翟圆君 阮华强

【摘 要】以水稻新稻-18为实验材料，以不同剂量的低能氮离子束为诱变源， 研究了低能离子束注入对水稻生物学效应的影响。用能量30 keV剂量为1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、6×1017 N+/cm2、8×1017 N+/cm2的离子束辐照新稻-18水稻种子后，30 ℃暗培养。72 h后第一次取样，之后每间隔24 h小时取样一次，共取样三次。观察记录水稻的生长状况，分析其种子的发芽势和发芽率、苗高与根长、干重与活力指数。

【关键词】水稻；离子束注入；生物学效应

我国是个农业大国，农业始终处于国民经济发展的基础地位。用各种高新技术方法改良种子或创建新品质材料、优化生物过程、提高转化率是促进农业经济发展的永恒主题。随着我国人口不断增加和可耕地不断减少，对水稻的的研究更为迫切。近年来，由于气候变化和水资源紧张导致干旱气候频繁出现，给世界粮食产量造成严重损失。在干旱等不利条件下，最大限度的增大粮食作物的产量，是农业和生物科学工作者的奋斗目标。

稻米是中国人的主食，为人们提供39%的热量，约60%人口粮食来源。并且根据中国人口增趋势，到2030年人口可达16亿，稻米总产量要达2.47亿t[1]。目前，提高水稻产量的方法主要通过杂交培育水稻新品种，但是新品种的选育周期较长，并且难度较大。在这种情况下，用物理手段对水稻种子处理，成为提高水稻产量的一种有效方法。离子注入技术最初被用于半导体和金属表面改性研究是在20世纪70年代。前人一般认为只有在生物体内部的遗传物质被外来的离子直接击后才能产生可遗传突变，长期忽视了那些在表型上可见的有低能离子束的相作用引起的生物效应。因此，对离子束的生物效应的研究特别少[2]。20世纪80年代中科院余增亮及其研究成员将低能离子束技术应用于作物品种的改良[3]，利用离子束技术具有突变率高、突变谱广、生理损伤性小等优点在农作物的遗传改良中推广运用，离子束生物技术逐渐被人们运用，现经离子束诱变已育成了水稻、小麦、玉米和番茄等多个农作物新品种并获得了许多优良的突变材料。在创造遗传性变异群体方面具有新颖性，并在植物转基因、诱变育种、生命起源和进化、人类健康与环境辐射等方面运用颇多。这项技术已应用于多种粮食作物及经济作物的诱变育种中，同时取得可观的经济效益和社会效益 [4]。笔者以水稻新稻-18为实验材料，以不同剂量的低能氮离子束为诱变源， 研究了低能离子束注入对水稻生物学效应的影响。用能量30 keV剂量为1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、6×1017 N+/cm2、8×1017 N+/cm2的离子束辐照新稻-18水稻种子后，30 ℃暗培养。72 h后第一次取样，之后每间隔24 h小时取样一次，共取样三次。观察记录水稻的生长状况，分析其种子的发芽势和发芽率、苗高与根长、干重与活力指数。

一、实验材料与方法

（一）实验材料。

品种新稻-18是郑州大学河南省离子束生物工程重点实验室种植。该品种属粳型常规水稻，全生育期约为161。新稻18号是河南省新乡市农业科学院新近选育的超高产多抗常规粳稻新品种，适合河南省沿黄稻区和豫南籼改粳稻区等地生产。

（二）实验仪器。

低能离子束注入机型号：UIL.0.512，TNV，来自俄罗斯强电研究所，玻璃培养皿，喷壶。

（三）水稻的离子束注入。

选取新稻—18较饱满的种子将其颖壳去掉，200粒为一组，分别将种子放入有花泥的培养皿中，使种子的种胚向上。使用本实验室注入机，在同一氮离子束剂量中对每份实验材料进行低能氮离子束注入处理离子束注入。剂量共5个，分别为1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、6×1017 N+/cm2、8×017 N+/cm2同时，选取200粒饱满的水稻种子，随同被处理材料一起放在真空条件下而不进行低能氮离子束注入处理，作为对照。另设不经任何处理的对照（CK）。

（四）离子束注入后对种子的幼芽的培养。

在五个相同的培养皿各放200粒，一个为不做任何处理的对照组，另一个为真空处理组，另外五个为处理组，处理剂量分别为1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、6×1017 N+/cm2、8×017 N+/cm2，离子能量为30 keV。将氮离子轰击后及对照组种子，先用蒸馏水进行清洗，用85 %的酒精和30 %的双氧水以4：1混合的混合液清洗，再用蒸馏水冲洗2-3次。然后置于铺有2层滤纸的培养皿中。将样品放入恒温箱暗培养，温度为30℃。七十二小时后第一次取样之后每间隔24小时取样一次。共取样三次。每天浇水一次，补充蒸发掉的水分，保证培养皿中有水分。

（五）对种子的幼芽的测定。

种子的发芽意味着水稻生长的开始，较高的发芽势和发芽率有利于培育壮秧，在一定程度上关系到水稻的产量，同时种子的发芽势和发芽率也是检测种子质量好坏的重要指标[5]。国际种子检验规程规定种子的发芽时间为10d【6】，与此不同，待种子生长3～4天时计算水稻种子的发芽势，生长到6～7天时计算发芽率。发芽势、发芽率的测定方法如下：

发芽势=在规定天数内发芽的粒数/供测定的种子粒数×100%。

发芽率=全部发芽种子粒数/供测定的种子粒数×100%。

在发芽率相同时，发芽势高的种子，说明种子生命力强，在场地的播种发芽率较高，播种后幼苗出土正常。培养7d后，开始测胚芽的长度和培根的长度。

将幼苗放入80℃烘箱中进行烘干，大约12小时后，取出，称量其干重。幼苗干着是影响种子活力指数的变量之一，计算活力指数。

活力指数=发芽指数×幼苗干重。

二、实验过程与分析

（一）离子束注入对苗高与根长有一定的抑制作用。

经过离子束注入后，水稻的苗高有所减小，剂量为2×1017 N+/cm2的离子束注入后，苗高偏高。从实验中分析得出，离子束注入对根长有所影响，根长减少。经剂量为2×1017 N+/cm2的离子束注入的水稻的根长有所增长。真空对照组的苗高与根长变化不大，剂量为8×1017 N+/cm2的离子束注入后，水稻的苗高与根长最小。剂量为2×1017 N+/cm2的氮离子束对水稻的苗高与根长均有促进作用。除剂量为2×1017 N+/cm2，随着剂量的增加，苗高与根长都逐渐减小，分析得知，离子束注入对苗高与根长有一定的抑制作用。苗高和根长都能在一定程度上体现种子活力程度，由于在实验中种子进过处理后活力值降低，因此也影响了苗高和根长。实验证明，经过真空处理与离子束的注入除2×1017 N+/cm2剂量外，其他苗高和根长均矮于对照组，从中也可以再次看出2×1017 N+/cm2剂量的离子注入为最佳量。

（二）不同剂量的离子束注入对干重与活力指数也有影响。

氮离子束注入后，水稻的干重均有所减小，剂量为4×1017 N+/cm2的离子束注入后，对水稻干重的影响最大。离子束注入后，对水稻的活力指数也有所影响，剂量分别为1×1017 N+/cm2、2×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2、4×1017 N+/cm2和真空处理的水稻，活力指数都有所下降。种子活力是种子健康程度的表现，是一项综合性指标。种子的活力程度除了与遗传及种子成熟程度有关外，也收到外界环境因素的影响[7]。种子在真空下与离子束的注入使细胞分裂受到抑制，组织与结构受到破坏[14]，使种子活力降低。因为种子的活力受到真空状态与离子注入的一定程度上影响，故计算了种子的活力值（活力值的计算公式：活力值= 发芽率×干重）。实验显示：经过真空处理与离子束的注入会使种子活力值下降。结果符合王卫东等[8] 的结论。

（三）不同剂量离子束注入对发芽势与发芽率的影响。

真空处理促进了发芽势的增长。而经过不同剂量的离子束注入，对种子的发芽势几乎都有促进作用。在离子束注入剂量为1×1017 N+/cm2时发芽势稍有下降；当离子束注入剂量增加到2×1017 N+/cm2时发芽势有了明显的增长，达到最大值96%，比对照提高了22%。之后，随着离子束注入剂量的增加发芽势呈下降趋势。种子发芽势总体趋势为先缓慢下降，后上升再下降的“马鞍曲线”，符合宋道军等[9] 的研究结果。真空处理后发芽率有显著提高到达100%，而不同的离子束注入剂量对本次试验的影响不大，总体发芽率均在90%以上，变化范围在92%-98%之间。

综上所述，真空处理及注入离子束都在一定程度上影响了种子的萌发，影响了发芽率、发芽势等，也发现2×1017 N+/cm2的离子束注入为最佳剂量。探索注入水稻的最佳剂量有助于进一步研究，在水稻的选育、生产和经营中，通过合适剂量氮离子束的注入，是提高水稻产量的有效措施。

参考文献：

[1]龚子同，陈鸿昭，张甘霖等.中国土地资源特点与粮食安全问题[J].生态环境，2005，4 （5）：783-788.

[2]徐志昆.低能离子辐照烟草后反转录转座子活性的研究[D].郑州大学，硕士毕业论文，2009，2-4.

[3] 余增亮.离子束生物技术引论【M】.安徽科学技术出版社，1998.

[4]宋云，张怀渝，畅志坚.离子束用于诱变育种的研究进展[J].分子植物育，2004，2（2）：151—155.

[5]王相琴，协青早A含芽谷种发芽率试验.湖北农业科学，1999（6）：13.

[6]国际种子检验协会（ISTA）.国际种子检验规程[M].北京：中国农业出版社，1999.

[7]不同处理对山定子种子发芽的影响-贵州农业科学-2012年第11期（3）

[8]王卫东，王宁，苏明杰，等.离子注入过程中真空和温度对小麦幼苗生长的影响[J].河南农业科学，2006，（2）：35-38.

[9]宋道军，姚建铭，邵春林，等.离子注入微生物产生“马鞍型”存活曲线的可能作用机理[J].核技术，1999，23（3）：129-132.