离子注入技术及其在籽莲育种上的应用研究

刘凰 邹东旺 唐记平 刘春华 张香莲 杨良波 徐金星 谢克强 苏颖 张涛

（1.广昌县白莲科学研究所，江西广昌，344900；2.北京师范大学低能核物理研究所）

离子注入技术及其在籽莲育种上的应用研究

刘凰 邹东旺 唐记平 刘春华 张香莲 杨良波 徐金星 谢克强 苏颖 张涛

（1.广昌县白莲科学研究所，江西广昌，344900；2.北京师范大学低能核物理研究所）

简要介绍了离子注入的方法、作用机理及特点，并利用离子注入籽莲种子为诱变源，分析了用离子束诱变育种中出现的变异和生物效应，初步探讨了籽莲通过离子诱变处理获得改良新品种（系）的方法，并对选育的籽莲品种进行了简述。

离子注入 籽莲 生物学效应 品种改良

离子注入是近30 a来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术，在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面优化上获得了极为广泛的应用。20世纪80年代中期中国科学院等离子体物理研究所率先将离子注入作为农作物改良的一种新诱变源，应用于农作物育种获得成功，表现出诱变损伤轻、有效突变率高、突变谱广等优点。该技术在物理学和生物学的结合上已发展成为一门新兴交叉学科。现在离子注入技术已经受到国内外的广泛重视，在应用于品种改良上已取得了一定的成果，具有广阔的应用前景。

1 离子注入技术及其特点

1.1 离子注入的方法

离子注入是把某种元素的原子电离成离子，并使其在几十至几百千伏的电压下进行加速，在获得较高速度后射入放在真空靶室中的材料表面，从而改变材料的结构和性能。

1.2 离子注入的作用机理

离子注入生物体内，存在能量沉积和质量沉积过程，又存在动量传递和电荷交换过程。加速后的离子具有一定的能量、带有一定的电荷、具有一定的静止质量。离子注入生物体时，能量、质量及电荷共同作用于生物体，注入离子束生物体内的靶分子和靶原子发生碰撞、级联碰撞和反冲，从而产生能量沉积和质量沉积。能量沉积可导致生物体的直接损伤和间接损伤，引起遗传物质DNA的断裂和重组，进而引起染色体结构的变异，造成染色体倒位、移位、重复与缺失。质量沉积可引起细胞内生物分子的移位和重排，使DNA大分子一部分被取代或补充，阻碍了辐射损伤的修复。因此离子注入诱变育种表现出高的突变率和突变频谱。

1.3 离子注入的特点

表1 籽莲离子注入情况

离子注入技术与传统的x射线、γ射线、电子束和激光相比具有明显的区别，离子束与生物体相互作用时有高激发性、剂量集中性和可控性的特点。离子作用到的生物分子、细胞所造成的损伤通常也不易修复，即突变体稳定快。因此，离子注入生物体产生的生理损伤小，突变率高，突变谱广。利用这些特点，将有可能实现定位诱变，从而提高生物品种改良的目的性。

表2 离子注入对籽莲种子发芽、胚芽生长及种子成活率的影响

表3 离子注入对籽莲种子开花习性的的影响

2 离子注入技术在籽莲育种上的应用研究

近年来，离子注入技术作为一种新的诱变源，在诱变育种方面因其独特的诱变机理和生物效应，发展极为迅速。广昌县白莲科学研究所将该技术应用于籽莲育种获得成效。

2.1 材料与方法

广昌县籽莲科学研究所对籽莲品种（系）太空莲1号、太空莲2号、太空莲3号种子，进行了P+，C+，N+离子，2 MeV和3 MeV能量注入处理（表1）。

表4 离子注入对籽莲种子始蕾期的影响

表5 离子注入籽莲种子M1代花型、花色的变异

2.2 离子注入的生物学效应

①对种子萌发的影响 试验表明（表2），一定剂量离子注入对籽莲种子发芽无明显影响，而胚芽及种苗生长受到了抑制。

②对花芽分化的影响 试验表明（表3），一定剂量离子注入处理能促进籽莲花芽分化，提高籽莲的单株现蕾数及现蕾株率，而对籽莲始蕾期的影响是非定向的，即有的种子现蕾较对照早，有的较对照迟。由表4可知，始蕾最早为5月24日，较对照早9 d，最迟现蕾为7月21日，较对照迟46 d。同一品种不同处理也有变异，现蕾最早与最迟相差达57 d。

③形态特征的变异 由表5可知，经离子注入后，籽莲VM1代出现广谱变异，尤其花型变异最为明显。同一品种的同一处理出现两种不同花型（单瓣、半重瓣或重瓣）变异，甚至在同一缸内出现两种花型，前两朵为单瓣花，以后开出的是重瓣花；还有同一蓬种子开出两种花型。在花色变异方面，主要表现在花蕾和花瓣的颜色上，花蕾由红色变为桃红或花蕾青绿，瓣尖泛红。花瓣由红色变为粉红色、爪红色等。同一品种的同一处理长出各种不同形状的莲蓬、莲籽。莲蓬有碗形、伞形、扁圆形、倒圆锥形和喇叭形，莲籽有卵形、卵圆形、长卵形和近圆形。

④经济性状的影响 不同处理对籽莲种子每蓬实粒数有较大的影响，不同处理间及同一处理内籽粒质量均有明显差异，颗粒最大达2.02 g，最小1.11 g，相差0.91 g。

2.3 优良单株的选育

离子注入性状变异第2年、第3年仍然表现，初步判断其变异性状可稳定遗传。根据其综合农艺性状表现，选育出“京广1号”籽莲新品种，2006年7月通过江西省科技厅组织的专家鉴定。

该品种主要特性：全生育期190～199 d，花期110～112 d，采摘期115 d。花单瓣，红色，心皮14～22枚。干通心莲千粒质量1060 g，1 hm2产1350～1500 kg。

3 前景展望

离子注入籽莲育种产生的变异是多方面的，主要表现为影响籽莲生长期、现蕾数、现蕾期、花形、花色和莲籽单粒质量等。目前我们只是发掘了其中的部分变异特性。随着研究的深入，越来越多的变异将被发现和利用。而且随着离子束生物技术的不断发展，不远的将来利用离子束注入技术实现籽莲基因定位诱变育种，改良品种的不良性状，快速、准确地为生产提供优质、多抗的新品种和新的育种材料也将成为现实。这显示了离子注入诱变选育籽莲新品的良好应用前景。

10.3865/j.issn.1001-3547.2009.16.022

刘凰，男，副局长，研究方向为白莲新品种选育，电话：0794-3622582

2009-07-15