重離子輻射技術(shù)在蕓豆品種選育中的利用

冀麗霞， 郭寶德， 白琪林， 雷 偉， 楊 芬

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 太原 030031)

蕓豆學(xué)名菜豆，其營養(yǎng)豐富，具有高鈣、低糖、高纖維、低脂肪的特性，還具有很高的藥用價值，是一種難得的高鉀、高鎂、低鈉食品，還含有皂苷、尿毒酶和多種球蛋白等獨特成分[1]。蕓豆在國際市場上十分暢銷，是很好的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品。近年來，在小雜糧的對外貿(mào)易中，蕓豆產(chǎn)品顯示出強勁優(yōu)勢，每年的出口數(shù)量為160萬～200萬t，占整個雜豆出口量的20%～25%[2]。

山西是紅蕓豆的主產(chǎn)區(qū)，一直占據(jù)我國紅蕓豆出口龍頭地位，在國際市場上具有較強的競爭力[3]。但當(dāng)前蕓豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著諸多問題。山西種植的蕓豆是20世紀(jì)90年代初引進的英國紅蕓豆，深受歐洲市場歡迎。由于品種退化，造成粒度變小，顏色發(fā)淺、等級下降，水銹嚴(yán)重，不符合合同要求，索賠、退貨的事件不斷發(fā)生，使出口商遭受重大損失，蕓豆出口貿(mào)易受到嚴(yán)重影響[4]。近幾年我國多家育種研究單位進行了蕓豆種質(zhì)資源、品種改良和高產(chǎn)栽培技術(shù)等方面的研究工作，取得了一定成績[5]。但目前國內(nèi)育種基本上以選擇優(yōu)良自然變異單株為主[6]。由于蕓豆的花器小，花柄細(xì)脆，且閉花授粉，人工去雄授粉因內(nèi)在、外在因素的影響造成花不育或脫落。雜交難度非常大，雜交成功率極低。作物雜交育種技術(shù)在蕓豆育種上罕見成功范例。國內(nèi)外一些學(xué)者一直對此進行研究，試圖改進雜交方法，提高成功率，但均未達到理想效果[7]。因此應(yīng)盡快找到一種新技術(shù)使蕓豆育種取得突破性進展。

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院率先將重離子輻射育種技術(shù)應(yīng)用到蕓豆育種中。先從英國紅蕓豆中選擇抗病株系，再通過中國科學(xué)院近代物理研究所重離子輻射技術(shù)誘變產(chǎn)生突變，創(chuàng)造蕓豆有利變異、加速穩(wěn)定變異性狀，并采用雜交育種技術(shù)、系譜法及輪回選擇技術(shù)等方法，選育出抗病紅蕓豆種質(zhì)資源。2015年蕓選2號通過山西省農(nóng)作物品種審定委員會審定[8]。

1 重離子束輻射誘變技術(shù)

重離子是指氮、碳、硼、氖、氬等原子被剝掉或部分剝掉外圍電子后的帶正電的原子核。將重離子通過大型加速器裝置加速而形成的具有能量的射線就是重離子束[9]。重離子束輻射誘變技術(shù)是對種子胚進行定向輻射處理產(chǎn)生有利變異的一種育種新技術(shù)。該技術(shù)是將加速后的高能量粒子定向且定量的打入植物種子胚芽，將植物的遺傳基因打亂后利用生物自我修復(fù)特性產(chǎn)生新的變異，通過離子束能量作用、質(zhì)量沉積、動量傳遞、電荷交換等反應(yīng)引起各種復(fù)雜的生物效應(yīng)，DNA鏈斷裂、基因突變、重組等[10]。誘變育種與傳統(tǒng)的輻射法及化學(xué)誘變劑相比，具有損傷輕、突變率高、突變譜廣、遺傳相對穩(wěn)定，易于獲得理想的新品種等特點，對品種的選育是較理想的方法[11]。和傳統(tǒng)的雜交育種相比，誘變育種具有育種周期短、突變易穩(wěn)定等優(yōu)點。重離子輻射誘變技術(shù)屬于生物技術(shù)領(lǐng)域,對提高作物誘變育種的效率及相應(yīng)關(guān)鍵基因功能的研究具有重要的意義[12]。

離子束輻射誘變技術(shù)在作物種質(zhì)創(chuàng)新中應(yīng)用成效顯著，在小麥、水稻、高粱、中藥材等作物育種中取得很大的進展[13]。甘肅省張掖市農(nóng)科所利用該技術(shù)培育出了世界上首個重離子輻照誘變的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗逆的小麥新品種隴輻2號；安徽省農(nóng)科院利用重離子輻照誘變技術(shù)育成S 9042、S 9055、中粳63和晚粳M 3122四個品種；中科院近代物理所利用重離子束誘變技術(shù)成功培育出早熟、優(yōu)質(zhì)、抗逆的甜高粱品種近甜1號；中國科學(xué)院蘭州分院近代物理研究所與甘肅省定西市旱作農(nóng)業(yè)科研推廣中心合作，對中藥材黨參和黃芪進行了重離子輻照誘變育種，選育出了性狀穩(wěn)定且藥用價值高的藥材新品種渭黨3號和隴芪3號[14]。此外，重離子束輻照技術(shù)也廣泛應(yīng)用在玉米、大豆、棉花、煙草等作物中，并獲得多種突變材料[15]。

2 材料和方法

2.1 材 料

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所蕓豆課題組于2006年在苛嵐縣良種場苗期病害發(fā)生嚴(yán)重的蕓豆制種田里發(fā)現(xiàn)6株蕓豆抗病株，單株收獲后于2007年在榆次東陽試驗基地繁殖2代，并獲得YF-1，YF-2，YF-3，YF-4，YF-5和YF-6六個株系群體，經(jīng)抗病檢測，YF-2，YF-3和YF-5這三個株系抗根腐病[16]。

2.2 試驗方法

2008年利用中國科學(xué)院蘭州分院近代物理研究所的重離子加速器(HIRFL)對YF-2，YF-3和YF-5這3個株系的干種子進行輻照，輻照劑量為100 Gy。輻照材料M1代和M2代試驗于2010—2011年在榆次東陽試驗基地進行播種育苗，行寬45 cm，株距33 cm，每穴2～3粒，播種深度3～4 cm，以未輻照種子為對照(ck)，進行突變單株篩選。

M1代統(tǒng)計田間出苗數(shù)及成活苗數(shù)，并計算出苗率與成活率。

出苗率(%)=(出苗數(shù)/種植總粒數(shù))×100%；

成活率(%)=(成活數(shù)/出苗數(shù))×100%。

采用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 輻照處理對成苗率的影響

由表1可知，YF-2，YF-3和YF-5對照(ck)的出苗率分別為91.6%，93.4%和94.9%，成活率均為100%；經(jīng)過輻照處理(輻照劑量為100 Gy)后的抗病株系YF-2，YF-3和YF-5的出苗率分別為39.7%，39.1%和40.2%，成活率分別為94%，89%和91%。可以看出，經(jīng)過輻射后M1代種子出苗率遠遠低于未輻射種子的出苗率，離子束輻射大大降低了種子的活性。

表1 輻射處理對種子(M1代)出苗率的影響Table 1 Effects of radiation treatment on the emergence rate of M1 generation

3.2 輻照處理對M2代植株性狀的影響

從表2可以看出，經(jīng)過輻照處理后的YF-2，YF-3和YF-5這3個抗病株系M2代植株株高、分枝數(shù)、單株莢數(shù)和單莢粒數(shù)均高于未經(jīng)輻照處理的植株。YF-3植株經(jīng)輻照處理后株高達到了51.2 cm，遠遠高于未輻照植株，突變比較明顯。YF-2植株輻照處理后的單株莢數(shù)為20.1個，YF-5的主莖分枝為7.0個，也明顯高于對照。3個株系經(jīng)不同處理的單莢粒數(shù)變化均不明顯。

表2 輻射處理對M2代植株性狀的表現(xiàn)Table 2 Effects of radiation treatment on the plant traits of M2 generation

3.3 輻照處理對M2代產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表3可以看出，不同處理對YF-2，YF-3和YF-5的產(chǎn)量構(gòu)成因素(莢長、莢寬、百粒重)存在差異，對產(chǎn)量起著決定性的作用。YF-2經(jīng)過輻照處理后的產(chǎn)量為2 636.9 kg·hm-2，比對照增產(chǎn)13.6%；YF-5輻照處理后產(chǎn)量為2 758.4 kg·hm-2，比對照增產(chǎn)8.7%；YF-3輻照后產(chǎn)量最高，為3 143.5 kg·hm-2，比對照增產(chǎn)也最多，達到17.3%。

表3 輻射處理M2代產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 3 Yield and yield components of M2 generation treated with radiation

3.4 利用重離子輻射技術(shù)選育出一個蕓豆新品種

山西省農(nóng)科院作物科學(xué)研究所蕓豆課題組對重離子輻射后代材料進行多年的定向選育，選擇百粒重明顯提高，籽粒外型整齊一致，顏色通過蒸煮試驗變化不明顯的突變后代，從這些后代中篩選出綜合性狀優(yōu)良且可穩(wěn)定遺傳的大粒突變體材料，經(jīng)過多年性狀選擇、產(chǎn)量比較試驗和抗病鑒定，選育出綜合性狀優(yōu)良的蕓豆新品種蕓選2號。

蕓選2號具有表皮顏色深、籽粒大、抗病性強、商品性好的特點。主莖高40.6 cm，主莖分枝數(shù)6.3個，百粒重51.2 g，產(chǎn)量2 592.0 kg·hm-2，比對照英國紅蕓豆增產(chǎn)14.2%。蕓選2號是山西省首個利用重離子輻射技術(shù)育成的蕓豆新品種。

4 結(jié)論與討論

重離子束輻照誘變是近年發(fā)展起來的一種新型的育種技術(shù)，特別是對于利用常規(guī)育種手段比較困難的作物，不失為一種育種新方法[18]。

本研究結(jié)果表明，通過對紅蕓豆抗病株系的干種子進行重離子輻射處理后(輻射劑量為100 Gy)可獲得大量突變單株，M2代植株的株高、葉片大小、籽粒外觀(大小、顏色)可觀察到的形態(tài)發(fā)生較大變化；主莖分枝數(shù)、單株莢數(shù)和單莢粒數(shù)均高于未經(jīng)輻照處理的植株；青莢長寬增加，百粒重、產(chǎn)量也得到較大提高；并從重離子輻射后代材料中選育出一個蕓豆新品種蕓選2號，為進一步利用該技術(shù)選育新品種奠定了基礎(chǔ)。

在蕓豆的品種創(chuàng)新工作中，采用適當(dāng)劑量的重離子輻射具有較高的技術(shù)可行性，可以獲得較理想的誘變效果，重離子束輻照誘變技術(shù)在作物品種選育上具備較大的開發(fā)利用潛力[19]。但是重離子輻射誘變機理較復(fù)雜，目前較側(cè)重于應(yīng)用，在誘變機理研究方面較少，應(yīng)將重離子輻射技術(shù)和分子技術(shù)結(jié)合起來，使其在現(xiàn)代化育種中更好地高效利用[20]。