全 文 :盾叶薯蓣航天诱变种子实生苗的生物学特性
和有效成分测定
吴宝成,周义峰,杭悦宇
(江苏省中国科学院 植物研究所 江苏省植物迁地保护重点实验室,江苏 南京 210014)
[摘要] 目的:筛选优质盾叶薯蓣种质资源,探讨卫星搭载对盾叶薯蓣变异效应。方法:利用返回式卫星搭载盾叶薯蓣
种子进行空间诱变处理,对空间诱变后的2个居群盾叶薯蓣的种子活力、植株生长、染色体以及薯蓣皂苷元含量进行研究。结
果:空间诱变后种子表现为萌发提前,但对种子发芽率影响不明显,出现非整倍体和染色体加倍现象,二年生根状茎鲜重和薯
蓣皂苷元含量显著高于对照,但三年生根状茎增重变缓,同时薯蓣皂苷元含量均有不同程度下降。结论:卫星搭载对盾叶薯
蓣的种子活力有一定的促进作用,同时改变了染色体结构,二年生根状茎鲜重和薯蓣皂苷元含量显著高于对照,提供了良好
的选育材料,但三年生的根状茎鲜重增长变缓,薯蓣皂苷元有下降趋势,有待进一步研究。
[关键词] 盾叶薯蓣;空间诱变;变异;薯蓣皂苷元
[收稿日期] 20081030
[基金项目] 江苏省农业科技攻关项目(BE2001356)
[通信作者] 杭悦宇,Tel:(025)84347052,Email:hangyueyu@
21cn.com
盾叶薯蓣 DioscoreazingerbrensisC.H.Wright
为我国特有植物,俗称“黄姜”,是医药工业上生产
甾体激素类药物的药源植物[1]。湖北、陕西为其主
要分布区,其中武当山地区野生盾叶薯蓣根茎薯蓣
皂苷元质量分数在 16%以上,显著高于其他地
区[23]。但由于掠夺式乱采滥挖,目前我国野生盾叶
薯蓣资源蕴藏量仅有200万kg左右,明显不能满足
生产的需要;人工种植的盾叶薯蓣存在种质退化的
问题[4]。近年来研究者通过单株选育[1]、多倍体育
种[5]、人工杂交[67]等方法筛选高质量盾叶薯蓣种
质资源,但未能获得优良材料,花费时间较长。
航天育种作为一种新的育种方法,正在发挥愈
来愈大的作用,由于空间环境的高真空、微重力、高
能粒子辐射的多重因素复合影响,空间诱变能够直
接影响植物的生长、发育、衰老和死亡,甚至导致遗
传变异[8],在板蓝根[9]、凤仙花[10]、牧草[11]、小
麦[12]和水稻[13]获得了成功。
为了筛选出综合性状优良,特别是薯蓣皂苷元
高含量的盾叶薯蓣,将盾叶薯蓣种子搭载在我国
2003年11月3日发射的第18颗返回式科学技术卫
星“尖兵四号”上,回收后的种子和对照于地面种植
观察,研究空间环境对盾叶薯蓣的诱变效应。
1 材料
2003年11月3日至21日采用卫星搭载回收技
术对湖北武当山和陕西白河盾叶薯蓣种子进行空间
诱变。以同批采收的未处理武当山盾河薯蓣种子为
对照。
2 方法
2.1 种子萌发 空间诱变后2个居群的盾叶薯蓣
以及对照种子,各取210粒,浸种24h,随机均匀分
成3份,每份70粒,置于垫有湿润滤纸的培养皿中,
放置在黑暗条件下25℃[14]发芽,保持培养皿内湿
润,每日观察统计萌发情况,第15天统计发芽势,30
d时统计发芽率。
2.2 染色体观察 参照秦慧贞等方法[15],并对实
验条件作适当优化。3-4月,随机选取2个居群盾
叶薯蓣空间诱变植株及其各自普通对照的各10株,
以根尖为材料,选择20~30个中期或早中期分散良
好的细胞,进行染色体观察、计数和显微照相。
2.3 株高、单株鲜重、根状茎含水量称量和计算
待长出第2片叶时,经炼苗,10d后移植至大田。11
月测量一年生植株株高。每年12月初,待其地上部
分完全枯萎后,迅速洗净根茎表面泥沙,晾至表面干
燥,准确称重。根状茎含水量测定采用重量法:根状
茎取样,洗净去根,晾干后天平称重,将材料切成薄
片状,60℃干燥至恒重,称干重,计算含水量。连续
2年考察单株鲜重和含水量。
2.4 薯蓣皂苷元含量测定 参照黄春洪等方法[16]
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准确称取薯蓣皂苷元对照品(中国药品生物制品检定
所,批号1539200001),用流动相(甲醇)配制成102
g·L-1的对照品溶液。HPLC仪 ShimadzuLC10AT
泵,色谱柱为 AgilentEclipsDCC18柱(46mm×250
mm,5μm),流动相甲醇(色谱纯,江苏汉邦科技有
限公司),流速1mL·min-1,SPD10A检测器,检测
波长208nm,柱温30℃,进样量为20μL。
采用外标法(归一化法)测定第2年根状茎薯
蓣皂苷元含量。取同一供试溶液在1d内重复进样
3次,15d后再次进样,测定峰面积,计算峰面积的
日内和日间相对标准偏差(RSD)分别为 027%,
403%,平均保留时间为6959min,方法学考察表
明,利用外标法测定薯蓣皂苷元含量稳定性高,重现
性好,并能够很好地将薯蓣皂苷元峰与杂质峰很好
的区分,见图1。
a.对照品;b.样品;1薯蓣皂苷元。
图1 薯蓣皂苷元HPLC图
第2年以3%薯蓣皂苷元含量为主要指标,初
步筛选出性状优良单株,第3年对其单株鲜重、含水
量和薯蓣皂苷元含量的测定方法同上。
3 结果与分析
3.1 种子萌发 武当山普通种子第10天开始萌
发,而相同成熟度的武当山与白河空间诱变种子基
本于第7天开始萌发;第15天时,萌发数最多,平均
发芽势分别为4913%,7043%。武当山空间诱变
的50%种子萌发现象出现于第13天,比其对照提
前了2~10d,与白河空间诱变种子接近。30d后连
续5d不再有新萌发种子出现,萌发实验结果显示
武当山空间诱变种子的发芽率平均值为5055%,
略低于对照5855%,见表1。说明在卫星搭载处理
虽提前了盾叶薯蓣种子发芽的时间和萌发高峰出现
的时间,但对其发芽率无明显影响。关于各重复组
间发芽率较大差异的原因,有待进一步研究。
表1 空间诱变对盾叶薯蓣种子萌发的影响
材料分组
初始萌发
天数/d
50%萌发
天数/d
15d发芽
势/%
发芽率
/%
武当山对照 1 10 18 4316 6000
2 10 23 3718 5385
3 10 15 5060 6265
武当山航天 1 7 13 3556 3556
2 7 13 5227 5227
3 7 13 5957 6383
白河航天 1 8 12 7632 7895
2 7 10 8235 8335
3 7 12 5263 5526
3.2 染色体观察 盾叶薯蓣为小染色体(12~24
μm),呈点状或短棒状,着丝点不能分辨[15]。染色
体观察结果表明普通湖北武当山盾叶薯蓣的染色体
数目为2n=20,空间诱变植株中500%的染色体数
目仍为 2n=20,但同时 3个单株出现了非整倍体
(2n=38),有2株染色体加倍(四倍体,2n=40);普
通陕西白河盾叶薯蓣的染色体数目为2n=40,空间
诱变材料中600%材料染色体数目与普通材料一
致,有4个单株出现了非整倍体(2n=36),见图2。
3.3 株高和单株鲜重比较 武当山盾叶薯蓣空间
诱变后一年生植株高度高于其地面对照4320%,
根状茎鲜重高出5658%,但株高和根状茎鲜重变
化幅度不大,总体显示植株生长旺盛,见表2。白河
空间诱变一年生材料的株高显著低于武当山普通对
照,而根状茎鲜重差异不显著,可能与材料的不同来
源有关。武当山和白河空间诱变后二年生盾叶薯蓣
根状茎平均鲜重分别达到1759,1039g,显著高于
武当山的普通对照(220g),达到极显著水平,分别
为其对照的80,47倍,而且根状茎鲜重的变异幅
度较大,其中武当山空间诱变材料中出现了根状茎
的最重单株(7020g),具有极大的增产潜力。
3.4 薯蓣皂苷元含量测定 经卫星搭载的武当山
与白河的两年生根状茎薯蓣皂苷元含量和含水量均
显著高于武当山普通对照,其中薯蓣皂苷元分别高
出11007%,100%,含量变化幅度也较大,薯蓣皂
苷元含量最高621%的单株出现在白河居群,武当
山的最高含量也达到了434%。空间诱变后盾叶
薯蓣根状茎薯蓣皂苷元含量变化见表3。
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1.湖北武当山普通2n=20;2.湖北武当山空间诱变2n=20;3.湖北武当山空间诱变2n=38;
4.湖北武当山空间诱变2n=40;5.陕西白河普通2n=40;6.陕西白河空间诱变2n=40;7.陕西白河空间诱变2n=36。
图2 空间诱变盾叶薯蓣染色体及其对照的显微照片
表2 航天搭载对盾叶薯蓣株高和根状茎鲜重的影响
材料
株高/cm
变异幅度 平均数
一年生单株根状茎鲜重/g
变异幅度 平均数
二年生单株根状茎鲜重/g
变异幅度 平均数
武当山对照 8~104 338±242 01~374 76±64 18~192 220±57
武当山航天 3~110 484±2771) 02~294 119±771) 05~7020 1759±12151)
白河航天 35~63 219±1801) 02~188 56±41 11~3542 1039±8481)
注:1)表示001水平上差异显著;2)表示005水平上差异显著(表3同)。
表3 空间诱变盾叶薯蓣根状茎含水量、薯蓣皂苷元质量分数比较 %
材料
二年生含水量
变异幅度 平均数
二年生质量分数
变异幅度 平均数
三年生含水量
变异幅度 平均数
三年生质量分数
变异幅度 平均数
武当山对照 386~6655 06±10 001~255 139±008 - - - -
武当山航天 574~7226 42±432) 145~434 292±0751) 506~743 660±006 103~293 165±052
白河航天 590~8040 655±492) 044~621 278±1371) 534~705 640±005 002~228 150±063
以300%薯蓣皂苷元含量为主要指标,结合两
年田间根状茎生长的情况,初步筛选出11个武当山
(WHT)、6个白河(BHT)居群高含量、高生物量综
合性状优良的单株,进行跟踪研究。结果表明,与二
年生相比,三年生根状茎鲜重增重速度变缓,17个
单株的三年生薯蓣皂苷元含量存在不同程度下降。
各单株二年生和三年生根状茎鲜重和薯蓣皂苷元含
量变化情况见表4。
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表4 空间诱变实生苗二年生高含量薯蓣皂苷元及
高生物量单株
单株
根状茎鲜重/g
二年生 三年生
薯蓣皂苷元/%
二年生 三年生
BHT215 2334 2807 302 165
BHT315 1335 1413 347 228
BHT201 1945 2372 385 214
BHT226 1480 2518 399 002
BHT113 1505 1750 608 180
BHT122 1082 1226 621 195
WHT329 5622 5981 300 161
WHT325 2588 2629 300 103
WHT105 2682 2812 318 257
WHT316 1705 1887 353 293
WHT110 1288 1460 363 179
WHT207 2483 2512 364 153
WHT107 4030 4294 366 149
WHT328 6059 9710 367 131
WHT326 7020 7695 369 223
WHT323 2452 2710 428 123
WHT321 4378 4441 434 131
4 讨论
经过航天诱变后盾叶薯蓣种子的萌发时间和萌
发高峰时间提前,说明卫星搭载对盾叶薯蓣种子生
理影响较大,提高了种子的萌发的能力,航天诱变条
件下促进植物种子萌发的现象在白桦等植物也有报
道[17],可能是由于太空失重而导致胚器官更早、更
快发育[18],但本研究中盾叶薯蓣发芽率并未受到显
著影响。经搭载后,植物染色体出现一定比例的染
色体缺失或加倍现象,表明空间诱变处理能够在染
色体水平上改变盾叶薯蓣的遗传基础,导致一系列
生理和细胞形态的变异[19]。经卫星搭载的盾叶薯
蓣田间生长第1年的株高和单株鲜重变异度无明显
差异,一年生武当山盾叶薯蓣单株鲜重显著高于普
通对照,且二年生单株鲜重和薯蓣皂苷元含量的变
异度呈增加趋势。其中在武当山空间诱变材料中还
发现了7020g的最重单株鲜重。由于白河居群材
料薯蓣皂苷元含量拥有更大的变异幅度,出现实验
中薯蓣皂苷元质量分数621%的单株。通过对这
些变异植株的选育,有可能获得一些有价值的育种
材料。这表明通过空间诱变对盾叶薯蓣种质进行改
良是可行的。
我国对药用植物航天诱变的研究主要集中在发
芽率、同工酶和蛋白含量以及基因多态性的差异等
方面,对有效成分变化规律的研究明显不足,而正是
药用植物区别于普通植物的关键所在[20]。空间环
境的高真空、微重力、粒子强辐射等多重因素复合影
响更易引起生物的变异,产生丰富变异,由于搭载后
因空间条件的改变,引起植物基因表达在时空上产
生差异,可能存在促进作用抑或是抑制作用,对盾叶
薯蓣根状茎的增重和薯蓣皂苷元的积累有一定的影
响,可能表现为根状茎增重变缓或含量的下降。作
者将继续对卫星搭载的盾叶薯蓣生物学特性和薯蓣
皂苷元含量等指标进行测定。进一步探讨航天诱变
后盾叶薯蓣的变异方向,诱变幅度和变异的稳定性,
为发生变异的机制提供资料,开辟通过航天诱变育
种创造具有综合性状优良的盾叶薯蓣良种新途径。
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Seedlingbotanicalcharactersanddeterminationof
efectivecomponentsonDioscoreazingerbrensisbyspacemutation
WUBaocheng,ZHOUYifeng,HANGYueyu
(InstituteofBotanyinJiangsuProvince,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210014,China)
[Abstract] Objective:Inordertofindthenewvarietieswithdiferenthorticulturalcharacters,andinvestigatethemutation
efectsofseedsofDioscoreazingerbrensis.Method:Theseedswerecariedbyasateliteintospaceandrecovered.Thespacemutation
efectonthegermination,seedlinggrowth,chromosomesandrhizomediosgenincontentofSP1populationsofD.zingerbrensiswerein
vestigated.Result:Stimulatedbyspaceenvironment,theseedpossessedthefastgerminatingcharacteristics.Germinationrateshowed
nochange.Itwasalsofoundthatafewplantswereaneuploidortetraploid.Freshrhizomeweightandrhizomediosgenincontentinthe
secondyearplantwereremarkablyhigherthanthoseofthecontrol.However,theincreasingofthirdyearplantwasslowdown,andrhi
zomediosgenincontentinthethirdyearplantdeclinedsimultaneously.Conclusion:Thespaceenvironmentshowedstimulatingefects
onseedgermination,freshrhizomeweightandrhizomediosgenincontent.
[Keywords] Dioscoreazingerbrensis;spacemutation;variation;diosgenin
[责任编辑 吕冬梅]
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