離子注入對紅小豆農藝性狀及產量的影響

李海金，劉化濤，晉凡生，常建忠，劉恩科

（山西農業大學山西有機旱作農業研究院，山西太原030031）

紅小豆（Vigna umbellate）在我國栽培歷史悠久，是我國北方主要的雜糧作物之一[1-2]。紅小豆生育期短，耐瘠、耐陰、適應性強，在各種類型的土壤上都能種植，甚至在輕鹽堿地土壤也能生長，并有固氮養地能力，是其他作物的好前茬，在農業種植結構調整和優質、高產、高效農業發展中具有重要作用。山西是全國紅小豆種植面積較大的省份之一[3-4]，旱地紅小豆品種繁雜，效益不穩定，本試驗擬通過離子注入誘變技術，加快旱地紅小豆新品種的選育，不斷優化紅小豆品種以達到農業生產中穩產、高產的目的。

國內農業科研人員對紅小豆品種的選育、施肥量、施肥方式、栽培方式、除草劑的使用等進行了大量的研究[5-11]。關于離子注入對紅小豆產量因素的影響研究很少，離子注入處理種子技術是一項農業物理新技術，它具有一定的重復性和方向性的特點[12]。離子注入已被廣泛應用于作物品種的選育與改良[13-14]，紅小豆播種前用離子注入機對種子進行處理，目的是改變植株農藝性狀，提高產量或增強抗逆性[15]，離子注入的機理就是模擬太空育種的方法，在高真空條件下，通過離子源發射高能離子作用于種子，使生物體發生基因重組或基因突變，選育出優良的品種。

本試驗對紅小豆種子離子注入處理的生物效應進行了科學的分析，對紅小豆離子注入誘變育種具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年在山西省農業科學院旱地農業研究中心陽曲縣凌井店鄉河村試驗基地進行。該基地位于北緯 38°03′80″、東經 112°88′35″，海拔1 270 m，處于晉中盆地與忻州盆地之間，年平均氣溫6～7℃，年降雨量為441.2 mm，無霜期為120 d左右。土壤為褐土性土，0～20 cm土壤有機質14.35 g/kg，全氮 0.95 g/kg，堿解氮 40.3 mg/kg，速效磷 6.35 mg/kg，速效鉀 105.12 mg/kg，pH 值 8.25。

1.2 試驗材料

供試紅小豆品種為晉紅小豆5號，由山西省農業科學院作物科學研究所提供。

1.3 試驗設計

試驗地按照每公頃尿素600 kg、磷肥375 kg、鉀肥150 kg進行施肥。試驗設3次重復，隨機排列種植。播種前用山西省農業科學院旱地農業研究中心的俄羅斯離子注入機處理紅小豆種子。處理劑量分別為 2×1016、4×1016、6×1016個 /cm2氮離子，以空白處理為對照（CK）。試驗小區面積3.5m×5.0m，行距50 cm、株距20 cm，每公頃留苗100 050株。2018年5月19日人工點播，8月20日收獲。

1.4 測定項目及方法

收獲前測量株高，收獲后進行考種，測定紅小豆單株莢數、百粒質量、小區產量。

1.5 數據統計分析

相關數據用Microsoft Excel 2003整理，用SPSS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 離子注入對紅小豆單莢莢數的影響

收獲前各處理取10株樣本測定單株豆莢的平均數，處理1為26.10個，處理2為25.40個，處理3為26.50個，對照為25.07個。由圖1可知，處理3與CK間差異達顯著水平（P＜0.05），比對照增加5.7%，處理1、3都比對照有所增加，說明離子注入不同的劑量對紅小豆的單株莢數有一定的影響。

2.2 離子注入對紅小豆百粒質量的影響

由圖2可以看出，處理1的百粒質量與CK間差異達顯著水平（P＜0.05），比對照增加17.2%。處理2、處理3表現不明顯，說明隨著離子注入劑量增大百粒質量有所降低。

2.3 離子注入對紅小豆株高的影響

從圖3可以看出，處理1的株高比對照增加11.4%，處理3比對照增加11.1%，且處理1和處理3與對照間差異達顯著水平；處理2株高與對照差異不大。說明離子注入對作物的株高有一定的影響，不同的劑量表現有所不同。

2.4 離子注入對紅小豆產量的影響

從圖4可以看出，處理1的小區產量最高，為3.0 kg，比對照增產42.8%；處理2為2.7 kg，比對照增產28.6%；處理3為2.8 kg，比對照增產33.3%。離子注入處理紅小豆，增產效應均達顯著水平，低劑量處理紅小豆種子產量效果最顯著，劑量增大產量有所降低。

2.5 產量與紅小豆農藝性狀的相關分析

由表1可知，主要農藝性狀之間都呈正相關，方向是一致的。產量與單株莢數相關系數為0.96，達極顯著水平；產量與百粒質量、株高呈正相關，雖相關性未達顯著水平，但相關系數比較大。所以篩選優良紅小豆品種應該把單株莢數作為首要性狀進行選擇。

表1 紅小豆產量與主要農藝性狀之間的相關分析

3 結論與討論

作物種子是制約現代農業發展的主要因素之一，其質量好壞直接影響植株的產量、產品的品質。研究種質資源創新是育種工作的重中之重，常規育種技術特點是基因重組，工作量大，時間比較長，且有些植物性狀使用常規育種方法很難改變。作物自發突變頻率非常低，離子注入紅小豆種子，能提高變異頻率，加速育種進程，能夠改變影響產量因素的農藝性狀。本試驗應用離子注入處理紅小豆種子，對單株莢數、百粒質量、株高、產量都產生了影響。處理1（劑量2×1016個/cm2氮離子）的產量、株高、百粒質量與CK間差異達顯著水平（P＜0.05），但單株莢數與CK間差異未達顯著水平。處理2（劑量4×1016個/cm2氮離子）的表現一般，其株高、單株莢數、百粒質量與CK間差異未達顯著水平。處理3（劑量6×1016個/cm2氮離子）的單株莢數、株高、產量與CK間差異達顯著水平（P＜0.05），但百粒質量差異未達顯著水平。依據相關系數綜合分析，處理劑量2×1016個/cm2氮離子對創制新種質資源有積極的作用，在紅小豆誘變育種中具有應用價值。

農作物某一性狀對產量影響的主導地位不是一成不變的，地區不同、土壤肥力不同以及品種間的差異都可能導致影響產量的主導因子發生變化[16-17]。申慧芳等[18]對紅小豆主要農藝性狀的灰色關聯與相關性分析結果表明，分枝數、二級分枝數、單株產量、主莖節數、百粒質量和單株莢數具有較大的變異系數。劉興葉等[19]對綠豆性狀研究表明，各性狀與產量的相關性大小為莢粒數＞莢長＞株高＞主莖節數＞百粒質量＞單株莢數＞主莖分枝數。本試驗結果表明，各性狀與產量的相關性大小為單株莢數＞株高＞百粒質量。紅小豆不同農藝性狀的表現是由品種基因所決定的，離子注入技術能夠改變它的株高、百粒質量和單株莢數等農藝性狀，對這些性狀進行選擇，能夠獲得優良突變體。

離子注入機處理種子是在離子源的作用下剝離氣體原子核外圍的電子使其成為帶正電的離子，經過高壓加速將離子注入作物種子胚和生長點，能夠激活種子潛在的酶的活性[20]，改變植株的農藝性狀，誘導作物發生遺傳變異，創制新的種質資源，離子注入技術快捷方便，可以顯著提高育種效率。前人對離子注入影響植株性狀變異的機制做過很多研究[21-24]，不同作物有所差異，同一作物不同品種表現也不一樣。為達預期效果，應根據田間試驗的表現，考慮各性狀之間的相互影響，確定適宜的離子注入劑量，選出適合離子注入誘變的作物品種進行誘變育種。本試驗結果表明，離子注入劑量2×1016個/cm2氮離子適宜紅小豆誘變處理，但也僅是一年試驗結果，還需長期積累研究。