樊繼偉，郭明明，王康君，孫中偉，張廣旭，李 強，李 筠，章躍樹，代丹丹，陳 鳳

（1.江蘇徐淮地區(qū)連云港農業(yè)科學研究所/連云港市農業(yè)科學院，江蘇連云港 222000；2.連云港市農業(yè)農村局，江蘇 連云港 222000）

低能離子束誘變作為輻射誘變的一種方法，在農作物育種及生物技術中已廣泛應用[1-3]。小麥是我國的主要糧食作物之一，對糧食安全有很重要的意義[4]。大量研究表明，離子束注入對小麥生長發(fā)育有一定損傷[5-9]；同時，隨著離子束注入劑量的不斷增加，小麥幼苗生長受到的抑制作用越來越明顯[10-13]。不同作物或不同品種對離子束注入的敏感程度有所差異[14-15]。目前，關于離子束注入對植物誘變群體氮素利用的研究未見報道，而關于低能氮離子束的研究多集中于小麥生長發(fā)育、產量性狀、抗病性和逆境脅迫耐性等方面[16-19]，對小麥氮素利用、籽粒蛋白質含量、加工品質的研究較少。本試驗設置不同劑量氮離子束劑量水平，探討氮離子束注入不同小麥品種后，誘變群體氮素利用及籽粒產量品質的變化，旨在明確氮離子束對小麥氮素利用及籽粒品質的輻照效應，為小麥優(yōu)質、高產品種的選育奠定理論基礎。

1 材料和方法

試驗于2018—2019年在連云港市農業(yè)科學院東辛農場試驗基地進行。試驗田前茬作物為玉米，土壤為潮鹽土，0～20 cm 土層有機質含量為15.40 g/kg，全氮含量為1.20 g/kg，堿解氮含量為64.38 mg/kg，速效磷含量為54.50 mg/kg，速效鉀含量為311.60 mg/kg，土壤pH值為7.52。

1.1 材料與設計

選取籽粒飽滿、均一的連麥7 號和煙農19 風干種子。離子注入采用南京恒樂機電設備有限公司生產的LSZ-2 型離子束生物工程裝置，注入離子為氮離子（N+），束流大小為4 mA，真空度為10-2～10-3Pa，注入能量為30 keV，劑量分別設置2×1016、3×1016、4×1016N+/cm23 個水平。連麥7 號的3 個注入劑量形成的誘變群體分別以M1、M2 和M3 表示，煙農19 的3 個注入劑量形成的誘變群體分別以M4、M5和M6 表示；同時，以未注入氮離子束的連麥7 號和煙農19 為對照群體，分別用P1 和P2 表示。各處理的小麥種子種于田間，基本苗均為270 萬株/hm2，施氮量為270 kg/hm2，基肥與追肥比例為5∶5，拔節(jié)期追施氮肥，肥料種類為尿素（氮含量46%）。小區(qū)面積為8 m2（4 m×2 m），10 行區(qū)，3 次重復，其余管理措施同一般大田。

1.2 測定項目和方法

各處理開花期標記同一天開花一致的麥穗，花后每7 d 分別選取麥穗20 個，至花后35 d，剝取籽粒；成熟期每小區(qū)取樣20 株，分成莖葉和籽粒兩部分。樣品于80 ℃烘干至恒重，0.001 感量天平稱重，用半微量凱氏定氮法[20]測定氮含量，并計算蛋白質含量（籽粒氮含量×5.7）。每小區(qū)實收計算產量，小麥氮素指標計算公式如下

植株各器官氮素積累量=器官重量×氮素含量 （1）

氮素生產效率=籽粒產量/施氮量 （2）

氮素利用效率=籽粒產量/植株氮素積累量 （3）

氮素收獲指數(shù)=（籽粒氮素積累量/植株氮素積累量）×100 （4）

蛋白質組分含量的提?。悍Q取小麥全粉1 g，加蒸餾水10 mL，在振蕩器上振蕩提取30 min，然后將離心管在4 000 r/min 離心5 min，將上清液轉入試管，向離心管中加入10 mL 蒸餾水，用玻璃棒攪碎殘渣，在振蕩器上振蕩提取20 min，后離心5 min，將離心后的上清液與第1 次離心的上清液合并，如此重復2 次，即可提取清蛋白。球蛋白、谷蛋白與醇溶蛋白的提取操作同上，球蛋白的提取用2%氯化鈉溶液，谷蛋白的提取用0.5%氫氧化鈉溶液，醇溶蛋白的提取用70%乙醇。收獲后的籽粒采用HGT-1000 型容重儀測定容重，采用Brabender Quadrumat Junior試驗磨粉機磨粉并計算出粉率，用波通公司生產的GM2200 型面筋測定儀測定籽粒濕面筋含量，采用SDS 常量法測定籽粒沉降值，面粉粉質特性指標采用Brabender Farino Graph-E 型粉質儀進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003、SPSS 18.0、DPS 6.55 等軟件進行繪圖及統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 氮離子束小麥誘變群體氮素利用的變化

2.1.1 氮素積累的變化 由表1 可知，氮離子束相同劑量處理下煙農19 誘變群體成熟期籽粒的氮素積累量和氮素收獲指數(shù)均高于連麥7 號的誘變群體，氮離子束注入后2 個小麥品種不同器官氮素積累量均有不同程度的變化，隨著處理劑量的增加，連麥7 號和煙農19 誘變群體籽粒氮素積累量和氮素收獲指數(shù)均呈下降趨勢，與對照相比，在2×1016N+/cm2劑量下，連麥7 號誘變群體（M1）籽粒氮素積累量下降幅度小于煙農19 誘變群體（M4），而氮素收獲指數(shù)下降幅度表現(xiàn)為M1＞M4；在注入劑量為3×1016N+/cm2條件下，連麥7 號誘變群體（M2）籽粒氮素積累量和氮素收獲指數(shù)下降幅度均小于煙農19 誘變群體（M5）；在4×1016N+/cm2劑量下，連麥7 號誘變群體（M3）籽粒氮素積累量和氮素收獲指數(shù)下降幅度均高于煙農19 誘變群體（M6）。這說明當注入劑量低于4×1016N+/cm2時，氮離子束對連麥7 號籽粒氮素積累量和氮收獲指數(shù)的損傷小于煙農19。當注入劑量達到4×1016N+/cm2時，連麥7 號誘變群體籽粒氮素積累量和氮素收獲指數(shù)較3×1016N+/cm2劑量顯著下降（P＜0.05），而煙農19 誘變群體籽粒氮素積累量和氮素收獲指數(shù)在2 個不同劑量間差異不顯著（P＞0.05）。

表1 氮離子束小麥誘變群體氮素積累的變化

2.1.2 氮素利用效率和生產效率的變化 由表2 可知，氮離子束對連麥7 號和煙農19 2 個小麥品種籽粒產量、植株氮素積累量、氮肥利用等均有不同程度影響，氮離子束不同劑量處理對籽粒產量和氮素生產效率的影響達到顯著差異（P＜0.05）。氮離子束注入后，連麥7 號和煙農19 誘變群體的籽粒產量和氮素生產效率較對照均有下降；且隨著注入劑量的增加，2 個小麥品種誘變群體籽粒產量、氮素生產效率和氮素利用效率均呈下降趨勢；與對照相比，當注入劑量超過2×1016N+/cm2時，2 個品種誘變群體籽粒產量和氮素生產效率顯著下降（P＜0.05），并在4×1016N+/cm2劑量下籽粒產量和氮素生產效率降到最低；在4×1016N+/cm2劑量下，煙農19 的誘變群體籽粒產量和氮素生產效率下降幅度大于連麥7 號誘變群體。各處理下，連麥7 號誘變群體氮素利用效率高于煙農19 誘變群體；隨著劑量的增加，2 個小麥品種誘變群體氮素利用效率不斷下降，但連麥7號誘變群體處理間氮素利用效率差異未達到顯著（P＞0.05），而煙農19 誘變群體處理間氮素利用效率差異達到顯著（P＜0.05）；當劑量達到4×1016N+/cm2時，煙農19 誘變群體的氮素利用效率顯著降低（P＜0.05）。由表3 可知，不同小麥品種間植株氮素積累量存在顯著差異（P＜0.05），氮離子束不同劑量對小麥籽粒產量和氮素生產效率的影響達到極顯著水平（P＜0.01）；小麥氮素生產效率在品種和氮離子束劑量間互作條件下存在顯著差異（P＜0.05），小麥籽粒產量和植株氮素積累量在品種和劑量互作下呈極顯著差異（P＜0.01）。

表2 氮離子束小麥誘變群體籽粒氮素利用的變化

表3 小麥品種和氮離子束劑量互作對小麥誘變群體籽粒氮素利用的F值

2.2 氮離子束小麥誘變群體籽粒品質的變化

2.2.1 灌漿期籽粒蛋白質含量的變化 由圖1 和圖2 可知，煙農19 誘變群體籽粒蛋白質含量高于連麥7 號，2 個小麥品種灌漿期籽粒蛋白質含量均呈“高—低—高”的變化趨勢，但花后不同時期籽粒蛋白質含量在品種間存在差異，2 個品種籽粒蛋白質含量分別在花后28 d 和21 d 降到最低。2 個品種氮離子束不同誘變群體間灌漿期籽粒蛋白質含量均存在差異，與對照群體相比，氮離子束誘變群體籽粒蛋白質含量降低；隨著劑量的增加，誘變群體籽粒蛋白質含量均呈下降趨勢，在劑量小于4×1016N+/cm2條件下，連麥7 號和煙農19 誘變群體籽粒蛋白質含量在花后21 d 之前與對照差異較小，在花后28 d 劑量為3×1016N+/cm2條件下，籽粒蛋白質含量下降較為明顯；連麥7 號誘變群體籽粒蛋白質含量在3×1016N+/cm2和4×1016N+/cm2劑量間差異較煙農19 誘變群體大，說明在高劑量氮離子束注入下，連麥7號誘變群體籽粒蛋白質含量的變化較大。

2.2.2 籽粒蛋白質組分含量的變化 由表4 可知，煙農19 誘變群體籽?？偟鞍缀烤哂谶B麥7 號。氮離子束對2 個品種籽粒蛋白質組分含量有一定影響，隨著注入劑量的增加，誘變群體籽粒蛋白質及其組分含量均有所下降，在劑量為2×1016N+/cm2條件下，各誘變群體籽?？偟鞍?、清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量與對照相比均無顯著差異（P＞0.05）；在3×1016N+/cm2劑量下，連麥7 號誘變群體籽粒清蛋白、醇溶蛋白含量出現(xiàn)顯著下降（P＜0.05），煙農19 誘變群體籽?？偟鞍住⑶宓鞍?、醇溶蛋白、谷蛋白含量比對照顯著下降（P＜0.05）。當劑量達到4×1016N+/cm2時，2 個小麥品種誘變群體籽粒總蛋白及各組分含量均下降到最低值?？偟鞍?、醇溶蛋白和谷蛋白含量下降幅度表現(xiàn)為連麥7 號誘變群體＞煙農19 誘變群體，在4×1016N+/cm2劑量下，連麥7 號和煙農19 誘變群體總蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量與對照相比降幅分別為0.47、0.25、0.39 個百分點和0.26、0.14、0.31 個百分點。2 個品種谷蛋白/醇溶蛋白在不同注入劑量下差異均未達到顯著（P＞0.05）。說明高劑量氮離子束注入下，2 個小麥誘變群體籽粒蛋白質及其組分含量均有顯著變化，但谷蛋白/醇溶蛋白的變化不顯著。

表4 氮離子束小麥誘變群體蛋白質組分含量的變化

2.2.3 籽粒加工品質的變化 由表5 可知，相同劑量處理連麥7 號各誘變群體容重均高于煙農19，而濕面筋、沉降值、形成時間和穩(wěn)定時間均低于煙農19。氮離子束注入對小麥籽粒品質的影響在2 個品種間存在一定差異，不斷增加氮離子束劑量，其誘變群體的籽粒加工品質均有所下降。劑量為2×1016N+/cm2條件下，連麥7 號和煙農19 誘變群體各項加工品質指標與對照相比均無顯著差異（P＞0.05）；當劑量達到3×1016N+/cm2時，連麥7 號誘變群體和煙農19 誘變群體濕面筋含量顯著降低（P＜0.05）；繼續(xù)增加劑量至4×1016N+/cm2，連麥7 號誘變群體除容重外其他品質指標與3×1016N+/cm2劑量相比均顯著下降（P＜0.05），而煙農19 誘變群體各項品質指標與3×1016N+/cm2處理相比無顯著差異（P＞0.05），說明氮離子束對小麥籽粒加工品質有一定影響，高劑量注入條件下，連麥7 號誘變群體籽粒加工品質的變化較大，煙農19 誘變群體籽粒加工品質的變化較小。

表5 氮離子束小麥誘變群體籽粒加工品質的變化

3 結論與討論

3.1 氮離子束小麥誘變群體的氮素利用情況

氮素是植物生長發(fā)育必需元素之一，參與植物生長過程中的多個進程，對小麥產量和品質有很大影響[21-23]。研究認為，受增強UV-B 輻射的影響，處理植株的葉片及枝干形態(tài)變得更加矮小，葉片中積累的多余氮素會轉運到根系，促進根系的發(fā)育[24]。前人關于低能離子束對作物氮素利用的研究較少。本試驗中，氮離子束注入后，連麥7 號和煙農19 誘變群體籽粒氮素積累量、氮素生產效率均有下降；增加氮離子束劑量，籽粒氮素積累量顯著降低，說明氮離子束注入對小麥籽粒氮素積累和氮素利用存在負效應，并且隨著注入劑量的增加，負效應更加顯著。與對照相比，氮離子束各注入劑量下煙農19 誘變群體籽粒產量、氮素生產效率的下降幅度大于連麥7 號誘變群體。

3.2 氮離子束小麥誘變群體籽粒品質的變化

離子束注入產生的能量沉積會造成DNA 和生物膜嚴重損傷[12]，導致植物體內出現(xiàn)大量核變異和染色體變異[25-27]。因此，可以通過低能離子束注入創(chuàng)制多種小麥突變體。多數(shù)研究表明，離子束注入后，可使小麥植株產生早熟、矮稈等優(yōu)良變異[11，28]。張利華[29]研究認為，氮離子注入有增加小麥株高的作用，同時可使小麥籽粒胚乳由粉質變異為半角質和角質。宋云[13]研究表明，低能重離子束注入能夠誘導小麥產生蛋白質優(yōu)質亞基及亞基組合類型。但也有研究認為，對植物進行輻射后，會產生不利的變異。王岳光等[30]研究表明，隨著離子注入劑量的增大，小麥株高和成株率不斷降低。γ 射線輻照處理后，小麥面團的穩(wěn)定時間和面粉質量指數(shù)均呈下降趨勢；增大輻照劑量，面粉降落值隨之降低[31]。盧志恒等[32]研究認為，高劑量電子輻照后，小麥面團流變學特性明顯下降。史艷芹[33]研究也表明，低能氮離子注入使小麥植株和籽粒產生了大量的突變性狀，同時會使高分子量麥谷蛋白亞基產生突變，可導致優(yōu)質亞基缺失。而高分子量麥谷蛋白亞基直接影響小麥加工品質[34]。本試驗通過注入氮離子束，連麥7 號和煙農19 誘變群體籽粒品質均低于對照，這與上述研究結果基本一致。劑量低于3×1016N+/cm2時，誘變群體的總蛋白含量和加工品質與對照差異較??；劑量達到4×1016N+/cm2時，2 個品種誘變群體的籽粒蛋白質含量、加工品質下降較為明顯，尤以連麥7 號誘變群體下降幅度較大，初步分析其原因，可能與氮離子束注入后，連麥7 號誘變群體中優(yōu)異高分子量麥谷蛋白亞基缺失有關。

本試驗中氮離子束注入能量只有1 個水平（30 keV），且注入劑量偏小，注入劑量梯度較窄，未能充分反映氮離子束注入后，小麥誘變群體生長發(fā)育的變化；供試品種少，品種間的效應有待進一步分析。下一步擬增加氮離子束注入能量和更高劑量處理，以更加準確、深入地探明氮離子束對不同類型小麥誘變群體生長發(fā)育、群體質量、產量及品質等的影響。另外，輻射會導致植物多數(shù)性狀發(fā)生變異，因此，通過輻照篩選好的變異是今后育種工作的關鍵，為作物高產、優(yōu)質育種提供更多可能。

本試驗表明，氮離子束注入后，小麥誘變群體氮素利用產生一定變化，影響產量和品質；同時，2個小麥品種的誘變群體籽粒氮素積累及品質的變化總體表現(xiàn)為連麥7 號大于煙農19。