氮離子束小麥誘變群體氮素利用和籽粒品質的變化

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(nóng)業(yè)科學研究所/連云港市農(nóng)業(yè)科學院，江蘇連云港 222000；2.連云港市農(nóng)業(yè)農(nóng)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(nóng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nóng)業(yè)科學院東辛農(nóng)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(nóng)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(chǎn)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(nóng)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(nóng)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(chǎn)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(chǎn)效率=籽粒產(chǎn)量/施氮量 （2）

氮素利用效率=籽粒產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(chǎn)效率的變化 由表2 可知，氮離子束對連麥7 號和煙農(nóng)19 2 個小麥品種籽粒產(chǎn)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(chǎn)量和氮素生產(chǎn)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(nóng)19 誘變群體的籽粒產(chǎn)量和氮素生產(chǎn)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(chǎn)量、氮素生產(chǎn)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(chǎn)量和氮素生產(chǎn)效率顯著下降（P＜0.05），并在4×1016N+/cm2劑量下籽粒產(chǎn)量和氮素生產(chǎn)效率降到最低；在4×1016N+/cm2劑量下，煙農(nóng)19 的誘變群體籽粒產(chǎn)量和氮素生產(chǎn)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(chǎn)量和氮素生產(chǎn)效率的影響達到極顯著水平（P＜0.01）；小麥氮素生產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)19 誘變群體籽粒總蛋白含量均高于連麥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?？偟鞍住⑶宓鞍?、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(nóng)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?？偟鞍准案鹘M分含量均下降到最低值。總蛋白、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(nóng)19 誘變群體，在4×1016N+/cm2劑量下，連麥7 號和煙農(nóng)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(nóng)19，而濕面筋、沉降值、形成時間和穩(wěn)定時間均低于煙農(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(chǎn)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(nóng)19 誘變群體籽粒氮素積累量、氮素生產(chǎn)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(nóng)19 誘變群體籽粒產(chǎn)量、氮素生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生了大量的突變性狀，同時會使高分子量麥谷蛋白亞基產(chǎn)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(nóng)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(chǎn)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(chǎn)、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(chǎn)生一定變化，影響產(chǎn)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(nóng)19。