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Seedling botanical characters and determination of effective components on Dioscorea zingerbrensis by space mutation

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



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] 20081030
[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,Email: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 16%以上,显著高于其他地
区[23]。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[67]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1539200001),用流动相(甲醇)配制成102
g·L-1的对照品溶液。HPLC仪 ShimadzuLC10AT
泵,色谱柱为 AgilentEclipsDCC18柱(46mm×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,SPD10A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 027%,
403%,平均保留时间为6959min,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4913%,7043%。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5055%,
略低于对照5855%,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 4316 6000
  2 10 23 3718 5385
  3 10 15 5060 6265
武当山航天 1 7 13 3556 3556
  2 7 13 5227 5227
  3 7 13 5957 6383
白河航天  1 8 12 7632 7895
  2 7 10 8235 8335
  3 7 12 5263 5526
3.2 染色体观察 盾叶薯蓣为小染色体(12~24
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500%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600%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4320%,
根状茎鲜重高出5658%,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1759,1039g,显著高于
武当山的普通对照(220g),达到极显著水平,分别
为其对照的80,47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(7020g),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11007%,100%,含量变化幅度也较大,薯蓣皂
苷元含量最高621%的单株出现在白河居群,武当
山的最高含量也达到了434%。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 338±242 01~374 76±64 18~192 220±57
武当山航天  3~110 484±2771) 02~294 119±771) 05~7020 1759±12151)
白河航天  35~63 219±1801) 02~188 56±41 11~3542 1039±8481)
  注:1)表示001水平上差异显著;2)表示005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 386~6655 06±10 001~255 139±008 - - - -
武当山航天 574~7226 42±432) 145~434 292±0751) 506~743 660±006 103~293 165±052
白河航天  590~8040 655±492) 044~621 278±1371) 534~705 640±005 002~228 150±063
  以300%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 2334 2807 302 165
BHT315 1335 1413 347 228
BHT201 1945 2372 385 214
BHT226 1480 2518 399 002
BHT113 1505 1750 608 180
BHT122 1082 1226 621 195
WHT329 5622 5981 300 161
WHT325 2588 2629 300 103
WHT105 2682 2812 318 257
WHT316 1705 1887 353 293
WHT110 1288 1460 363 179
WHT207 2483 2512 364 153
WHT107 4030 4294 366 149
WHT328 6059 9710 367 131
WHT326 7020 7695 369 223
WHT323 2452 2710 428 123
WHT321 4378 4441 434 131
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7020g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621%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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