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60Co-辐射对光果甘草种子耐盐性影响
高睿1,马淼1,2,赵红艳3
（1石河子大学生命科学学院,新疆石河子832003；2石河子大学甘草研究所,新疆石河子832003；
3新疆师范大学图书馆,乌鲁木齐830054）
摘 要：筛选有助于提升光果甘草种子耐盐性能的最佳辐射剂量,为发展其在盐碱荒漠和盐渍化弃耕地中的人工种植提供重要指导建议.应用辐射诱变技术,研究经不同剂量的60Co-γ射线辐射处理的光果甘草种子在高盐胁迫条件下的萌发特性,比较不同处理下的种子在高浓度Na2SO4胁迫下的萌发率、累积萌发率和萌发指数.结果表明：未经辐射处理的光果甘草种子的萌发率与盐浓度之间呈负相关,随着盐浓度的升高,萌发率显著降低,起始萌发的时间推迟以及达到最大萌发率所需的时间延长.但经100 Gy和300 Gy的60Co-γ辐射处理后的光果甘草种子,不仅在高盐环境中的萌发率极显著高于零辐射组,而且种子萌发时间明显缩短.合适剂量的60Co-γ辐射处理确实能够有效提高光果甘草种子在Na2SO4胁迫环境下的萌发率,在种植时,应针对土壤中的Na2SO4浓度选择相应的60Co-γ辐射剂量进行处理.
关键词：光果甘草；60Co-γ辐射；盐胁迫；萌发率；萌发时间；发芽势
中图分类号：S567.23+9 文献标志码：A 论文编号：cjas16010008
基金项目：国家自然科学基金项目“高盐环境下乌拉甘草叶片气孔泌盐与光合气体交换的利益冲突及权衡策略的研究”(31360047)；石河子大学重大科技攻关项目“耐盐甘草种质的筛选与人工创制”(gxjs2012-zdgg06).
第一作者简介：高睿,女,1992 年出生,研究生,主要从事甘草耐盐性的研究.通信地址：832000 新疆维吾尔自治区石河子市石河子大学生命科学学院,E-mail：1473211643@.com.
通讯作者：马淼,男,1970 年出生,教授,博士,从事甘草耐盐机理的研究.通信地址：832000 新疆维吾尔自治区石河子市石河子大学生命科学学院,E-mail：mamiaogg@126.com.
收稿日期：2016-01-12,修回日期：2016-03-21.
0 引言
光果甘草(Glycyrrhiza glabra L.) 系豆科(Leguminosae)甘草属(Glycyrrhiza)多年生草本植物[1],多生长于河岸阶地,沟边、田边、路旁以及较干旱的轻微盐渍化土壤[2].在欧洲、地中海区域、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、俄罗斯西伯利亚地区以及蒙古有较为广泛的分布,在中国仅分布于新疆[3].甘草作为一味重要的中药材,因其药效突出以及在中药方剂中应用十分广泛的特点,素有“中药国老”和“十方九草”的称谓[4-5].光果甘草是中药甘草的原植物之一[2],具有清热解毒、润肺止咳、消炎祛痰、平喘解痉、抗肿瘤、抗病毒和提高免疫力等诸多药理功效[6-10],被广泛应用于药品和保健品的生产.甘草中含有较高含量的甘草甜素和具有抗氧化活性的黄酮类与多酚类物质[11-13],致使甘草在现代食品、保健品及化妆品行业中备受青睐,其中新疆甘草黄酮类成分含量较高[14].近年来研究表明,光果甘草的根和根状茎细胞内存在着具有活性很强的皮肤美白功能成分——光果甘草定(Glabridin)及光果甘草素(Glabrene) [15],光果甘草定能深入皮肤内部,有效抑制黑色素生成过程中多种酶（如抑制酪氨酸酶）的活性[16-18],是一种快速、高效、安全、绿色的美白祛斑化妆品添加剂[19],故光果甘草定有“美白黄金”的美誉[20-21].市场需求巨大,而野生光果甘草却因连年掠夺式的采挖濒临灭绝,因此,大力发展光果甘草的人工栽培技术势在必行.然而随着人口的迅猛增长、城市化进程的加剧和农田环境的不断恶化,人口数量与耕地面积间的矛盾已经日益凸显.所以,培育抗逆性强的优质品种,研究已迫在眉睫.
盐碱地是制约农业生产的重要因素之一[22-23],在盐碱胁迫下,种子萌发是决定植物能否成功建植和生长的关键阶段[24-25],新疆盐碱地中以硫酸盐为主的盐分比例较大.故此,探寻提高光果甘草种子在高硫酸盐环境下的耐受性对其在盐碱地大面积种植具有重要意义.
辐射诱变育种是培育作物新品种的重要手段之一,很早就应用于诱变育种研究领域[26-27].60Co-γ射线诱发作物突变作为常规育种的补充手段,已被育种学家所广为重视和利用,并且已取得显著的成绩[28-30],但以光果甘草种子为辐射材料的研究尚未见报道.
以不同剂量60Co-γ射线对光果甘草种子进行辐射处理,并在不同浓度的Na2SO4环境中进行种子萌发试验,旨在探索60Co-γ射线辐射对盐胁迫条件下光果甘草种子萌发特性的影响,以期探寻在盐胁迫条件下能显著促进光果甘草种子萌发的60Co-γ射线辐射剂量,为光果甘草的辐射诱变育种和在盐渍化土壤中的人工栽培提供理论依据.
1 材料与方法
1.1 材料
试验所用的光果甘草种子由石河子大学甘草研究所提供,种子千粒重为5.96 g.
1.2 试验方法
1.2.1 种子处理选取颗粒饱满,大小均一的光果甘草种子置于烧杯中,加入98%的浓硫酸,用玻璃棒不断地缓慢搅拌30 min,用自来水充分冲洗后阴干.
将阴干的种子送往新疆农业科学院辐射中心,进行60Co-γ射线辐射处理,辐射剂量率为2.75 Gy/min,辐射剂量分别为0、100、200、300 Gy 共4 组（其中称未经辐射的处理为零辐射组）.
将不同辐射处理后的种子分别置于不同浓度的Na2SO4溶液中,在25℃条件下浸泡24 h.Na2SO4浓度分别为：0、320、360、400 mmol/L,共16 个处理（其中称0 mmol/L Na2SO4处理组为零盐组）.
1.2.2 室内发芽试验将经预处理后的种子均匀地摆放于铺有2 层滤纸的透明萌发盒内,加入25 mL相应浓度的Na2SO4盐溶液（与预处理浸种时的盐溶液浓度一致）,将萌发盒置于光照培养箱（25℃,光照12 h/d,光照强度为450 μmol/(m2· s)）内培养.每组处理30 粒种子,设3 次重复,用称重法每天补充经蒸发损失的水分,以保持萌发盒中盐溶液浓度的恒定.
1.2.3 萌发率统计从种子置床之日开始,每隔24 h 观察种子萌发情况并记录萌发种子数（以胚根突出种皮2 mm为标准）,连续统计7 天.并按下列公式统计萌发率、累积萌发率及萌发指数.
1.3 数据处理
采用Excel 和SPSS 13.0 对数据进行统计分析.
用单因素试验统计分析方法,对光果甘草不同处理的试验数据进行差异显著性检测.
2 结果与分析
2.1 不同剂量的60Co-γ辐射对光果甘草种子萌发率的影响
由图1 可以看出,在零辐射处理条件下,光果甘草种子在蒸馏水中的萌发率为93.33%,随着溶液中Na2SO4浓度的增加,种子萌发率均呈显著下降趋势.在320、360 mmol/L 的盐浓度下,其萌发率分别仅为64.4%和48.9%,当Na2SO4浓度增加至400 mmol/L 时,光果甘草种子的萌发率下降为零.可见,环境盐浓度对光果甘草的种子萌发具有显著的抑制效应,随盐浓度的升高,抑制效应逐渐增强,未经60Co-γ射线辐射的光果甘草种子在400 mmol/L 的Na2SO4浓度下将不能萌发.
60Co-γ射线辐射对光果甘草种子萌发率具有极显著的的影响效应（如图1 所示）.在零盐处理组中,当辐射剂量为100 和300 Gy 时,萌发率分别为91.11%和92.22%,与零辐射组之间无显著性差异,而200 Gy 的60Co-γ辐射处理下其种子萌发率极显著降低(P<0.01),仅为48.89%.说明光果甘草的种子萌发率与辐射剂量之间不存在线性的剂量效应关系.
在320 mmol/L 和360 mmol/L 的Na2SO4 胁迫下,200 Gy 60Co-γ射线辐射处理下的甘草种子萌发率分别为31.11%和6.67%,相较于零辐射组相同浓度Na2SO4胁迫下的64%和49%的种子萌发率,分别下降了33.32%和42.23% (P<0.01)；然而经100、300 Gy的60Co-γ射线辐射处理的甘草种子的萌发率却得到了显著提升(P<0.05),100 Gy 辐射下萌发率分别达到了80%和71%,远高于零辐射组64%的种子萌发率；300 Gy辐射下种子萌发率达到了65%和61%,远高于零辐射组49%的种子萌发率.在400 mmol/L Na2SO4胁迫下,零辐射组的光果甘草种子萌发率为零,而100、300 Gy辐射组的萌发率分别为66.67%和44.44%,说明辐射处理能极显著地提高光果甘草种子的萌发率(P<0.01).
2.2 60Co-γ辐射对Na2SO4胁迫下光果甘草种子累积萌发率的影响
萌发率这一指标仅涉及种子群体中能萌发的种子数目,而没有考虑种子萌发的速度和整齐度.累积萌发率可以比较全面的看到种子发芽速度快慢及出芽高峰期的时间先后.特定时间累积萌发率的高低,能够更清晰地反映出辐射处理对种子萌发所产生的影响.
随萌发天数的增加,各浓度Na2SO4胁迫处理下甘草种子累积萌发率的变化趋势一致,均呈现逐渐增加并最终趋于稳定的变化格局.未经辐射处理的种子随着盐胁迫浓度的增加,种子萌发的起始时间和萌发高峰期的时间均呈现极显著地推迟效应,萌发率降低,不同浓度的Na2SO4胁迫处理之间显示出较大的差异（图2）.
而60Co-γ射线辐射处理能显著提高盐胁迫条件下光果甘草种子的萌发速度,缩短种子萌发的时间（图3）.零盐处理组的光果甘草种子,各剂量辐射处理下的累积萌发率在第1 天后均趋于稳定.随着Na2SO4盐胁迫浓度的增加,不同剂量辐射处理种子萌发的起始时间和发芽高峰期的时间均出现推迟,萌发率降低.在320 mmol/L Na2SO4胁迫下,100 Gy处理的种子于第2 天后开始萌发,前3 天的累计萌发率已经达到41.44%,而未辐射的对照组种子第3 天才开始萌发,其前3 天的累积萌发率仅为4.44%（图3）,100 Gy辐射处理下的光果甘草种子萌发速度和累积萌发率均显著高于零辐射组及其他辐射处理组.经100 Gy 辐射处理的光果甘草种子在第5 天即已达到最大萌发率(77.78%),其种子萌发的整齐程度显著优于对照组.在360 mmol/L Na2SO4胁迫下,100 Gy 与300 Gy 辐射处理的种子于第3天即开始萌发,前5天的累积萌发率分别为48.89%和43.33%,未经辐射处理的对照组种子虽然也于第3天开始萌发,但其前5天的累计萌发率仅为10.00%,100 和300 Gy处理的种子累积萌发率显著高于对照组.在400 mmol/L Na2SO4胁迫下,零辐射组的种子7天内无种子萌发；而辐射处理组种子自第4天开始陆续萌发,100、300 和200 Gy辐射处理的种子前7天的累积萌发率分别为66.67%、32.22%和44.44%,经辐射处理的种子无论萌发速度还是累积萌发率均显著高于对照组.
2.3 60Co-γ辐射对Na2SO4胁迫下光果甘草种子萌发指数的影响
萌发指数也是表征种子萌发速度快慢的一个指标,如图4 所示,随着Na2SO4浓度的增大,未辐射组种子的萌发指数呈现快速下降的趋势.而经100 Gy 和300 Gy 辐射处理的种子的萌发指数则始终显著高于对照组.这表明：盐胁迫会降低种子的萌发速度,但合适的辐射剂量可以提高种子的萌发指数,提高甘草种子在盐胁迫条件下的萌发速度.
表1 为不同剂量的60Co-γ辐射处理对4 组不同浓度的Na2SO4 胁迫下光果甘草种子萌发高峰期的影响.零盐组的光果甘草种子萌发高峰期均为第1 天.随着Na2SO4浓度的升高,甘草种子的萌发高峰期有明显推迟的趋势,320 mmol /L Na2SO4处理下,零辐射组和200 Gy 辐射处理下的光果甘草种子萌发高峰期延迟至第6 天,然而100、300 Gy辐射处理下的种子萌发高峰期分别出现在第3 和第5 天；360 mmol /L Na2SO4处理下,零辐射组和200 Gy辐射处理下的光果甘草种子萌发高峰期均延迟至第6 天,100、300 Gy 辐射处理下的种子萌发高峰期均为第5 天；400 mmol /L Na2SO4处理下,零辐射组甘草种子7 天内未见萌发,而100、200、300 Gy辐射处理下种子萌发高峰期分别在第5、6和第7 天.表中统计结果显示：盐胁迫会显著推迟种子萌发高峰期的出现,但100、300 Gy的辐射可以改善盐胁迫对种子萌发高峰期的延迟效应.
3 讨论
本研究应用辐射诱变技术,研究经辐射处理的光果甘草种子在盐碱胁迫条件下的萌发状况,筛选出有助于提高光果甘草种子萌发能力的最佳辐射剂量,对在盐碱荒漠和盐渍化弃耕地中发展光果甘草的人工种植具有十分重要的指导意义.对绝大多数种子植物而言,种子萌发阶段对环境胁迫最为敏感,所以常用胁迫条件下种子的萌发状况来评价植物抗逆性的强弱[31].在盐渍环境中,种子能够正常萌发是植株在盐碱胁迫环境中能够进一步生长发育的前提,盐胁迫下的种子萌发状况是评价植物耐盐性的一个重要指标[32].
适量的60Co-γ射线辐照能够提高光果甘草种子的萌发率,缩短发芽时间,提高芽的生长速度,这与60Co-γ辐照对乌拉尔甘草种子萌发特性研究的结果相似[33].在同一浓度的Na2SO4胁迫下,经辐射处理的种子无论萌发速度还是累积萌发率均显著高于零辐照组,故此,认为辐射处理能显著提高盐胁迫条件下光果甘草种子的萌发速度,缩短种子萌发的时间,促进种子在盐碱环境下的快速定植.其中,在高盐浓度胁迫环境下,100、300 Gy的60Co-γ射线辐射处理均能显著提高光果甘草种子的萌发率和萌发速度,且促进效应随盐浓度的增加而愈加显著；而200 Gy的辐射处理则会显著抑制光果甘草种子的萌发率.100、300 Gy 的辐射处理能提高光果甘草种子对高盐环境的耐受能力,这可能是由于辐射引起了种子内部生物自由基或有关酶活性的变化,从而提高了种子的新陈代谢水平,进而促进种子的萌发.
辐照射线对乌拉尔甘草、胀果甘草、菘蓝、白花草木樨、黄花草木樨等中药材植物种子在盐胁迫环境下的萌发特性研究中也有相似结果[27].其中光果甘草、乌拉尔甘草和胀果甘草种子的适宜辐照剂量均不具连续性,于200 Gy 的60Co-γ射线辐照处理下均表现出种子萌发受抑制的现象,其对适宜辐照剂量的选择具有一定的特殊性.由此可见,当60Co-γ射线辐射剂量在100 Gy或300 Gy时,对光果甘草种子在高浓度Na2SO4溶液中耐盐性能的提升有显著且稳定地促进效应.由于时间和试验条件限制,本研究对光果甘草种子萌发适宜辐照剂量的选择特殊性未做探讨,200 Gy的60Co-γ射线辐照处理抑制萌发率降低的机制还有待进一步研究.
4 结论
试验结果表明,不同剂量的60Co-γ射线辐射对光果甘草种子萌发能力产生的影响效果不同,种子萌发率与辐射剂量间不存在简单的线性剂量效应.播前用100 或300 Gy 的60Co-γ射线辐射光果甘草种子,对其在盐渍化土壤环境中的萌发有积极的促进作用,因此,在生产过程中推荐应用辐射处理种子的方法来提高光果甘草种子发芽阶段的耐盐性能.而辐射处理对光果甘草幼苗耐盐能力的影响以及经辐照处理的光果甘草对不同盐分环境的耐受性能还有待进一步探讨.
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