專利名稱：一種萌發(fā)狀態(tài)植物種子非真空離子注入誘變育種方法
技術(shù)領(lǐng)域：
人工射線植物種子誘變，萌發(fā)狀態(tài)植物種子非真空離子注入誘變育種方法。
背景技術(shù)：
目前，輻射育種有伽瑪射線輻照育種、電子射線輻照育種、微波輻照育種、X射線輻 照育種、中子輻照育種、離子注入輻照育種、和太空航天育種等。快中子輻照射線屬于非帶 電粒子，伽瑪射線和快中子的穿透力都非常強(qiáng)，它們很少停留在種子內(nèi)部，只是對種子的組 織，及細(xì)胞內(nèi)的DNA造成輻射損傷，DNA分子修復(fù)時(shí)產(chǎn)生少量變異。電子射線輻照、微波輻 照、X射線輻照特點(diǎn)均是無靜止質(zhì)量，其射線輻照在種子內(nèi)無質(zhì)量停留，只是對種子的組織 造成輻射損傷和電離損傷，產(chǎn)生遺傳性變異幾率比較低。航天育種，是利用太空的宇宙射線 (多種帶電粒子及伽瑪射、中子等)及微重力等綜合因素，種子在適當(dāng)?shù)奶諚l件下會產(chǎn)生 變異，可選育培育出新品種。但是，航天植物種子誘變成本太高，是陸地輻射育種成本的上 千倍；再有航天植物種子誘變存在許多不確定性，由于宇宙風(fēng)和太陽黑子的隨機(jī)性，航天植 物育種接受宇宙射線的劑量難以控制，何種射線或帶電粒子引起的變異很難測定，航天育 種不確定性的因素使航天植物種子誘變的效果難以重復(fù)。科學(xué)界采用新的研究方法分別 應(yīng)用各種帶電粒子，以不同的能量、不同的劑量對種子進(jìn)行輻射注入，即離子注入。離子注 入植物種子既有輻射損傷變異，又有質(zhì)量沉積參加種子染色體遺傳信息的DNA分子鏈斷裂 重組，這可使種子產(chǎn)生永久性變異，從中選出人類感興趣的特性品種。研究自然界生命產(chǎn)生 及生物進(jìn)化，追逆到自然界雷電、火山爆發(fā)、地殼放射性元素的衰變，可產(chǎn)生各種能量的運(yùn) 動離子或粒子。如C+離子注入水，可形成甲酸、乙酸，N+離子注入水可形成氨水，而C+離子 注入氨水可形成三種氨基酸。實(shí)驗(yàn)證明，N、 C、 H、 0、 02—、 CO、 C02、 CH4等離子、粒子注入水可 形成豐富有機(jī)分子；離子、粒子注入在生命化學(xué)起源中發(fā)揮了重要作用。
離子束作為一種新技術(shù)應(yīng)用于植物品種改良的研究是由我國科學(xué)家在上世紀(jì) 八十年代中期開創(chuàng)的。離子束具有質(zhì)量、能量雙重誘變效應(yīng)的特征不同于以往的射線輻射， 離子注入引發(fā)的生物效應(yīng)，既有能量沉積、動量傳遞、又有元素質(zhì)量沉積；注入離子與生物 體作用，首先有能量的沉積，即注入離子與生物大分子發(fā)生一系列碰撞，生物大分子獲得能 量時(shí)，生物基因鍵斷裂，DNA分子擊出原位，留下斷鍵或缺陷；離子注入同時(shí)還有質(zhì)量沉積， 注入不同元素的質(zhì)量沉積，注入元素有一定幾率同基因斷鍵或DNA被打出的缺位相結(jié)合， 伴隨各種元素的生化反應(yīng)，產(chǎn)生基因突變和DNA及染色體變異；離子注入有機(jī)分子，只要實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)中有氮參與，都有一定的幾率形成帶有氨基的有機(jī)分子，并可以形成氨基酸；注入離 子與被注入種子的胚芽細(xì)胞存在一定概率的電荷交換，可導(dǎo)致細(xì)胞表面被刻蝕，引起細(xì)胞 膜透性和膜電場的改良；離子束打入生物體產(chǎn)生的Braag峰，具有較強(qiáng)的電離作用，還能產(chǎn) 生活性高的自由基間接損傷作用，因此它對生物體的作用可導(dǎo)致較高的突變率；另外由于 注入離子的不同電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量、劑量的組合，提供了眾多的誘變條件，通過這種電、 能、質(zhì)的聯(lián)合作用，將強(qiáng)烈影響生物細(xì)胞的生理生化特性，以引起基因突變，所以變異幅度 大，有較高的突變率，較廣的突變譜；再者突變體的遺傳性能比較穩(wěn)定，回復(fù)突變率低。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)控制帶電粒子——離子進(jìn)行輻照，其能量、劑量、束流強(qiáng)度、真空度 均可以重復(fù)，種子誘變輻照條件完全人為可控制，這是離子注入種子誘變優(yōu)于航天育種的 方面。北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的科研人員，從上世紀(jì)80年代起，始終在這個領(lǐng)域 里進(jìn)行科學(xué)研究。我們先后對小麥種子、黃豆種子、棉花種子、甜葉菊等種子，進(jìn)行氮離子注 入或者碳離子注入實(shí)驗(yàn)，小麥麥穗產(chǎn)生螺旋狀生長變異，單個麥穗接重量是同品種對照組 的1. 8倍，離子注入單顆小麥分蘗數(shù)是同品種對照組的兩倍，并且提前15天成熟，取得明顯 增產(chǎn)效果。離子注入黃豆、棉花均發(fā)現(xiàn)有正向變異的現(xiàn)象，黃豆千粒重增加25% ;棉花棉桃 增大，棉絨變長30%。甜葉菊種子離子注入后，產(chǎn)量增加30%， 口味更接近純正蔗糖糖味。 以往的離子注入，采用植物干種子進(jìn)行離子注入，原因是離子注入機(jī)真空室，不能有水分進(jìn) 入，否則難以抽真空。植物種子干燥狀態(tài)的生命活度低，小麥、黃豆、棉花種子一般都處于 休眠狀態(tài)，處于休眠狀種子離子注入后變異不如處在萌發(fā)狀態(tài)的種子離子注入后誘變效率 高，這是萌發(fā)狀態(tài)植物種子誘變非真空離子注入方法設(shè)計(jì)思想產(chǎn)生的原因。

發(fā)明內(nèi)容
—種萌發(fā)狀態(tài)植物種子非真空離子注入誘變育種方法，其特征在于采用高能量離 子注入機(jī)，應(yīng)用高能量離子束流，穿過鈦、不銹鋼制成的隔真空透離子窗，在離子注入機(jī)真 空系統(tǒng)外，得到離子束流，用此離子束流轟擊正在萌發(fā)生長狀態(tài)的植物種子；植物種子放置 在貼近離子注入機(jī)，隔真空透離子窗的靶位上進(jìn)行離子注入，正在萌發(fā)生長含水量豐富的 植物種子受到離子的轟擊在其內(nèi)部產(chǎn)生DNA斷裂、基因突變重組現(xiàn)象，以誘發(fā)種子內(nèi)染色 體變異，改變植物生長特性；科學(xué)家可以在這些變異中，篩選出具有優(yōu)良變異品質(zhì)的植物新 品種；其中，離子注入能量為1.2兆電子伏特-1000兆電子伏特；其中，萌發(fā)狀態(tài)植物種子
接受離子注入計(jì)量為105-1018離子/平方厘米；其中，離子注入非金屬離子選自H、N、C、0、
P、 S、 B、 I、 Si、 Se元素；其中，離子注入金屬離子選自K、 Ca、 Na、 Mg、 Sr、 Mn、 Zn、 Fe、 Cr、 Cu、
Ge元素。
具體實(shí)施例方式
萌發(fā)狀態(tài)植物種子非真空離子注入誘變育種方法，首先，將植物種子做萌發(fā)處理， 各種植物萌發(fā)適宜的溫度、濕度、光照環(huán)境條件應(yīng)依據(jù)每種植物具體要求實(shí)施；如小麥萌發(fā) 條件溫度15-20攝氏度、相對濕度90% -100%、自然陽光照射、時(shí)間12-36小時(shí)之間當(dāng)種 子胚芽拱起未出芽時(shí)進(jìn)行離子注入。再就是要具備一臺可以引出外束離子流的離子注入 機(jī)，離子加速能量在1.2兆電子伏特以上。離子束流被引出真空室以后，飛行離子遇到空氣 能量損失梯度大，因此，種子靶位應(yīng)緊鄰加速器的離子出口 ；離子注入種子排列在靶盤中， 胚芽部分朝向離子束流射來方向；當(dāng)離子注入計(jì)量達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定的注入計(jì)量時(shí)停止離子注 入，更換被注入植物萌發(fā)種子。由于被注入植物萌發(fā)種子是潮濕導(dǎo)電的，因此離子注入計(jì)量 測量比較干種子離子注入計(jì)量測量準(zhǔn)確。離子注入植物種子萌發(fā)狀態(tài)的選擇靠實(shí)驗(yàn)獲得， 植物種子在剛剛萌動時(shí)受外界剌激離子沖擊、電離輻射、特殊設(shè)定元素的質(zhì)量沉積，會產(chǎn) 生敏感快速的基因突變、DNA斷裂重組、促使植物種子生長發(fā)育產(chǎn)生明顯變異。
植物種子誘發(fā)的突變率和離子注入劑量直接有關(guān)，離子注入能產(chǎn)生電離作用，直 接和間接改變DNA結(jié)構(gòu)。直接的效應(yīng)是導(dǎo)致堿基的化學(xué)鍵、脫氧核糖的化學(xué)鍵、糖_磷酸相連接的化學(xué)鍵的斷裂；間接的效應(yīng)是電離輻射使水和有機(jī)分子產(chǎn)生自由基，自由基作用于 DNA分子，特別是對嘧啶的作用更強(qiáng)，可引起缺失和損傷，造成基因突變，還能引起染色體斷 裂，引起倒位、缺失和易位等畸變。離子輻照射劑量105_1018離子/平方厘米，或者采用能 使微生物產(chǎn)生(30% 70%)的劑量死亡率的劑量。離子注入的電離輻射是造成細(xì)胞染色 體巨大損傷的最好誘變劑，離子注入的質(zhì)量沉積是造成基因突變又一重要因素。要確定一 個合適的劑量，通常要進(jìn)行多次試驗(yàn)。誘變效應(yīng)的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)正變現(xiàn)象較多地出現(xiàn)在偏 低的劑量中，而負(fù)變現(xiàn)象則較多地出現(xiàn)于偏高的劑量中，還發(fā)現(xiàn)經(jīng)多次誘變而提高產(chǎn)量的 品種中，更容易出現(xiàn)負(fù)變。因此，在誘變育種工作中，目前比較傾向于采用較低的劑量。
植物種子經(jīng)離子注入處理后，會產(chǎn)生各種各樣的突變類型。如何從中挑選出所需 要的突變類型呢？ 一般要經(jīng)過M^Me代選定培育過程。下面以N987小麥經(jīng)過氮、碳離子注入 的篩選為例說明。將經(jīng)一定離子注入條件處理的萌發(fā)態(tài)小麥種子每ioo粒放置在平板培養(yǎng) 基上，培養(yǎng)36-72小時(shí)觀察麥種的出芽率，統(tǒng)計(jì)此種注入條件(注入離子、注入離子能量、注 入離子劑量、耙溫度、濕度、離子束流強(qiáng)度)植物種子成活率，一般成活率控制在60% -80% 之間正向變化效應(yīng)比較多。正向變化表現(xiàn)為麥穗變大、分蘗增多、千粒重增加、產(chǎn)量提高等。
科研人員注入元素的選擇，根據(jù)植物品種和變異方向選擇，如氮離子注入植物種 子普遍存在，注入植物生長比對照同種植物生長期縮短，氮離子注入的植物部分正向變化 現(xiàn)象，如葉片變寬變大，早熟現(xiàn)象明顯；注入碳離子的植物普遍表現(xiàn)葉子變深綠、墨綠，部分 小麥麥穗變大等?？茖W(xué)家可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果逐步探索出某種植物，希望產(chǎn)生的特殊變異所 應(yīng)采用的離子注入元素。
權(quán)利要求
一種萌發(fā)狀態(tài)植物種子非真空離子注入誘變育種方法，其特征在于采用高能量離子注入機(jī)，應(yīng)用高能量離子束流，穿過鈦、不銹鋼制成的隔真空透離子窗，在離子注入機(jī)真空系統(tǒng)外，得到離子束流，用此離子束流轟擊正在萌發(fā)生長狀態(tài)的植物種子；植物種子放置在貼近離子注入機(jī)，隔真空透離子窗的靶位上進(jìn)行離子注入；正在萌發(fā)生長含水量豐富的植物種子受到離子的轟擊在其內(nèi)部產(chǎn)生DNA斷裂、基因突變重組現(xiàn)象，以誘發(fā)種子內(nèi)染色體變異，改變植物生長特性；科學(xué)家可以在這些變異中，篩選出具有優(yōu)良變異品質(zhì)的植物新品種；其中，離子注入能量為1.2兆電子伏特-1000兆電子伏特；其中，萌發(fā)狀態(tài)植物種子接受離子注入計(jì)量為105-1018離子/平方厘米；其中，離子注入非金屬離子選自H、N、C、O、P、S、B、I、Si、Se元素；其中，離子注入金屬離子選自K、Ca、Na、Mg、Sr、Mn、Zn、Fe、Cr、Cu、Ge元素。
全文摘要
一種萌發(fā)狀態(tài)植物種子非真空離子注入誘變育種方法，改變以往離子注入植物種子誘變需要采用干燥的植物種子，放入真空室靶盤中離子注入的方法。由于干燥的植物種子的生命活度低，種子處于休眠狀態(tài)，干燥種子離子注入后誘變效率低。萌發(fā)狀態(tài)植物種子誘變非真空離子注入方法，采用高能離子注入機(jī)引出的離子束流，轟擊大氣環(huán)境下正在萌發(fā)的植物種子，使萌發(fā)態(tài)種子中的水和有機(jī)分子產(chǎn)生自由基、種子內(nèi)基因突變、DNA分子鏈斷裂重組、非真空離子注入方法選定的特殊離子注入種子參與種子DNA分子鏈斷裂重組，此方法將培育出特殊變異的優(yōu)良品種。
文檔編號A01H1/06GK101731142SQ20081018081
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者丁云濤, 丁曉紀(jì), 劉曉光, 吳風(fēng)靜, 夏稷, 孫振月, 張豐收, 李俊全, 王廣甫, 趙德國, 郭春剛 申請人:北京師范大學(xué)