N+離子束注入對(duì)水稻的生物學(xué)效應(yīng)

翟圓君 阮華強(qiáng)

【摘 要】以水稻新稻-18為實(shí)驗(yàn)材料，以不同劑量的低能氮離子束為誘變?cè)矗?研究了低能離子束注入對(duì)水稻生物學(xué)效應(yīng)的影響。用能量30 keV劑量為1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、6×1017 N+/cm2、8×1017 N+/cm2的離子束輻照新稻-18水稻種子后，30 ℃暗培養(yǎng)。72 h后第一次取樣，之后每間隔24 h小時(shí)取樣一次，共取樣三次。觀察記錄水稻的生長(zhǎng)狀況，分析其種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率、苗高與根長(zhǎng)、干重與活力指數(shù)。

【關(guān)鍵詞】水稻；離子束注入；生物學(xué)效應(yīng)

我國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)始終處于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)地位。用各種高新技術(shù)方法改良種子或創(chuàng)建新品質(zhì)材料、優(yōu)化生物過(guò)程、提高轉(zhuǎn)化率是促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的永恒主題。隨著我國(guó)人口不斷增加和可耕地不斷減少，對(duì)水稻的的研究更為迫切。近年來(lái)，由于氣候變化和水資源緊張導(dǎo)致干旱氣候頻繁出現(xiàn)，給世界糧食產(chǎn)量造成嚴(yán)重?fù)p失。在干旱等不利條件下，最大限度的增大糧食作物的產(chǎn)量，是農(nóng)業(yè)和生物科學(xué)工作者的奮斗目標(biāo)。

稻米是中國(guó)人的主食，為人們提供39%的熱量，約60%人口糧食來(lái)源。并且根據(jù)中國(guó)人口增趨勢(shì)，到2030年人口可達(dá)16億，稻米總產(chǎn)量要達(dá)2.47億t[1]。目前，提高水稻產(chǎn)量的方法主要通過(guò)雜交培育水稻新品種，但是新品種的選育周期較長(zhǎng)，并且難度較大。在這種情況下，用物理手段對(duì)水稻種子處理，成為提高水稻產(chǎn)量的一種有效方法。離子注入技術(shù)最初被用于半導(dǎo)體和金屬表面改性研究是在20世紀(jì)70年代。前人一般認(rèn)為只有在生物體內(nèi)部的遺傳物質(zhì)被外來(lái)的離子直接擊后才能產(chǎn)生可遺傳突變，長(zhǎng)期忽視了那些在表型上可見的有低能離子束的相作用引起的生物效應(yīng)。因此，對(duì)離子束的生物效應(yīng)的研究特別少[2]。20世紀(jì)80年代中科院余增亮及其研究成員將低能離子束技術(shù)應(yīng)用于作物品種的改良[3]，利用離子束技術(shù)具有突變率高、突變譜廣、生理?yè)p傷性小等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)作物的遺傳改良中推廣運(yùn)用，離子束生物技術(shù)逐漸被人們運(yùn)用，現(xiàn)經(jīng)離子束誘變已育成了水稻、小麥、玉米和番茄等多個(gè)農(nóng)作物新品種并獲得了許多優(yōu)良的突變材料。在創(chuàng)造遺傳性變異群體方面具有新穎性，并在植物轉(zhuǎn)基因、誘變育種、生命起源和進(jìn)化、人類健康與環(huán)境輻射等方面運(yùn)用頗多。這項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于多種糧食作物及經(jīng)濟(jì)作物的誘變育種中，同時(shí)取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 [4]。筆者以水稻新稻-18為實(shí)驗(yàn)材料，以不同劑量的低能氮離子束為誘變?cè)矗?研究了低能離子束注入對(duì)水稻生物學(xué)效應(yīng)的影響。用能量30 keV劑量為1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、6×1017 N+/cm2、8×1017 N+/cm2的離子束輻照新稻-18水稻種子后，30 ℃暗培養(yǎng)。72 h后第一次取樣，之后每間隔24 h小時(shí)取樣一次，共取樣三次。觀察記錄水稻的生長(zhǎng)狀況，分析其種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率、苗高與根長(zhǎng)、干重與活力指數(shù)。

一、實(shí)驗(yàn)材料與方法

（一）實(shí)驗(yàn)材料。

品種新稻-18是鄭州大學(xué)河南省離子束生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室種植。該品種屬粳型常規(guī)水稻，全生育期約為161。新稻18號(hào)是河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院新近選育的超高產(chǎn)多抗常規(guī)粳稻新品種，適合河南省沿黃稻區(qū)和豫南秈改粳稻區(qū)等地生產(chǎn)。

（二）實(shí)驗(yàn)儀器。

低能離子束注入機(jī)型號(hào)：UIL.0.512，TNV，來(lái)自俄羅斯強(qiáng)電研究所，玻璃培養(yǎng)皿，噴壺。

（三）水稻的離子束注入。

選取新稻—18較飽滿的種子將其穎殼去掉，200粒為一組，分別將種子放入有花泥的培養(yǎng)皿中，使種子的種胚向上。使用本實(shí)驗(yàn)室注入機(jī)，在同一氮離子束劑量中對(duì)每份實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行低能氮離子束注入處理離子束注入。劑量共5個(gè)，分別為1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、6×1017 N+/cm2、8×017 N+/cm2同時(shí)，選取200粒飽滿的水稻種子，隨同被處理材料一起放在真空條件下而不進(jìn)行低能氮離子束注入處理，作為對(duì)照。另設(shè)不經(jīng)任何處理的對(duì)照（CK）。

（四）離子束注入后對(duì)種子的幼芽的培養(yǎng)。

在五個(gè)相同的培養(yǎng)皿各放200粒，一個(gè)為不做任何處理的對(duì)照組，另一個(gè)為真空處理組，另外五個(gè)為處理組，處理劑量分別為1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、6×1017 N+/cm2、8×017 N+/cm2，離子能量為30 keV。將氮離子轟擊后及對(duì)照組種子，先用蒸餾水進(jìn)行清洗，用85 %的酒精和30 %的雙氧水以4：1混合的混合液清洗，再用蒸餾水沖洗2-3次。然后置于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中。將樣品放入恒溫箱暗培養(yǎng)，溫度為30℃。七十二小時(shí)后第一次取樣之后每間隔24小時(shí)取樣一次。共取樣三次。每天澆水一次，補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水分，保證培養(yǎng)皿中有水分。

（五）對(duì)種子的幼芽的測(cè)定。

種子的發(fā)芽意味著水稻生長(zhǎng)的開始，較高的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率有利于培育壯秧，在一定程度上關(guān)系到水稻的產(chǎn)量，同時(shí)種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率也是檢測(cè)種子質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)[5]。國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程規(guī)定種子的發(fā)芽時(shí)間為10d【6】，與此不同，待種子生長(zhǎng)3～4天時(shí)計(jì)算水稻種子的發(fā)芽勢(shì)，生長(zhǎng)到6～7天時(shí)計(jì)算發(fā)芽率。發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率的測(cè)定方法如下：

發(fā)芽勢(shì)=在規(guī)定天數(shù)內(nèi)發(fā)芽的粒數(shù)/供測(cè)定的種子粒數(shù)×100%。

發(fā)芽率=全部發(fā)芽種子粒數(shù)/供測(cè)定的種子粒數(shù)×100%。

在發(fā)芽率相同時(shí)，發(fā)芽勢(shì)高的種子，說(shuō)明種子生命力強(qiáng)，在場(chǎng)地的播種發(fā)芽率較高，播種后幼苗出土正常。培養(yǎng)7d后，開始測(cè)胚芽的長(zhǎng)度和培根的長(zhǎng)度。

將幼苗放入80℃烘箱中進(jìn)行烘干，大約12小時(shí)后，取出，稱量其干重。幼苗干著是影響種子活力指數(shù)的變量之一，計(jì)算活力指數(shù)。

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×幼苗干重。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析

（一）離子束注入對(duì)苗高與根長(zhǎng)有一定的抑制作用。

經(jīng)過(guò)離子束注入后，水稻的苗高有所減小，劑量為2×1017 N+/cm2的離子束注入后，苗高偏高。從實(shí)驗(yàn)中分析得出，離子束注入對(duì)根長(zhǎng)有所影響，根長(zhǎng)減少。經(jīng)劑量為2×1017 N+/cm2的離子束注入的水稻的根長(zhǎng)有所增長(zhǎng)。真空對(duì)照組的苗高與根長(zhǎng)變化不大，劑量為8×1017 N+/cm2的離子束注入后，水稻的苗高與根長(zhǎng)最小。劑量為2×1017 N+/cm2的氮離子束對(duì)水稻的苗高與根長(zhǎng)均有促進(jìn)作用。除劑量為2×1017 N+/cm2，隨著劑量的增加，苗高與根長(zhǎng)都逐漸減小，分析得知，離子束注入對(duì)苗高與根長(zhǎng)有一定的抑制作用。苗高和根長(zhǎng)都能在一定程度上體現(xiàn)種子活力程度，由于在實(shí)驗(yàn)中種子進(jìn)過(guò)處理后活力值降低，因此也影響了苗高和根長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)真空處理與離子束的注入除2×1017 N+/cm2劑量外，其他苗高和根長(zhǎng)均矮于對(duì)照組，從中也可以再次看出2×1017 N+/cm2劑量的離子注入為最佳量。

（二）不同劑量的離子束注入對(duì)干重與活力指數(shù)也有影響。

氮離子束注入后，水稻的干重均有所減小，劑量為4×1017 N+/cm2的離子束注入后，對(duì)水稻干重的影響最大。離子束注入后，對(duì)水稻的活力指數(shù)也有所影響，劑量分別為1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2和真空處理的水稻，活力指數(shù)都有所下降。種子活力是種子健康程度的表現(xiàn)，是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)。種子的活力程度除了與遺傳及種子成熟程度有關(guān)外，也收到外界環(huán)境因素的影響[7]。種子在真空下與離子束的注入使細(xì)胞分裂受到抑制，組織與結(jié)構(gòu)受到破壞[14]，使種子活力降低。因?yàn)榉N子的活力受到真空狀態(tài)與離子注入的一定程度上影響，故計(jì)算了種子的活力值（活力值的計(jì)算公式：活力值= 發(fā)芽率×干重）。實(shí)驗(yàn)顯示：經(jīng)過(guò)真空處理與離子束的注入會(huì)使種子活力值下降。結(jié)果符合王衛(wèi)東等[8] 的結(jié)論。

（三）不同劑量離子束注入對(duì)發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽率的影響。

真空處理促進(jìn)了發(fā)芽勢(shì)的增長(zhǎng)。而經(jīng)過(guò)不同劑量的離子束注入，對(duì)種子的發(fā)芽勢(shì)幾乎都有促進(jìn)作用。在離子束注入劑量為1×1017 N+/cm2時(shí)發(fā)芽勢(shì)稍有下降；當(dāng)離子束注入劑量增加到2×1017 N+/cm2時(shí)發(fā)芽勢(shì)有了明顯的增長(zhǎng)，達(dá)到最大值96%，比對(duì)照提高了22%。之后，隨著離子束注入劑量的增加發(fā)芽勢(shì)呈下降趨勢(shì)。種子發(fā)芽勢(shì)總體趨勢(shì)為先緩慢下降，后上升再下降的“馬鞍曲線”，符合宋道軍等[9] 的研究結(jié)果。真空處理后發(fā)芽率有顯著提高到達(dá)100%，而不同的離子束注入劑量對(duì)本次試驗(yàn)的影響不大，總體發(fā)芽率均在90%以上，變化范圍在92%-98%之間。

綜上所述，真空處理及注入離子束都在一定程度上影響了種子的萌發(fā)，影響了發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)等，也發(fā)現(xiàn)2×1017 N+/cm2的離子束注入為最佳劑量。探索注入水稻的最佳劑量有助于進(jìn)一步研究，在水稻的選育、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)中，通過(guò)合適劑量氮離子束的注入，是提高水稻產(chǎn)量的有效措施。

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