全 文 ：第 18 卷 第 2 期
Vol. 18 No. 2
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 3 月
Mar . 2010
空间飞行对不同紫花苜蓿品种叶片显微结构的影响
张文娟1, 2 , 邓 波2* , 张蕴薇2 , 陈本建1, 柴小琴3 , 王学艳4
( 1.甘肃农业大学草业学院, 甘肃 兰州 730070; 2.中国农业大学动物科技学院草地所, 北京 100193;
3.甘肃省天水市农业科学研究所, 甘肃 天水 741001; 4. 中国农业大学农学与生物技术学院, 北京 100193)
摘要 : 利用神舟 3 号飞船搭载的 4 个紫花苜蓿( Med icago sativa L. )品种的种子, 返回后对搭载组和对照组植株叶
片显微结构进行分析。结果表明: 4 个品种叶片厚度均显著大于对照, 叶脉突起度均显著小于对照( P < 0. 05) ; 栅
栏组织厚度显著大于对照(P < 0. 05) ; 阿尔冈金的海绵组织厚度显著小于对照, 其他品种均显著大于对照 ( P <
0. 05) ;与对照相比, 德福的细胞结构紧密度、细胞结构疏松度与对照差异均不显著, 阿尔冈金的细胞结构疏松度与对
照差异不显著,其他品种细胞结构紧密度、疏松度与对照均有显著差异(P< 0. 05)。这些变异的产生可能影响其抗性
表现,故可作为进一步抗性选育的依据。
关键词:紫花苜蓿; 空间飞行;叶片; 显微结构
中图分类号: S129; S541; Q246 文献标识码: A 文章编号: 10070435( 2010) 02023304
Effect on the leaf microstructure of different alfalfa varieties from spaceflight
ZHANG Wenjuan1, 2 , DENG Bo2* , ZHANG Yunwei2 , CHEN Benjian1 , CHAI Xiaoqin3 , WANG Xueyan4
( 1. College of Grassland Science, Gansu Agricultural University, Lan zhou, Gan su Pr ovin ce 730070, China; 2. Ins t itu te of Grass lan d
Science, C hina Agricultural U niver sity, Beijing 100193, Chin a; 3. Tianshui Academy of Agricul tu ral S cien ces , T ian shui,
Gansu Province 741001, Chin a; 4. Inst itute of Agronomy and Biology techn ique, Ch ina Agricu ltural U nivers ity, Bei jing 100193, Ch ina; )
Abstract: Seeds of different varieties o f M edicago sat iva L. w er e boarded on the ShenZhou No. 3 and
then the micr oscopic w er e obser ved. T he results show ed that leaf thickness and vein pro tuber ant degr ee of
plant w ere significant ly dif ferent to their cont rol. Deful and cell spongy rat io of Alg onguin w ere not signif i
cant to their cont ro l. Cell tense rat io and cell spongy rat io of the other variet ies w ere significant ly different
to their contr ol. All these micr oscopic may effect on their resistance manifestations, and can be used as ba
sis for fur ther breeding . T he microscopic of Med icago sat iv a L. w as observed. The results show ed that
spongy t issue and leaf palisade of plant w ere differ ent to their cont rol. The impact o f on spongy cel ls w as
more obv ious than the palisade cells.
Key words: M edicago sat iv a; Spacef light; Leaf ; Microst ructure
空间诱变育种( Space mutat ion breeding )是指
利用飞行器将植物组织带到太空环境, 经特殊的空
间环境条件作用, 引起生物体遗传变异, 经地面种
植、选育试验培育新品种[ 1] 。空间诱变具有诱变频
率高、变异幅度大、优良性状稳定快等特点, 在种质
创新中起着重要作用,空间诱变育种日益受到重视。
空间诱变产生的形态变异是育种选育的重要依
据,当前关于这方面的研究主要集中在作物方面。
张雄坚等 [ 2] 对返回式卫星搭载的甘薯 ( I p omoea
batatas)杂交种子进行发芽及实生苗种植试验, 结
果实生苗的蔓长、分枝数和茎叶重均有所增加;汤泽
生等[ 3] 研究了神舟 4号搭载的凤仙花( Impatiens
bal samina)种子的细胞和形态学变异,在 SP1 代发
现小孢子母细胞减数分裂时出现染色体断片、染色
体桥和落后染色体; 曲敏等[ 4] 对太空诱变的青椒
( Zanthoxy lum schini f ol ium )进行细胞学研究, 结
果其根尖细胞有丝分裂指数均高于地面对照组, 细
胞多出现单微核, 并观察到了丰富的染色体畸变类
型。对牧草的空间诱变研究较少。任卫波等[ 5] 研究
发现卫星搭载苜蓿 (M edicago sat iv a) 种子根尖细
胞染色体出现了微核、染色体桥、断片、落后等畸变
类型,畸变频率受搭载材料敏感性的影响。另有研
究表明空间环境引起紫花苜蓿发芽率 [ 6]、株高、单株
叶片数明显减少[ 7] 和鲜重发生变化,促进了苜蓿种
核[ 8 ] ;丘运兰[ 9] 的研究表明空间环境能引起红豆草
( Onobr y chis viciaef ol ia)子根尖细胞的有丝分裂活
收稿日期: 20090907;修回日期: 20091223
基金项目: 十一五科技支撑项目( 2008BADB3B04)资助
作者简介:张文娟( 1983 ) ,女,新疆克拉玛依人,硕士研究生,研究方向为草种质资源与育种, Em ail: sgd918@ hotmail. com ; * 通讯作者
Auth or for correspon dence, Email: den gb o67@ cau . edu. cn
草 地 学 报 第 18卷
动,并产生一定数量的微叶片同功酶及细胞超微结
构发生变化。此外, 叶片对空间诱变反应非常敏感,
很多研究表明, 叶片细胞显微结构经空间诱变会发
生了显著变化, 表现为叶片细胞壁薄厚不平、表面极
不规则,部分细胞器退化消失、细胞液泡变大, 将细
胞器挤到边缘、叶绿体变形等[ 10]。本试验对 4个紫
花苜蓿品种叶片的显微结构进行分析研究, 旨在探
索种子空间飞行对紫花苜蓿不同品种叶片显微结构
的影响,为进一步选育苜蓿品种提供形态学依据, 也
可为其他牧草空间诱变选育提供参考。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
试验材料为适合天水种植的 4个高产紫花苜蓿
(Medicago sativa L. )品种(表 1) , 由甘肃省天水绿
鹏农业科技有限公司提供。
表 1 紫花苜蓿品种与来源
T able 1 Alfalfa v arieties and origin
编号
Number
品种
Variet ies
学名
Scient if ic nam e
来源
Origin
A 德福 Deful M . Sat iv a L. cv. Deful 荷兰 H olland
B 德宝 Derb y M. Sati v a L. cv. Derb y 荷兰 H olland
C 阿尔冈金 Algonguin M. Sati va L. cv. Algonguin美国 America
D 三得利 Sandit i M. Sa ti v a L. cv. Sandit i 荷兰 H olland
1. 2 实验方法
1. 2. 1 材料处理 2002年 3月将精选紫花苜蓿种
子分为 2份,将 1份材料封入布袋进行搭载, 神舟
3号育种卫星于 2002年 3 月 25日在酒泉卫星发
射中心升空,于 4月 1日返回地面,飞行时间162 h。
另 1份作地面对照( CK) , 贮存于地面温湿度相近
( 20 左右)的环境中。
1. 2. 2 材料的种植 2003年与地面对照同时种植
于甘肃天水农科院中梁基地, 2006年移栽至甘肃省
天水市高新技术园区, 株行距为 50 cm 50 cm, 并
按单株进行田间标记。
1. 2. 3 显微结构分析 于分枝期在原始圃采集植
株顶部健康功能叶, 沿中脉切取大小为 5 mm 5
mm 的小块, FAA 固定液固定, 带回中国农业大学
进行试验。采用石蜡切片法观察叶片的显微结构,
石蜡切片的制作按照李正理 [ 11]的石蜡切片法, 切片
厚度 10 m,番红固绿双重染色。将典型制片在O
LYMPU S FSX100型荧光显微成像系统摄影。
采用 Motic Image 2000 1. 3 软件进行显微测
量,测量叶片厚度、海绵组织厚度、栅栏组织厚度、叶
脉厚度,各显微结构观测值均为 30 个数值的平均
值[ 12] , 并计算:
细胞结构紧密度 CTR( cell tense rat io, %) = 栅
栏组织厚度/叶片厚度 100%;
细胞结构疏松度 SR( spongy rat io, % ) = 海绵
组织厚度/叶片厚度 100% ;
叶脉突起度 VPD( vein pro tuberant degree, %)
= 叶脉厚度/叶片厚度 100% [ 13] 。
1. 3 数据分析
本试验数据的整理采用 Excel 2003软件完成,
SPSS 13. 0统计分析软件进行单因素方差分析, 在
P< 0. 05水平分析各品种之间及对照与处理间的差
异显著性。
2 结果与分析
2. 1 叶片和叶脉突起度
空间飞行后, 紫花苜蓿不同品种叶片厚度: 德福
> 德宝> 三得利> 阿尔冈金,不同品种间,叶片厚度
差异显著(表 2) ,与对照相比, 4个品种叶片厚度均
显著大于对照(表 2)。不同品种, 叶脉突出程度不
同,为了减小叶片厚度的影响,准确衡量其突出程度,
采用叶脉厚度/叶片厚度的相对值叶脉突起度来体现。
空间处理后,德宝的叶脉突起度与对照差异不
显著,其他品种的叶脉突起度均显著小于对照(表
2)。不同品种间叶脉突起度差异显著, 叶脉突起度
的顺序为:德宝> 三得利> 德福> 阿尔冈金(表 2)。
2. 2 栅栏组织和海绵组织
栅栏组织厚度和叶片厚度有关, 叶片厚度大,栅
栏组织厚度也大。不同品种间, 栅栏组织厚度差异
显著(表 2) ,与对照相比,四个品种的栅栏组织厚度
显著大于对照,栅栏组织厚度的表现顺序为:三得利
> 德宝> 德福> 阿尔冈金。海绵组织厚度的表现顺
序为:德福> 德宝> 三得利> 阿尔冈金。不同品种
间,海绵组织差异显著, 与对照相比, 阿尔冈金的海
绵组织厚度显著小于对照,其它品种叶片海绵组织
厚度均显著大于对照。品种间, 德宝的栅栏组织、海
绵组织厚度显著大于其他品种。栅栏组织/海绵组
织厚度比值顺序为:阿尔冈金> 三得利> 德宝> 德
福,与对照相比, 德福、德宝、三得利栅栏组织/海绵
组织的值均与对照差异显著, 4个品种中阿尔冈金
的栅栏组织/海绵组织比值显著大于其他品种(表 2)。
2. 3 细胞结构紧密度(CTR)和细胞结构疏松度( SR)
4个品种细胞结构紧密度、细胞结构疏松度差
异显著(表 2)。与对照相比,三得利的细胞结构疏
松度差异显著,德福、德宝、阿尔冈金的细胞结构紧
密度差异显著(表 2)。几个品种细胞结构紧密度的
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第 2期 张文娟等:空间飞行对不同紫花苜蓿品种叶片显微结构的影响
表现为:三得利> 阿尔冈金> 德宝> 德福(表 2) ,叶
肉细胞排列疏松部位在海绵组织处, 因此用海绵组
织占叶片厚度的比例来表示细胞结构疏松度, 4个
品种细胞结构疏松度的表现为: 德宝> 德福> 三得
利> 阿尔冈金(表 2)。
3 讨论与结论
3. 1 对苜蓿的研究表明, 苜蓿叶片中, 海绵组织和
栅栏组织的空间搭载效应不同, 空间搭载对海绵组
织的影响要明显于栅栏组织,搭载组的海绵细胞与
对照差异明显,而栅栏细胞搭载组与对照差异不显
著[ 1 4]。本试验中, 4个紫花苜蓿品种的栅栏组织、海
绵组织与对照均有显著差异, 4个品种中, 德福、德
宝的栅栏组织、海绵组织厚度显著大于其他品种。
空间搭载对苜蓿叶片细胞栅栏组织和海绵组织的空
间搭载效应有待于进一步研究。本研究表明空间环
境能对紫花苜蓿叶片显微结构产生影响, 叶片厚度、
叶脉突起度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅栏/海
绵厚度比和细胞组织结构紧密度等指标均会产生变
异,但不同指标, 不同品种的变化程度不同,并存在
指标数量减小的情况, 说明其变异方向及变异程度
具有不确定性, 和品种没有明显的相关性。有研究
表明空间条件(空间辐射、微重力等)还能对植物叶
片的超微结构产生影响, 如使细胞壁和细胞器发生
变化[ 10] , 使叶绿体解体、叶绿体周围的线粒体、高尔
基体的数量增加等 [ 15] ,这说明空间环境会诱使植物
发生变异,使植物的生长发育过程受到影响,并在亚
细胞结构、细胞结构、组织、器官等多个形态层次上
体现出来。
3. 2 植物的形态结构上的变化是基因变异的反应,
又能体现其对环境条件的适应性。所以可以由显微
结构的变异有针对性的研究微观变异机理,也能针
对其显微结构特征选择合适的具体植株。研究表明
环境变化常导致叶片厚度, 叶肉栅栏组织、海绵组织
和叶脉等形态解剖结构的响应与适应[ 16]。植物的
栅栏组织厚度 [ 17]、栅栏组织/海绵组织厚度比值、叶
片组织结构紧密度、疏松度与植物抗逆性有关[ 18] ,
细胞结构紧密度是指栅栏组织占叶片厚度比例的相
对值,叶肉细胞结构紧密的部位主要在栅栏组织处,
近年来被用于作为植物抗寒性的指标之一[ 19]。细
胞结构紧密度越大, 品种越抗寒 [ 20] , 对茶树的研究
表明茶树的抗寒性强弱与茶树栅栏组织厚度、层次、
细胞排列紧密程度、栅栏组织厚/海绵组织厚的值呈
正相关[ 21] 。对紫花苜蓿的研究也表明,叶脉突起度
大,品种抗寒性越强[ 19]。因此本试验得到的显微形
态结构数据可以作为进一步选育抗性品种的依据。
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草 地 学 报 第 18卷
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(责任编辑 米 佳)
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