N+離子束注入對水稻的生物學效應

翟圓君 阮華強

【摘 要】以水稻新稻-18為實驗材料，以不同劑量的低能氮離子束為誘變源， 研究了低能離子束注入對水稻生物學效應的影響。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小時取樣一次，共取樣三次。觀察記錄水稻的生長狀況，分析其種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率、苗高與根長、干重與活力指數。

【關鍵詞】水稻；離子束注入；生物學效應

我國是個農業(yè)大國，農業(yè)始終處于國民經濟發(fā)展的基礎地位。用各種高新技術方法改良種子或創(chuàng)建新品質材料、優(yōu)化生物過程、提高轉化率是促進農業(yè)經濟發(fā)展的永恒主題。隨著我國人口不斷增加和可耕地不斷減少，對水稻的的研究更為迫切。近年來，由于氣候變化和水資源緊張導致干旱氣候頻繁出現，給世界糧食產量造成嚴重損失。在干旱等不利條件下，最大限度的增大糧食作物的產量，是農業(yè)和生物科學工作者的奮斗目標。

稻米是中國人的主食，為人們提供39%的熱量，約60%人口糧食來源。并且根據中國人口增趨勢，到2030年人口可達16億，稻米總產量要達2.47億t[1]。目前，提高水稻產量的方法主要通過雜交培育水稻新品種，但是新品種的選育周期較長，并且難度較大。在這種情況下，用物理手段對水稻種子處理，成為提高水稻產量的一種有效方法。離子注入技術最初被用于半導體和金屬表面改性研究是在20世紀70年代。前人一般認為只有在生物體內部的遺傳物質被外來的離子直接擊后才能產生可遺傳突變，長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。因此，對離子束的生物效應的研究特別少[2]。20世紀80年代中科院余增亮及其研究成員將低能離子束技術應用于作物品種的改良[3]，利用離子束技術具有突變率高、突變譜廣、生理損傷性小等優(yōu)點在農作物的遺傳改良中推廣運用，離子束生物技術逐漸被人們運用，現經離子束誘變已育成了水稻、小麥、玉米和番茄等多個農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，并在植物轉基因、誘變育種、生命起源和進化、人類健康與環(huán)境輻射等方面運用頗多。這項技術已應用于多種糧食作物及經濟作物的誘變育種中，同時取得可觀的經濟效益和社會效益 [4]。筆者以水稻新稻-18為實驗材料，以不同劑量的低能氮離子束為誘變源， 研究了低能離子束注入對水稻生物學效應的影響。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小時取樣一次，共取樣三次。觀察記錄水稻的生長狀況，分析其種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率、苗高與根長、干重與活力指數。

一、實驗材料與方法

（一）實驗材料。

品種新稻-18是鄭州大學河南省離子束生物工程重點實驗室種植。該品種屬粳型常規(guī)水稻，全生育期約為161。新稻18號是河南省新鄉(xiāng)市農業(yè)科學院新近選育的超高產多抗常規(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。

（二）實驗儀器。

低能離子束注入機型號：UIL.0.512，TNV，來自俄羅斯強電研究所，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。使用本實驗室注入機，在同一氮離子束劑量中對每份實驗材料進行低能氮離子束注入處理離子束注入。劑量共5個，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，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行低能氮離子束注入處理，作為對照。另設不經任何處理的對照（CK）。

（四）離子束注入后對種子的幼芽的培養(yǎng)。

在五個相同的培養(yǎng)皿各放200粒，一個為不做任何處理的對照組，另一個為真空處理組，另外五個為處理組，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照組種子，先用蒸餾水進行清洗，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℃。七十二小時后第一次取樣之后每間隔24小時取樣一次。共取樣三次。每天澆水一次，補充蒸發(fā)掉的水分，保證培養(yǎng)皿中有水分。

（五）對種子的幼芽的測定。

種子的發(fā)芽意味著水稻生長的開始，較高的發(fā)芽勢和發(fā)芽率有利于培育壯秧，在一定程度上關系到水稻的產量，同時種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率也是檢測種子質量好壞的重要指標[5]。國際種子檢驗規(guī)程規(guī)定種子的發(fā)芽時間為10d【6】，與此不同，待種子生長3～4天時計算水稻種子的發(fā)芽勢，生長到6～7天時計算發(fā)芽率。發(fā)芽勢、發(fā)芽率的測定方法如下：

發(fā)芽勢=在規(guī)定天數內發(fā)芽的粒數/供測定的種子粒數×100%。

發(fā)芽率=全部發(fā)芽種子粒數/供測定的種子粒數×100%。

在發(fā)芽率相同時，發(fā)芽勢高的種子，說明種子生命力強，在場地的播種發(fā)芽率較高，播種后幼苗出土正常。培養(yǎng)7d后，開始測胚芽的長度和培根的長度。

將幼苗放入80℃烘箱中進行烘干，大約12小時后，取出，稱量其干重。幼苗干著是影響種子活力指數的變量之一，計算活力指數。

活力指數=發(fā)芽指數×幼苗干重。

二、實驗過程與分析

（一）離子束注入對苗高與根長有一定的抑制作用。

經過離子束注入后，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。從實驗中分析得出，離子束注入對根長有所影響，根長減少。經劑量為2×1017 N+/cm2的離子束注入的水稻的根長有所增長。真空對照組的苗高與根長變化不大，劑量為8×1017 N+/cm2的離子束注入后，水稻的苗高與根長最小。劑量為2×1017 N+/cm2的氮離子束對水稻的苗高與根長均有促進作用。除劑量為2×1017 N+/cm2，隨著劑量的增加，苗高與根長都逐漸減小，分析得知，離子束注入對苗高與根長有一定的抑制作用。苗高和根長都能在一定程度上體現種子活力程度，由于在實驗中種子進過處理后活力值降低，因此也影響了苗高和根長。實驗證明，經過真空處理與離子束的注入除2×1017 N+/cm2劑量外，其他苗高和根長均矮于對照組，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干重與活力指數也有影響。

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，對水稻干重的影響最大。離子束注入后，對水稻的活力指數也有所影響，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，活力指數都有所下降。種子活力是種子健康程度的表現，是一項綜合性指標。種子的活力程度除了與遺傳及種子成熟程度有關外，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胞分裂受到抑制，組織與結構受到破壞[14]，使種子活力降低。因為種子的活力受到真空狀態(tài)與離子注入的一定程度上影響，故計算了種子的活力值（活力值的計算公式：活力值= 發(fā)芽率×干重）。實驗顯示：經過真空處理與離子束的注入會使種子活力值下降。結果符合王衛(wèi)東等[8] 的結論。

（三）不同劑量離子束注入對發(fā)芽勢與發(fā)芽率的影響。

真空處理促進了發(fā)芽勢的增長。而經過不同劑量的離子束注入，對種子的發(fā)芽勢幾乎都有促進作用。在離子束注入劑量為1×1017 N+/cm2時發(fā)芽勢稍有下降；當離子束注入劑量增加到2×1017 N+/cm2時發(fā)芽勢有了明顯的增長，達到最大值96%，比對照提高了22%。之后，隨著離子束注入劑量的增加發(fā)芽勢呈下降趨勢。種子發(fā)芽勢總體趨勢為先緩慢下降，后上升再下降的“馬鞍曲線”，符合宋道軍等[9] 的研究結果。真空處理后發(fā)芽率有顯著提高到達100%，而不同的離子束注入劑量對本次試驗的影響不大，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)芽勢等，也發(fā)現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一步研究，在水稻的選育、生產和經營中，通過合適劑量氮離子束的注入，是提高水稻產量的有效措施。

參考文獻：

[1]龔子同，陳鴻昭，張甘霖等.中國土地資源特點與糧食安全問題[J].生態(tài)環(huán)境，2005，4 （5）：783-788.

[2]徐志昆.低能離子輻照煙草后反轉錄轉座子活性的研究[D].鄭州大學，碩士畢業(yè)論文，2009，2-4.

[3] 余增亮.離子束生物技術引論【M】.安徽科學技術出版社，1998.

[4]宋云，張懷渝，暢志堅.離子束用于誘變育種的研究進展[J].分子植物育，2004，2（2）：151—155.

[5]王相琴，協(xié)青早A含芽谷種發(fā)芽率試驗.湖北農業(yè)科學，1999（6）：13.

[6]國際種子檢驗協(xié)會（ISTA）.國際種子檢驗規(guī)程[M].北京：中國農業(yè)出版社，1999.

[7]不同處理對山定子種子發(fā)芽的影響-貴州農業(yè)科學-2012年第11期（3）

[8]王衛(wèi)東，王寧，蘇明杰，等.離子注入過程中真空和溫度對小麥幼苗生長的影響[J].河南農業(yè)科學，2006，（2）：35-38.

[9]宋道軍，姚建銘，邵春林，等.離子注入微生物產生“馬鞍型”存活曲線的可能作用機理[J].核技術，1999，23（3）：129-132.