離子注入紅蕓豆種子生物效應(yīng)分析

李海金，晉凡生，常建忠，李 潔，劉恩科

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031）

離子注入已被廣泛應(yīng)用于作物品種的選育與改良[1-3]，它在植物育種和改良應(yīng)用中表現(xiàn)出損傷輕、正突變率高、突變譜廣、有一定的重復(fù)性和方向性等特點(diǎn)[4]。紅蕓豆是我國的一種主要雜糧作物，主要分布在北方和西南高寒冷涼地區(qū)，種植面積較廣[5]，其中，山西省是我國紅蕓豆主產(chǎn)地之一。紅蕓豆為食用豆中普通菜豆矮生直立型的一個(gè)品種，營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，近年來種植面積逐步增加[5]。為提高紅蕓豆產(chǎn)量，國內(nèi)科研人員已在品種、生長環(huán)境、栽培方式及施肥技術(shù)等方面進(jìn)行了大量研究，提出影響紅蕓豆產(chǎn)量的因素主要有蕓豆品種、生長環(huán)境、栽培方式及施肥措施等[6-14]。離子注入處理種子技術(shù)是一項(xiàng)農(nóng)業(yè)物理新技術(shù)，在農(nóng)作物播種前用離子注入機(jī)對(duì)作物種子進(jìn)行處理，以使農(nóng)作物增產(chǎn)或增強(qiáng)抗逆性[15]。離子注入機(jī)理是通過離子源發(fā)射高能離子作用于種子，激發(fā)種子的潛能、提高種子的活力、增強(qiáng)種子的健壯度，使種子及作物后續(xù)生長的內(nèi)在潛力得到提升、產(chǎn)量得到提高，從而選育出優(yōu)良的品種。目前，關(guān)于離子注入對(duì)紅蕓豆產(chǎn)量因素的影響研究較少。

本試驗(yàn)通過對(duì)紅蕓豆種子進(jìn)行離子注入處理，分析離子注入對(duì)紅蕓豆產(chǎn)量因素如株高、分枝、豆莢數(shù)、百粒質(zhì)量以及抗逆性的影響，對(duì)于研究離子注入對(duì)紅蕓豆誘變育種具有積極的作用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017 年在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心陽曲縣凌井店鄉(xiāng)河村試驗(yàn)基地進(jìn)行。該基地地處忻州與晉中盆地之脊梁地帶，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫6～7 ℃，年降雨量為441.2 mm，全年無霜期為120 d 左右。土壤為褐土性土，0～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)14.41 g/kg，全氮0.95 g/kg，堿解氮40.4 mg/kg，速效磷17.05 mg/kg，速效鉀107.12 mg/kg，pH 值8.25。2017 年2—10 月，該基地降雨量466.7 mm，紅蕓豆生育期（5 月19 日至9 月1 日）降雨量為322.2 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施肥水平，每公頃施用尿素600 kg、磷肥375 kg、鉀肥150 kg，以底肥一次性施入，然后平整土地。播前3～5 d 用俄羅斯離子注入機(jī)對(duì)紅蕓豆種子進(jìn)行離子注入處理，設(shè)3 個(gè)劑量水平：處理1 為2×1016N+/cm2；處理2 為4×1016N+/cm2；處理3 為6×1016N+/cm2；以不處理為對(duì)照。3 次重復(fù)，隨機(jī)排列種植，小區(qū)面積3.5 m×5 m。5 月19 日人工點(diǎn)播，行距50 cm，株距20 cm。播種后每小區(qū)埋1 根2 m 的不銹鋼管，用于中子儀測(cè)量水分。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

播種后每個(gè)處理用中子儀隔1 個(gè)月測(cè)量一次0～160 cm 田間水分。收獲前測(cè)量株高；收獲后進(jìn)行考種，測(cè)定豆莢數(shù)、百粒質(zhì)量、小區(qū)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 離子注入對(duì)紅蕓豆豆莢數(shù)的影響

由圖1 可知，3 個(gè)處理分別比CK 增加14.7%，-6.7%，27.3%。說明離子注入不同的劑量對(duì)紅蕓豆的豆莢數(shù)有一定的影響，其中，處理2 莢數(shù)減少了6.7%，處理1 和處理3 都有所增加，處理3 增加最多，增加了21.3%。

2.2 離子注入對(duì)紅蕓豆株高的影響

從圖2 可以看出，處理1 對(duì)株高的影響比較明顯，比CK 增高4.6%；處理2 和處理3 對(duì)株高影響較小。說明低劑量處理能夠刺激作物生長，植株有所增高。

2.3 離子注入對(duì)紅蕓豆百粒質(zhì)量的影響

從圖3 可以看出，3 個(gè)處理的百粒質(zhì)量均較CK 有所減少，其中，處理2 百粒質(zhì)量減少12.46%，處理1 和處理3 分別減少3.44%和3.36%。說明處理2 對(duì)紅蕓豆百粒質(zhì)量影響較大。

2.4 離子注入對(duì)紅蕓豆產(chǎn)量的影響

由圖4 可知，處理1 的小區(qū)產(chǎn)量最高，為4.1 kg，比CK 增產(chǎn)5.4%；處理2 最低，為3.45 kg，比CK 減產(chǎn)11.3%；處理3 為3.63 kg，比CK 減產(chǎn)6.7%。說明低劑量處理紅蕓豆種子其產(chǎn)量有所增加，劑量增大產(chǎn)量反而降低。

2.5 離子注入對(duì)紅蕓豆水分利用的影響

由圖5 可知，紅蕓豆各處理生育期耗水量，處理1 比CK 少耗水13.1%，處理2 和處理3 分別比CK 多耗水3.4%和1.5%。說明紅蕓豆離子注入劑量越小耗水越少，各處理生育期耗水量的趨勢(shì)與產(chǎn)量正好相反。

3 結(jié)論與討論

本研究表明，離子注入處理對(duì)紅蕓豆的株高、莢數(shù)、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量均有一定影響。其中，離子注入處理后紅蕓豆百粒質(zhì)量有降低的效應(yīng)；株高有增高的效應(yīng)；莢數(shù)有增有減；產(chǎn)量是低劑量有所增加，隨劑量增加反而降低。低劑量處理2×1016N+/cm2表現(xiàn)最好，產(chǎn)量、株高、莢數(shù)都是增加效應(yīng)，4×1016N+/cm2劑量表現(xiàn)最差，產(chǎn)量、株高、莢數(shù)、百粒質(zhì)量均最低。研究表明，離子注入對(duì)紅蕓豆植株性狀有一定變異，對(duì)產(chǎn)量因子有些改變，對(duì)創(chuàng)制新種質(zhì)資源具有積極的作用。

隨著離子束生物技術(shù)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，離子注入生物體后，生物分子作用的機(jī)理探討、理論研究也逐步深入。研究發(fā)現(xiàn)，離子進(jìn)入有機(jī)分子后可引起樣品內(nèi)原子移位和重排[2]，最終形成新的化合物，導(dǎo)致作物生長發(fā)育發(fā)生變化。研究還發(fā)現(xiàn)，低能離子與生物體系相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，經(jīng)歷物理、化學(xué)和生物學(xué)幾個(gè)階段[16]；從微觀生物分子損傷到宏觀性狀的表現(xiàn)，其空間效應(yīng)放大了很多倍；可引起氨基酸和肽鏈等生物小分子結(jié)構(gòu)的變異、堿基缺失和DNA 鏈的斷裂和突變及其他一系列生理性狀的變化，從而促使生物產(chǎn)生各種變異，其中有許多變異是自然條件下難以產(chǎn)生的，可以從中選出所期望的優(yōu)良變異種質(zhì)資源，經(jīng)過培育而成為新品種[17]。

離子注入紅蕓豆種子處理目的是探討離子注入對(duì)紅蕓豆產(chǎn)量因素及農(nóng)藝性狀的影響[18]以及是否對(duì)紅蕓豆誘變育種有利。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同劑量的離子注入處理紅蕓豆，既能刺激作物種子細(xì)胞、促進(jìn)生長發(fā)育、提高產(chǎn)量，同時(shí)也對(duì)作物種子造成輕微損傷、抑制了作物生長發(fā)育、導(dǎo)致產(chǎn)量減少。本試驗(yàn)結(jié)果表明，低劑量2×1016N+/cm2能夠促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高抗逆性和產(chǎn)量，為最佳劑量。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)今后采用離子注入技術(shù)進(jìn)行紅蕓豆育種研究及選育優(yōu)良新品種具有重要的參考價(jià)值。

盡管離子注入具有顯著的生物學(xué)效應(yīng)，但誘變效果在各物種中有所差異，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，后代的變異有一定的隨機(jī)性，并不一定會(huì)出現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)性狀變異，因此，在進(jìn)行誘變育種研究時(shí)，一定要注意選育目標(biāo)的調(diào)整，要根據(jù)后代變異的情況來確定有用的選育目標(biāo)。