离子注入红芸豆种子生物效应分析

李海金，晋凡生，常建忠，李 洁，刘恩科

（山西省农业科学院旱地农业研究中心，山西太原030031）

离子注入已被广泛应用于作物品种的选育与改良[1-3]，它在植物育种和改良应用中表现出损伤轻、正突变率高、突变谱广、有一定的重复性和方向性等特点[4]。红芸豆是我国的一种主要杂粮作物，主要分布在北方和西南高寒冷凉地区，种植面积较广[5]，其中，山西省是我国红芸豆主产地之一。红芸豆为食用豆中普通菜豆矮生直立型的一个品种，营养价值和经济价值较高，近年来种植面积逐步增加[5]。为提高红芸豆产量，国内科研人员已在品种、生长环境、栽培方式及施肥技术等方面进行了大量研究，提出影响红芸豆产量的因素主要有芸豆品种、生长环境、栽培方式及施肥措施等[6-14]。离子注入处理种子技术是一项农业物理新技术，在农作物播种前用离子注入机对作物种子进行处理，以使农作物增产或增强抗逆性[15]。离子注入机理是通过离子源发射高能离子作用于种子，激发种子的潜能、提高种子的活力、增强种子的健壮度，使种子及作物后续生长的内在潜力得到提升、产量得到提高，从而选育出优良的品种。目前，关于离子注入对红芸豆产量因素的影响研究较少。

本试验通过对红芸豆种子进行离子注入处理，分析离子注入对红芸豆产量因素如株高、分枝、豆荚数、百粒质量以及抗逆性的影响，对于研究离子注入对红芸豆诱变育种具有积极的作用。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2017 年在山西省农业科学院旱地农业研究中心阳曲县凌井店乡河村试验基地进行。该基地地处忻州与晋中盆地之脊梁地带，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，年平均气温6～7 ℃，年降雨量为441.2 mm，全年无霜期为120 d 左右。土壤为褐土性土，0～20 cm 土壤有机质14.41 g/kg，全氮0.95 g/kg，碱解氮40.4 mg/kg，速效磷17.05 mg/kg，速效钾107.12 mg/kg，pH 值8.25。2017 年2—10 月，该基地降雨量466.7 mm，红芸豆生育期（5 月19 日至9 月1 日）降雨量为322.2 mm。

1.2 试验设计

试验按当地农民施肥水平，每公顷施用尿素600 kg、磷肥375 kg、钾肥150 kg，以底肥一次性施入，然后平整土地。播前3～5 d 用俄罗斯离子注入机对红芸豆种子进行离子注入处理，设3 个剂量水平：处理1 为2×1016N+/cm2；处理2 为4×1016N+/cm2；处理3 为6×1016N+/cm2；以不处理为对照。3 次重复，随机排列种植，小区面积3.5 m×5 m。5 月19 日人工点播，行距50 cm，株距20 cm。播种后每小区埋1 根2 m 的不锈钢管，用于中子仪测量水分。

1.3 测定项目及方法

播种后每个处理用中子仪隔1 个月测量一次0～160 cm 田间水分。收获前测量株高；收获后进行考种，测定豆荚数、百粒质量、小区产量。

1.4 数据统计分析

数据采用Microsoft Excel 2007 进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 离子注入对红芸豆豆荚数的影响

由图1 可知，3 个处理分别比CK 增加14.7%，-6.7%，27.3%。说明离子注入不同的剂量对红芸豆的豆荚数有一定的影响，其中，处理2 荚数减少了6.7%，处理1 和处理3 都有所增加，处理3 增加最多，增加了21.3%。

2.2 离子注入对红芸豆株高的影响

从图2 可以看出，处理1 对株高的影响比较明显，比CK 增高4.6%；处理2 和处理3 对株高影响较小。说明低剂量处理能够刺激作物生长，植株有所增高。

2.3 离子注入对红芸豆百粒质量的影响

从图3 可以看出，3 个处理的百粒质量均较CK 有所减少，其中，处理2 百粒质量减少12.46%，处理1 和处理3 分别减少3.44%和3.36%。说明处理2 对红芸豆百粒质量影响较大。

2.4 离子注入对红芸豆产量的影响

由图4 可知，处理1 的小区产量最高，为4.1 kg，比CK 增产5.4%；处理2 最低，为3.45 kg，比CK 减产11.3%；处理3 为3.63 kg，比CK 减产6.7%。说明低剂量处理红芸豆种子其产量有所增加，剂量增大产量反而降低。

2.5 离子注入对红芸豆水分利用的影响

由图5 可知，红芸豆各处理生育期耗水量，处理1 比CK 少耗水13.1%，处理2 和处理3 分别比CK 多耗水3.4%和1.5%。说明红芸豆离子注入剂量越小耗水越少，各处理生育期耗水量的趋势与产量正好相反。

3 结论与讨论

本研究表明，离子注入处理对红芸豆的株高、荚数、百粒质量、产量均有一定影响。其中，离子注入处理后红芸豆百粒质量有降低的效应；株高有增高的效应；荚数有增有减；产量是低剂量有所增加，随剂量增加反而降低。低剂量处理2×1016N+/cm2表现最好，产量、株高、荚数都是增加效应，4×1016N+/cm2剂量表现最差，产量、株高、荚数、百粒质量均最低。研究表明，离子注入对红芸豆植株性状有一定变异，对产量因子有些改变，对创制新种质资源具有积极的作用。

随着离子束生物技术应用的不断扩大，离子注入生物体后，生物分子作用的机理探讨、理论研究也逐步深入。研究发现，离子进入有机分子后可引起样品内原子移位和重排[2]，最终形成新的化合物，导致作物生长发育发生变化。研究还发现，低能离子与生物体系相互作用是一个非常复杂的过程，经历物理、化学和生物学几个阶段[16]；从微观生物分子损伤到宏观性状的表现，其空间效应放大了很多倍；可引起氨基酸和肽链等生物小分子结构的变异、碱基缺失和DNA 链的断裂和突变及其他一系列生理性状的变化，从而促使生物产生各种变异，其中有许多变异是自然条件下难以产生的，可以从中选出所期望的优良变异种质资源，经过培育而成为新品种[17]。

离子注入红芸豆种子处理目的是探讨离子注入对红芸豆产量因素及农艺性状的影响[18]以及是否对红芸豆诱变育种有利。试验结果表明，不同剂量的离子注入处理红芸豆，既能刺激作物种子细胞、促进生长发育、提高产量，同时也对作物种子造成轻微损伤、抑制了作物生长发育、导致产量减少。本试验结果表明，低剂量2×1016N+/cm2能够促进作物生长发育，提高抗逆性和产量，为最佳剂量。试验结果对今后采用离子注入技术进行红芸豆育种研究及选育优良新品种具有重要的参考价值。

尽管离子注入具有显著的生物学效应，但诱变效果在各物种中有所差异，无法准确预测，后代的变异有一定的随机性，并不一定会出现预期的目标性状变异，因此，在进行诱变育种研究时，一定要注意选育目标的调整，要根据后代变异的情况来确定有用的选育目标。