专利名称：一种萌发状态植物种子非真空离子注入诱变育种方法
技术领域：
人工射线植物种子诱变，萌发状态植物种子非真空离子注入诱变育种方法。
背景技术：
目前，辐射育种有伽玛射线辐照育种、电子射线辐照育种、微波辐照育种、X射线辐 照育种、中子辐照育种、离子注入辐照育种、和太空航天育种等。快中子辐照射线属于非带 电粒子，伽玛射线和快中子的穿透力都非常强，它们很少停留在种子内部，只是对种子的组 织，及细胞内的DNA造成辐射损伤，DNA分子修复时产生少量变异。电子射线辐照、微波辐 照、X射线辐照特点均是无静止质量，其射线辐照在种子内无质量停留，只是对种子的组织 造成辐射损伤和电离损伤，产生遗传性变异几率比较低。航天育种，是利用太空的宇宙射线 (多种带电粒子及伽玛射、中子等)及微重力等综合因素，种子在适当的太空条件下会产生 变异，可选育培育出新品种。但是，航天植物种子诱变成本太高，是陆地辐射育种成本的上 千倍；再有航天植物种子诱变存在许多不确定性，由于宇宙风和太阳黑子的随机性，航天植 物育种接受宇宙射线的剂量难以控制，何种射线或带电粒子引起的变异很难测定，航天育 种不确定性的因素使航天植物种子诱变的效果难以重复。科学界采用新的研究方法分别 应用各种带电粒子，以不同的能量、不同的剂量对种子进行辐射注入，即离子注入。离子注 入植物种子既有辐射损伤变异，又有质量沉积参加种子染色体遗传信息的DNA分子链断裂 重组，这可使种子产生永久性变异，从中选出人类感兴趣的特性品种。研究自然界生命产生 及生物进化，追逆到自然界雷电、火山爆发、地壳放射性元素的衰变，可产生各种能量的运 动离子或粒子。如C+离子注入水，可形成甲酸、乙酸，N+离子注入水可形成氨水，而C+离子 注入氨水可形成三种氨基酸。实验证明，N、 C、 H、 0、 02—、 CO、 C02、 CH4等离子、粒子注入水可 形成丰富有机分子；离子、粒子注入在生命化学起源中发挥了重要作用。
离子束作为一种新技术应用于植物品种改良的研究是由我国科学家在上世纪 八十年代中期开创的。离子束具有质量、能量双重诱变效应的特征不同于以往的射线辐射， 离子注入引发的生物效应，既有能量沉积、动量传递、又有元素质量沉积；注入离子与生物 体作用，首先有能量的沉积，即注入离子与生物大分子发生一系列碰撞，生物大分子获得能 量时，生物基因键断裂，DNA分子击出原位，留下断键或缺陷；离子注入同时还有质量沉积， 注入不同元素的质量沉积，注入元素有一定几率同基因断键或DNA被打出的缺位相结合， 伴随各种元素的生化反应，产生基因突变和DNA及染色体变异；离子注入有机分子，只要实 验系统中有氮参与，都有一定的几率形成带有氨基的有机分子，并可以形成氨基酸；注入离 子与被注入种子的胚芽细胞存在一定概率的电荷交换，可导致细胞表面被刻蚀，引起细胞 膜透性和膜电场的改良；离子束打入生物体产生的Braag峰，具有较强的电离作用，还能产 生活性高的自由基间接损伤作用，因此它对生物体的作用可导致较高的突变率；另外由于 注入离子的不同电荷数、质量数、能量、剂量的组合，提供了众多的诱变条件，通过这种电、 能、质的联合作用，将强烈影响生物细胞的生理生化特性，以引起基因突变，所以变异幅度 大，有较高的突变率，较广的突变谱；再者突变体的遗传性能比较稳定，回复突变率低。
现代科学技术控制带电粒子——离子进行辐照，其能量、剂量、束流强度、真空度 均可以重复，种子诱变辐照条件完全人为可控制，这是离子注入种子诱变优于航天育种的 方面。北京师范大学核科学与技术学院的科研人员，从上世纪80年代起，始终在这个领域 里进行科学研究。我们先后对小麦种子、黄豆种子、棉花种子、甜叶菊等种子，进行氮离子注 入或者碳离子注入实验，小麦麦穗产生螺旋状生长变异，单个麦穗接重量是同品种对照组 的1. 8倍，离子注入单颗小麦分蘖数是同品种对照组的两倍，并且提前15天成熟，取得明显 增产效果。离子注入黄豆、棉花均发现有正向变异的现象，黄豆千粒重增加25% ;棉花棉桃 增大，棉绒变长30%。甜叶菊种子离子注入后，产量增加30%， 口味更接近纯正蔗糖糖味。 以往的离子注入，采用植物干种子进行离子注入，原因是离子注入机真空室，不能有水分进 入，否则难以抽真空。植物种子干燥状态的生命活度低，小麦、黄豆、棉花种子一般都处于 休眠状态，处于休眠状种子离子注入后变异不如处在萌发状态的种子离子注入后诱变效率 高，这是萌发状态植物种子诱变非真空离子注入方法设计思想产生的原因。
发明内容
—种萌发状态植物种子非真空离子注入诱变育种方法，其特征在于采用高能量离 子注入机，应用高能量离子束流，穿过钛、不锈钢制成的隔真空透离子窗，在离子注入机真 空系统外，得到离子束流，用此离子束流轰击正在萌发生长状态的植物种子；植物种子放置 在贴近离子注入机，隔真空透离子窗的靶位上进行离子注入，正在萌发生长含水量丰富的 植物种子受到离子的轰击在其内部产生DNA断裂、基因突变重组现象，以诱发种子内染色 体变异，改变植物生长特性；科学家可以在这些变异中，筛选出具有优良变异品质的植物新 品种；其中，离子注入能量为1.2兆电子伏特-1000兆电子伏特；其中，萌发状态植物种子
接受离子注入计量为105-1018离子/平方厘米；其中，离子注入非金属离子选自H、N、C、0、
P、 S、 B、 I、 Si、 Se元素；其中，离子注入金属离子选自K、 Ca、 Na、 Mg、 Sr、 Mn、 Zn、 Fe、 Cr、 Cu、
Ge元素。
具体实施例方式
萌发状态植物种子非真空离子注入诱变育种方法，首先，将植物种子做萌发处理， 各种植物萌发适宜的温度、湿度、光照环境条件应依据每种植物具体要求实施；如小麦萌发 条件温度15-20摄氏度、相对湿度90% -100%、自然阳光照射、时间12-36小时之间当种 子胚芽拱起未出芽时进行离子注入。再就是要具备一台可以引出外束离子流的离子注入 机，离子加速能量在1.2兆电子伏特以上。离子束流被引出真空室以后，飞行离子遇到空气 能量损失梯度大，因此，种子靶位应紧邻加速器的离子出口 ；离子注入种子排列在靶盘中， 胚芽部分朝向离子束流射来方向；当离子注入计量达到实验设定的注入计量时停止离子注 入，更换被注入植物萌发种子。由于被注入植物萌发种子是潮湿导电的，因此离子注入计量 测量比较干种子离子注入计量测量准确。离子注入植物种子萌发状态的选择靠实验获得， 植物种子在刚刚萌动时受外界剌激离子冲击、电离辐射、特殊设定元素的质量沉积，会产 生敏感快速的基因突变、DNA断裂重组、促使植物种子生长发育产生明显变异。
植物种子诱发的突变率和离子注入剂量直接有关，离子注入能产生电离作用，直 接和间接改变DNA结构。直接的效应是导致碱基的化学键、脱氧核糖的化学键、糖_磷酸相连接的化学键的断裂；间接的效应是电离辐射使水和有机分子产生自由基，自由基作用于 DNA分子，特别是对嘧啶的作用更强，可引起缺失和损伤，造成基因突变，还能引起染色体断 裂，引起倒位、缺失和易位等畸变。离子辐照射剂量105_1018离子/平方厘米，或者采用能 使微生物产生(30% 70%)的剂量死亡率的剂量。离子注入的电离辐射是造成细胞染色 体巨大损伤的最好诱变剂，离子注入的质量沉积是造成基因突变又一重要因素。要确定一 个合适的剂量，通常要进行多次试验。诱变效应的研究结果，发现正变现象较多地出现在偏 低的剂量中，而负变现象则较多地出现于偏高的剂量中，还发现经多次诱变而提高产量的 品种中，更容易出现负变。因此，在诱变育种工作中，目前比较倾向于采用较低的剂量。
植物种子经离子注入处理后，会产生各种各样的突变类型。如何从中挑选出所需 要的突变类型呢？ 一般要经过M^Me代选定培育过程。下面以N987小麦经过氮、碳离子注入 的筛选为例说明。将经一定离子注入条件处理的萌发态小麦种子每ioo粒放置在平板培养 基上，培养36-72小时观察麦种的出芽率，统计此种注入条件(注入离子、注入离子能量、注 入离子剂量、耙温度、湿度、离子束流强度)植物种子成活率，一般成活率控制在60% -80% 之间正向变化效应比较多。正向变化表现为麦穗变大、分蘖增多、千粒重增加、产量提高等。
科研人员注入元素的选择，根据植物品种和变异方向选择，如氮离子注入植物种 子普遍存在，注入植物生长比对照同种植物生长期縮短，氮离子注入的植物部分正向变化 现象，如叶片变宽变大，早熟现象明显；注入碳离子的植物普遍表现叶子变深绿、墨绿，部分 小麦麦穗变大等。科学家可以根据实验结果逐步探索出某种植物，希望产生的特殊变异所 应采用的离子注入元素。
权利要求
一种萌发状态植物种子非真空离子注入诱变育种方法，其特征在于采用高能量离子注入机，应用高能量离子束流，穿过钛、不锈钢制成的隔真空透离子窗，在离子注入机真空系统外，得到离子束流，用此离子束流轰击正在萌发生长状态的植物种子；植物种子放置在贴近离子注入机，隔真空透离子窗的靶位上进行离子注入；正在萌发生长含水量丰富的植物种子受到离子的轰击在其内部产生DNA断裂、基因突变重组现象，以诱发种子内染色体变异，改变植物生长特性；科学家可以在这些变异中，筛选出具有优良变异品质的植物新品种；其中，离子注入能量为1.2兆电子伏特-1000兆电子伏特；其中，萌发状态植物种子接受离子注入计量为105-1018离子/平方厘米；其中，离子注入非金属离子选自H、N、C、O、P、S、B、I、Si、Se元素；其中，离子注入金属离子选自K、Ca、Na、Mg、Sr、Mn、Zn、Fe、Cr、Cu、Ge元素。
全文摘要
一种萌发状态植物种子非真空离子注入诱变育种方法，改变以往离子注入植物种子诱变需要采用干燥的植物种子，放入真空室靶盘中离子注入的方法。由于干燥的植物种子的生命活度低，种子处于休眠状态，干燥种子离子注入后诱变效率低。萌发状态植物种子诱变非真空离子注入方法，采用高能离子注入机引出的离子束流，轰击大气环境下正在萌发的植物种子，使萌发态种子中的水和有机分子产生自由基、种子内基因突变、DNA分子链断裂重组、非真空离子注入方法选定的特殊离子注入种子参与种子DNA分子链断裂重组，此方法将培育出特殊变异的优良品种。
文档编号A01H1/06GK101731142SQ20081018081
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者丁云涛, 丁晓纪, 刘晓光, 吴风静, 夏稷, 孙振月, 张丰收, 李俊全, 王广甫, 赵德国, 郭春刚 申请人:北京师范大学