氮离子束小麦诱变群体氮素利用和籽粒品质的变化

樊继伟，郭明明，王康君，孙中伟，张广旭，李 强，李 筠，章跃树，代丹丹，陈 凤

（1.江苏徐淮地区连云港农业科学研究所/连云港市农业科学院，江苏连云港 222000；2.连云港市农业农村局，江苏 连云港 222000）

低能离子束诱变作为辐射诱变的一种方法，在农作物育种及生物技术中已广泛应用[1-3]。小麦是我国的主要粮食作物之一，对粮食安全有很重要的意义[4]。大量研究表明，离子束注入对小麦生长发育有一定损伤[5-9]；同时，随着离子束注入剂量的不断增加，小麦幼苗生长受到的抑制作用越来越明显[10-13]。不同作物或不同品种对离子束注入的敏感程度有所差异[14-15]。目前，关于离子束注入对植物诱变群体氮素利用的研究未见报道，而关于低能氮离子束的研究多集中于小麦生长发育、产量性状、抗病性和逆境胁迫耐性等方面[16-19]，对小麦氮素利用、籽粒蛋白质含量、加工品质的研究较少。本试验设置不同剂量氮离子束剂量水平，探讨氮离子束注入不同小麦品种后，诱变群体氮素利用及籽粒产量品质的变化，旨在明确氮离子束对小麦氮素利用及籽粒品质的辐照效应，为小麦优质、高产品种的选育奠定理论基础。

1 材料和方法

试验于2018—2019年在连云港市农业科学院东辛农场试验基地进行。试验田前茬作物为玉米，土壤为潮盐土，0～20 cm 土层有机质含量为15.40 g/kg，全氮含量为1.20 g/kg，碱解氮含量为64.38 mg/kg，速效磷含量为54.50 mg/kg，速效钾含量为311.60 mg/kg，土壤pH值为7.52。

1.1 材料与设计

选取籽粒饱满、均一的连麦7 号和烟农19 风干种子。离子注入采用南京恒乐机电设备有限公司生产的LSZ-2 型离子束生物工程装置，注入离子为氮离子（N+），束流大小为4 mA，真空度为10-2～10-3Pa，注入能量为30 keV，剂量分别设置2×1016、3×1016、4×1016N+/cm23 个水平。连麦7 号的3 个注入剂量形成的诱变群体分别以M1、M2 和M3 表示，烟农19 的3 个注入剂量形成的诱变群体分别以M4、M5和M6 表示；同时，以未注入氮离子束的连麦7 号和烟农19 为对照群体，分别用P1 和P2 表示。各处理的小麦种子种于田间，基本苗均为270 万株/hm2，施氮量为270 kg/hm2，基肥与追肥比例为5∶5，拔节期追施氮肥，肥料种类为尿素（氮含量46%）。小区面积为8 m2（4 m×2 m），10 行区，3 次重复，其余管理措施同一般大田。

1.2 测定项目和方法

各处理开花期标记同一天开花一致的麦穗，花后每7 d 分别选取麦穗20 个，至花后35 d，剥取籽粒；成熟期每小区取样20 株，分成茎叶和籽粒两部分。样品于80 ℃烘干至恒重，0.001 感量天平称重，用半微量凯氏定氮法[20]测定氮含量，并计算蛋白质含量（籽粒氮含量×5.7）。每小区实收计算产量，小麦氮素指标计算公式如下

植株各器官氮素积累量=器官重量×氮素含量 （1）

氮素生产效率=籽粒产量/施氮量 （2）

氮素利用效率=籽粒产量/植株氮素积累量 （3）

氮素收获指数=（籽粒氮素积累量/植株氮素积累量）×100 （4）

蛋白质组分含量的提取：称取小麦全粉1 g，加蒸馏水10 mL，在振荡器上振荡提取30 min，然后将离心管在4 000 r/min 离心5 min，将上清液转入试管，向离心管中加入10 mL 蒸馏水，用玻璃棒搅碎残渣，在振荡器上振荡提取20 min，后离心5 min，将离心后的上清液与第1 次离心的上清液合并，如此重复2 次，即可提取清蛋白。球蛋白、谷蛋白与醇溶蛋白的提取操作同上，球蛋白的提取用2%氯化钠溶液，谷蛋白的提取用0.5%氢氧化钠溶液，醇溶蛋白的提取用70%乙醇。收获后的籽粒采用HGT-1000 型容重仪测定容重，采用Brabender Quadrumat Junior试验磨粉机磨粉并计算出粉率，用波通公司生产的GM2200 型面筋测定仪测定籽粒湿面筋含量，采用SDS 常量法测定籽粒沉降值，面粉粉质特性指标采用Brabender Farino Graph-E 型粉质仪进行测定。

1.3 数据分析

数据采用Excel 2003、SPSS 18.0、DPS 6.55 等软件进行绘图及统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮离子束小麦诱变群体氮素利用的变化

2.1.1 氮素积累的变化 由表1 可知，氮离子束相同剂量处理下烟农19 诱变群体成熟期籽粒的氮素积累量和氮素收获指数均高于连麦7 号的诱变群体，氮离子束注入后2 个小麦品种不同器官氮素积累量均有不同程度的变化，随着处理剂量的增加，连麦7 号和烟农19 诱变群体籽粒氮素积累量和氮素收获指数均呈下降趋势，与对照相比，在2×1016N+/cm2剂量下，连麦7 号诱变群体（M1）籽粒氮素积累量下降幅度小于烟农19 诱变群体（M4），而氮素收获指数下降幅度表现为M1＞M4；在注入剂量为3×1016N+/cm2条件下，连麦7 号诱变群体（M2）籽粒氮素积累量和氮素收获指数下降幅度均小于烟农19 诱变群体（M5）；在4×1016N+/cm2剂量下，连麦7 号诱变群体（M3）籽粒氮素积累量和氮素收获指数下降幅度均高于烟农19 诱变群体（M6）。这说明当注入剂量低于4×1016N+/cm2时，氮离子束对连麦7 号籽粒氮素积累量和氮收获指数的损伤小于烟农19。当注入剂量达到4×1016N+/cm2时，连麦7 号诱变群体籽粒氮素积累量和氮素收获指数较3×1016N+/cm2剂量显著下降（P＜0.05），而烟农19 诱变群体籽粒氮素积累量和氮素收获指数在2 个不同剂量间差异不显著（P＞0.05）。

表1 氮离子束小麦诱变群体氮素积累的变化

2.1.2 氮素利用效率和生产效率的变化 由表2 可知，氮离子束对连麦7 号和烟农19 2 个小麦品种籽粒产量、植株氮素积累量、氮肥利用等均有不同程度影响，氮离子束不同剂量处理对籽粒产量和氮素生产效率的影响达到显著差异（P＜0.05）。氮离子束注入后，连麦7 号和烟农19 诱变群体的籽粒产量和氮素生产效率较对照均有下降；且随着注入剂量的增加，2 个小麦品种诱变群体籽粒产量、氮素生产效率和氮素利用效率均呈下降趋势；与对照相比，当注入剂量超过2×1016N+/cm2时，2 个品种诱变群体籽粒产量和氮素生产效率显著下降（P＜0.05），并在4×1016N+/cm2剂量下籽粒产量和氮素生产效率降到最低；在4×1016N+/cm2剂量下，烟农19 的诱变群体籽粒产量和氮素生产效率下降幅度大于连麦7 号诱变群体。各处理下，连麦7 号诱变群体氮素利用效率高于烟农19 诱变群体；随着剂量的增加，2 个小麦品种诱变群体氮素利用效率不断下降，但连麦7号诱变群体处理间氮素利用效率差异未达到显著（P＞0.05），而烟农19 诱变群体处理间氮素利用效率差异达到显著（P＜0.05）；当剂量达到4×1016N+/cm2时，烟农19 诱变群体的氮素利用效率显著降低（P＜0.05）。由表3 可知，不同小麦品种间植株氮素积累量存在显著差异（P＜0.05），氮离子束不同剂量对小麦籽粒产量和氮素生产效率的影响达到极显著水平（P＜0.01）；小麦氮素生产效率在品种和氮离子束剂量间互作条件下存在显著差异（P＜0.05），小麦籽粒产量和植株氮素积累量在品种和剂量互作下呈极显著差异（P＜0.01）。

表2 氮离子束小麦诱变群体籽粒氮素利用的变化

表3 小麦品种和氮离子束剂量互作对小麦诱变群体籽粒氮素利用的F值

2.2 氮离子束小麦诱变群体籽粒品质的变化

2.2.1 灌浆期籽粒蛋白质含量的变化 由图1 和图2 可知，烟农19 诱变群体籽粒蛋白质含量高于连麦7 号，2 个小麦品种灌浆期籽粒蛋白质含量均呈“高—低—高”的变化趋势，但花后不同时期籽粒蛋白质含量在品种间存在差异，2 个品种籽粒蛋白质含量分别在花后28 d 和21 d 降到最低。2 个品种氮离子束不同诱变群体间灌浆期籽粒蛋白质含量均存在差异，与对照群体相比，氮离子束诱变群体籽粒蛋白质含量降低；随着剂量的增加，诱变群体籽粒蛋白质含量均呈下降趋势，在剂量小于4×1016N+/cm2条件下，连麦7 号和烟农19 诱变群体籽粒蛋白质含量在花后21 d 之前与对照差异较小，在花后28 d 剂量为3×1016N+/cm2条件下，籽粒蛋白质含量下降较为明显；连麦7 号诱变群体籽粒蛋白质含量在3×1016N+/cm2和4×1016N+/cm2剂量间差异较烟农19 诱变群体大，说明在高剂量氮离子束注入下，连麦7号诱变群体籽粒蛋白质含量的变化较大。

2.2.2 籽粒蛋白质组分含量的变化 由表4 可知，烟农19 诱变群体籽粒总蛋白含量均高于连麦7 号。氮离子束对2 个品种籽粒蛋白质组分含量有一定影响，随着注入剂量的增加，诱变群体籽粒蛋白质及其组分含量均有所下降，在剂量为2×1016N+/cm2条件下，各诱变群体籽粒总蛋白、清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量与对照相比均无显著差异（P＞0.05）；在3×1016N+/cm2剂量下，连麦7 号诱变群体籽粒清蛋白、醇溶蛋白含量出现显著下降（P＜0.05），烟农19 诱变群体籽粒总蛋白、清蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白含量比对照显著下降（P＜0.05）。当剂量达到4×1016N+/cm2时，2 个小麦品种诱变群体籽粒总蛋白及各组分含量均下降到最低值。总蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量下降幅度表现为连麦7 号诱变群体＞烟农19 诱变群体，在4×1016N+/cm2剂量下，连麦7 号和烟农19 诱变群体总蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量与对照相比降幅分别为0.47、0.25、0.39 个百分点和0.26、0.14、0.31 个百分点。2 个品种谷蛋白/醇溶蛋白在不同注入剂量下差异均未达到显著（P＞0.05）。说明高剂量氮离子束注入下，2 个小麦诱变群体籽粒蛋白质及其组分含量均有显著变化，但谷蛋白/醇溶蛋白的变化不显著。

表4 氮离子束小麦诱变群体蛋白质组分含量的变化

2.2.3 籽粒加工品质的变化 由表5 可知，相同剂量处理连麦7 号各诱变群体容重均高于烟农19，而湿面筋、沉降值、形成时间和稳定时间均低于烟农19。氮离子束注入对小麦籽粒品质的影响在2 个品种间存在一定差异，不断增加氮离子束剂量，其诱变群体的籽粒加工品质均有所下降。剂量为2×1016N+/cm2条件下，连麦7 号和烟农19 诱变群体各项加工品质指标与对照相比均无显著差异（P＞0.05）；当剂量达到3×1016N+/cm2时，连麦7 号诱变群体和烟农19 诱变群体湿面筋含量显著降低（P＜0.05）；继续增加剂量至4×1016N+/cm2，连麦7 号诱变群体除容重外其他品质指标与3×1016N+/cm2剂量相比均显著下降（P＜0.05），而烟农19 诱变群体各项品质指标与3×1016N+/cm2处理相比无显著差异（P＞0.05），说明氮离子束对小麦籽粒加工品质有一定影响，高剂量注入条件下，连麦7 号诱变群体籽粒加工品质的变化较大，烟农19 诱变群体籽粒加工品质的变化较小。

表5 氮离子束小麦诱变群体籽粒加工品质的变化

3 结论与讨论

3.1 氮离子束小麦诱变群体的氮素利用情况

氮素是植物生长发育必需元素之一，参与植物生长过程中的多个进程，对小麦产量和品质有很大影响[21-23]。研究认为，受增强UV-B 辐射的影响，处理植株的叶片及枝干形态变得更加矮小，叶片中积累的多余氮素会转运到根系，促进根系的发育[24]。前人关于低能离子束对作物氮素利用的研究较少。本试验中，氮离子束注入后，连麦7 号和烟农19 诱变群体籽粒氮素积累量、氮素生产效率均有下降；增加氮离子束剂量，籽粒氮素积累量显著降低，说明氮离子束注入对小麦籽粒氮素积累和氮素利用存在负效应，并且随着注入剂量的增加，负效应更加显著。与对照相比，氮离子束各注入剂量下烟农19 诱变群体籽粒产量、氮素生产效率的下降幅度大于连麦7 号诱变群体。

3.2 氮离子束小麦诱变群体籽粒品质的变化

离子束注入产生的能量沉积会造成DNA 和生物膜严重损伤[12]，导致植物体内出现大量核变异和染色体变异[25-27]。因此，可以通过低能离子束注入创制多种小麦突变体。多数研究表明，离子束注入后，可使小麦植株产生早熟、矮秆等优良变异[11，28]。张利华[29]研究认为，氮离子注入有增加小麦株高的作用，同时可使小麦籽粒胚乳由粉质变异为半角质和角质。宋云[13]研究表明，低能重离子束注入能够诱导小麦产生蛋白质优质亚基及亚基组合类型。但也有研究认为，对植物进行辐射后，会产生不利的变异。王岳光等[30]研究表明，随着离子注入剂量的增大，小麦株高和成株率不断降低。γ 射线辐照处理后，小麦面团的稳定时间和面粉质量指数均呈下降趋势；增大辐照剂量，面粉降落值随之降低[31]。卢志恒等[32]研究认为，高剂量电子辐照后，小麦面团流变学特性明显下降。史艳芹[33]研究也表明，低能氮离子注入使小麦植株和籽粒产生了大量的突变性状，同时会使高分子量麦谷蛋白亚基产生突变，可导致优质亚基缺失。而高分子量麦谷蛋白亚基直接影响小麦加工品质[34]。本试验通过注入氮离子束，连麦7 号和烟农19 诱变群体籽粒品质均低于对照，这与上述研究结果基本一致。剂量低于3×1016N+/cm2时，诱变群体的总蛋白含量和加工品质与对照差异较小；剂量达到4×1016N+/cm2时，2 个品种诱变群体的籽粒蛋白质含量、加工品质下降较为明显，尤以连麦7 号诱变群体下降幅度较大，初步分析其原因，可能与氮离子束注入后，连麦7 号诱变群体中优异高分子量麦谷蛋白亚基缺失有关。

本试验中氮离子束注入能量只有1 个水平（30 keV），且注入剂量偏小，注入剂量梯度较窄，未能充分反映氮离子束注入后，小麦诱变群体生长发育的变化；供试品种少，品种间的效应有待进一步分析。下一步拟增加氮离子束注入能量和更高剂量处理，以更加准确、深入地探明氮离子束对不同类型小麦诱变群体生长发育、群体质量、产量及品质等的影响。另外，辐射会导致植物多数性状发生变异，因此，通过辐照筛选好的变异是今后育种工作的关键，为作物高产、优质育种提供更多可能。

本试验表明，氮离子束注入后，小麦诱变群体氮素利用产生一定变化，影响产量和品质；同时，2个小麦品种的诱变群体籽粒氮素积累及品质的变化总体表现为连麦7 号大于烟农19。