全 文 ：文章编号 :100028551 (2007) 042339206
低能重离子诱导的狐米草 ( Spartina patens)突变系
生物量与光合能力比较
陆长梅1 　闫茂华1 ,2 　王蔓丽1 　吴国荣1 　钦　佩3
(11 江苏省资源生物技术重点实验室 , 江苏 南京　210097 ; 21 连云港师范高等专科学校 , 江苏 连云港　222006 ;
31 南京大学生命科学学院 , 江苏 南京　210093)
摘 　要 :为从狐米草低能重离子突变系中筛选出生物量大、光合能力强、并可在滩涂生长良好的牧草用突
变系 ,在室外模拟沿海滩涂环境中种植狐米草 ,检测各突变系的叶长、叶宽、茎高、茎直径、地上部分生物
量以及各突变系单位面积的光合能力等指标。结果显示 :各突变系的叶片均比对照大 ,茎也比对照高且
粗 ,但地上生物量只有 N1、N3 和 N5 突变系高于对照 ;多数突变系在光能的吸收、传递与光化学转换方
面的能力要高于对照 ,但只有 N1、N2、N3、N5 和 N9 等 5 个突变系的单位面积光合速率高于对照。综合
生物量与光合能力的检测结果 , N1、N3 和 N5 突变系在生物量与光合能力方面相对有较高的优势。这
为适合我国沿海滩涂生长的优良狐米草牧草突变系筛选提供了依据。
关键词 :狐米草 ;突变系 ;生物量 ;低能重离子 ;光合能力
COMPARISONS OF BIOMASS AND PHOTOSYNTHETIC ACTIVITY AMONG MUTANT
LINES OF SPARTINA PATENS INDUCED BY LOW ENERGY HEAVY ION
LU Chang2mei1 　YAN Mao2hua1 ,2 　WANG Man2li1 　WU Guo2rong1 　QIN Pei3
(11Jiangsu Key Lab for Bioresource Technology , Nanjing Normal University , Nanjing , Jiangsu 　210097 ;
21Lianyungang Teacher’s College , Lianyungang ,Jiangsu 　222006 ;
31Nanjing University , Nanjing ,Jiangsu 　210093)
Abstract :In order to screen out suitable lines for seashores in the east of China , lines of Spartin patens induced by low energy
heavy ion were grown at simulating seashore environment condition. Leaf length and width , stem height and diameter , biomass
and some photosynthetic indexes were assayed. Results showed that each mutant line’s leaf length was longer and leaf width
was wider than that of control , but only the biomasses of N1 , N3 and N5 lines were higher than that of control ; most mutant
lines had higher activities in absorption , transfer and photochemical conversion of light energy , but only the mutant lines of
N1 , N2 , N3 , N5 and N9 had higher photosynthetic rates than that of control . Colligating above results , conclusion could be
made that mutant lines of N1 , N3 and N5 had advantages on their biomasses and photosynthetic rates. These results provided
a reference for screening of S . patens mutant lines adapting to seashores in the east of China.
Key words : Spartina patens (Ait . ) Muhl ; mutant lines ; biomass ; low energy heavy ion ; photosynthetic ability
收稿日期 :2006211223
基金项目 :江苏省科学技术委员会自然基金资助项目 (2005SWXOSZ005) ;江苏省资源生物技术重点实验室资助项目 (164070300803)
作者简介 :陆长梅 (19692) ,女 ,江苏南通人 ,博士 ,副教授 ,主要从事植物生理生化与分子生物学研究。E2mail : luchangmei @njnu. edu. cn　　我国牧草生产主要集中于中西部地区。长期以来 ,由于干旱、过度放牧、虫害、鼠害等原因致使草场退化 ,严重制约畜牧业的发展。我国东部沿海滩涂面积多达 210 ×106 hm2 [1 ] ,而且每年还在以一定的速度增加。如此巨大面积的滩涂 ,由于单一或过度的养殖开 发 ,环境急剧恶化 ,海岸侵蚀现象严重[2 ] 。因此利用滩涂栽培优质牧草 ,既能发展当地畜牧业 ,又能开发利用滩涂 ,创造经济效益 ,而缺乏强耐盐性和高营养价值的优质牧草是我国滩涂畜牧业发展的制约因素[2 ,3 ] 。狐米草 ( Spartina patens (Ait1) Muhl1) 是禾本科
933　核 农 学 报　2007 ,21 (4) :339～344Journal of Nuclear Agricultural Sciences
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( Gramineae)米草属 ( Spartina)多年生泌盐草甸植物 ,原
产北美、欧洲和非洲 ,多生长于 0120 %～1152 %盐度的
沿海潮滩上 ,并能接受海水直接浇灌 ,部分品系在试验
条件下能忍耐 913 %的盐水浇灌 ,长期种植可脱除土
壤中的盐份 ,并有利于滩涂的固着和拓展[4 ] 。狐米草
在其原产地就被长期用于放牧和做干饲料 ,其总营养
价值高于禾本科牧草的平均值 ,对动物的适口性也较
好[5 ] ,曾作为优质耐盐牧草品种推荐给多个发展中国
家[4 ,6 ] 。研究表明 ,狐米草比中国滩涂原生草本植物碱
谷 ( Eleusine coracana (L1) Gaertn ) 、黑麦草 ( Lolium
perenne L. ) 、苜蓿 ( Medicago stiva1) 等的耐盐性更强 ,能
够在中国多数沿海重盐土和光滩上生长[5 ] ,且无造成
生物入侵的报道。因此 ,该物种的引进不仅可以填补
我国优质耐盐牧草资源稀缺的空白[5 ] ,对于滩涂湿地
开发、向海洋要地 ,也有着重要的生态意义。
南京大学盐生生态实验室从上个世纪末率先开始
进行狐米草的引种研究[7 ] 。由于引种的狐米草品系来
自单一种群 ,种内遗传多样性有限。为扩大遗传多样
性、获得更适合于我国滩涂生长的优良牧草用狐米草
品系 ,该实验室利用 N + 等重离子束低能注入技术处
理狐米草愈伤组织 ,首次诱导出狐米草再生植株 ,第一
年的温室培养发现有 315 个突变系在表型上存在一定
差异[7 ] 。又经过连续 2 年的温室栽培 ,近 20 个突变系
在表型等方面与对照组之间存在稳定的肉眼可见的差
异。本文选择了其中 10 个表型相对优良的突变系 ,模
拟沿海滩涂环境种植 ,并以野生系作对照 ,比较各突变
系地上部分的株型、生物量及光合能力 ,旨在为可供滩
涂生长的牧草用优良狐米草突变系的筛选提供依据。
1 　材料与方法
111 　供试材料与培养方法
南京大学生命科学学院盐生生态实验室于 2001
年用剂量为 216 ×1015～1516 ×1015 ionΠcm2 的 N + 重离
子束低能注入技术处理狐米草愈伤组织 ,获得再生突
变系[7 ] 。从 2002 年开始利用各突变系的地下根茎经
过连续 3 年的室内栽培 ,发现有 10 个突变系在表型上
具有稳定的优越性。2005 年 4 月初 ,进一步将这 1 0
个突变系 (N1～N10)和 1 个野生系 (CK) 的狐米草以等
密度种植于南京师范大学生命科学院花房露天向阳的
各个单独的水泥实验池内。用自来水溶解粗海盐配制
成 215 %盐度的人造海水 ,每 7d 用人造海水浇灌 1 次
以模拟沿海滩涂环境 ,每 30d 用 Hoagland 营养液浇灌 1
次以补充各种营养成分 ,并根据地面湿润状况适时喷
灌自来水。2005 年 8 月中旬在距离地面 5cm 处割去
所有突变系的地上部分 ,此后在室外自然条件下生长
并安全越冬。2006 年 4 月起 ,在同样人造海水浇灌条
件下生长 ,7 月 ,测量各突变系的叶长、叶宽、株高、茎
粗、茎密度以及地上生物量等 ,并同时测量各突变系光
合作用的相关指标。
112 　测定
11211 　叶长、叶宽与茎高、茎粗的测量 　随机选取每
种突变系中的 20 株 ,用米尺测量茎高与茎顶端第 1 片
完全展开叶的长、宽 ,用游标卡尺测量茎直径。
11212 　茎密度与地上部分生物量的测定 　随机选择
每种突变系面积为 20cm ×20cm 的 3 个样方 ,对每一样
方内的株数进行准确计数 ,待进行过光合作用各项指
标测定后 ,在距地面 5cm 处收割全部地上植株 ,自来水
冲洗干净 ,晾干 ,分别测量其总重量。
11213 　叶绿素含量测定 　参照 Arnon 法测定 ,每次测
定 3 次重复[8 ] 。
11214 　叶绿素荧光参数测定 (J IP2测定) 　采用 Handy
PEA(Hansatech 公司产品) 连续激发式荧光仪 ,随机选
择各突变系茎顶端第 1 片完全展开叶中部进行叶绿素
荧光诱导动力学分析。具体操作为 :先把茎顶端第 1
片完全展开叶的中部加入暗适应夹中并暗适应
20min ;随后以 1500μmol·m - 2 s - 1强度闪光 1s ,检测照光
后荧光信号的瞬时变化 ;通过 BiolyzerHP 3 软件分析狐
米草各突变系暗反应活化前各叶绿素荧光参数的变
化。每一突变系进行 8 次重复。
11215 　净光合速率 ( Pn) 测定 　用 PP2Systems 公司生
产的 CIRAS22 便携式光合系统测定 ,光强设为 1800
μmol·m - 2 s - 1 ,CO2 直接来源于大气 ,实测时叶室温度
为 39 ℃。随机选择各突变系茎顶端第 1 片完全展开
叶中部进行光合强度测定 ,每 3s 自动记录一次数值 ,
每一叶片稳定测定 4min ,每次测定进行 3 次重复。
11216 　数据分析 　各数据均经过 Origin 610 分析并作
图 ,数据差异显著性检验采用单因素 ANOVA 分析 (显
著性水平 P = 0105) 。
2 　结果与分析
211 　狐米草各突变系形态与生物量比较
21111 　叶与茎 　狐米草 10 个突变系的茎顶端第 1 片
完全展开叶的长与宽均显著高于对照 ,显示这 10 个突
变系的叶片均较对照大 ;而多个突变系间的叶长与叶
宽相差不大 ,仅 N3、N4 突变系的叶长稍短 ,N1、N2、N3
等突变系的叶宽稍宽而已 (图 1) 。10 个突变系的株高
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和茎直径也显著大于对照 ;各突变系间的茎直径相差
不大 ,但突变系间茎高度相差较大 ,N1、N2 突变系最
高 ,N6 最矮 (图 2) 。
图 1 　狐米草各突变系叶长、叶宽
Fig. 1 　Leaf length and width among mutant lines of S1 patens
图 2 　狐米草各突变系茎高、茎直径
Fig. 2 　Stem height and diameter among mutant lines of S1 patens
图 3 　狐米草各突变系茎密度、生物量
Fig. 3 　Stem density and biomass among mutant lines of S1 patens
212 　茎密度与生物量
图 3 显示 ,狐米草各个突变系不同样方间的茎密
度相差较大 ,N1、N3 和N5 突变系的茎密度显著高于对
照 ,尤以 N5 的密度最高 ,达 (85 ±13) 株Π20cm ×20cm ,
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合 (2125 ±321) 株Πm2 ;N7、N8、N10 突变系的茎密度显
著低于对照 ,密度最低的 N8 为 (25167 ±3) 株Π20cm ×
20cm ,合 (641175 ±79) 株Πm2 ;对照的茎密度在各突变系
间处于中间水平。而各突变系生物量 (地上部分) 间的
差异与茎密度呈显著正相关 ( r = 019691 ,dF = 10) ,表明
狐米草各突变系地上部分生物量主要取决于茎密度。
213 　狐米草各突变系光合相关参数比较
21311 　叶绿素含量 　在模拟滩涂条件下生长的狐米
草各突变系的叶绿素 a、b 以及总叶绿素含量在各突变
系间还存在一定的差别 (图 4) ;除 N6、N7 外 ,其余突变
系的叶绿素 a、b 以及总叶绿素含量均高于对照 ,其中
尤以 N1、N2、N3、N5、N9 与 N10 突变系显著 ,说明它们
捕获光能的能力较强。
21312 　叶绿素各荧光参数 　
2131211 　Vj 与 DIoΠRC 　荧光参数 Vj 表示有活性的
PSⅡ的关闭程度 ,DIoΠRC 代表每个活跃的 PS Ⅱ( RC)
浪费的能量[9 ,10 ] 。由图 5 可知 ,狐米草 N1、N3、N4、N5
以及 N9 和 N10 突变系 PS Ⅱ的关闭程度显著低于对
　　　　
图 4 　狐米草各突变系叶绿素 a、b 和叶绿素总量
Fig. 4 　Chlorophyll a , chlorophyll b and total chlorophyll
content among mutant lines of S1 patens
照 ,其余突变系与对照间没有显著差异 ;而所有突变系
RC能量消耗均显著低于对照 (N6 突变系除外) ,显示这
些突变系单位面积的能量利用效率均显著高于对照。
图 5 　狐米草各突变系间叶绿素荧光参数 Vj、DIoΠRC之比较
Fig. 5 　Comparisons of Vj and DIoΠRC among mutant lines of S1 patens
2131212 　FvΠFo 与 FvΠFm 　可变荧光 ( Fv) 与初始荧光
(Fo) 的比值 ( FvΠFo) 代表植物 PS Ⅱ活性的大小[9 ,10 ] 。
图 6 显示 ,狐米草各突变系的 FvΠFo 值均显著高于对
照 ,表明各突变系的 PS Ⅱ活性较强。Fv 与最高荧光
(Fm) 的比值 ( FvΠFm) 代表 PS Ⅱ的最大光能转化效率 ,
正常生长植物的 FvΠFm 值常常在 0180 左右[9 ,10 ] 。狐米
草各突变系的 FvΠFm 值显著高于对照 ,且均在 018 附
近 ,表明 215 %高盐浓度对狐米草并没有造成逆境胁
迫 ,其光合性能正常 (图 6) 。
2131213 　PIABS 　性能指数 PIABS是 3 个荧光参数 [ RCΠ ABS、φPo 和ψo ]的乘积 ,反映了植物单位受光面积对光能的吸收、转化效率[9～12 ] 。由图 7 可见 , N1、N2、N3、N4、N5 和 N9 突变系的单位面积能量吸收与转化效率均显著高于对照 ,其中尤以 N1 最高 ;N6、N7、N8 和 N10突变系与对照间没有显著性差异。21313 　光合速率 　图 8 显示 ,狐米草各突变系单位面积的 Pn 存在一定差异 ,N1、N2、N3、N5 和 N9 突变系的光合速率显著高于对照 ,其中尤以 N2 和 N9 突变系最高 ;N6 突变系显著低于对照 ,其余突变系与对照之间没有显著性差异 (图 8) 。
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图 6 　狐米草各突变系间叶绿素荧光参数 FvΠFo、FvΠFm
Fig. 6 　FvΠFo and FvΠFm among mutant lines of S1 patens
图 7 　狐米草各突变系间叶绿素荧光参数 PIABS
Fig. 7 　PIABS among mutant lines of S1 patens 图 8 　狐米草各突变系光合速率比较Fig. 8 　Comparisons of photosynthetic rates among
mutant lines of S1 patens
3 　讨论与结论
由于低能重离子辐照所致的生物材料遗传学变异
是随机而不定向的。虽然经过 3 年的室内选育 ,已发
现有 10 个表型相对优良的突变系 ,但这 10 个突变系
能否适应滩涂生长 ? 是否拥有优良牧草所应具有的其
他性状 ? 为此 ,本研究进一步在室外模拟滩涂条件种
植这 10 个狐米草突变系 ,并检测各突变系的形态、生
物量与光合能力 ,旨在从中筛选出生物量相对大、光合
能力又相对强的突变系。
形态与生物量的检测结果表明 ,狐米草各突变系
的叶片均较对照大、茎较对照高且粗 ;但由于各突变系
的密度相差较大 ,致使最终只有 N1、N3 和 N5 突变系
的生物量显著高于对照 ,其中又以 N5 最高 ;而 N7、N8
和 N10 突变系显著低于对照 ,最低的又为 N8。
光合方面的检测结果显示 :多数突变系对光能的
吸收、传递与光化学转换能力高于对照 ,其中又以 N1、
N3、N4、N5 和 N9 突变系更高 ;虽然反映光能吸收能力
的叶绿素总量与 Pn 呈高度正相关 ( r = 018464) 、反映
光能转化效率的 FvΠFo 和 FvΠFm 与 Pn 呈显著正相关
( r 值分别为 015456 与 015254) 、反映能量浪费程度的
DIoΠRC等与 Pn 呈负相关 ( r = - 01343) 等表明光反应
速率对 Pn 具有较大的影响 ,但是只有 N1、N2、N3、N5
和 N9 等突变系的 Pn 值高于对照 ,表明各狐米草突变
系光合作用的限速步骤可能更多地发生在暗反应阶
段。
各突变系生物量与 Pn 之间仅呈微弱正相关 ( r =
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011566) ,而突变系生物量与茎密度、高度相关 ( r =
019691) ,反映了狐米草群体光合能力对生物量影响更
大 ;N1、N3 和 N5 等突变系的单位面积光合能力较强 ,
其地上部分生物量也高 ,表明这 3 个突变系的单位面
积光合能力与群体光合能力均较强。
总之 ,低能重离子束诱变可以改变部分狐米草的
株型、茎密度和光合能力 ,从而最终改变狐米草的生物
量。本研究初步认为 ,10 个突变系中 ,N1、N3 和 N5 突
变系 ,在生物量与光合能力方面较其他突变系具有较
大的优势 ,可以作为适应滩涂生长的牧草用狐米草突
变系的备选材料。
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会讯 :
2008 年国际植物诱发突变大会将在维也纳举行
自上世纪 20 年代以来 ,理化诱变技术在植物遗传变异创制、新品种培育和遗传学研究等领域发挥了重要作
用。适逢突变技术应用于植物遗传改良 80 周年之际 ,由国际粮农组织和国际原子能机构 ( FAOΠIAEA) 联合署主
办的“国际植物诱发突变大会”将于 2008 年 8 月 12 日至 15 日在奥地利首都维也纳国际原子能机构总部举行。这
将是 1969 年首届国际植物诱发突变大会召开以来规模最大的一次学术盛会。
自 1995 年第七届国际植物诱发突变大会后 ,植物功能基因组学的空前发展为诱发突变技术的研究与应用注
入了新的活力 ,诱发突变的基础研究以及基于基因组学的农作物重要性状基因发掘和作物新性状塑造等方面均
取得显著进展。本次大会将成为世界植物突变及相关领域研究者与决策者展示新成果、交流新经验和探讨未来
合作与发展的重要平台。
大会主要议题包括 :自然突变、理化诱变及插入突变的分子遗传学与生物学 ;高通量突变筛选技术 ( TILLING
及其他反向遗传学策略) ;诱发突变新技术 (离子注入、航天诱变等) ;植物突变种质资源的收集、保存、鉴定与利
用 ;植物突变新种质的创制与新品种培育 ;农作物抗病、抗逆、品质及营养性状的突变分析与相关基因发掘 ;重大
突变品种的社会经济效益分析等。
会议免收注册费 ,工作语言为英语。申请参会代表需事先提交论文摘要 ,论文摘要的征集截止日期为 2007
年 12 月 17 日。有关此次会议的详细情况请参阅大会网页 : http :ΠΠwww2pub. iaea. orgΠMTCDΠMeetingsΠ
Announcements. asp ? ConfID = 167
中国农业生物技术学会作物生物技术分会将协办本次大会 ,学会秘书处将根据国内代表报名情况考虑组团
赴会。
(刘录祥)
443 Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2007 ,21 (4) :339～344
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net