全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 042309203
低能离子注入种子过程中的温度效应
常胜合　苏明杰　秦广雍　吴玉萍　赵海珍
(郑州大学物理工程学院离子束生物工程实验室 ,河南 郑州　450052)
摘 　要 :本文用玉米干种子作为实验材料 ,设打印纸覆盖、铝箔覆盖和不覆盖 3 个处理 ,研究了
在低能离子注入种子的过程中 ,温度对种子发芽率的影响。研究结果表明 3 个处理中不能传
递热量的打印纸覆盖的种子发芽率最高 ,不覆盖的种子的发芽率其次 ,而可以传递热量的铝箔
覆盖的种子发芽率最低。温度能够显著影响注入后种子的发芽 ,靶室内的高温总体上降低了
种子的生活力。文中对离子注入时的温度效应做了校正 ,并给出了校正后的种子发芽曲线。
关键词 :温度 ;低能离子 ;种子发芽率
THE TEM PERATURE EFFECT OF LOW2ENERGY ION BEAM IMPLANTATION ON SEED
CHANG Sheng2he 　SU Ming2jie 　QIN Guang2yong 　WU Yu2ping 　ZHAO Hai2zhen
( Lab of Ion Beam Biotechnology , Physics Department , Zhengzhou University , Zhengzhou , Henan ,450052)
Abstract :The temperature effects of low2energy ion beam implantation on the seed germination were studied. Maize
dry seeds were covered with copy paper , aluminum foil and without cover , respectively. Results showed that the
germination rate of the seeds covered with paper which was the bad heat transmitter was the highest among three
treatments, while that covered with aluminum foil which can transmit heat energy well was the least . The
germination rate of the seeds covered with nothing was the second. Temperature affected seeds germination
markedly. Generally the temperature of the target room inhibited the seeds’germination. After minus the effects of
the temperature in the target room , the germination rates of the seeds were modified in this paper. The modified
germination rate curve was also provided.
Key words :temperature ; low2energy ion beam ; seed germination rate
收稿日期 :2004207214
基金项目 :国家“十五”科技攻关项目资助课题 (2001BA302B203)
作者简介 :常胜合 (1974 - ) ,男 ,河南唐河人 ,博士 ,讲师 ,主要从事植物逆境胁迫研究。E2mail : shchang @zzu. edu. cn离子束技术在 20 世纪 70 年代以来广泛应用于金属的表面改性。余增亮等首先发现了低能离子束在水稻上的诱变效应[1 ] 。从此以后 ,低能离子注入广泛地应用于植物育种、微生物育种以及生命起源及进化等方面[2 , 3 ] ,并且取得了一系列重要的成果。温度是影响植物生长发育的一个重要因素 ,种子发芽前对种子进行热处理会严重影响种子的生活力[4 ] 。在低能离子注入植物干种子的过程中 ,靶室内传感器测量的温度快速上升 ,但还没有见到低能离子注入时温度影响方面的报道。本文研究了低能离子注入的过程中温度对种子发芽的影响。1 　材料与方法111 　材料试验材料为“豫玉 33”玉米干种子 ,自郑州市种子市场挑选饱满的大小一致的种子用于试验。
903　核 农 学 报　2005 ,19 (4) :309～311Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
112 　离子注入试验
试验在郑州大学物理工程学院离子束生物工程实验室进行。离子注入机为 TNV RU (俄罗斯制
造) 。离子种类为 N + ,能量为 30keV ,束流为 3mA。离子注入剂量分别为 0、015 ×1017 、110 ×1017 、
115 ×1017 、210 ×1017 、215 ×1017 、310 ×1017 、315 ×1017和 410 ×1017 ionΠcm2 。
试验分为 3 个处理。处理 1 用 75μm 厚的打印纸覆盖在加样盘上 ,处理 2 用 100μm 厚的铝箔 ,处理 3
不盖任何物品。试验中将 3 组样品依次放在同一个加样盘上 ,所有种子的胚朝上正对离子注入的方向
放置。每处理 100 粒种子。
113 　发芽试验
将处理后的种子放在湿润的细沙中在温室条件下发芽 ,温度为 22 ℃。连续培养 10d 后统计发芽率。
2 　结果与分析
211 　离子注入时的温度变化对种子发芽的影响
图 1　不同处理的离子注入对种子发芽的影响
A、B、C分别表示离子注入时种子被打印纸
覆盖、不覆盖和铝箔覆盖。
图 1 所示为在 3 种不同处理条件、注入不同剂量
的离子对玉米种子发芽率的影响。当注入剂量为
110 ×1017 ionΠcm2 时 ,打印纸覆盖种子和铝箔覆盖种
子的发芽率都呈现下降趋势 ,而不覆盖的种子的发
芽率则略微上升。在注入剂量为 115 ×1017 ionΠcm2
时 ,打印纸覆盖种子的较前一剂量下发芽率上升。
另外两个处理的种子的发芽率下降。在注入剂量大
于 115 ×1017 ionΠcm2 时 ,3 个处理的种子的发芽率都
呈现下降的趋势。在某一个具体的注入剂量位点
上 ,3 个处理的发芽率也存在着较大的差别。如当离
子注入剂量为 410 ×1017 ionΠcm2 时 ,打印纸覆盖的种
子的发芽率最高 ,不覆盖的种子的发芽率其次 ,而铝
箔覆盖的种子的发芽率最低。
在我们的试验中用传感器进行检测发现 ,当离子注入的时候 ,靶室内的温度快速上升到 80 ℃左右
(束流为 1mA ,能量为 30keV) 。束流为 2mA ,能量为 30keV 时 ,温度很快上升为 120 ℃～130 ℃。当束流加
大为 3mA 时 ,温度上升到 150 ℃～160 ℃左右。低能离子能量 (30keV) 较低 ,不能穿过打印纸和铝箔[5 ] 。
不过当离子打在铝箔上的时候 ,离子的动能转化为热能。铝箔是热的良导体 ,它能够迅速地将这些热能
传递给种子。如图 1 所示 ,当离子开始注入的时候 ,铝箔覆盖的种子的发芽率迅速下降。而且在 3 个处
理中 ,铝箔处理的种子的发芽率下降幅度最大最快。这些结果显示 ,铝箔覆盖的种子不仅接受了正常情
况下离子打在加样盘上时由动能转变过来的热能 ,而且接受了离子打在铝箔上时由动能转变的额外的
热能。因此 ,铝箔覆盖的种子不适于研究在低能离子注入之后的温度效应。而打印纸是热的不良导体 ,
当离子打在打印纸上的时候 ,离子的动能也会转变为热能 ,但是热能极少传递给种子。而同时 ,离子打
在加样盘上时产生的热能能够像正常情况那样传递给种子。也就是说 ,用打印纸覆盖种子的发芽率即
排除了离子注入的影响 ,也没有引入过多的热能 ,基本上可以反映在离子注入的过程中靶室内的温度对
种子发芽的影响。
3 个处理的种子发芽率表明高温对种子的发芽率有抑制作用。植物种子内存在着大量的进行生长
发育所必需的酶。当对种子进行热处理时 ,这些酶的活性不可避免地会受到影响甚至失去活性。当对
玉米干种子进行离子注入的时间超过 22min (注入剂量大于 015 ×1017 ionΠcm2 ) 时 ,这些种子发芽率下降。
下降的原因可能就是种子内酶的活性降低或者失活。但是在某一个具体的温度时 ,则可能会提高种子
的发芽率。例如 ,当离子注入剂量为 015 ×1017 ionΠcm2 时 ,打印纸覆盖的种子的发芽率呈略微上升趋势。
这与以前的研究结果一致[4 , 6 , 7 ] 。这些结果表明 ,在一定的温度范围内温度可能会促进种子的发芽。
212 　离子注入时温度效应的校正
013 核　农　学　报 19 卷
图 2 　温度校正后的离子注入对
玉米种子发芽的影响
A、B、C分别表示打印纸覆盖、不覆盖
和校正后的曲线图。
　　在低能离子注入植物干种子的研究中 ,如果我
们能够去除在注入过程中的温度影响 ,则能够得到
更为精确的结果。由此可见 ,铝箔覆盖的种子由于
接受了过多的热能而发芽率受到的影响最大。打印
纸覆盖的种子排除了低能离子的影响 ,同时又没有
引入额外的热能 ,基本上反映了靶室温度对种子发
芽率的影响状况。基于上述分析 ,我们将不覆盖种
子的致死率减去打印纸覆盖种子的致死率得到一个
新的种子发芽率曲线图。该曲线图因为去掉了温度
的影响 ,因此更能够反映低能离子对种子发芽的影响。
校正后的曲线图与校正前不覆盖的种子的发芽率曲线
图图型相似。但是两个曲线图中的拐点发生了变化。
修改前不覆盖处理的曲线图的两个拐点分别为 015 ×
1017和 110 ×1017 ionΠcm2 。而修改以后的曲线图的两个
拐点分别为 110 ×1017和 115 ×1017 ionΠcm2 。
3 　结论和讨论
　　低能离子注入玉米干种子对玉米种子发芽率的影响的研究结果为 ,注入过程中靶室内种子周围的
高温能够显著影响种子的发芽率。
低能离子注入植物干种子的生物效应是非常复杂的。除了低能离子本身的作用以外 ,还有温度、真
空以及当低能离子打在种子或者铝箔等表面时所产生的次级电子和软 X 射线等对种子活性的影响。
我们的结果显示 ,真空对玉米的干种子的发芽率影响不大 (数据未显示) 。低能离子在轰击到铝箔以后
虽然可以产生次级电子和软 X射线。但是这些次级电子和软 X射线在样品中的射程很短 ,自吸收很强
烈 ,一般不易检测到[8 ] 。这些软 X 射线在 75μm 厚的打印纸和 100μm 厚的铝箔中会被吸收掉。我们认
为可以不考虑这些次级电子和软 X射线对种子活力的影响。但是温度能够严重影响干种子的发芽率。
在低能离子注入植物种子的研究中 ,去除温度的影响将能够得到更为精确的结果。温度在低能离子注
入研究中的具体作用需要进一步研究。
编者按 :本刊审稿专家认为当加速了的离子轰击固体表面 ,离子和金属等固体表面原子交换动量之后 ,会产生次级电子
和次级 X射线。文中铝箔被离子注入 ,产生的次级电子和次级 X 射线实际上增加了种子吸收剂量 ,增加了其生物学效
应 ;复印低产生的次级 X射线少 ,其生物效应较铝箔小。欢迎读者进一步交流有关的论点和想法。
参考文献 :
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