離子注入技術及其在籽蓮育種上的應用研究

劉凰 鄒東旺 唐記平 劉春華 張香蓮 楊良波 徐金星 謝克強 蘇穎 張濤

（1.廣昌縣白蓮科學研究所，江西廣昌，344900；2.北京師范大學低能核物理研究所）

離子注入技術及其在籽蓮育種上的應用研究

劉凰 鄒東旺 唐記平 劉春華 張香蓮 楊良波 徐金星 謝克強 蘇穎 張濤

（1.廣昌縣白蓮科學研究所，江西廣昌，344900；2.北京師范大學低能核物理研究所）

簡要介紹了離子注入的方法、作用機理及特點，并利用離子注入籽蓮種子為誘變源，分析了用離子束誘變育種中出現的變異和生物效應，初步探討了籽蓮通過離子誘變處理獲得改良新品種（系）的方法，并對選育的籽蓮品種進行了簡述。

離子注入 籽蓮 生物學效應 品種改良

離子注入是近30 a來在國際上蓬勃發展和廣泛應用的一種材料表面改性高新技術，在半導體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等的表面優化上獲得了極為廣泛的應用。20世紀80年代中期中國科學院等離子體物理研究所率先將離子注入作為農作物改良的一種新誘變源，應用于農作物育種獲得成功，表現出誘變損傷輕、有效突變率高、突變譜廣等優點。該技術在物理學和生物學的結合上已發展成為一門新興交叉學科。現在離子注入技術已經受到國內外的廣泛重視，在應用于品種改良上已取得了一定的成果，具有廣闊的應用前景。

1 離子注入技術及其特點

1.1 離子注入的方法

離子注入是把某種元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加速，在獲得較高速度后射入放在真空靶室中的材料表面，從而改變材料的結構和性能。

1.2 離子注入的作用機理

離子注入生物體內，存在能量沉積和質量沉積過程，又存在動量傳遞和電荷交換過程。加速后的離子具有一定的能量、帶有一定的電荷、具有一定的靜止質量。離子注入生物體時，能量、質量及電荷共同作用于生物體，注入離子束生物體內的靶分子和靶原子發生碰撞、級聯碰撞和反沖，從而產生能量沉積和質量沉積。能量沉積可導致生物體的直接損傷和間接損傷，引起遺傳物質DNA的斷裂和重組，進而引起染色體結構的變異，造成染色體倒位、移位、重復與缺失。質量沉積可引起細胞內生物分子的移位和重排，使DNA大分子一部分被取代或補充，阻礙了輻射損傷的修復。因此離子注入誘變育種表現出高的突變率和突變頻譜。

1.3 離子注入的特點

表1 籽蓮離子注入情況

離子注入技術與傳統的x射線、γ射線、電子束和激光相比具有明顯的區別，離子束與生物體相互作用時有高激發性、劑量集中性和可控性的特點。離子作用到的生物分子、細胞所造成的損傷通常也不易修復，即突變體穩定快。因此，離子注入生物體產生的生理損傷小，突變率高，突變譜廣。利用這些特點，將有可能實現定位誘變，從而提高生物品種改良的目的性。

表2 離子注入對籽蓮種子發芽、胚芽生長及種子成活率的影響

表3 離子注入對籽蓮種子開花習性的的影響

2 離子注入技術在籽蓮育種上的應用研究

近年來，離子注入技術作為一種新的誘變源，在誘變育種方面因其獨特的誘變機理和生物效應，發展極為迅速。廣昌縣白蓮科學研究所將該技術應用于籽蓮育種獲得成效。

2.1 材料與方法

廣昌縣籽蓮科學研究所對籽蓮品種（系）太空蓮1號、太空蓮2號、太空蓮3號種子，進行了P+，C+，N+離子，2 MeV和3 MeV能量注入處理（表1）。

表4 離子注入對籽蓮種子始蕾期的影響

表5 離子注入籽蓮種子M1代花型、花色的變異

2.2 離子注入的生物學效應

①對種子萌發的影響 試驗表明（表2），一定劑量離子注入對籽蓮種子發芽無明顯影響，而胚芽及種苗生長受到了抑制。

②對花芽分化的影響 試驗表明（表3），一定劑量離子注入處理能促進籽蓮花芽分化，提高籽蓮的單株現蕾數及現蕾株率，而對籽蓮始蕾期的影響是非定向的，即有的種子現蕾較對照早，有的較對照遲。由表4可知，始蕾最早為5月24日，較對照早9 d，最遲現蕾為7月21日，較對照遲46 d。同一品種不同處理也有變異，現蕾最早與最遲相差達57 d。

③形態特征的變異 由表5可知，經離子注入后，籽蓮VM1代出現廣譜變異，尤其花型變異最為明顯。同一品種的同一處理出現兩種不同花型（單瓣、半重瓣或重瓣）變異，甚至在同一缸內出現兩種花型，前兩朵為單瓣花，以后開出的是重瓣花；還有同一蓬種子開出兩種花型。在花色變異方面，主要表現在花蕾和花瓣的顏色上，花蕾由紅色變為桃紅或花蕾青綠，瓣尖泛紅。花瓣由紅色變為粉紅色、爪紅色等。同一品種的同一處理長出各種不同形狀的蓮蓬、蓮籽。蓮蓬有碗形、傘形、扁圓形、倒圓錐形和喇叭形，蓮籽有卵形、卵圓形、長卵形和近圓形。

④經濟性狀的影響 不同處理對籽蓮種子每蓬實粒數有較大的影響，不同處理間及同一處理內籽粒質量均有明顯差異，顆粒最大達2.02 g，最小1.11 g，相差0.91 g。

2.3 優良單株的選育

離子注入性狀變異第2年、第3年仍然表現，初步判斷其變異性狀可穩定遺傳。根據其綜合農藝性狀表現，選育出“京廣1號”籽蓮新品種，2006年7月通過江西省科技廳組織的專家鑒定。

該品種主要特性：全生育期190～199 d，花期110～112 d，采摘期115 d。花單瓣，紅色，心皮14～22枚。干通心蓮千粒質量1060 g，1 hm2產1350～1500 kg。

3 前景展望

離子注入籽蓮育種產生的變異是多方面的，主要表現為影響籽蓮生長期、現蕾數、現蕾期、花形、花色和蓮籽單粒質量等。目前我們只是發掘了其中的部分變異特性。隨著研究的深入，越來越多的變異將被發現和利用。而且隨著離子束生物技術的不斷發展，不遠的將來利用離子束注入技術實現籽蓮基因定位誘變育種，改良品種的不良性狀，快速、準確地為生產提供優質、多抗的新品種和新的育種材料也將成為現實。這顯示了離子注入誘變選育籽蓮新品的良好應用前景。

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.16.022

劉凰，男，副局長，研究方向為白蓮新品種選育，電話：0794-3622582

2009-07-15