小麥種子注入低能氮離子束的誘變效應

高 飛， 張 明， 夏仁江， 韓利濤

(1.遵義醫科大學 物理學教研室， 貴州 遵義 563003； 2.鄭州大學 河南省離子束生物工程重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

20世紀80年代末期，中國科學院離子束生物工程學實驗室發現離子注入生物學效應，為離子束生物工程技術應用于農作物的改良揭開了序幕[1]。離子束生物工程技術的作用機理是將一定劑量離子注入植物細胞壁(農作物一般是胚)，通過粒子的植入、能量的輸入、動能的傳遞以及電荷的交換，從而誘導植物發生可遺傳變異[2]。目前，離子束注入技術不僅可應用于農作物品種的改良，而且在微生物細胞的刻蝕以及轉基因上也得到廣泛應用[3]。李興林等[4]用低能重離子輻照春麥定西24，經過多年篩選獲得2個穩定的后代118和119，經測定118的蛋白質含量較春麥定西24提高1百分點，輻照后代的高分子量麥谷蛋白亞基類型相對含量發生較大變化。張利華[5]以粉質小麥輻36為材料，經氮離子注入后，M2代出現高稈植株占72.6%。甘斌杰等[6]對小麥8553進行離子束注入發現，后代發生了種皮由白變紅的誘變。離子束注入的劑量不同、不同作物或同一作物不同品種所產生的誘變效果各不相同[7-9]。

小麥是貴州的主要糧食作物之一，其種植面積和產量僅次于水稻和玉米[10]。但是由于受自然環境或耕作水平影響，貴州小麥的品質不能達到國家標準或企業收購標準，因而小麥價格不高，許多小麥加工企業基本從外省購進專用優質小麥，使貴州各地區小麥種植嚴重受到地域性限制[11]。鑒于此，研究采用離子束生物技術，通過適宜劑量的氮離子注入小麥種子，分析注入氮離子束對小麥種子活力、幼苗POD和CAT活性以及植株農藝形狀的影響，探究氮離子束對小麥種子的誘變效應，以期為促進優質高效小麥育種技術體系的建設與貴州小麥的種質創新及優良品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種分別為榮春南麥1號和吉麥1號。榮春南麥1號為南充市農業科學院與四川榮春種業有限責任公司共同選育，貴州引進種植；吉麥1號為貴州吉豐種業有限責任公司選育。小麥種子均由遵義醫科大學物理學教研室提供。

1.2 試驗設計

采用低能(30～200 keV)氮離子束注入技術，向小麥種子注入氮離子束進行試驗。以未注入氮離子束的小麥種子為空白對照，以注入氮離子束(劑量為3×1017N+/cm2)的種子為處理對象。為便于試驗比較，將供試小麥品種榮春南麥1號編號為GG11，吉麥1號編號為GG12；GG11注入氮離子束后編號為SG11，GG12注入氮離子束后編號為SG12，共4個處理。考察注入氮離子束后小麥種子的活力和幼苗的POD與CAT活性，以及田間小麥的植株形態變化。

1.3 試驗方法

1.3.1 小麥種子注入氮離子束 2016年10月在鄭州大學離子束實驗室采用TITAN脈沖式離子注入機向小麥GG11和GG12的新鮮、飽滿、無破損籽粒注入氮離子，注入參數為氮離子能量30 keV，脈沖頻率25 Hz，脈沖寬度40 μs，束流2 mA，劑量3×1017N+/cm2。

1.3.2 小麥種子活力測定 將對照材料GG11和GG12與注入氮離子的材料SG11和SG12各取100粒種子，每個培養皿中(底部墊有潮濕的濾紙)置入25粒。于25℃恒溫箱催芽，記錄每天發芽數。培養第3天統計發芽勢，第7天統計發芽率，培養第10天隨機測量10株幼苗鮮重和苗長，取平均值。

發芽勢=前3 d供試種子的發芽數/供試種子總數×100%

發芽率=前7 d供試種子發芽總數/供試種子總數×100%

出苗率=前10 d供試種子出苗籽粒數/供試種子總數×100%

1.3.3 小麥幼苗POD及CAT活性測定 小麥種子恒溫箱培養第10天即小麥幼苗長至2葉期時進行首次酶活性測定，之后第5天起每隔1 d測1次，連續測定5次。POD及CAT活性測定分別采用愈創木酚氧化法和酶促反應法進行[12]。

1.3.4 小麥植株農藝性狀比較 2016 年 10月15 日將GG11、SG11、GG12和SG12小麥種子播于貴州省桐梓縣燎原鎮大關村實驗基地，播種行距 20 cm，株距 18 cm，每個材料播2行(行長約10 m)。小麥成熟后，每行取10 株植株，測量頂一葉長度、植株株高及主莖穗長，考察小麥穗粒數、千粒重和穗芒情況。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據基本運算，SPSS 22進行統計分析，Origin Pro 8制作圖表。

2 結果與分析

2.1 低能氮離子束注入對小麥種子活力的影響

從表1看出，種子發芽勢SG11顯著低于其空白對照GG11，SG12極顯著低于其空白對照GG12；出苗率SG11低于GG11，SG12顯著低于GG12；發芽率SG11和SG12均低于相應對照GG11和GG12。說明，小麥種子注入低能氮離子束后其種子萌發受到抑制，種子活力下降。

表1小麥種子注入低能氮離子束后種子的萌發情況

Table 1 Germination situation of wheat seeds injected with low energy N+ion beam %

處理Treatment發芽勢 Germination vigor發芽率Germination rate出苗率 Emergence rateGG1176±3.293±1.591±3.5SG1167±2.5?87±4.585±4.5GG1277±3.490±3.588±5.5SG12 58±5.4 ??83±5.780±6.4?

注：*、**分別表示與相應對照差異達顯著(P<0.05)和極顯著水平(P<0.01)，下同。

Note: * and** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respeceively.The same below.

2.2 低能氮離子束注入對小麥幼苗素質的影響

從圖1看出，小麥幼苗鮮重和苗高形態指標對低能氮離子束注入的反應較為強烈，注入低能氮離子束后小麥苗高與鮮重都略有降低，其中SG11苗高降低明顯。表明，低能氮離子束注入小麥后，其生理指標發生一定的生物效應。

Fig.1 Fresh seedling weight and height of wheat seeds injected with low energy N+ion beam

2.3 低能氮離子注入對小麥幼苗POD及CAT活性的影響

從圖2看出， 4個小麥材料幼苗的POD和CAT活性隨生長時間的延長呈升高趨勢。SG11和SG12幼苗POD和CAT活性在相同時段均高于其相應的空白對照GG11和GG12。表明，小麥籽粒注入低能量氮離子束后其幼苗POD和CAT活性增大。

2.4 低能氮離子注入對小麥主要農藝性狀的影響

從表2看出，與GG11相比，SG11的株高、穗長度、穗粒數下降，其株高從92.3 cm降至71.1 cm，降低22.9%，差異極顯著；SG11頂葉長和千粒重增加，頂葉長從24.2 cm升至26.1 cm，升高7%；千粒重從54.6 g升至56.2 g，升高2.8%，但差異不顯著。

與GG12相比，SG12的頂葉長、株高、穗長及穗粒數下降，頂一葉長從26.4 cm降至21.6 cm，降低18.2%，差異顯著；株高從86.6 cm降至78.6 cm，降低9.2%，差異顯著；穗粒數從34粒降至29粒，降低14.7%，差異顯著。千粒重從46.4 g升至48.5 g，升高4.3%，但差異不顯著。

總體看，小麥籽粒注入氮離子束后其株高、穗長和穗粒數顯著低于未注入氮離子束的處理，說明小麥籽粒注入氮離子束明顯抑制植株生長，但可促進千粒重增加。另外，注入氮離子束的小麥有部分麥芒產生突變，出現缺芒或無芒現象。

表2 低能氮離子束注入小麥的主要農藝性狀

3 結論與討論

研究表明，低能氮離子束(劑量為3×1017N+/cm2)注入對小麥種子萌發有抑制效應，小麥注入氮離子束后，種子活力下降，其發芽率和出苗率顯著低于未注入氮離子束的處理。低能氮離子束注入也抑制小麥幼苗生長，顯著降低幼苗的鮮重和苗長，可能是因為離子束能量沉積和傳遞效應綜合作用使小麥種子萌發期間胚根及后期主根生長發育不良而導致。而小麥種子注入低能量氮離子束后其幼苗POD和CAT活性增大。低能氮離子束注入后引起小麥第1代農藝性狀發生廣泛的遺傳變異，研究發現，注入低能氮離子束后植株出現頂一葉突變、株高降低、麥芒缺芒或無芒及千粒重增加等顯著的性狀變異。

低能氮離子束對小麥種子活力和植株形態均具有顯著的生物學效應，主要表現在種子萌發受挫、幼苗POD和CAT活性增強、植株誘變效果明顯(植株變矮，麥穗上出現缺芒、無芒等現象)及千粒重增大等。此效應均來自于注入低能氮離子束的小麥當代，某些性狀是否在第2代中得以延續，尚需進一步跟蹤研究，若后代出現穩定表達的優良性狀，則可用于小麥種質材料的改良。