太空環(huán)境對(duì)草地早熟禾的誘變效應(yīng)及其誘成突變體的生物學(xué)變化.pdf

1、太空環(huán)境通過高真空、微重力、強(qiáng)輻射、高能粒子輻射、交變磁場(chǎng)及其它因素的單獨(dú)或復(fù)合作用，影響植物的生長發(fā)育，誘發(fā)植物體不同水平的突變。這是擴(kuò)大遺傳變異，創(chuàng)造新種質(zhì)和培育新品種的重要方法之一。 本研究以草地早熟禾品種‘納蘇’(PoapratensisL.‘Nassau’)為試材，通過“神舟”三號(hào)飛船(SZ-3)(飛行時(shí)間為162hr，近地點(diǎn)為200km，遠(yuǎn)地點(diǎn)為343km，艙內(nèi)溫度為15～25℃，氣壓為105Pa)進(jìn)行搭載處理。未搭

2、載種子為對(duì)照，經(jīng)地面種植后研究了太空環(huán)境在個(gè)體水平、細(xì)胞水平、代謝水平以及分子水平等不同層次上的誘變效應(yīng)，取得如下結(jié)果： 太空環(huán)境處理后，草地早熟禾種子發(fā)芽率為74.57％，僅高于CK2.89％，說明太空環(huán)境對(duì)草地早熟禾種子發(fā)芽率影響不大。但太空環(huán)境處理后，葉片數(shù)、分蘗數(shù)和株高的變異幅度分別為2～81片、0～26個(gè)和3～155mm，變化范圍明顯擴(kuò)大。平均葉片寬度和最大葉片寬度分別達(dá)到2.43mm和5.5mm，寬于對(duì)照0.47mm

3、和2.3mm。在1293株處理植株中，根據(jù)形態(tài)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行篩選，初步確定3株突變植株，快速生長突變植株(PM1)、皺葉矮化突變植株(PM2)和嵌合體突變植株(PM3)。分株繁殖成為株系，進(jìn)行下列研究： 對(duì)太空環(huán)境處理后草地早熟禾變異株系葉片的外觀形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)、解剖結(jié)構(gòu)和葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察和測(cè)量。結(jié)果表明，3個(gè)突變株系葉片均明顯增寬、厚度減小；葉肉細(xì)胞的平均直徑明顯減少。PM1株系表皮細(xì)胞的平均直徑與CK差異不顯著，PM

4、2和PM3株系表皮細(xì)胞的平均直徑則比CK明顯減小。進(jìn)一步分析表明，PM1、PM2和PM3株系葉片寬度增加主要是由于細(xì)胞數(shù)目的增加；而葉片厚度減小的原因是葉肉細(xì)胞變小。 太空環(huán)境也使草地早熟禾葉片表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。三個(gè)突變株系的葉片氣孔密度增大，氣孔面積減小，單位視野中氣孔所占面積比則變化不大。因此其氣孔分布更密，氣孔更小，有利于水分的蒸騰擴(kuò)散。 超微結(jié)構(gòu)觀察的結(jié)果表明，各突變株系葉肉細(xì)胞及葉綠體的超微結(jié)構(gòu)均發(fā)生了較大的

5、改變。三個(gè)突變株系葉肉細(xì)胞中的葉綠體均呈近球形，并向細(xì)胞中央聚集，淀粉粒數(shù)量比對(duì)照明顯增多；而CK葉肉細(xì)胞中的葉綠體呈近紡錘形，貼近細(xì)胞壁排列，基粒片層排列整齊緊密，淀粉粒含量較少。PM1和PM2株系基粒片層整齊、排列較松散。PM3株系的正常綠色葉片葉綠體呈近紡錘形，基粒片層較整齊、排列較松散，淀粉粒數(shù)量較多；白綠相間葉片中葉肉細(xì)胞葉綠體呈近球形，基粒片層不整齊，淀粉粒數(shù)量很少，其白色部分的葉肉細(xì)胞中葉綠體多數(shù)正在或已經(jīng)解體，結(jié)構(gòu)不完整

6、。 PM1和PM2株系葉肉細(xì)胞中的單個(gè)葉綠體面積減??；而PM3株系葉肉細(xì)胞中的單個(gè)葉綠體面積增大。PM3株系白綠相間葉片的過渡部分和白化部分細(xì)胞中的葉綠體數(shù)目和葉綠體面積占細(xì)胞切面的比例較對(duì)照顯著降低，其白化部分中葉綠體正在解體，結(jié)構(gòu)變得不完整。對(duì)光能的固定和同化主要由白綠相間葉片的綠色部分承擔(dān)，是其葉肉細(xì)胞中葉綠體數(shù)目增加，且葉綠體面積占細(xì)胞切面的比例增大的主要原因。 太空環(huán)境處理后草地早熟禾各突變株系的近光飽和點(diǎn)、光

7、補(bǔ)償點(diǎn)和表觀量子效率均不同程度的下降，近CO2飽和點(diǎn)均比CK高，但CO2補(bǔ)償點(diǎn)均較低，與CK相比差異不大。羧化效率從低到高為PM2＜CK＜PM3＜PM1。說明突變株系的光合能力均不同程度的下降。 葉綠素含量測(cè)定結(jié)果表明，只有PM2株系Chla含量和Chlb含量都顯著增加，Chla/b比值比CK顯著降低，這說明PM2株系的耐蔭能力可能較對(duì)照強(qiáng)。PM1和PM3株系Chla和b含量及Chla/b比值雖然略有增加或減少，但是差異不顯著。

8、 各突變株系的過氧化物酶同工酶和酯酶同工酶分析結(jié)果表明，譜帶遷移率分別在4.1％～60.3％和33.8％～88.2％范圍內(nèi)。各變異株系與CK有一部分相同的譜帶，認(rèn)為是該品種的特征譜帶，這是其遺傳穩(wěn)定性的表現(xiàn)；出現(xiàn)了特異譜帶和缺失譜帶；兩種同工酶譜帶的強(qiáng)弱在一定程度上反應(yīng)了其活性的變化。這說明太空環(huán)境處理能明顯改變過氧化物酶同工酶和酯酶同工酶的組成和活性。 通過對(duì)皺葉突變株系PM2和CK株系的蛋白質(zhì)表達(dá)差異研究，分別鑒定出

9、211個(gè)和327個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)?；颈３植蛔兊牡鞍踪|(zhì)點(diǎn)有181個(gè)，上調(diào)節(jié)表達(dá)蛋白有15個(gè)，下調(diào)節(jié)表達(dá)蛋白有15個(gè)，不表達(dá)的蛋白有116個(gè)。肽質(zhì)譜分析其中19個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)，其中僅在CK中表達(dá)的14個(gè)，僅在PM2株系中表達(dá)的3個(gè)；在PM2株系中下調(diào)節(jié)表達(dá)的2個(gè)。同源性查詢后得到陽性結(jié)果的有10個(gè)蛋白質(zhì)點(diǎn)：其中PM2-058為谷氨酸合成酶類似蛋白，PM2-175為磷酸丙糖異構(gòu)酶類似蛋白；CK-103為ATP酶依賴型26S蛋白酶體類似蛋白；CK-33

10、0為1，5二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶類似蛋白；CK-376為硫氧還蛋白M前體類似蛋白；CK-391為二磷酸核酮糖羧化酶類似蛋白。其它四個(gè)蛋白質(zhì)在已有的數(shù)據(jù)庫中未能找到相近的蛋白質(zhì)，均為未知功能蛋白或未知蛋白。 綜上所述，我們認(rèn)為太空環(huán)境處理對(duì)草地早熟禾種子發(fā)芽率影響不大，但改變了株型和器官的形態(tài)；導(dǎo)致了光合特性的改變，從而影響了其對(duì)光能的利用效率和固定CO2的能力；改變了其葉綠素的含量及種類的比例，從而影響了各變異株系對(duì)不同光質(zhì)