全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 052358203
N + 离子注入对高粱作用的初步研究
曹　阳1 　李学慧2 　董哓宇1 　齐　锐2 　胡铁军2 　史维东3
(11 大连大学生物工程学院 ,辽宁 大连　116622 ; 21 大连大学物理系 ,辽宁 大连　116622 ;
31 大连理工大学三束材料改性国家重点实验室 ,辽宁 大连　116024)
摘 　要 :将 N + 离子注入高粱种子 ,结果发现 :在相同注射条件下 ,不同高粱品系及不同注射胚
面作用不同 ;种子注入当代植株在株高、穗长、千粒重方面差异普遍增大 ,正面与侧面注入 3 种
性状也存在不同。
关键词 :离子注入 ;等离子体 ;高粱
PRIMARY RESEARCH ON THE EFFECT OF N+ ION INJECTED INTO CHINESE SORGHUM
CAO Yang1 　LI Xue2hui2 　DONG Xiao2yu1 　QI Rui2 　HU Tie2jun2 　SHI Wei2dong3
(1. College of Bioengineering , Dalian University , Dalian , Liaoning , 　116622 ; 2. Department of Physics , Dalian University ,
Dalian Liaoning , 　116622 ; 3. State Key Laboratory for Materials Modification by Laser , Ion and
Election Beams , Dalian University of Technology , Dalian , Liaoning , 　116024)
Abstract :Under the same condition of injection of N + ion into Chinese sorghum. The results indicate that the effect
are different among the different Chinese sorghum varieties and different embryo sides. The diversity is very large in
the height of plant , the length of spike , the weight of 1 ,000 seeds. The above three properties affected by injection
are various in direct sides and fland sides.
Key words :ion implantation ; plasma ; sorghum
收稿日期 :2002203212
作者简介 :曹阳 (1968～) ,男 ,辽宁西丰人 ,副教授 ,在职博士 ,从事基因工程方面的研究。
自余增亮等人[1 ]发现离子注入对生物的诱变效应以来 ,已经建立了质、能、电 3 因子作用机制体系 ,
开辟了低能离子与生物体相互作用的研究新领域 ,并证明注入细胞内的低能离子对生物体具有良好的
诱变效应[2 ] ,这种方法不但拓宽了诱变育种的研究领域 ,提高了突变频率 ,扩大了作物的遗传资源 ,而且
性状稳定速度比传统方法快 ,缩短了育种时间。
从离子注入诱发的突变材料选育的水稻在米质、病虫害抗性、产量方面都有大幅度提高 ,在小麦、玉
米、林木、茶树、甘薯、谷子、蔬菜、大豆[3 ] 、烟草[4 ] 、棉花[5 ] 、甜菊[6 ] 、豌豆[7 ] 等作物及微生物[8 ] 、蚕[9 ] 也都
得到了一批有应用价值的新品系。另外离子束介导的转基因育种[10 ,11 ] 、远缘杂交育种[12 ] 在作物育种中
也发挥了重要的作用。高粱是杂粮作物 ,在农业中有不可替代的作用。但目前高粱育种大多仍采用传
统方法 ,育种速度慢 ,效果不尽人意 ,利用离子注入诱变方法在高粱育种研究中尚无报道。本文用 N+
离子注入高粱种子证明该法对高粱 M1 有损伤作用。
1 　材料及方法
高粱种子由辽宁省农业科学研究院高粱研究所提供。离子注入机为大连理工大学三束材料改性国
家重点实验室研制的 MBMI 多束混合注入装置。选取饱满无霉变、无虫蛀种子 ,随机摆放到注射平台
上。离子束为N + 离子 ,注入能量 810 ×10 - 15J ,注入剂量 510 ×1020个Πm2 ,束流密度 8μA ,封闭抽真空达到
853　 核 农 学 报　2003 ,17 (5) :358～360Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
617 ×10 - 2 Pa ,连续注入 1000s。注入结束后 ,将种胚面 (视为正面) 接受注入的种子与非种胚面 (视为侧
面)接受注入的种子分成两组 ,分开种植 ,4d 后与未接受注入的对照组同时种入大田。统计出苗、成苗
及株高、穗长、千粒重等 ,利用 SPSS 软件分析性状差异显著程度。
2 　结果与分析
由表 1 可看出 ,离子注入后出苗率及成苗率存在差别。不同品种出苗率最高相差 30 % ,成苗率最
高相差 70 % ;同一品种注射面不同出苗率最高相差 20 % ,成苗率最高相差 40 %。说明相同条件注入的
N + 离子在不同高粱品系中产生的作用不同 ,这与受体细胞的敏感性有关 ,对离子注入敏感的品系出苗
率、成苗率较低 ,而不敏感的品系则相对较高 ;同时正面注入离子可进入到种胚细胞内 ,对胚的萌发产生
直接影响 ,侧面注入则是间接的作用 ,因此正、侧面注入结果会有所差别。
通过出苗率可以看出 ,注入离子可引起细胞不同程度的损伤 ,出苗在 10 %～30 %。过高的注入剂
量引起细胞无法修复的损伤 ,导致发育前期胚或幼苗死亡。离子注入不但对种子前期发育有很大影响 ,
在植株生长过程中也有较为明显的作用。从成苗率来看 ,品种间作用不同 ,最高 100 %的个体发育至结
实[993045 (R)侧面注入 ] ,最低只有 30 %能够生长为成体 [993044 (R) 正面注入 ;这种影响对于同一个品
种也不相同 ,相同品种正面、侧面注入最大差值为 42 % (993284) ,最小差值只有 3 % (990443) 。这说明
N + 离子注入种胚细胞内 ,影响细胞的生理代谢 ,损伤严重时导致植株在发育过程中逐渐死亡。
表 1 　N+ 离子注入种子后发育情况
品种 注入方式 注入粒数 出苗株 出苗率 ( %) 成苗株 成苗率 ( %)
993287 B 正面 95 14 14. 7 13 92. 8
993287 B 侧面 86 27 31. 4 21 77. 8
993283 B 正面 153 61 39. 9 57 93. 4
993283 B 侧面 186 61 32. 8 39 63. 9
993284 B 正面 66 20 30. 3 18 90. 0
993284 B 侧面 102 27 26. 5 13 48. 1
990443 R 正面 93 22 23. 7 18 81. 8
990443 R 侧面 117 20 17. 1 17 85. 0
993044 R 正面 89 26 29. 7 8 30. 8
993044 R 侧面 98 8 8. 2 5 62. 5
993045 R 正面 136 24 17. 6 21 87. 5
993045 R 侧面 97 16 16. 5 16 100. 0
注 :出苗率 = 出苗株数Π注入粒数×100 ; 成苗率 = 成苗株数Π出苗株数×100。
由表 2 可看出 ,在 3 种性状中 ,种子注入 N + 离子后同一品种株间差异普遍增大 ,正面与侧面注入
也存在不同 ,另外相同注入条件不同品种表现出的作用也不相同。由注入引起的差异表现出正、负两方
面的趋势。3 种性状中 ,离子注入对当代穗长影响最大 ,其次是千粒重 ,对株高的影响最小。
表 2 　N+ 离子注入后性状统计及结果分析
品种 注入方式 株高 (cm) 穗长 (cm) 千粒重 (g)
993287 B 正面 85 ±12. 8 21 ±4. 0 ( + ) 3 15. 6 ±4. 7 ( - )
993287 B 侧面 74 ±14. 4 ( - ) 3 18 ±3. 4 ( - ) 12. 5 ±3. 2 ( - ) 3 3
993283 B 正面 98 ±10. 3 ( - ) 17 ±2. 5 ( - ) 3 3 15. 5 ±7. 8 ( + )
993283 B 侧面 95 ±17. 2 ( - ) 17 ±2. 7 ( - ) 3 3 21. 1 ±11. 5 ( + )
993284 B 正面 93 ± 8. 3 ( - ) 26 ±2. 4 ( - ) 3 13. 4 ±6. 8 ( - )
993284 B 侧面 89 ± 8. 9 ( - ) 26 ±2. 9 ( + ) 18. 7 ±6. 4 ( + )
990443 R 正面 110 ±12. 1 ( - ) 24 ±3. 0 ( + ) 3 3 25. 2 ±8. 5 ( + ) 3 3
990443 R 侧面 122 ±10. 5 ( + ) 27 ±3. 9 ( + ) 3 3 20. 6 ±11. 7 ( + )
993044 R 正面 135 ±13. 7 ( + ) 3 18 ±1. 5 ( + ) 3 3 10. 4 ±5. 8 ( - ) 3 3
993044 R 侧面 123 ±11. 7 ( + ) 22 ±5. 0 ( - ) 16. 6 ±0. 7 ( - ) 3 3
993045 R 正面 108 ±19. 5 ( - ) 20 ±2. 9 ( - ) 3 3 16. 7 ±8. 9 ( - )
993045 R 侧面 108 ±8. 8 ( - ) 3 3 22 ±2. 8 ( - ) 18. 3 ±5. 1 ( - )
注 : 3 为差异显著 ; 3 3 为差异极显著 ;括号内“ - ”表示与对照相比减小 ,“+ ”表示增加。
953　5 期 N + 离子注入对高粱作用的初步研究
与对照相比 ,993287 B (侧面注入) 株高显著降低 ,993044 R (正面注入) 显著增高 ,993045 R (侧面注
入)极显著降低 ,其它组合的处理差异不显著。所处理的几个品系株高大多变矮 ,可对其后代进行筛选。
离子注入对穗长的影响最大 ,多数为差异显著或极显著 ,只有少数变化不明显 ,穗长增加或减小的趋势
大致相同。如果这种变化在后代中能维持下去 ,就有可能选育长穗品种 ,达到增产目的。千粒重性状受
注入的影响也较大 ,有 4 个品系差异极显著。总体而言千粒重减少的趋势大于增加的趋势。
3 　讨 　论
离子注入对生物体的作用是集能量沉积、动量传递、质量沉积和电荷的中和与交换于一体的综合作
用[13 ,14 ] ,注入后能量作用于 DNA 引起损伤 ,大部分损伤是可以修复的[8 ] ,同时能量Π电荷Π质量协同作用
引起大量受体原子位移及重组 ,形成新的分子结构和基团 ,产生丰富的基因突变 ,因此可在损伤较轻的
条件下获得较高的突变率 ,这种方法对农作物产量、品质、抗性等数量性状的改良效果显著 ,可弥补传统
诱变方法的不足。本研究发现 ,N + 离子注入高粱后 ,无论是正面注入还是侧面注入出苗率及成苗率都
存在差别 ,不同品种间作用也不相同。所注入的 N + 离子是以电荷、能量、质量方式对 M1 代生理代谢产
生影响 ,包括对细胞结构、酶功能等方面 ,这种作用在早期即可表现出来 ,高剂量地接受离子注入导致不
可修复的或是严重的损伤 ,使得出苗率、成苗率下降。同时表明相同条件下离子注入的作用与受体品种
敏感性及注入方式有关。
注入当代所统计的株高、穗长、千粒重 3 种性状都有变化 ,对穗长的影响最大 ,次之是千粒重 ,对株
高的作用最小。同一品种不同个体间变化幅度增大 ,并表现出正面与侧面注入的差别。由注入引起的
变化表现为正、负两方面的趋势。另外注入所选择的离子强度是合适的 ,注入后出苗率为 10 %～40 %。
有研究表明等离子注入种子后出苗率在 50 %左右较为合适 ,过高的强度虽然可提高突变频率 ,但对受
体细胞的损伤较大 ,导致出苗及成苗过低 ,无法获得用于选择的材料 ;较低的注入强度可提高出苗及成
苗率 ,但产生的突变频率低、突变性状少 ,同样无法获得有价值的材料。
4 　结 　论
通过高粱种子的N + 离子注入研究 ,得到如下结论 : (1)注入能量 810 ×10 - 15J ,注入剂量 510 ×1020个Πm2 ,离子束流密度 8μA ,连续注入 1000s 的注入条件对于高粱是合适的 ; (2) N+ 离子注入高粱种子时正、
侧面注入存在差别 ;由注入引起的变化表现出正、负两种趋势 ; (3)不同品种敏感性不同 ,表现为出苗率、
成苗率、株高、穗长、千粒重的变化差异 ; (4) N + 离子注入高粱种子后 ,当代穗长变化最大 ,其次是千粒
重 ,株高的变化最小。
致谢 :承蒙大连理工大学三束材料改性国家重点实验室协助处理种子 ,大连大学生物工程学院李晓艳老师帮助处理与分析实验数
据 ,在此表示衷心感谢。
参考文献 :
[ 1 ] 　Yu Zengliang , Deng Jianguo , He Jianjun. Mutation Breeding by ion implantation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B59Π60
(1991) : 705～708
[ 2 ] 　余增亮 ,霍裕平. 离子注入生物效应述评. 安徽农业大学学报 ,1994 ,21 (3) :221～225
[ 3 ] 　吴丽芳 ,李红. 离子束生物工程应用研究进展. 物理 ,1999 ,28 (12) :708～712
[ 4 ] 　阮龙 ,林国平 ,唐圣华 ,等. N + 离子注入烟草对当代烟叶含钾量的影响. 安徽农业科学 ,2000 ,28 (2) :238～239
[ 5 ] 　程备久 ,余增亮. 离子注入棉花种子 M1 代细胞学效应研究初报. 安徽农学院学报 ,1991 ,18 (4) :329～331
[ 6 ] 　沈明山 ,蒋先志 ,徐金森 ,等. 注入碳离子对甜菊的生物学效应. 植物学报 ,2000 ,42 (9) :892～897
[ 7 ] 　杜兰芳 ,顾志良 ,钟华 ,等. 等离子体浸没 N + 注入对豌豆胚芽细胞的诱变效应. 遗传 ,2000 ,22 (6) :398～400
[ 8 ] 　宋道军 ,姚建铭 ,吴丽芳 ,等. 离子注入对微生物细胞的刻蚀与对 DNA 的损伤及修复. 遗传 ,1999 ,21 (4) :37～40
[ 9 ] 　李圣 ,余增亮. 低能 N + 离子注入诱变在家蚕育种上应用研究. 安徽农业大学学报 ,1994 ,21 (3) :326～329
[10 ] 　杨剑波 ,吴李君 ,吴家道 ,等. 应用低能离子束介导法获得水稻转基因植株. 科学通报 ,1994 ,39 (16) :1530～1534
[11 ] 　Yu Zengliang , Yang Jianbo , Wu Yuejin , et al . Transferring GUS gene into intact rice cells by low energy ion beam. Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research B80Π81 (1993) : 1328～1331
[12 ] 　吴丽芳 ,余增亮. 离子注入法获得大豆2小麦分子远缘杂种及后代的变异分析. 核农学报 ,2000 ,14 (4) :206～211
[13 ] 　邵春林 ,余增亮. 离子束辐照下微生物、植物组织存活模型的研究. 核技术 ,1997 ,20 (7) :423～429
[14 ] 　卞坡 ,张艳锋 ,吴健 ,等. 低能离子注入生物组织原初过程的模拟计算. 郑州大学学报 (自然科学版) ,2001 ,33 (1) :45～49
063 Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2003 ,17 (5) :358～360