全 文 ：第 34 卷 第 1 期
2013 年 1 月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
Journal of Inner Mongolia Agricultural University
Vol． 34 No． 1
Jan． 2013
N + 离子束注入对向日葵生理特性的影响*
霍 烽1， 赵永秀2， 白 薇1*
(1． 内蒙古农业大学生命科学学院，呼和浩特 010018;2． 内蒙古大学生命科学学院，呼和浩特 010021)
摘要: 离子束注入是用于植物和微生物品种改良及新品种、品系选育的一门被广泛应用的技术，离子束注入在向
日葵中应用的相关报道非常少。本试验利用不同剂量的 N +离子束分别处理向日葵美二和星火种子，研究对其生理
特性的影响。结果如下:随着处理剂量加大，向日葵种子变异的几率呈现出先升后降的趋势。发芽率和发芽势随着
处理剂量的增加出现先逐渐降低最后又回升的趋势，星火对 N +离子束的耐受力比美二强，在更高的剂量处理下发
芽率和发芽势才开始大幅下降。N +离子束处理后，两种向日葵幼苗中的过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性基本上均
比对照高，并且星火中的 CAT活性基本都比美二中的要高。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)在不同品
种中的表现不同，在美二中不同剂量处理后的幼苗体内 SOD酶活性与对照相比均有大幅下降，而在星火中则有升有
降，且经 N +离子束处理后星火中的 SOD活性均高于美二。丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量总体来讲，处理后两
个品种幼苗体内的 MDA含量均高于对照，且美二体内的 MDA 含量要高于星火。试验结果表明:不同剂量 N +离子
束处理会影响向日葵的发芽，加剧膜脂过氧化作用，激活体内清除活性氧自由基的酶活性。
关键词: N +离子束注入; 向日葵; 生理特性
中图分类号: S565． 5 文献标识码: A 文章编号:1009 － 3575(2013)01 － 0072 － 06
EFFECTS OF N + ION IMPLANTATION ON PHYSIOLOGICAL
CHARACTERISTICS I SUNFLOWER
HUO Feng1， ZHAO Yong － xiu2， BAI Wei1*
(1． College of Life Sciences，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China;
2． College of Life Sciences，Inner Mongolia University，Huhhot 010021，China)
Abstract: Ion implantation is widely used in variety breeding in plants and microbes． Few reports have applied ion implantation and
examined its effects on sunflowers． We seek to examine the effects of different dosages of N + ion implantation on sunflower varieties，
Xing － huo and Mei － er． The results are as follows:with the increase of the dosage of N + ion implantation，the numbers of mutated
plants increased gradually and then decreased，while the germination rate and germination vigor decreased gradually and then in-
creased． The germination rate and vigor in Xing － huo decreased sharply in higher dosage of N + ion implantation than in Mei － er．
Thus Xing － huo showed more tolerance than Mei － er． After N + ion implantation，catalase (CAT)activities in both varieties are high-
er than the controls;moreover，the catalase activities in Xing － huo are higher than those in Mei － er． Superoxide dismutase (SOD)
activities in Mei － er greatly dropped，while no obvious trend of SOD activities change was observed in Xing － huo． The SOD activities
in Xing － huo are higher than those in Mei － er． The malondialdehyde contents in treated are higher than in the controls;Mei － er has
more malondialdehyde than Xing － huo after treatment． In conclusion，N + ion implantation treatment can affect germination rate，in-
crease membrane lipid peroxidation，and raise activities of enzymes clearing reactive oxygen species in sunflower．
Key words: N + ion implantation; sunflower; physiological characteristics
* 收稿日期: 2012 － 11 － 12
基金项目: 内蒙古自然科学基金(200607010305)。
作者简介: 霍烽(1965 －) ，男，实验师，主要从事生化与分子生物学的研究．
* 通讯作者: E － mail:weibaihappy@ yahoo． com． cn
低能离子束生物技术是 20 世纪 80 年代中期提
出的，离子注入干种子能产生明显的变异，具有损伤
小、突变率高、变异谱广，并具重复性和方向性等优
点。经过 20 多年的发展，离子注入技术已广泛应用
于植物、微生物的品种改良及新品种和新品系的选
育，并取得了明显的进展［1 － 5］。有研究表明［6 － 8］，离
子束辐照可引起植物体内产生大量的活性氧自由
基，这些自由基可以攻击生物大分子，引起蛋白质、
核酸等损伤。但植物体内存在各种清除活性氧自由
基的酶，这些酶可以清除植物体内过量的活性氧自
由基，保护植物免受伤害。有关离子束在向日葵中
应用的报道非常少，只有两篇文献报导了 N +离子束
后导致向日葵种子中蛋白质组的变异［9 － 10］。本试验
用不同剂量的 N +离子束处理向日葵种子，研究处理
后种子的发芽情况和幼苗中防御酶活性及丙二醛含
量的变化，试图阐明离子束处理对向日葵的影响，以
期为离子束在向日葵品种改良及选育中的应用提供
理论依据。
1 材料和方法
1． 1 实验材料
本实验所用材料为向日葵品种星火和 SD － 981
(俗称美二) ，由五原县农业局提供。种子经 55℃温
水浸种 10 小时后放在 18 － 22℃培养箱中，出芽后播
种于等量蛭石与营养土的花盆中，于温室 16 小时光
照 8 小时黑暗培养，子叶长出后移栽到内蒙古农业
大学试验田内。行距 66cm、株距 40cm。
1． 2 实验方法
1． 2． 1 氮离子束注入 氮离子束注入在内蒙古大
学生物工程中心 LOD － 1000 型离子注入机上进行。
选取大小、色泽、饱满程度一致的种子剥皮后插入花
泥，胚部朝向离子束注入方向。放入样品盘在真空
下以能量为 25Kev，束流大小 10mA，每次脉冲时间
为 5S，靶室真空度为 10 －3 Pa，不同的剂量进行离子
束处理。注入剂量为 250、500、750、1000、1250、
1500、1750、2000、2250，单位是 × 2． 6 × 1013 N + /cm2，
未注入离子束的种子作为对照组。每份处理用 200
粒种子，处理时间为 30 分钟。
1． 2． 2 种子发芽率和发芽势的测定 处理好的种子
放在铺好滤纸的培养皿中，加入适量水进行种子萌
发(前 5 天不需光照) ，统计没发芽的种子数，每天统
计一次，共统计五天。发芽率 =种子发芽数 /种子总
数;发芽势 =第一天发芽数 +第二天发芽数 /种子总
数。
1． 2． 3 酶活性测定 向日葵植株移栽大田 15d 后，
取幼苗叶片用以测定酶活性，每个样品设三次重复，
最后求平均值。
过氧化氢酶的活性测定采取紫外吸收法。随机
采取各品种剂量的幼苗各 20 株(取其真叶) ，剪碎后
混合，各称取 1g 用 10ml pH6． 8 的缓冲液和少量石
英砂进行冰浴研磨，以 4000r /min 4℃离心 15min，取
上清液为粗酶液。反应底物溶液为 2． 9ml H2O2，加
入 0． 1ml酶粗提液，对照以 0． 1ml 的 0． 067M pH7． 0
磷酸缓冲液代替酶液。迅速混匀后检测 240nm处的
光吸收值，每隔 15 秒读取各管光吸收(A) ，共读 3 分
钟。以 A对时间作图，取反应最初直线部分，计算出
每分钟 A 的减少值为 △A240nm/分 = △A样 /分 －
△A空 /分，以每分钟减少 0． 1 个 OD240nm值所需酶量为
1 个酶活力单位。酶活性用 U /min·g 表示。
SOD活性测定采用 NBT 光化还原法。按每克
鲜叶 3ml 0． 05M pH7． 8 磷酸钠缓冲液，加入少量石
英砂和 PVP，冰浴研磨，定容到 5ml，于 8500rpm /min
4℃离心 30min，上清夜即为粗酶液。反应液总体积
3． 8ml，其中含有 0． 05M pH 7． 8 的磷酸缓冲液1． 5
ml，26mM 的甲硫氨酸 1． 5ml，0． 75mM 的氮兰四唑
0． 3ml，含 0． 001mM EDTA的 0． 02mM核黄素 0． 3ml，
酶液 0． 2ml。对照以磷酸缓冲液代替酶液。混匀后
将对照管放入暗处，测定管放入 4000Lux 日光下反
应 15min。以对照管为空白，分别在波长为 560nm
下测吸光度值。用下列公式进行计算:
A =
(D1 － D2)× V × 1000 × 60
D1 × B × W × T × 50%
其中，A为酶活力［酶活力单位:U /g(FW)oh］，
V为酶提取液总体积(ml) ，B 为一个酶活力单位的
酶液量(ul) ，W 为样品鲜重(g) ，T 为反应时间
(min) ，D1 为测定管的光密度值，D2 为对照管的光
密度值。
丙二醛含量测定采用赵世杰的方法。取 1g 叶
片，加入 5%的三氯乙酸 10ml和少量石英砂，研磨至
匀浆，于 3000r /min离心 10 min，取上清。取 0． 67%
硫代巴比妥酸 2ml，加入 2ml 上清液，对照加 2ml 蒸
馏水。沸水浴中反应 30min，迅速冷却后离心取上清
液于 532nm、600nm及 450nm波长下测 OD值并记录
数据，用下列公式进行计算:
D /(umol /L)= 6． 45 × (A532 － A600)－ 0． 56 × A450
37第 1 期 霍 烽等: N +离子束注入对向日葵生理特性的影响
2 结果与分析
2． 1 氮离子束处理后向日葵幼苗的表型变异
将用氮离子束处理后的向日葵种子进行发芽，
发现有些种子发芽后没有胚根长出，芽基部变褐并
出现环形的缢缩，后期会在基部长出一些侧根。并
且不同剂量下产生此种变异的数量不同，图 1 表示
的是美二种子经不同剂量 N +离子束处理后产生表
型变异幼苗的数目。随着处理剂量的加大，产生变
异的种子数目逐渐增加，1250 及以下剂量处理时变
异数目缓慢增加，到 1500 剂量时变异种子的数目呈
现快速增加的趋势，在剂量为 1750 时达最多，此后
又有所下降。
2． 2 氮离子束注入对向日葵种子发芽率和发芽势
的影响
不同剂量的 N +离子束处理向日葵种子后对其
发芽率的影响见图 2。处理后的向日葵在最适发芽
条件下有 1 天就开始萌发，未注入离子束的对照和
注入剂量较低的种子发芽较整齐一致，基本一天时
间就可全部发芽，而处理剂量较大的种子发芽率低
并且发芽不一致。离子束剂量越大对向日葵胚部的
损伤也越大，相应的发芽率也降低。而且不同剂量
下的发芽率在不同的品种间也有较大差异。星火品
种在 1750 剂量处理下发芽率有显著下降，而美二则
在 1250 剂量处理下即有显著下降。2 个品种的发芽
率均在 2000 剂量下达到最低值，在 2250 剂量时星
火略有升高，而美二有大幅回升。
图 1 不同剂量氮离子束处理向日葵美二种子后产生变异幼苗的数目
Fig． 1 Numbers of mutated seedlings in Mei － er after different dosages of N + ion implantation treatment
图 2 不同剂量氮离子束处理向日葵种子后对发芽率的影响
Fig． 2 Germination rates of sunflower seeds after different dosages of N + ion implantation treatment
发芽势也是测定种子生理活力的指标之一，本
实验统计了向日葵种子前两天的发芽数，计算其发
芽势，结果见图 3。在处理剂量为 1000 以下时美二
的发芽势没有太大的变化，和对照相近，当剂量大于
1000 时发芽势就有较大的降低。星火则在剂量为
1750 以下时，发芽势没有太大的变化，到 2000 时降
低到最低。两个品种发芽势的变化规律与发芽率基
本一致，均在 2000 剂量时达最低值，后又有所回升，
47 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 2013 年
美二的回升率高于星火。从中可以看出美二对离子
束的处理更为敏感。
2． 3 氮离子束注入对向日葵幼苗过氧化氢酶活性
的影响
氮离子束注入对向日葵幼苗过氧化氢酶活性的
影响结果见图 4。星火经离子束处理后，幼苗体内的
CAT活性除 1750 剂量外，其它处理剂量与对照相
比，CAT活性都增强了，在处理剂量为 750 时酶活性
达到了最高值，是对照的 1． 5 倍。对美二而言，不同
剂量的 N +离子束处理后，幼苗体内的 CAT 活性均
比对照要高，在处理剂量为 250 时酶活性达到了最
高值，是对照的 1． 8 倍。另外，总体来讲星火中的
CAT活性较美二中的要高。
图 3 不同剂量氮离子束处理向日葵种子后对发芽势的影响
Fig． 3 Germination vigor of sunflower seeds after different dosages of N + ion implantation treatment
图 4 不同剂量氮离子束处理后向日葵幼苗过氧化氢酶活性变化
Fig． 4 Catalase activities of sunflower seedlings after different dosages of N + ion implantation treatment
2． 4 氮离子束注入对向日葵幼苗超氧化物歧化酶
活性的影响
经离子束处理后，向日葵幼苗中 SOD 活性见图
5。美二品种经离子束处理后，其幼苗体内 SOD活性
相对于未经处理的对照而言，SOD 活性均有了明显
下降。并且 SOD 活性变化幅度因剂量不同而出现
差异，在九个不同的剂量中，500 处理剂量 SOD 活性
最高，2000 处理剂量的 SOD活性最低。而星火品种
经不同剂量离子束处理后，其幼苗叶片中 SOD 活性
也表现出显著的变化，但其规律性与美二不同，呈现
较大幅度的波动。剂量为 500、1750 和 2250 时 SOD
活性比对照的大，2000 时 SOD 活性相近于对照，其
他剂量的活性小于对照。九个不同剂量的处理幼苗
中，剂量为 1500 的处理 SOD 活性最低，但在剂量为
500 时 SOD活性最高，这一点与美二中的情况相同，
这说明在处理的几个剂量中，500 处理后两个品种中
SOD活性均最高。并且尽管在未处理的对照中美二
的 SOD 活性高于星火，但在不同剂量的 N +离子束
处理后，星火中的 SOD活性均高于美二。
2． 5 氮离子束注入对向日葵幼苗丙二醛含量的影
响
不同剂量氮离子束处理后向日葵幼苗丙二醛含
量变化见图 6。处理后美二体内 MDA含量变化幅度
57第 1 期 霍 烽等: N +离子束注入对向日葵生理特性的影响
较大，在剂量为 250 时 MDA 有了 1 个明显增加，而
后在 500 处出现 1 个较小值后又呈现出上升趋势，
在剂量为 1000 时其 MDA 含量达到了最大值，除了
剂量为 500 时低于对照，在其他剂量下 MDA 含量均
比对照要高。星火幼苗体内 MDA 含量的变化趋势
比较平缓，剂量为 2000 时 MDA含量达最小值，剂量
为 1500 时达到了最大值，且除剂量 2000 时低于对
照，及剂量 2250 时与对照相当，在其余剂量处理下
MDA含量均高于对照。另外，两个品种经相同离子
束处理后，美二幼苗体内 MDA 含量明显的比星火品
种高。
图 5 不同剂量氮离子束处理后向日葵幼苗超氧化物歧化酶活性变化
Fig． 5 SOD activities of sunflower seedlings after different dosages of N + ion implantation treatment
图 6 不同剂量氮离子束处理后向日葵幼苗丙二醛含量变化
Fig． 6 MDA contents of sunflower seedlings after different dosages of N + ion implantation treatment
3 讨论
N +离子束处理向日葵种子后，随着处理剂量的
加大，种子发生变异的几率呈现先升后降的趋势，与
之相应的种子发芽率和发芽势出现先降后升的趋
势，但发芽率和发芽势并没有出现典型的马鞍型曲
线。N + 离子注入对拟南芥［11］、玉米［12］和紫花苜
蓿［13］种子的发芽率和剂量之间的曲线均呈现马鞍
型，即先降后升再降的趋势。本次试验没有出现典
型的马鞍型曲线，我们认为是因为处理剂量还没有
用到很高的水平，最高维持在 1 016 N + /cm2 数量
级，而在拟南芥、玉米和紫花苜蓿中最高都用到
1 017 N + /cm2 数量级。
植物体内自由基的大量产生会引发膜脂过氧化
作用，丙二醛是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量
可以反映植物遭受逆境伤害的程度。我们的试验结
果表明 N +离子束处理向日葵种子后，会导致幼苗体
内的丙二醛含量增加，说明 N +离子束处理的结果使
得向日葵幼苗的膜脂过氧化作用加强了。这与前人
在蒙古黄芪中的研究结果是一致的［14］。
过氧化氢酶是广泛存在于植物体内的 1 种含铁
的血红蛋白，是植物抗氧化酶活性保护系统中的主
要酶，它能及时分解 H2O2，使之免遭积累过多对植
物造成的损害，因此，在活性氧的清除和维持植物体
内活性氧的正常水平中起作用。超氧化物歧化酶则
能通过歧化反应清除细胞中的超氧自由基(O －2 ) ，生
成 H2O2 和 O2，是生物体内非常重要的清除氧自由
67 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 2013 年
基的酶。我们的试验结果表明 N +离子束处理向日
葵种子后，会诱导幼苗中的过氧化氢酶和超氧化物
歧化酶活性增强，说明清除氧自由基的能力增强了。
这与在水稻［15］、小麦［16］及蒙古黄芪［14］中的研究结
果是一致的。
本次试验中所用到的两个向日葵品种，星火和
美二，经 N +离子束处理后，星火的发芽率和发芽势
在更高剂量下才开始大幅下降，同时过氧化氢酶和
超氧化物歧化酶均表现为星火中的活性高于美二，
而丙二醛含量则为美二高于星火。综合以上表现，
我们认为美二比星火对 N +离子束的处理更为敏感，
这可能是由品种特性导致的。
参 考 文 献:
［1］ 吴跃进，余增亮，吴家道，等． 离子注入在生物改良上
的应用［J］． 核农学通报，1996，16(6) :288 － 290
［2］ 赵连芝，王勇，甄东升，等． 春小麦突变新品种 － 陇辐
2 号［J］． 核农学报，2005，19(1) :80 － 80
［3］ 魏良明，蒋鸿勋，胡学安，等． 植物诱变新技术及其在
玉米育种上的应用［J］． 玉米科学，2000，8(1) :19 － 20
［4］ 袁成凌，余增亮，张宏慧． 富含花生四烯酸(AA)微生
物油脂提取及富集研究［J］． 粮食与油脂，2001，(5) :
6 － 7
［5］ 颉红梅，卫增泉，李文建． 7MeV /uO ～(6 +)离子对庆
大霉素生产菌诱变的初步研究［J］． 辐射研究与辐射
工艺学报，1995，13 (2):99 － 101
［6］ 郭金华，谢传晓，徐剑，等． N +注入对大豆种子活力
及幼苗的抗氧化酶活性影响［J］． 激光生物学报，
2003，12(5) :368 － 372
［7］ 黄群策，李国平，赵帅鹏． 离子注入黑松花粉粒对细
胞膜系统和抗氧化酶活性的影响［J］． 郑州大学学报(
理学版) ，2008，40(4):95 － 99
［8］ 徐刚，甘彩玲，方艳琼，等． 氮离子注入对麻疯树幼苗
抗氧化能力的影响［J］． 植物生理学报，2011，47
(11):1091 － 1095
［9］ 董贵俊，张卫东，陈双燕，等． N +注入引起向日葵蛋白
质组变异研究初报［J］． 生物物理学报，2004，20(4):
269 － 274．
［10］ Guijun D，Weidong P，Gongshe L． The analysis of pro-
teome changes in sunflower seeds induced by N + implan-
tation［J］． Journal of Biosciences，2006，31(2):247 －
53．
［11］ 王燕，王卫东，秦广雍，等． 氮离子注入对拟南芥的
生理影响初步研究［J］． 华北农学报，2004，19(1):
82 － 85
［12］ 黄中文，王春风，崔秀珍． N +离子束注入对玉米的生
物学效应［J］． 河南科技学院学报(自然科学版)，
2005，25 (3):20 － 24
［13］ 吕杰，李冠，王新绘． 低能离子注入对紫花苜蓿种子
发芽及幼苗生理生化变化的影响［J］．种子，2004，23
(8):32 － 34
［14］ 张利珍，李前忠，杨林源，等． N +注入对蒙古黄芪多
倍体生化指标的影响［J］． 生物物理学报，2011，27
(11) :955 － 962
［15］ 燕晓阳，黄群策，陈雪能． N +注入对不同倍性双胚苗
水稻幼苗生长及酶活性的影响［J］． 核农学报，2011，
25(2) :214 － 219
［16］ 赵俊杰，欧行奇，周岩，等． N +离子注入对萌发期小
麦中 POD和 SOD同工酶的影响［J］．种子，2009，28
(9):69 － 73
77第 1 期 霍 烽等: N +离子束注入对向日葵生理特性的影响