全 文 ：收稿日期: 20030822
基金项日: 优质抗逆草坪草早熟禾等新品种选育(国家 863计划, 2002AA241061)
作者简介: 韩蕾( 1972 ) ,黑龙江依兰县人,助理研究员
* * 本文通讯作者, Email: Sunzy@ caf . ac cn, 01062889626
林业科学研究 2004, 17( 3) : 310~ 315
Forest Research
文章编号: 10011498( 2004) 03031006
空间环境对草地早熟禾叶片解剖结构
及同工酶酶谱的影响
韩 蕾1 , 孙振元1* * , 郭 燕2 , 佟一超3 , 李银凤1 , 彭镇华1
( 1 中国林业科学研究院生物技术室,北京 100091; 2华中农业大学,湖北 武汉 430070;
3北京飞鹰绿色食品有限公司,北京 100045)
摘要: 将 神舟!三号( SZ3)飞船搭载的草地早熟禾品种纳苏干种子地面种植后,根据形态变化进行初
步筛选, 并通过分株扩繁出突变株系 PM1、PM2 和 PM3。对这三个草地早熟禾突变株系的叶片解剖结
构及过氧化物酶同工酶和酯酶同工酶进行观察。结果表明, 与对照 ( CK)相比, 三个变异株系由于细
胞数目的增加使叶片宽度明显增加;叶肉细胞平均直径降低使叶片厚度减少; PM2、PM3 株系叶片泡状
细胞的增多, 改变了叶片的形态。过氧化物酶同工酶谱带 CK 有 11 条, 迁移率为 463% ~ 4722% ;
PM1 有 21条谱带 ,迁移率为 278% ~ 6852% ; PM2 有 18条谱带, 迁移率为 278% ~ 6759% ; PM3 有 20
条谱带, 迁移率为 278% ~ 6389%。酯酶同工酶谱带 CK有 3条, 迁移率为 5974% ~ 9481% ; PM1 有
8 条谱带,迁移率为 3896% ~ 9481% ; PM2 有 7 条谱带, 迁移率为 4805% ~ 9481% ; PM3 有 8 条谱
带, 迁移率为 4935% ~ 9481%。PM 1、PM 2 和 PM3 三个株系与 CK含有一部分完全相同的谱带, 另一
部分谱带发生了较大变化:分别出现了 CK 中没有的谱带和在 CK 中存在而三个变异株系没有的谱
带。同时各谱带的强弱也发生了不同程度的变化。
关键词: 空间环境; 神舟!三号搭载; 草地早熟禾; 解剖结构;同工酶
中图分类号: S7312 文献标识码: A
航天技术和太空搭载实验开辟了生物育种的新途径。在空间高真空、微重力、强辐射和超
洁净的条件下, 生物生理生化和遗传特性都会发生不同程度的变化[ 1]。中国的空间诱变育种
工作居于世界领先地位, 目前己经先后将 500多种植物材料送入太空 [2] , 但是在草坪植物中尚
未见报道。研究空间诱变育种,培育优质抗逆草坪植物新品种, 对于城市绿化和改良西部恶劣
的生态环境具有积极意义。本研究利用 神舟!三号( SZ3)飞船搭载草地早熟禾( Poa pratensis )
品种纳苏( Nassau)干种子,地面种植后, 筛选出了突变株系。通过对其植株叶片解剖结构的变
化观察,比较过氧化物酶同工酶、酯酶同工酶的变化,力图解释空间诱变机理。
1 材料与方法
11 材料
利用 神舟!三号( SZ3)飞船搭载草地早熟禾栽培品种纳苏干种子,空间飞行时间为 162 h
( 2002年3月25日至 2002年4月1日) ,未搭载种子作为对照。纳苏干种子植于中国林科院实
验温室。
12 方法
将草炭与珍珠岩按 3∀1比例混匀, 装入直径为 10 cm的营养钵中。每钵播种 1粒,出苗后
每隔 10 d随灌水定量施入有机肥。对照共播种 3 470粒, 成苗 2 487株;处理共播种 1 734粒,
成苗 1 293株。通过形态观察筛选出与对照明显不同的3个变异植株。第 1株生长快速,叶片
明显增宽, 分蘖增多( PM1 ) ; 第 2株叶片皱缩扭曲, 叶色浓绿, 矮化, 且分蘖数较多( PM2 ) ; 第 3
株为一株嵌合体突变,从植株基部萌出三个具有绿色和白色相间条纹叶片的分蘖( PM3 )。将
上述三个变异植株通过分株繁殖成为株系后进行研究。
121 叶片解剖观察 分别取 3个变异植株的第 1片展开叶,在距叶尖三分之一处横切成小
段,长约 4 mm。将切段浸入FAA固定液 24 h后, 参照#生物学显微技术∃[ 3] 中石蜡切片的制作
方法将材料制成永久制片, 在 LEICA100显微镜下观察摄影,并利用纤维长度测定仪(日本赠
送)测量各变异株系叶片宽、叶片厚、表皮细胞平均直径及叶肉细胞平均直径。
图 1 飞船搭载后草地早熟禾叶片形态变化
122 过氧化物酶同工酶分析 采用聚丙烯酰胺凝胶垂直板电泳分析过氧化物酶同工酶 [4] 。
取新鲜叶片05~ 10 g,在稀释 4倍的浓缩胶缓冲液 5 mL 冰浴中研磨匀浆,于 12 000 r%min- 1
冰冻离心 15 min,取上清液后按 1∀1加入 40%蔗糖混合上槽, 每槽点样量为 50 L。用北京六
一仪器厂生产的 DDY 4型稳压电泳仪,垂直胶规格为 10 cm& 13 cm,胶厚 15 mm,采用不连
续系统电泳,分离胶浓度 70 g%kg- 1 , 浓缩胶浓度3 g%kg- 1 , 缓冲液用 1 mol TrisHCl系统, pH 值
为88(分离胶)和 68(浓缩胶)。电极缓冲液用 TrisGly系统, pH值 83。开始电流为每槽 08
mA,指示剂进入分离胶后把电流加大到每槽12 mA,整个电泳历时 4~ 5 h,在 4 ∋ 冰箱中进行。
最后采用联苯胺试剂进行染色, 待出现清晰谱带后及时照相, 测定各谱带位置并计算迁移率
( Rf )。
123 酯酶同工酶分析 电泳方法同过氧化物酶同工酶 [4] , 染色采用 , !醋酸萘酯试剂,待
出现清晰谱带后及时照相,测量各谱带位置并计算迁移率( Rf )。
2 结果与分析
21 各变异植株叶片形态及解剖结构
空间环境对草地早熟禾叶片形态及解
剖结构的影响较大。图 1 分别为 CK 及
PM1、PM2、PM3 叶片横切面, 与 CK 相比,
PM1、PM2、PM3 叶片都明显增宽, PM2 和 PM3
的叶片呈皱缩状态。图 2 分别为 CK 及
PM1、PM2、PM3 主脉与细脉横切面。CK 叶
片仅在主脉处有泡状细胞, 而 PM2 和 PM3
的叶片在主脉和细脉处均有异常增大的表
皮细胞, 即泡状细胞存在。泡状细胞是禾
本科植物叶片上表皮所具有的一种特殊结
311第 3 期 韩蕾等:空间环境对草地早熟禾叶片解剖结构及同工酶酶谱的影响
构,是这类植物最大的旱生特性。当水分供应不足时, 泡状细胞首先失水收缩,使叶片卷曲成
筒状以减少蒸腾作用;当有水分供应时,细胞充水,使叶片展平, 故泡状细胞又称为运动细胞。
研究认为,泡状细胞参与叶片的内卷和折叠运动, 与叶片展开角度密切相关 [ 5, 6]。
图 2 飞船搭载后草地早熟禾叶片解剖结构变化
与CK相比, PM2 和 PM3 叶片明显增宽;
叶片厚度减少; 叶肉细胞和表皮细胞的平均直
径均明显减少。PM1植株叶片明显增宽, 厚度
比CK 的薄, 叶肉细胞的平均直径减少, 但是
表皮细胞的平均直径与 CK 差异不显著 (表
1)。PM1、PM2和PM3植株叶片宽度增加主要
表 1 飞船搭载后草地早熟禾叶片形态结构变化
观测项目 CK PM 1 PM 2 PM3
叶片宽/ mm 7101 9029 10873 10656
叶片厚/ mm 0267 0226 0173 0179
表皮细胞平均直径/m 1505 1513 1127 1238
叶肉细胞平均直径/m 1512 1265 1240 1216
是由于细胞数目的增加; 叶片厚度降低的原因之一是叶肉细胞变小。
22 各变异植株过氧化物酶同工酶变化
过氧化物酶是常见的氧化酶, 广泛分布于植物的各器官组织中, 与体内许多生理代谢过程
有关。从图3看出,经过空间搭载后草地早熟禾的过氧化物酶同工酶谱带变化较大,谱带分布
不同,且有强弱变化。
图 3 飞船搭载后草地早熟禾过氧化物酶同工酶变化
312 林 业 科 学 研 究 第17卷
从图 3看出 CK 有 11 条谱带, 迁移率为 463% ~ 4722%; PM1 有 21 条谱带, 迁移率为
278%~ 6852% ; PM2有 18条谱带, 迁移率为 278% ~ 6759%; PM3 有 20条谱带,迁移率为
278%~ 6389%。A2、A7 和A203条谱带是 CK和处理所共有的, 其中A 2 在 CK和三个突变株
系中均为弱谱带; CK和 PM3 中的A7 为次强带,而 PM1 和PM2中的A7 为弱带; CK 和 PM3 中的
A20为次强带,而 PM1 和PM2中的A20为弱带。A5 和 A262条谱带仅在 CK中存在, 且均为次强
带。A11、A25、A 30和 A374条谱带仅在 PM1 中存在, 且均为弱带。A10、A19、A22和A284条谱带仅在
PM2 中存在,其中 A19和 A22为次强带,A10和 A28为弱带。A3、A12、A14、A17、A24、A33和 A347条谱带
仅在 PM3 中存在,其中A3、A12、A17、A24、A33和A34为弱带, A14为次强带。A1 和A 352条谱带为 CK
没有而其它三个突变株系都有,且A1 在 PM1 中为强带,在 PM2 中为次强带,在 PM3 中为弱带;
A35在 PM1、PM2 和PM3中均为弱带。A6在 CK及PM2和 PM3 中存在, 且均为弱谱带,在 PM1 中
没有。A16和 A232条谱带在 CK及PM1、PM2中存在, PM3 中没有,其中A16在 CK中为次强带,在
PM1 中为强带, 在 PM2 中为弱带; A23在 CK及 PM1、PM2 中均为弱带。A13和 A18 2条谱带在 CK
及PM1、PM3中存在, PM2 中没有,其中A13在 CK和 PM1中为弱带, 在PM3 中为次强带; A18在CK
中为弱带, 在PM1和 PM3 中为强带。A4 仅在 PM1 和 PM2中存在, 且均为次强带, 而 CK 和 PM3
中没有。A9、A21和A273条谱带仅在 PM1和 PM3 中存在,且均为弱带,而CK和PM2 中没有。A15
仅在 CK和 PM1 中存在,而 PM2 和PM3中没有,且在 CK中为弱带, 在PM1 中为强带。A8、A32和
A363条谱带仅在 PM1 和PM2 中存在,而CK和PM3 中没有, 其中A8 在PM1 和PM2 中为次强带;
A32和A36在 PM1 和PM2中为弱带。A29和A312条谱带仅在 PM2 和 PM3 中存在,而 CK和 PM1中
没有,其中 A29在 PM2 和 PM3 中均为弱带, A31在PM2和 PM3中均为次强带。
23 各变异植株酯酶同工酶变化
酯酶存在于植物各部位和不同发育时期的细胞中,主要分布在细胞质的球状颗粒内。由
于它们能水解非生理存在的酯类化合物,包括一些药物,因此认为可能对植物有去毒作用。经
过空间搭载后草地早熟禾的酯酶同工酶谱带变化较大,谱带分布不同,强弱也有变化。
图 4 飞船搭载后草地早熟禾酯酶同工酶变化
313第 3 期 韩蕾等:空间环境对草地早熟禾叶片解剖结构及同工酶酶谱的影响
从图 4可看出 CK 有 3条谱带, 迁移率为 5974% ~ 9481%; PM1 有 8条谱带,迁移率为
3896%~ 9481%; PM2有 7条谱带, 迁移率为 4805% ~ 9481% ; PM3 有 8条谱带,迁移率为
4935%~ 9481% ,其中 A14和 A162条谱带为 CK和处理共有, A14在 PM2 中为强带,在 PM3 中为
次强带,在 CK和 PM1 中为弱带; A16在 PM2 和 PM3 中为次强带,在 CK 和 PM1 中为弱带。A1、
A7、A11、A13和A155条谱带仅在PM1中存在,且均为弱带; A2、A6和A83条谱带仅在PM2 中存在,
且均为弱带; A3和 A42条谱带仅在 PM3 中存在, 且均为弱带。A 9 仅在 PM1 和 PM3 中存在,且
均为弱带,而 CK和 PM2中没有。A5 仅在 CK和 PM3 中存在, 在 CK中为弱带, 在 PM3 中为强
带, PM1 和 PM2 中没有。A10和A122条谱带仅在 PM2 和 PM3 中存在,且均为弱带, 而 CK 和 PM1
中没有。
3 结论与讨论
空间环境使草地早熟禾发生变异, PM1 株系叶片明显增宽,分蘖明显增加, 生长快速, 用于
草坪生产,可有效提高成坪速度; PM2 株系叶片皱缩扭曲,叶色浓绿,植株明显矮化,用于绿化,
可有效提高滞尘能力,改善草坪颜色,减少人工修剪草坪的频率,节省养护管理费用; PM3 株系
具有多个嵌合体分蘖,叶片颜色新奇,大面积成坪后可有效提高草坪的观赏价值。
空间环境对草地早熟禾解剖结构产生了较大的影响。与 CK相比,变异株系由于细胞数
目增加,叶片宽度明显增加;叶肉细胞平均直径减少使叶片厚度变薄; PM2、PM3 株系叶片泡状
细胞的增多,改变了叶片的外观形态,有助于植株调节叶片的展开程度。
三个变异株系与 CK有一部分完全相同的谱带,这是该品种的特征谱带,也是其遗传稳定
性的表现; 但也出现了CK中没有的谱带和在 CK中存在而三个变异株系没有的谱带。同时,
与CK相比,三个突变株系过氧化物酶同工酶和酯酶同工酶的活性也有明显变化, 这说明空间
条件能明显改变这两类同工酶的形式和活性。
同工酶是生物体生长过程中一种重要的蛋白质催化剂, 是基因表达的产物。同工酶的变
化说明空间条件诱导突变体的产生可能是由于基因的变异引起的, 其原因可能是微重力或空
间粒子辐射引起了 DNA或染色体损伤所致[ 7]。但是这些突变是否能够稳定遗传尚需进一步
证实。
外界因素通过对植物过氧化物酶同工酶和酯酶同工酶系统的影响而改变某些生理生化过
程,进而影响器官发育。酶活力和同工酶谱带的变化是形态结构发生变异的物质基础,形态结
构的变化直接改变了草坪的坪用特性。同工酶酶谱的差异是物种遗传差异的重要证据, 因此
同工酶分析可以作为从分子水平上鉴别遗传变异的一种有效手段 [ 8] 。太空搭载是诱发草地早
熟禾产生有益突变的有效手段。
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The Effect of the Space Condition on the Anatomical Characters of the
Leaves and the Ioszyme of Peroxidase and Esterase in Poa pratensis
HAN Lei 1 , SUN Zhenyuan1, 2 , GUO Yan2 , TONG Yichao3 , LI Yinf eng 1 , PENG Zhenhua1
( 1Biotechnology Lab. , CAF, Beijing 100091, China; 2Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, Hubei, China;
3Beijing Feiying Greenfood Ltd.Co. Beijing 100045, China)
Abstract: Taking the dry seeds of Poa pratensis Nassau carried by SZ3 as the treatment and the seeds which on
the earth as CK, three mutations were screened based on presentational characters from the plants treatment and
asexual reproduct ion as PM1 , PM2 and PM3 . The effect of the space condit ion on the anatomical characters of the
leaves and the ioszyme of peroxidase and esterase in leaves were observed and investigated. The results showed
that compared to CK, the width of the leaves of the three mutations increased as the number of epidermis in
creased, the thickness of the leaves reduced as the average diameter of the mesophyllous cells decreased. The
number of the bulliform cells in the leaves of PM2 and PM3 increased which changed the shape of the leaves. The
results of the ioszyme of esterase showed that there were 11 bands in CK and the Rf value was 463% ~
4722% ; 21 bands in PM1 and Rf value was 278%~ 6852% ; 18 bands in PM2 and Rf value was 278%~
6759% ; 20 bands in PM3 and Rf value was 278% ~ 6389% . The results of the ioszyme of peroxidase
showed that there were bands in CK and the Rf value was 5974%~ 9481% ; 8 bands in PM1 and the Rf value
was 3896%~ 9481% ; 7 bands in PM2 and the Rf value was 4805%~ 9481% ; 8 bands in PM3 and the Rf
value was 4935%~ 9481% .There were some same bands both in CK and the mutations, but there were also
some other bands changed: some of them existed in the mutations but not in CK; some of them existed in CK but
not in the mutations; and the activities of the ioszyme were changed greatly. All of these mutations were valuable
to production application and genet ic breeding.
Key words: space condition; Poa pratensis; anatomical characters; peroxidase; esterase; ioszyme
315第 3 期 韩蕾等:空间环境对草地早熟禾叶片解剖结构及同工酶酶谱的影响