太空环境对草地早熟禾的诱变效应及其诱成突变体的生物学变化
太空环境通过高真空、微重力、强辐射、高能粒子辐射、交变磁场及其它因素的单独或复合作用，影响植物的生长发育，诱发植物体不同水平的突变。这是扩大遗传变异，创造新种质和培育新品种的重要方法之一。
本研究以草地早熟禾品种‘纳苏’(PoapratensisL.‘Nassau’)为试材，通过“神舟”三号飞船(SZ-3)(飞行时间为162hr，近地点为200km，远地点为343km，舱内温度为15～25℃，气压为105Pa)进行搭载处理。未搭载种子为对照，经地面种植后研究了太空环境在个体水平、细胞水平、代谢水平以及分子水平等不同层次上的诱变效应，取得如下结果：
太空环境处理后，草地早熟禾种子发芽率为74.57％，仅高于CK2.89％，说明太空环境对草地早熟禾种子发芽率影响不大。但太空环境处理后，叶片数、分蘖数和株高的变异幅度分别为2～81片、0～26个和3～155mm，变化范围明显扩大。平均叶片宽度和最大叶片宽度分别达到2.43mm和5.5mm，宽于对照0.47mm和2.3mm。在1293株处理植株中，根据形态学指标进行筛选，初步确定3株突变植株，快速生长突变植株(PM1)、皱叶矮化突变植株(PM2)和嵌合体突变植株(PM3)。分株繁殖成为株系，进行下列研究：
对太空环境处理后草地早熟禾变异株系叶片的外观形态、表面结构、解剖结构和叶肉细胞的超微结构进行了观察和测量。结果表明，3个突变株系叶片均明显增宽、厚度减小；叶肉细胞的平均直径明显减少。PM1株系表皮细胞的平均直径与CK差异不显著，PM2和PM3株系表皮细胞的平均直径则比CK明显减小。进一步分析表明，PM1、PM2和PM3株系叶片宽度增加主要是由于细胞数目的增加；而叶片厚度减小的原因是叶肉细胞变小。
太空环境也使草地早熟禾叶片表面结构发生了改变。三个突变株系的叶片气孔密度增大，气孔面积减小，单位视野中气孔所占面积比则变化不大。因此其气孔分布更密，气孔更小，有利于水分的蒸腾扩散。
超微结构观察的结果表明，各突变株系叶肉细胞及叶绿体的超微结构均发生了较大的改变。三个突变株系叶肉细胞中的叶绿体均呈近球形，并向细胞中央聚集，淀粉粒数量比对照明显增多；而CK叶肉细胞中的叶绿体呈近纺锤形，贴近细胞壁排列，基粒片层排列整齐紧密，淀粉粒含量较少。PM1和PM2株系基粒片层整齐、排列较松散。PM3株系的正常绿色叶片叶绿体呈近纺锤形，基粒片层较整齐、排列较松散，淀粉粒数量较多；白绿相间叶片中叶肉细胞叶绿体呈近球形，基粒片层不整齐，淀粉粒数量很少，其白色部分的叶肉细胞中叶绿体多数正在或已经解体，结构不完整。
PM1和PM2株系叶肉细胞中的单个叶绿体面积减小；而PM3株系叶肉细胞中的单个叶绿体面积增大。PM3株系白绿相间叶片的过渡部分和白化部分细胞中的叶绿体数目和叶绿体面积占细胞切面的比例较对照显著降低，其白化部分中叶绿体正在解体，结构变得不完整。对光能的固定和同化主要由白绿相间叶片的绿色部分承担，是其叶肉细胞中叶绿体数目增加，且叶绿体面积占细胞切面的比例增大的主要原因。
太空环境处理后草地早熟禾各突变株系的近光饱和点、光补偿点和表观量子效率均不同程度的下降，近CO2饱和点均比CK高，但CO2补偿点均较低，与CK相比差异不大。羧化效率从低到高为PM2＜CK＜PM3＜PM1。说明突变株系的光合能力均不同程度的下降。
叶绿素含量测定结果表明，只有PM2株系Chla含量和Chlb含量都显著增加，Chla/b比值比CK显著降低，这说明PM2株系的耐荫能力可能较对照强。PM1和PM3株系Chla和b含量及Chla/b比值虽然略有增加或减少，但是差异不显著。
各突变株系的过氧化物酶同工酶和酯酶同工酶分析结果表明，谱带迁移率分别在4.1％～60.3％和33.8％～88.2％范围内。各变异株系与CK有一部分相同的谱带，认为是该品种的特征谱带，这是其遗传稳定性的表现；出现了特异谱带和缺失谱带；两种同工酶谱带的强弱在一定程度上反应了其活性的变化。这说明太空环境处理能明显改变过氧化物酶同工酶和酯酶同工酶的组成和活性。
通过对皱叶突变株系PM2和CK株系的蛋白质表达差异研究，分别鉴定出211个和327个蛋白质点。基本保持不变的蛋白质点有181个，上调节表达蛋白有15个，下调节表达蛋白有15个，不表达的蛋白有116个。肽质谱分析其中19个蛋白质点，其中仅在CK中表达的14个，仅在PM2株系中表达的3个；在PM2株系中下调节表达的2个。同源性查询后得到阳性结果的有10个蛋白质点：其中PM2-058为谷氨酸合成酶类似蛋白，PM2-175为磷酸丙糖异构酶类似蛋白；CK-103为ATP酶依赖型26S蛋白酶体类似蛋白；CK-330为1，5二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶类似蛋白；CK-376为硫氧还蛋白M前体类似蛋白；CK-391为二磷酸核酮糖羧化酶类似蛋白。其它四个蛋白质在已有的数据库中未能找到相近的蛋白质，均为未知功能蛋白或未知蛋白。
综上所述，我们认为太空环境处理对草地早熟禾种子发芽率影响不大，但改变了株型和器官的形态；导致了光合特性的改变，从而影响了其对光能的利用效率和固定CO2的能力；改变了其叶绿素的含量及种类的比例，从而影响了各变异株系对不同光质的利用效率；明显改变过氧化物酶同工酶和酯酶同工酶的组成和活性；蛋白质水平上也出现了明显变异。
本研究的各项实验结果为进一步深入研究太空环境诱发突变的生物学基础提供了可靠的信息；获得的创新材料为草坪植物育种提供了新种质，因而不仅具有一定的理论意义，同时具有一定的实践价值。
太空环境;诱变育种;草地早熟禾品种;酯酶同工酶;叶绿体
中国林业科学研究院
博士
森林培育
彭镇华;孙振元
2005
中文
S722.35;S812
83
2006-08-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）