離子注入技術(shù)及其在籽蓮育種上的應(yīng)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(qiáng) 蘇穎 張濤

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

離子注入技術(shù)及其在籽蓮育種上的應(yīng)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(qiáng) 蘇穎 張濤

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

簡(jiǎn)要介紹了離子注入的方法、作用機(jī)理及特點(diǎn)，并利用離子注入籽蓮種子為誘變?cè)?，分析了用離子束誘變育種中出現(xiàn)的變異和生物效應(yīng)，初步探討了籽蓮?fù)ㄟ^(guò)離子誘變處理獲得改良新品種（系）的方法，并對(duì)選育的籽蓮品種進(jìn)行了簡(jiǎn)述。

離子注入 籽蓮 生物學(xué)效應(yīng) 品種改良

離子注入是近30 a來(lái)在國(guó)際上蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性高新技術(shù)，在半導(dǎo)體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等的表面優(yōu)化上獲得了極為廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代中期中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所率先將離子注入作為農(nóng)作物改良的一種新誘變?cè)?，?yīng)用于農(nóng)作物育種獲得成功，表現(xiàn)出誘變損傷輕、有效突變率高、突變譜廣等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)在物理學(xué)和生物學(xué)的結(jié)合上已發(fā)展成為一門新興交叉學(xué)科。現(xiàn)在離子注入技術(shù)已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛重視，在應(yīng)用于品種改良上已取得了一定的成果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 離子注入技術(shù)及其特點(diǎn)

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(jìn)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(jié)構(gòu)和性能。

1.2 離子注入的作用機(jī)理

離子注入生物體內(nèi)，存在能量沉積和質(zhì)量沉積過(guò)程，又存在動(dòng)量傳遞和電荷交換過(guò)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(zhì)量。離子注入生物體時(shí)，能量、質(zhì)量及電荷共同作用于生物體，注入離子束生物體內(nèi)的靶分子和靶原子發(fā)生碰撞、級(jí)聯(lián)碰撞和反沖，從而產(chǎn)生能量沉積和質(zhì)量沉積。能量沉積可導(dǎo)致生物體的直接損傷和間接損傷，引起遺傳物質(zhì)DNA的斷裂和重組，進(jìn)而引起染色體結(jié)構(gòu)的變異，造成染色體倒位、移位、重復(fù)與缺失。質(zhì)量沉積可引起細(xì)胞內(nèi)生物分子的移位和重排，使DNA大分子一部分被取代或補(bǔ)充，阻礙了輻射損傷的修復(fù)。因此離子注入誘變育種表現(xiàn)出高的突變率和突變頻譜。

1.3 離子注入的特點(diǎn)

表1 籽蓮離子注入情況

離子注入技術(shù)與傳統(tǒng)的x射線、γ射線、電子束和激光相比具有明顯的區(qū)別，離子束與生物體相互作用時(shí)有高激發(fā)性、劑量集中性和可控性的特點(diǎn)。離子作用到的生物分子、細(xì)胞所造成的損傷通常也不易修復(fù)，即突變體穩(wěn)定快。因此，離子注入生物體產(chǎn)生的生理?yè)p傷小，突變率高，突變譜廣。利用這些特點(diǎn)，將有可能實(shí)現(xiàn)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(duì)籽蓮種子發(fā)芽、胚芽生長(zhǎng)及種子成活率的影響

表3 離子注入對(duì)籽蓮種子開(kāi)花習(xí)性的的影響

2 離子注入技術(shù)在籽蓮育種上的應(yīng)用研究

近年來(lái)，離子注入技術(shù)作為一種新的誘變?cè)矗谡T變育種方面因其獨(dú)特的誘變機(jī)理和生物效應(yīng)，發(fā)展極為迅速。廣昌縣白蓮科學(xué)研究所將該技術(shù)應(yīng)用于籽蓮育種獲得成效。

2.1 材料與方法

廣昌縣籽蓮科學(xué)研究所對(duì)籽蓮品種（系）太空蓮1號(hào)、太空蓮2號(hào)、太空蓮3號(hào)種子，進(jìn)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(duì)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(xué)效應(yīng)

①對(duì)種子萌發(fā)的影響 試驗(yàn)表明（表2），一定劑量離子注入對(duì)籽蓮種子發(fā)芽無(wú)明顯影響，而胚芽及種苗生長(zhǎng)受到了抑制。

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

③形態(tài)特征的變異 由表5可知，經(jīng)離子注入后，籽蓮VM1代出現(xiàn)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(xiàn)兩種不同花型（單瓣、半重瓣或重瓣）變異，甚至在同一缸內(nèi)出現(xiàn)兩種花型，前兩朵為單瓣花，以后開(kāi)出的是重瓣花；還有同一蓬種子開(kāi)出兩種花型。在花色變異方面，主要表現(xiàn)在花蕾和花瓣的顏色上，花蕾由紅色變?yōu)樘壹t或花蕾青綠，瓣尖泛紅。花瓣由紅色變?yōu)榉奂t色、爪紅色等。同一品種的同一處理長(zhǎng)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(zhǎng)卵形和近圓形。

④經(jīng)濟(jì)性狀的影響 不同處理對(duì)籽蓮種子每蓬實(shí)粒數(shù)有較大的影響，不同處理間及同一處理內(nèi)籽粒質(zhì)量均有明顯差異，顆粒最大達(dá)2.02 g，最小1.11 g，相差0.91 g。

2.3 優(yōu)良單株的選育

離子注入性狀變異第2年、第3年仍然表現(xiàn)，初步判斷其變異性狀可穩(wěn)定遺傳。根據(jù)其綜合農(nóng)藝性狀表現(xiàn)，選育出“京廣1號(hào)”籽蓮新品種，2006年7月通過(guò)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(zhì)量1060 g，1 hm2產(chǎn)1350～1500 kg。

3 前景展望

離子注入籽蓮育種產(chǎn)生的變異是多方面的，主要表現(xiàn)為影響籽蓮生長(zhǎng)期、現(xiàn)蕾數(shù)、現(xiàn)蕾期、花形、花色和蓮籽單粒質(zhì)量等。目前我們只是發(fā)掘了其中的部分變異特性。隨著研究的深入，越來(lái)越多的變異將被發(fā)現(xiàn)和利用。而且隨著離子束生物技術(shù)的不斷發(fā)展，不遠(yuǎn)的將來(lái)利用離子束注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)籽蓮基因定位誘變育種，改良品種的不良性狀，快速、準(zhǔn)確地為生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)、多抗的新品種和新的育種材料也將成為現(xiàn)實(shí)。這顯示了離子注入誘變選育籽蓮新品的良好應(yīng)用前景。

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.16.022

劉凰，男，副局長(zhǎng)，研究方向?yàn)榘咨徯缕贩N選育，電話：0794-3622582

2009-07-15