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(yíng)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(jià)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(dú)特成分[1]。蕓豆在國(guó)際市場(chǎng)上十分暢銷，是很好的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品。近年來(lái)，在小雜糧的對(duì)外貿(mào)易中，蕓豆產(chǎn)品顯示出強(qiáng)勁優(yōu)勢(shì)，每年的出口數(shù)量為160萬(wàn)～200萬(wàn)t，占整個(gè)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(guó)紅蕓豆出口龍頭地位，在國(guó)際市場(chǎng)上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[3]。但當(dāng)前蕓豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著諸多問(wèn)題。山西種植的蕓豆是20世紀(jì)90年代初引進(jìn)的英國(guó)紅蕓豆，深受歐洲市場(chǎng)歡迎。由于品種退化，造成粒度變小，顏色發(fā)淺、等級(jí)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(guó)多家育種研究單位進(jìn)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(jī)[5]。但目前國(guó)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(jiàn)成功范例。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者一直對(duì)此進(jìn)行研究，試圖改進(jìn)雜交方法，提高成功率，但均未達(dá)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(jìn)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(guó)紅蕓豆中選擇抗病株系，再通過(guò)中國(guó)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(hào)通過(guò)山西省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)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(guò)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(duì)種子胚進(jìn)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(guò)離子束能量作用、質(zhì)量沉積、動(dòng)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(duì)穩(wěn)定，易于獲得理想的新品種等特點(diǎn)，對(duì)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(diǎn)。重離子輻射誘變技術(shù)屬于生物技術(shù)領(lǐng)域,對(duì)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(jìn)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(gè)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(hào)；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(gè)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(hào)；中國(guó)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(duì)中藥材黨參和黃芪進(jìn)行了重離子輻照誘變育種，選育出了性狀穩(wěn)定且藥用價(jià)值高的藥材新品種渭黨3號(hào)和隴芪3號(hào)[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(chǎng)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(yáng)試驗(yàn)基地繁殖2代，并獲得YF-1，YF-2，YF-3，YF-4，YF-5和YF-6六個(gè)株系群體，經(jīng)抗病檢測(cè)，YF-2，YF-3和YF-5這三個(gè)株系抗根腐病[16]。

2.2 試驗(yàn)方法

2008年利用中國(guó)科學(xué)院蘭州分院近代物理研究所的重離子加速器(HIRFL)對(duì)YF-2，YF-3和YF-5這3個(gè)株系的干種子進(jìn)行輻照，輻照劑量為100 Gy。輻照材料M1代和M2代試驗(yàn)于2010—2011年在榆次東陽(yáng)試驗(yàn)基地進(jìn)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(duì)照(ck)，進(jìn)行突變單株篩選。

M1代統(tǒng)計(jì)田間出苗數(shù)及成活苗數(shù)，并計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 輻照處理對(duì)成苗率的影響

由表1可知，YF-2，YF-3和YF-5對(duì)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(guò)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(guò)輻射后M1代種子出苗率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(duì)M2代植株性狀的影響

從表2可以看出，經(jīng)過(guò)輻照處理后的YF-2，YF-3和YF-5這3個(gè)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(dá)到了51.2 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)，YF-5的主莖分枝為7.0個(gè)，也明顯高于對(duì)照。3個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)YF-2，YF-3和YF-5的產(chǎn)量構(gòu)成因素(莢長(zhǎng)、莢寬、百粒重)存在差異，對(duì)產(chǎn)量起著決定性的作用。YF-2經(jīng)過(guò)輻照處理后的產(chǎn)量為2 636.9 kg·hm-2，比對(duì)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(duì)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(duì)照增產(chǎn)也最多，達(dá)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(gè)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(duì)重離子輻射后代材料進(jìn)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(guò)蒸煮試驗(yàn)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(guò)多年性狀選擇、產(chǎn)量比較試驗(yàn)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(hào)。

蕓選2號(hào)具有表皮顏色深、籽粒大、抗病性強(qiáng)、商品性好的特點(diǎn)。主莖高40.6 cm，主莖分枝數(shù)6.3個(gè)，百粒重51.2 g，產(chǎn)量2 592.0 kg·hm-2，比對(duì)照英國(guó)紅蕓豆增產(chǎn)14.2%。蕓選2號(hào)是山西省首個(gè)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(lái)的一種新型的育種技術(shù)，特別是對(duì)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(guò)對(duì)紅蕓豆抗病株系的干種子進(jìn)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(zhǎng)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(gè)蕓豆新品種蕓選2號(hào)，為進(jìn)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(kāi)發(fā)利用潛力[19]。但是重離子輻射誘變機(jī)理較復(fù)雜，目前較側(cè)重于應(yīng)用，在誘變機(jī)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(lái)，使其在現(xiàn)代化育種中更好地高效利用[20]。