空间搭载新麦草当代种质抗旱评价

于晓丹，张蕴薇

(中国农业大学草地研究所，北京 100193)

空间搭载新麦草当代种质抗旱评价

于晓丹，张蕴薇

(中国农业大学草地研究所，北京 100193)

在新麦草(Psathyrostachysjuncea)航天诱变当代选择植株高、叶片大、丛幅宽的植株25份，测定其相对含水量、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量，综合比较其抗旱性能。结果表明，15、21、24号新麦草植株较高，15、21和11号新麦草叶片较长，21、7、17号叶片较宽，10、21号新麦草丛幅较大；1和3号在干旱胁迫下可维持叶片较高的含水量，2、3、6和23号通过提高可溶性糖的含量来保护植物体少受害，11和12号可以将丙二醛水平控制在较低水平，11和24号新麦草的叶片中积累的脯氨酸含量比较高，具有较高的耐旱性。根据以上指标反应出的抗旱性，采用聚类分析可将这25份新麦草材料分为4个抗旱级别，较强抗旱为23、25、24、10、21和15号；中度抗旱为11、22号；较弱抗旱为12、13、16、6、7、2、3、4、8、17、19、1、20、5、14和9号；抗旱性最弱为18号。

航天诱变育种；新麦草；抗旱性

新麦草(Psathyrostachysjuncea)是新麦草属多年生丛生禾草，其分蘖多，叶量大，具稠密的须根系，根白色，有沙套，耐牧、耐盐碱，是优良的放牧型禾草。国内外对新麦草优良品种选育的研究很多，如Berdahl等[1]研究了65个新麦草登记品种间干物质、种子产量、高度和活力等农艺性状和形态性状的遗传多样性。 Wang等[2]通过悬浮细胞转基因获得了稳定生长的新麦草，为新麦草转基因育种奠定基础。美国和加拿大相继培育出许多新麦草新品种，如Mankota和Bozoisky-II[3-8]。

航天诱变具有变异频率高、变异稳定快、变异类型丰富等特点，农作物航天育种已经取得了显著成效，10多年来，我国已经育成了水稻(Oryzasativa)、小麦(Triticumaestivum)、西瓜(Citrulluslanatus)、番茄(Lycopersiconesculentum)等多种植物的新品种(系)以及一些性状优良、在育种中有应用潜力的新品系。牧草航天育种方面同样取得了显著成效，严琳玲等[9]为能够选育出抗炭疽病的柱花草(Stylosanthesguianensias)新品种，将“热研2号”进行空间辐射，选育出了最有可能取代其亲本“热研2号”柱花草而在生产上推广利用的新品系。任卫波等[10-11]、胡向敏等[12]将苜蓿(Medicagosativa)种子、蒙农杂种冰草(Agropyroncristatum×A.desertorumcv. Hycrest-Mongnon)进行了空间搭载，诱变一代均出现变异，植株抗性可能提高，为牧草育种提供新材料。本研究以空间搭载的新麦草当代植株为研究材料，通过对其形态和生理指标的综合分析，确定其耐旱性，以期筛选出抗旱的新麦草材料，为进一步的育种奠定基础。

1 材料与方法

1.1试验材料与试验地概况 试验材料取自中国农业大学上庄试验站，该试验站位于北京市海淀区上庄镇辛力屯村东(115°50′ E， 40°02′ N)，海拔50 m。属暖温带大陆性季风气候，年平均气温为11.4 ℃，绝对最低温为-21.7 ℃，绝对最高温为41.6 ℃，年平均降水量628 mm。全年无霜期211 d。供试材料为搭载“实践八号”育种卫星的山丹新麦草种子发育而成的当代植株(2006年9月9-24日，卫星在近地点187 km、远地点463 km的近地轨道上运行355 h，航程900多万km，搭载后的新麦草种子育苗后种在温室，春季单株移栽到中国农业大学北京地区试验地)。

1.2测定内容与方法 2009年5月，试验站平均气温23.3 ℃，降水量为 43.6 mm，与往年同期相比降水量较少，气温偏高，相对干旱，在航天诱变当代单株中目测选择生长旺盛的植株25个，随机编号，分别测定其株高、叶宽、叶长、丛幅(最宽处)等指标。剪取叶片用冰盒带回实验室测定叶片相对含水量、丙二醛含量、脯氨酸含量、叶片可溶性糖含量，其中，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法[13]测定。游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[13]测定，叶片可溶性糖含量采用蒽酮比色法[13]测定。

1.3数据处理 采用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析，分析25份太空搭载的新麦草当代种质材料抗旱性的差异，根据生长及生理生化指标，采用聚类分析法对25份航天育种新麦草材料进行聚类分析。

2 结果

2.125份新麦草的株高、叶宽、叶长、丛幅 15、21和24号新麦草植株较高，分别达到126.59、122.36和119.50 cm；18、13号新麦草植株相对较矮，显著低于10、11、15、21、23、24、25号新麦草种质材料(P<0.05)，分别为89.48和88.85 cm；15号新麦草的株高是13号新麦草的1.42倍(表1)。 21、7和17号叶片较宽，分别是0.62、0.60和0.59 cm；15号叶片最窄，仅为0.42 cm；21号新麦草是15号新麦草的1.5倍(表1)。 15、21和11号叶长分别是38.34、35.57和34.07 cm；22号新麦草叶片最短，是24.30 cm；15号新麦草叶片显著长于22号新麦草(P<0.05)。10、21号新麦草丛幅显著大于其他23份新麦草材料(P<0.05)，达到82.44和79.70 cm，10号新麦草丛幅是22号新麦草的1.67倍(表1)。

2.225份新麦草的丙二醛含量 23和25号新麦草丙二醛含量比较高(表1)，其中23号(3.19%)显著高于14、20、22、24、25除外的材料(P<0.05)；11和12号丙二醛含量显著低于23、25号新麦草种质材料(P<0.05)，分别为0.26%和0.27%(表1)；丙二醛含量最高的23号材料是含量最低的11号材料的12倍。

表1 25份新麦草材料的形态学差异

注:同列中标有不同字母表示差异显著(P<0.05)。

图1 25份新麦草种质材料的聚类树状图

2.325份新麦草的可溶性糖含量 25份新麦草材料中，15和10号可溶性糖含量显著高于1、2、3、4、6、9、13、18、23号(P<0.05)，分别为4.45%和4.44%，而2、3、6和23号比较低，其中3号材料最低(1.39%)，且显著低于15、10号材料(P<0.05)(表1)；15号材料可溶性糖含量是3号材料的3.2倍。

2.425份新麦草的脯氨酸含量 11和24号新麦草脯氨酸含量比较高，其中24号显著高于其他材料(P<0.05)，含量为0.205 8 mg/g；而2和6号含量比较低，其中2号新麦草脯氨酸含量最低，仅为0.053 6 mg/g，显著低于11和24号新麦草种质材料(P<0.05)(表1)；24号材料脯氨酸含量是2号的3.8倍。

2.525份新麦草的相对含水量 1和3号新麦草材料相对含水量较高，分别为93.55%和88.46%，其中 1号显著高于除2、3、6和23号以外的其他20种新麦草种质材料(P<0.05)。5、13、14、16、18、24和15号材料相对含水量比较低，其中15号新麦草表现最差(64.39%)，显著低于1和3号新麦草种质材料(P<0.05)，仅为相对含水量最高的1号新麦草的68.83%(表1)。

2.6聚类分析 对测定的8个指标进行综合聚类分析，从图1可以看出这25份新麦草材料在不同欧氏距离上的分组。根据25份新麦草材料耐旱性生理指标的分析结果，将25份新麦草种质材料划分4类，即4个抗旱级别，较强抗旱材料为23、25、24、10、21和15号；中度抗旱材料为11、22号；较弱抗旱材料为12、13、16、6、7、2、3、4、8、17、19、1、20、5、14和9号；抗旱性最弱的材料为18号。

3 讨论

由于空间条件的特殊性，牧草种子在空间飞行后会发生不同程度的变异，甚至是在地面难以获得的，其中有些变异极具育种价值，所以航天育种技术已经成为一种广泛采用的育种方法。近年来在不少草种中已有研究和应用。在航天材料抗逆性研究方面，徐云远等[14]通过测定卫星搭载的红豆草(Onobrychisviciifolia)、苜蓿和沙打旺(Astragalusadsurgens)种子的发芽率、田间生长情况、耐盐性、耐旱性，发现红豆草航天诱变子一代对盐胁迫和渗透胁迫具有抗性，并产生一定程度的抗病害能力；沙打旺的处理组抗病性也明显增强。通过对叶片、花及花序中同功酶分析，发现红豆草幼花序中过氧化物酶，苜蓿叶中的淀粉酶，沙打旺幼花花序中脂酶都发生了明显的改变。姚庆群等[15]通过测定太空育种后代柱花草种子在不同浓度PEG溶液胁迫下的发芽率、发芽势、发芽速度、抗旱指数等，筛选出了耐旱的种质材料。本研究中，空间搭载的新麦草当代出现性状差异。即使在选择的25份同属生长旺盛的种质材料中也有明显差异，15、21、24号植株较高，21、7、17号叶片较宽， 15、21、11号叶片较长，10和21号丛幅较其他具有显著性差异，与抗逆性有关的几种生理指标也显示出较大差异，初步表明航天诱变在改变新麦草材料的抗逆性方面有效果。而这种诱变效果的遗传和表达稳定性及持续性还有待进一步研究。

干旱环境中，叶片相对含水量是植物生理状态的一个重要指标[16]，是植物能否正常生长的最直接的指标。谷艳蓉等[17]在研究4种牧草幼苗对水分胁迫的响应及其抗旱性时，确定叶片相对含水量越高，抗旱性越强。单纯从叶片含水量角度看，本研究表明，1和3号新麦草抗旱性强。干旱情况下，植物要维持细胞膨压，需要增加细胞内的溶质，可溶性糖类物质会增加。在严重干旱状态下，可溶性糖的积累对细胞具有保护作用。谢田富和焦凤红[18]发现，随着干旱胁迫程度增加，不同生长类型的草地早熟禾(Poapratensis)品种体内可溶性糖含量增加。本研究15和10号新麦草可溶性糖保护作用显著高于其他新麦草，具有耐旱潜力。植物器官衰老或在逆境下遭受伤害，往往发生膜脂过氧化作用，丙二醛是膜脂过氧化的最终分解产物之一，具有很强的细胞毒性，对膜和细胞中的许多生物功能分子如蛋白质、核酸和酶等均具有很强的破坏作用，并破坏生物膜的结构与功能，其含量可反映植物遭受逆境伤害的程度。李进芳等[19]在研究3种早熟禾苗期的短期抗旱性时也发现，随着水分胁迫时间的延长，丙二醛含量呈增加的趋势。本研究中11和12号新麦草可能具有更完善的保护机制，丙二醛含量较低，在干旱胁迫下被毒害的程度低，有望选育出抗旱性强的品系。植物干旱胁迫下，脯氨酸积累，含量上升[20]，很多试验已经证实轻度水分胁迫使苜蓿根瘤组织积累较多的脯氨酸[21]。在正常情况下，植物中游离的脯氨酸含量仅为0.2～0.6 mg/g(以干质量计)，占总游离氨基酸的百分之几，而在干旱条件下，脯氨酸可成10倍地增加，占总游离氨基酸的30%。这些研究说明了脯氨酸的积累与植物抗旱性呈显著正相关。本研究中11和24号新麦草的叶片中积累的脯氨酸含量比较高，由此推测与其他材料相比，其具有更高的耐旱性。

植物抗旱性表现为复杂的数量性状，目前还没有发现一个性状可以作为唯一的、可靠的抗旱性鉴定指标，将各种指标综合起来作为衡量抗旱性高低的最终标准更为合理。孙铁军等[22]将土壤干旱胁迫下苗期7种抗旱性特征指标聚类，将10种禾草按抗旱能力高低分为3类。温超等[23]对幼苗抗旱性生理指标进行数学聚类分析，将15份野生冰草(A.cristatum)种质材料的抗旱性划分为3个级别。孟林等[24]、杨秀娟等[25]测定干旱胁迫下不同品种苜蓿苗期的生态、生理指标，综合聚类分析后，将所选材料划分为抗旱性较强、中、较弱3类。本研究通过对空间搭载的新麦草种质材料的株高、叶宽、叶长、丛幅、相对含水量、可溶性糖含量、脯氨酸含量和丙二醛含量8个指标综合聚类分析，将25份新麦草种质材料分为4个抗旱级别：较强、中、较弱和相对最弱。

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TheevaluationofnewdroughttolerantgermplasmsinRussianwildrye(Psathyrostachysjuncea)byspacebreeding

YU Xiao-dan, ZHANG Yun-wei

(Institute of Grassland Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Twenty-five Russian Wildrye (Psathyrostachysjuncea) germplasms were selected from the first generation individuals developed from space flight seeds to test the drought tolerance by using the relative water content, MDA content, proline content and soluble sugar content The results of this study showed that the height of individual 15, 21 and 24 were higher than that of others, leaf length of individual 15, 21 and 11 were longer than that of others, leaf width of individual 21, 7 and 17 were widest, and that cover of individual 10 and 21 was biggest. The individual 1 and 3 maintained higher relative water content under drought environment and the individual 2, 3, 6 and 23 showed the soluble sugar content. The MDA content in 11 and 12 individuals was lower and the proline content in 11 and 24 individuals was higher. The cluster analysis showed that 25 germplasms of Russian Wildrye were divided into three groups by drought tolerance, indicating that 23, 25, 24, 10, 21 and 15 fell into the group with stronger drought tolerance, 11 and 22 showed the medium drought tolerance, and that the weaker drought tolerance group included 12, 13, 16, 6, 7, 2, 3, 4, 8, 17, 19, 1, 20, 5, 14 and 9，the weakest drought tolerance group included 18.

space mutation breeding; Russion wildrye; drought resistance

Q945.7；S543.034

A

1001-0629(2011)01-0085-05

2010-03-23 接受日期：2010-06-24

十一五科技支撑项目[2008BADB3B04；2008BAD97B07；2008BAD95B12和“产业技术体系(牧草)”]

于晓丹(1984-)，女，河南郑州人，硕士，研究方向为牧草与草坪草种子育种。

张蕴薇 Email:zywei@126.com