重离子辐射技术在芸豆品种选育中的利用

冀丽霞， 郭宝德， 白琪林， 雷 伟， 杨 芬

(山西农业大学农学院， 太原 030031)

芸豆学名菜豆，其营养丰富，具有高钙、低糖、高纤维、低脂肪的特性，还具有很高的药用价值，是一种难得的高钾、高镁、低钠食品，还含有皂苷、尿毒酶和多种球蛋白等独特成分[1]。芸豆在国际市场上十分畅销，是很好的出口创汇产品。近年来，在小杂粮的对外贸易中，芸豆产品显示出强劲优势，每年的出口数量为160万～200万t，占整个杂豆出口量的20%～25%[2]。

山西是红芸豆的主产区，一直占据我国红芸豆出口龙头地位，在国际市场上具有较强的竞争力[3]。但当前芸豆产业的发展面临着诸多问题。山西种植的芸豆是20世纪90年代初引进的英国红芸豆，深受欧洲市场欢迎。由于品种退化，造成粒度变小，颜色发浅、等级下降，水锈严重，不符合合同要求，索赔、退货的事件不断发生，使出口商遭受重大损失，芸豆出口贸易受到严重影响[4]。近几年我国多家育种研究单位进行了芸豆种质资源、品种改良和高产栽培技术等方面的研究工作，取得了一定成绩[5]。但目前国内育种基本上以选择优良自然变异单株为主[6]。由于芸豆的花器小，花柄细脆，且闭花授粉，人工去雄授粉因内在、外在因素的影响造成花不育或脱落。杂交难度非常大，杂交成功率极低。作物杂交育种技术在芸豆育种上罕见成功范例。国内外一些学者一直对此进行研究，试图改进杂交方法，提高成功率，但均未达到理想效果[7]。因此应尽快找到一种新技术使芸豆育种取得突破性进展。

山西农业大学农学院率先将重离子辐射育种技术应用到芸豆育种中。先从英国红芸豆中选择抗病株系，再通过中国科学院近代物理研究所重离子辐射技术诱变产生突变，创造芸豆有利变异、加速稳定变异性状，并采用杂交育种技术、系谱法及轮回选择技术等方法，选育出抗病红芸豆种质资源。2015年芸选2号通过山西省农作物品种审定委员会审定[8]。

1 重离子束辐射诱变技术

重离子是指氮、碳、硼、氖、氩等原子被剥掉或部分剥掉外围电子后的带正电的原子核。将重离子通过大型加速器装置加速而形成的具有能量的射线就是重离子束[9]。重离子束辐射诱变技术是对种子胚进行定向辐射处理产生有利变异的一种育种新技术。该技术是将加速后的高能量粒子定向且定量的打入植物种子胚芽，将植物的遗传基因打乱后利用生物自我修复特性产生新的变异，通过离子束能量作用、质量沉积、动量传递、电荷交换等反应引起各种复杂的生物效应，DNA链断裂、基因突变、重组等[10]。诱变育种与传统的辐射法及化学诱变剂相比，具有损伤轻、突变率高、突变谱广、遗传相对稳定，易于获得理想的新品种等特点，对品种的选育是较理想的方法[11]。和传统的杂交育种相比，诱变育种具有育种周期短、突变易稳定等优点。重离子辐射诱变技术属于生物技术领域,对提高作物诱变育种的效率及相应关键基因功能的研究具有重要的意义[12]。

离子束辐射诱变技术在作物种质创新中应用成效显著，在小麦、水稻、高粱、中药材等作物育种中取得很大的进展[13]。甘肃省张掖市农科所利用该技术培育出了世界上首个重离子辐照诱变的高产、稳产、抗逆的小麦新品种陇辐2号；安徽省农科院利用重离子辐照诱变技术育成S 9042、S 9055、中粳63和晚粳M 3122四个品种；中科院近代物理所利用重离子束诱变技术成功培育出早熟、优质、抗逆的甜高粱品种近甜1号；中国科学院兰州分院近代物理研究所与甘肃省定西市旱作农业科研推广中心合作，对中药材党参和黄芪进行了重离子辐照诱变育种，选育出了性状稳定且药用价值高的药材新品种渭党3号和陇芪3号[14]。此外，重离子束辐照技术也广泛应用在玉米、大豆、棉花、烟草等作物中，并获得多种突变材料[15]。

2 材料和方法

2.1 材 料

山西省农业科学院作物科学研究所芸豆课题组于2006年在苛岚县良种场苗期病害发生严重的芸豆制种田里发现6株芸豆抗病株，单株收获后于2007年在榆次东阳试验基地繁殖2代，并获得YF-1，YF-2，YF-3，YF-4，YF-5和YF-6六个株系群体，经抗病检测，YF-2，YF-3和YF-5这三个株系抗根腐病[16]。

2.2 试验方法

2008年利用中国科学院兰州分院近代物理研究所的重离子加速器(HIRFL)对YF-2，YF-3和YF-5这3个株系的干种子进行辐照，辐照剂量为100 Gy。辐照材料M1代和M2代试验于2010—2011年在榆次东阳试验基地进行播种育苗，行宽45 cm，株距33 cm，每穴2～3粒，播种深度3～4 cm，以未辐照种子为对照(ck)，进行突变单株筛选。

M1代统计田间出苗数及成活苗数，并计算出苗率与成活率。

出苗率(%)=(出苗数/种植总粒数)×100%；

成活率(%)=(成活数/出苗数)×100%。

采用Excel 2010软件对数据进行统计分析[17]。

3 结果与分析

3.1 辐照处理对成苗率的影响

由表1可知，YF-2，YF-3和YF-5对照(ck)的出苗率分别为91.6%，93.4%和94.9%，成活率均为100%；经过辐照处理(辐照剂量为100 Gy)后的抗病株系YF-2，YF-3和YF-5的出苗率分别为39.7%，39.1%和40.2%，成活率分别为94%，89%和91%。可以看出，经过辐射后M1代种子出苗率远远低于未辐射种子的出苗率，离子束辐射大大降低了种子的活性。

表1 辐射处理对种子(M1代)出苗率的影响Table 1 Effects of radiation treatment on the emergence rate of M1 generation

3.2 辐照处理对M2代植株性状的影响

从表2可以看出，经过辐照处理后的YF-2，YF-3和YF-5这3个抗病株系M2代植株株高、分枝数、单株荚数和单荚粒数均高于未经辐照处理的植株。YF-3植株经辐照处理后株高达到了51.2 cm，远远高于未辐照植株，突变比较明显。YF-2植株辐照处理后的单株荚数为20.1个，YF-5的主茎分枝为7.0个，也明显高于对照。3个株系经不同处理的单荚粒数变化均不明显。

表2 辐射处理对M2代植株性状的表现Table 2 Effects of radiation treatment on the plant traits of M2 generation

3.3 辐照处理对M2代产量及产量构成因素的影响

从表3可以看出，不同处理对YF-2，YF-3和YF-5的产量构成因素(荚长、荚宽、百粒重)存在差异，对产量起着决定性的作用。YF-2经过辐照处理后的产量为2 636.9 kg·hm-2，比对照增产13.6%；YF-5辐照处理后产量为2 758.4 kg·hm-2，比对照增产8.7%；YF-3辐照后产量最高，为3 143.5 kg·hm-2，比对照增产也最多，达到17.3%。

表3 辐射处理M2代产量及产量构成因素Table 3 Yield and yield components of M2 generation treated with radiation

3.4 利用重离子辐射技术选育出一个芸豆新品种

山西省农科院作物科学研究所芸豆课题组对重离子辐射后代材料进行多年的定向选育，选择百粒重明显提高，籽粒外型整齐一致，颜色通过蒸煮试验变化不明显的突变后代，从这些后代中筛选出综合性状优良且可稳定遗传的大粒突变体材料，经过多年性状选择、产量比较试验和抗病鉴定，选育出综合性状优良的芸豆新品种芸选2号。

芸选2号具有表皮颜色深、籽粒大、抗病性强、商品性好的特点。主茎高40.6 cm，主茎分枝数6.3个，百粒重51.2 g，产量2 592.0 kg·hm-2，比对照英国红芸豆增产14.2%。芸选2号是山西省首个利用重离子辐射技术育成的芸豆新品种。

4 结论与讨论

重离子束辐照诱变是近年发展起来的一种新型的育种技术，特别是对于利用常规育种手段比较困难的作物，不失为一种育种新方法[18]。

本研究结果表明，通过对红芸豆抗病株系的干种子进行重离子辐射处理后(辐射剂量为100 Gy)可获得大量突变单株，M2代植株的株高、叶片大小、籽粒外观(大小、颜色)可观察到的形态发生较大变化；主茎分枝数、单株荚数和单荚粒数均高于未经辐照处理的植株；青荚长宽增加，百粒重、产量也得到较大提高；并从重离子辐射后代材料中选育出一个芸豆新品种芸选2号，为进一步利用该技术选育新品种奠定了基础。

在芸豆的品种创新工作中，采用适当剂量的重离子辐射具有较高的技术可行性，可以获得较理想的诱变效果，重离子束辐照诱变技术在作物品种选育上具备较大的开发利用潜力[19]。但是重离子辐射诱变机理较复杂，目前较侧重于应用，在诱变机理研究方面较少，应将重离子辐射技术和分子技术结合起来，使其在现代化育种中更好地高效利用[20]。