張 斌

（中南林業(yè)科技大學林學院，湖南 長沙410004）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國栽培面積最大的速生用材樹種之一［1］，也是我國南方速生豐產用材林區(qū)的主要造林樹種，其栽培面積和蓄積量均居于我國前列，在我國經濟建設中發(fā)揮了重要作用。經過“六五”至“十二五”的發(fā)展，杉木遺傳改良取得了重大突破，已建成3代杉木種子園，林分蓄積增長量在10%以上，為我國杉木遺傳改良奠定了良好的基礎［23］，但同國外針葉樹種的遺傳改良相比，仍存在較大差距，杉木遺傳質量仍有較大的上升空間［47］。離子注入作為一種新的育種手段，跟航天育種相比具有成本低、效率高的優(yōu)點，近年來得到了廣泛的應用，并在農作物及林木育種上取得了一定的成功［811］。將離子注入杉木的研究表明，離子注入對杉木苗木生長具有明顯的促進作用，但對于杉木種子發(fā)芽及發(fā)芽生理的研究未見報道，以杉木種子為試材，探索不同離子注入處理對種子發(fā)芽率及種子萌發(fā)過程中生理酶活性的影響，其結果為杉木良種選育及遺傳改良提供了新的途徑。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

杉木種子采自湖南攸縣2代杉木種子園，種子采集、調制后備用。種子優(yōu)良度92%，千粒重（350±6）g，含水率8%。

1.2 研究方法

試驗選用同創(chuàng)LZD1000型多功能離子注入機進行離子注入，分別采用氮、鈦作為離子源，以未注入處理作對照。實驗開始前，將3份各重400 g的種子分別放入不同的靶盤中，抽取真空，將真空度控制在（5.0～6.0）×10－3Pa，離子注入能 量為 30 Ke V／10 m A，注入總量為5×1016ions·cm－2，注入脈沖間隔時間為5 s。離子注入處理完成后，即進行發(fā)芽實驗及種子保護酶活性的測試，實驗4次重復。

1.3 統(tǒng)計指標及分析方法

發(fā)芽指數（GI）＝∑Gt／Dt（式中，Gt為t天內的發(fā)芽數，Dt為相應的發(fā)芽天數）；

活力指數（VI）＝S×GI（式中，S為已發(fā)芽種子的鮮重）。

保護酶活性測試：SOD活性測定采用氮藍四唑光還原法（NBT法），POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，CAT活性測定采用紫外吸收法，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法（TBA法），數據的整理及制圖采用Excel 2013進行處理，數據分析采用SPSS 19.0進行ANOVA單因素分析和LSD多重比較，均值計算采用Data Analysis功能。

2 結果與分析

2.1 氮、鈦離子注入對杉木種子發(fā)芽能力的影響

種子的發(fā)芽能力通常用發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數及種子活力指數表示，但又各有不同，發(fā)芽率強調種子的發(fā)芽潛力，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數突出種子發(fā)芽的整齊性，活力指數強調幼苗期的潛在活力大小。

從圖1可看出，供試種子批的常規(guī)發(fā)芽率為38.89%，發(fā)芽率最低，經氮、鈦離子注入處理后，種子發(fā)芽率分別提高了18.85%、20.00%，同未處理種子相比發(fā)芽率提高程度均達到了顯著性水平（顯著性分別為0.011、0.008）。對比氮、鈦2種離子的處理效果來看，鈦離子注入處理后，杉木種子發(fā)芽率略有提高，提高了0.97%，未達到顯著性差異，從數據來看，氮、鈦離子注入處理均能提高杉木種子的發(fā)芽率，但兩者效果不存在明顯差異。

圖1 離子注入對杉木種子發(fā)芽率的影響

種子發(fā)芽勢反映了種子批的發(fā)芽整齊狀況，是種子質量的重要指標。由圖2可發(fā)現，杉木種子的常規(guī)發(fā)芽勢為22.44%，經氮、鈦離子注入處理后，杉木種子的發(fā)芽勢提高了34.67%（顯著性水平0.001）和16.83%（顯著性水平0.036），離子注入處理能顯著提高杉木種子的發(fā)芽整齊性。對比氮、鈦離子處理后的發(fā)芽勢，氮離子注入處理顯著優(yōu)于鈦離子處理（顯著性水平0.029），發(fā)芽勢提高了15.27%。

圖2 離子注入對杉木種子發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽指數是種子活力的一種表述方式，種子發(fā)芽越快，發(fā)芽指數越大，種子活力越高、質量越好。常規(guī)處理條件下，杉木種子的發(fā)芽指數為11.85（圖3），經氮、鈦離子注入處理后，發(fā)芽指數分別提高到15.14和14.19，分別提高了27.76%（顯著性水平0.003）和19.75%（顯著性水平0.016），離子注入處理效果顯著。不同離子注入處理間對比發(fā)現，氮離子注入后，杉木種子的發(fā)芽指數相比鈦離子注入提高了6.69%，差異不顯著（顯著性水平0.227）。

圖3 離子注入對杉木種子發(fā)芽指數的影響

活力指數不僅反映了種子的發(fā)芽速度，也反映了幼苗期的生長勢，活力指數越大，種子活力越好，幼苗期的長勢越好。氮、鈦離子注入處理顯著提高了杉木種子的活力指數（圖4），由對照處理時的128.40，分別提高到202.15和184.22，分別較對照處理提高了57.44%和43.47%，達到了極顯著性差異（顯著性水平分別為0.000和0.000）。不同離子注入處理間未達到顯著性差異（顯著性水平0.057），但氮離子注入處理后杉木種子活力指數較鈦離子注入處理略高出9.73%。

2.2 氮、鈦離子注入對杉木種子保護酶活性的影響

植物在受到逆境影響后，會通過提高自身的保護酶活性來達到適應逆境環(huán)境、正常生長的要求，通過外在的手段刺激植物保護酶活性的提高，不僅有利于提高植物的抗性，同時也能促進植物的生長。在真空環(huán)境下通過氮、鈦不同離子注入，促進杉木種子保護酶活性的變化，進而達到提高杉木種子生理活性的目的。

圖4 離子注入對杉木種子活力指數的影響

圖5 離子注入對杉木種子SOD活性的影響

不同離子注入對杉木種子SOD酶活性的影響不同（圖5），氮離子注入處理后，杉木種子的SOD活性由1.41 U／mg提高到1.70 U／mg，提高了20.57%，但差異不顯著（顯著性水平0.098），而鈦離子注入使SOD活性提高了55.43%，增加幅度極顯著（顯著性水平0.002）對比氮離子處理，鈦離子注入處理對杉木種子的SOD活性影響較大，處理后SOD活性也高出29.22%，優(yōu)勢顯著（顯著性水平0.015）。

圖6 離子注入對杉木種子POD活性的影響

離子注入對杉木種子POD活性的影響表現出同SOD活性類似的規(guī)律，在提高酶活性方面，離子注入的效果優(yōu)于對照處理，鈦離子的效果優(yōu)于氮離子。離子注入對于杉木種子POD活性的提高有顯著的促進作用，與對照相比，氮、鈦離子注入后杉木種子的POD活性分別提高了20.63%（顯著性水平0.001）和35.46%（顯著性水平0.000），鈦離子注入的效果相比氮離子處理的顯著提高了12.29%（顯著性水平0.003）。

逆境條件下產生的過氧化氫會對植物體產生傷害，過氧化氫酶活性的增加，有利于清除植物體內過多的過氧化氫。從圖7可看出，氮離子注入的效果優(yōu)于鈦離子處理，CAT活性分別由對照時的1.16 U／（g·min）提高到1.69 U／（g·min）和1.56 U／（g·min），漲幅為45.56%（顯著性水平0.000）和33.82%（顯著性水平0.000），氮、鈦離子處理間也達到了顯著性的差異（顯著性水平0.019）。

圖7 離子注入對杉木種子CAT活性的影響

2.3 氮、鈦離子注入對杉木種子質膜透性的影響

一般植物在逆境條件下就會產生質膜過氧化，而氧化產物為丙二醛（MDA），MDA的存在會對細胞具有毒性。MDA含量的多少往往反映了逆境對植物的傷害程度，MDA含量越高，受傷害程度越大。由圖8可看出，離子注入處理對杉木種子的傷害程度較大，MDA含量分別比對照增加了47.83%和72.69%，均達到了極顯著差異（顯著性水平均為0.000），鈦離子對種子的損傷也比氮離子大，MDA含量增加了16.82%，差異顯著（顯著性水平0.005）。

圖8 離子注入對杉木種子MDA含量的影響

3 討論與結論

離子注入處理作為一種較新穎的育種手段，國內眾多學者最早將其作為航天育種的革新技術應用到農作物的育種和培育工作中，近年來，不斷有學者嘗試研究離子注入技術對木本植物的影響［1213］，筆者根據多年來在離子注入領域的嘗試和探索，在前期實驗的基礎上，篩選出了對于安全含水量較低的木本植物種子具有廣泛適應性的離子注入劑量和能量指標，本研究的開展即基于該離子注入能量和劑量指標。

杉木作為南方重要的速豐樹種，其種子發(fā)芽率低，不利于工廠化育苗工作的開展，同時相比外來的桉樹、濕地松等樹種，其成材時間長。開展種子發(fā)芽及生理研究是杉木良種選育的第一步，離子注入杉木種子后，其發(fā)芽率顯著提高，發(fā)芽的整齊性也增強，種子活力指數增加，說明離子注入處理對杉木種子具有明顯的促進發(fā)芽效果，其結果與傘樹［14］上表現一致，特別是氮離子的注入，由于在輻射過程中，部分氮離子會殘留在種子內部，成為合成種子活性物質的組成成分，促進了種子內部生理物質的合成反應，也對種子體內包括赤霉素在內的生長素的合成產生了促進作用［15］，或打亂并嵌入DNA雙鏈結構中［16］，從而促進杉木種子生理活性的提高；而鈦離子作為重金屬元素，在相同的能量條件下，轟擊杉木種子的動能更大，所引起的生理活性物質合成和DNA片段更加多樣［17］，既可引起促進植物生長的正變化，也會產生抑制生長發(fā)育的負變化。從處理后的杉木種子發(fā)芽情況分析，在實驗設定的能量和劑量條件下，氮離子注入處理對提高杉木種子發(fā)芽率、發(fā)芽整齊性及苗木潛在活力具有最佳的影響，而且氮元素容易獲得，對于杉木而言，采用氮離子注入的方式具有最好的發(fā)芽效果，但同時鈦離子注入也能產生顯著的影響，但效果略低于氮離子。

離子注入處理也是一種逆境脅迫，在真空條件下，高能離子束的不斷轟擊，除產生高溫作用外，還能穿透種皮及細胞，高溫及穿透作用，刺激杉木種子產生大量的超氧自由基及過氧化物等，誘使杉木種子啟動自由基清除功能［18］。從SOD、POD活性變化規(guī)律來看，鈦離子注入能產生更多的過氧化物和超氧化物，對杉木種子的結構損傷較大，因此也產生較多的MDA；氮離子注入對杉木種子的損失相對較小，但會刺激杉木種子產生更多的CAT。雖然氮、鈦離子對杉木種子的結構產生了損傷，但在現有的能量和劑量條件下，并未產生負面的影響，在并未損害種子自我修復能力的同時，提高了種子的修復能力，而作為種子生命力最直觀的體現，氮離子對杉木種子的發(fā)芽及種子活力產生的促進作用更明顯，因此，從開展杉木實生苗培育及良種選育的角度來分析，氮離子注入更加適合，但哪種離子注入方式對杉木育種及培育效果更明顯，還有待長期的觀測。

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