Effects of <sup>60</sup>Co-γand Electron Beam Irradiation on the Germination and Seedling Growth of <i>Lagerstroemia indica</i>

XIA Xi

doi:10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.011

Volume 11 Issue 2

Jul. 2020

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XIA Xi. Effects of 60Co-γand Electron Beam Irradiation on the Germination and Seedling Growth of Lagerstroemia indica[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(2): 210-216. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.011

Citation:

XIA Xi. Effects of ⁶⁰Co-γand Electron Beam Irradiation on the Germination and Seedling Growth of Lagerstroemia indica[J]. Journal of Tropical Biology, 2020, 11(2): 210-216. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.011

Effects of ⁶⁰Co-γand Electron Beam Irradiation on the Germination and Seedling Growth of Lagerstroemia indica

doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2020.02.011

XIA Xi

Shanghai Engineering Research Center of Sustainable Plant Innovation, Shanghai Botanical Garden, Shanghai 200231

Received Date: 2019-11-18
Rev Recd Date: 2020-01-15

Available Online: 2020-07-03

Publish Date: 2020-06-01

Abstract

Radiation mutagenesis is an important method for plant breeding, which can improve the mutation rate and shorten the breeding time. Plants are differently sensitive to irradiation, and adequate irradiation dose could increase mutation frequency and breeding efficiency. Seeds of Lagerstroemia indica were treated with ⁶⁰Co-γ and electron beam at different doses to observe their germination and seedling growth to find the best irradiation source and dose.. The results showed that the germination rates of the seeds treated with both ⁶⁰Co-γ and the electron beam were first promoted and then inhibited, and that the seedling survival rate decreased significantly with the irradiation dose. The ⁶⁰Co-γ irradiation was found to inhibit and then promote the plant height, while the electron beam irradiation inhibited the plant height. Both ⁶⁰Co-γ and the electron beam had significant inhibition effects on the branch length and branch number of the seedlings. The ⁶⁰Co-γ irradiation had little inhibition effect on the ground diameter of the seedlings, while the electron beam irradiation had highly different effect on the ground diameter. Comprehensive analysis of the seedling growth under the two sources of irradiation showed that the seedlings of L. indica treated with the electron beam at the same dose of irradiation to the ⁶⁰Co-γ irradiation had longer branches and higher ground diameter and varied greatly in branch length and ground diameter. When calculated at the seedling survival rate of L.indica treated, the optimum irradiation dosage was 113.06 Gy to 299.63 Gy for ⁶⁰Co-γ, and 245.5 Gy to 372.24 Gy for electron beam. L. indica was more sensitive to ⁶⁰Co-γ irradiation. These results would provide a theoretical basis for mutation breeding and acceleration of the breeding process of L. indica.
- Lagerstroemia indica.,
- ⁶⁰Co-γ,
- electron beam,
- seed viability,
- seedling growth

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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紫薇（Lagerstroemia indica）别名痒痒树、百日红、无皮树，是千屈菜科紫薇属落叶灌木或小乔木，产于我国中部及南方各省。紫薇树姿优美、树干光滑、花色艳丽、花期长，是重要的夏季观花冬季观干的景观植物，也是优良的园林观赏树种。我国紫薇属植物的育种起步较晚，目前的研究主要集中在种质资源收集^[1-3]、杂交育种^[4-5]、倍性育种^[6-8]和栽培繁殖^[9-11]等方面。辐射诱变是植物育种的重要方法，诱变育种可诱发较高的突变率，获得全新的变异类型，是观赏植物育种中一种有效的方法。⁶⁰Co-γ 射线是观赏植物育种中最常用的辐射诱变源，具有成本低、突变率高，穿透力强等优点^[12-15]。电子束辐射具有电子流聚束效果好、能量利用率高、操作简单等优点^[16]，目前在作物和观赏植物中的应用较少^[17-22]，也尚未见到紫薇属植物电子束诱变育种方面的报道。由于不同植物对辐照的敏感度不同，选择适宜的辐照剂量可提高突变频率和育种效率，笔者利用不同剂量的⁶⁰Co-γ和电子束辐射对紫薇种子进行处理，研究不同剂量的辐射对紫薇种子萌发和幼苗生长的影响，确定紫薇合适的辐照剂量，旨在获得有价值的突变体，为紫薇优良品种的选育提供新型的育种材料。

1. 材料与方法

1.1. 试验材料

植物材料为紫薇（Lagerstroemia indica）种内自然杂交的当年成熟干种子。⁶⁰Co-γ照射处理采用上海市农业科学院作物栽培研究所辐照中心钴源，照射剂量率100 Gy·h⁻¹，照射剂量为50～250 Gy。电子束照射采用上海农业科学院的直线电子加速器产生的能量为10MeV的电子束，辐照剂量范围为200～500 Gy。

1.2. 试验设计

每个辐照剂量处理500粒种子，5次重复，并设置相应的空白对照。⁶⁰Co-γ辐照共设置了5组不同辐照量的处理和1组对照，每组处理2 500颗种子；电子束辐照共设置了7组不同剂量的处理组和1组对照组，每组处理2 500颗种子。草炭和珍珠岩（1∶1）作为基质混匀后充分浇水，4月份将处理后的种子播种在育苗穴盘中，随后放置在塑料大棚中，定期调查种子发芽量和幼苗生长情况。播种后每天观察萌发情况，记录发芽日期和数量，计算发芽率。发芽完成后，观察幼苗叶片生长情况，幼苗生长稳定后统计每个处理的成苗数量，计算成苗率。当年11～12月份测量幼苗生长指标。株高为植物自地上基部到顶端生长点的高度，用卷尺测量；地径为离开地面1 cm处的茎干直径，用游标卡尺测量；分枝长用直尺测量，为主干分枝处至枝条顶端生长点的长度。

　　　　　　　　　　发芽率/%=（种子发芽量/供试种子量）×100%；

　　　　　　　　　　成苗率/%=（成苗数量/供试种子量）×100%。

1.3. 辐照半致死率的确定

半致死剂量（LD50）指以成苗率为指标，找出成苗率为对照一半的剂量，此时的诱变效果为理论上最佳^[23]。以辐射量x为自变量，不同剂量下的成苗率为因变量y，利用Excel得出直线回归方程y=a+bx，计算半致死剂量^[24]。

1.4. 数据分析

采用SPSS19.0和Excel对数据统计分析。

3. 讨　论

3.1. 2种辐照对紫薇种子和幼苗表观性状的影响

⁶⁰Co-γ射线和电子束的产生原理和作用机制不尽相同，其对紫薇辐照效果的差异研究尚鲜见报道。种子的发芽率和成苗率是育种成功的基础，本试验显示⁶⁰Co-γ和电子束均会对紫薇种子的发芽率产生影响，其中⁶⁰Co-γ辐照对紫薇种子的发芽率影响较小。相比发芽率，2种辐照处理下紫薇的成苗率和发芽天数均有较明显的影响，但紫薇幼苗生长的株高和分枝数未有明显差异。试验结果表明，在相同剂量条件下（250 Gy），电子束辐照处理下的紫薇幼苗分枝长更长，地径更大，电子束辐照对紫薇幼苗分枝长和地径表观性状发生的变异更大。近年来有研究人员认为通过成苗率计算半致死剂量，且在20%上下选择2个剂量可以产生更多的突变率^[25]。笔者通过试验，计算出紫薇干种子在⁶⁰Co-γ辐照的范围为113.06～299.63 Gy，在电子束辐照的范围为245.5～372.24 Gy。这些结果可以为紫薇的诱变育种提供数据基础，也可以为其他花卉植物的辐射诱变提供参考。

3.2. 种子和幼苗表观性状变异的原因分析

2种辐照显示随着辐照剂量的增加，发芽率均先升高后降低，推测可能是低剂量处理破坏了种皮的结构从而促进种子萌发，但有文献推测其原因是低剂量的辐照会打破种子休眠，在种子萌发的早期活化相关蛋白和RNA，从而提高种子萌发率^[26]；而高剂量辐照会破坏部分种胚导致种子活力降低。2种辐照处理下紫薇的成苗率均显著降低，这可能是由于辐照导致植物细胞分裂受抑制，这种抑制随芽苗生长不断显现，最终导致幼苗生长困难甚至不能成苗^[27]，这与鸢尾、万寿菊和高羊茅中的研究结果一致^[28-30]。辐照可以导致细胞多水平的变化，从而引起植物形态的变化，幼苗的生长状况是衡量辐照生物学效应的重要指标。本试验结果表明⁶⁰Co-γ 3组高剂量组分枝长和分枝数逐渐增加，推测可能是高剂量辐照处理抑制了植株的顶端优势，从而在一定范围内促进了侧芽的发育。电子束辐照低剂量处理组分枝长比对照显著增长，推测可能是低辐照处理所致损伤程度较低，刺激植物激素的合成，引起一系列修复反应，从而减轻辐照的损伤以更好抵御外界的干扰，而高剂量辐照表现出对幼苗生长的抑制作用，可能与细胞分裂G2/M期受阻有关。

辐射育种可以打破基因连锁，提高重组率，改变品种单一性状和缩短育种周期，因此被广泛应用于观赏植物和农作物中。亲本的选择是辐射育种成功的基础，要尽可能选择易发生突变的基因型和杂合材料，杂合材料经辐射处理后发生隐性突变的性状比纯合体易于显现，有利于提高后代的突变频率和选择几率。在育种操作中，辐照技术可以和组织培养、现代分子生物学技术相结合，提高突变体的选择效率和增殖速度，加快观赏植物新品种选育的进程。

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项目 Item	辐照剂量 Irradiation dose/Gy					CK
项目 Item	50	100	150	200	250	CK
发芽率/% Germination rate	54.6	66.4	59.2	63.6	58.2	65
始发芽天数/d Days for initial germination	12	11	11	11	12	11
发芽完成天数/d Days for germination of all seeds	22	25	24	25	24	20
成苗率/% Seedling survival rate	34.4	36.6	35	28.8	23.2	56.4

项目 Item	辐照剂量 Irradiation dose/Gy							CK
项目 Item	200	250	300	350	400	450	500	CK
发芽率/% Germination rate	46.8	57.4	50.2	46.4	56.6	48.4	41.6	65
始发芽天数/d Days for initial germination	13	13	13	13	14	13	14	11
发芽完成天数/d Days for germination of all seeds	23	23	23	24	23	24	23	20
成苗率/% Seedling survival rate	39.2	33.6	30	21	18.8	16.2	13	56.4

辐照类别 Irradiation	回归模型 Regression equation	复相关系数 Multiple correlation coefficient	不同致死率估计剂量/Gy Estimated dose of different mortality rates/Gy
辐照类别 Irradiation	回归模型 Regression equation	复相关系数 Multiple correlation coefficient	40%	50%	60%
⁶⁰Co-γ	y=72.12−0.107 2x	0.741 5	299.63	206.34	113.06
离子束 EB	y=98.74−0.157 8x	0.964 2	372.24	308.87	245.5
注：x为辐照量（Gy），y为成苗率。　　Note: x is irradiation dosage; y is seedling survival rate; EB means electron beam.

指标 Index	辐照剂量 Irradiation dose/Gy					CK
指标 Index	50	100	150	200	250	CK
株高/cm Height	26.22±4.84ab	24.33±5.93b	26.95±8.28ab	27.65±7.02a	28.10±6.21a	28.39±3.50a
分枝长/cm Branch length	37.83±9.02bc	34.08±11.31c	41.06±15.92bc	41.77±17.45b	41.65±15.19b	52.27±13.62a
分枝数/个 Branches	2.50±1.07b	2.27±1.26b	2.57±1.43b	2.73±1.91b	2.87±1.74b	3.70±1.42a
地径/mm Ground diameter	4.12±0.73b	4.41±0.62ab	4.37±0.70b	4.48±0.91ab	4.24±0.77b	4.76±0.66a
注：同一行数字后标注不同小写字母代表不同处理间差异显著（P<0.05），以下同。　　Note: Different lowercase letters in a row indicate significant differences at 0. 05 level under different irradiation dosages.

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