發(fā)生，部分種子雖然能正常發(fā)芽，但不能出苗或出苗后逐漸死亡。本試驗中還發(fā)現(xiàn)，當輻照劑量高于100 Gy時，幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量與輻照劑量呈負相關，其原因可能是輻射處理抑制了幼苗根系生長，根系吸收能力較弱，下胚軸和子葉生長受到抑制，有機物合成受到影響。但干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值與輻照劑量呈正相關，但這并不代表幼苗生長的加強，而只是生長受到抑制的表現(xiàn)。

輻射誘變首先要確定適宜的輻射劑量，才可能獲得有益的突變，一般都以半致死劑量作為輻射育種的適宜輻射劑量。耿興敏等在研究60Co-γ射線輻射對桂花種子萌發(fā)及幼苗生長影響時，以輻射處理后桂花品種的發(fā)芽率計算半致死劑量，且還發(fā)現(xiàn)高劑量輻射后種子雖能萌發(fā)，但出苗率受到明顯的抑制[14]。熊秋芳等研究發(fā)現(xiàn)，低劑量的輻射不會影響蘿卜種子的最終發(fā)芽率，卻抑制了出苗率，且隨著輻射劑量的增大，其抑制作用變明顯，主要表現(xiàn)為抑制了根莖生長[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，≥100 Gy輻射劑量處理的黃瓜種子的發(fā)芽率與出苗率存在較大差異，部分種子雖然能發(fā)芽，但最終未能出苗，以發(fā)芽率計算的半致死劑量高于以出苗率計算的半致死劑量，較高的輻射劑量會增加畸變率，從而降低有益突變體的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，60Co-γ射線對黃瓜種子的輻射效應明顯。當輻照劑量為50 Gy時，輻射能明顯促進黃瓜種子萌發(fā)，促進幼苗生長和提高幼苗素質(zhì)。當輻照劑量為100～1 000 Gy 時，種子發(fā)芽率等4項發(fā)芽指標、幼苗子葉葉綠素含量、幼苗生長量、幼苗各部位的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量隨輻照劑量的增加而明顯下降，而種子細胞膜透性和幼苗各部位干質(zhì)量/鮮質(zhì)量值隨著輻照劑量的增加而加大，說明輻射能明顯抑制黃瓜種子萌發(fā)和幼苗生長。經(jīng)計算，黃瓜種子輻射誘變的半致死劑量為795 Gy。