水稻離子注入生物效應(yīng)的研究進(jìn)展

水稻離子注入生物效應(yīng)的研究進(jìn)展

離子技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用是中國(guó)科學(xué)院離子物理研究所的余曾亮科學(xué)家為20世紀(jì)80年代中期創(chuàng)建的一個(gè)新興研究領(lǐng)域。這是育種方法學(xué)的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新，并從中國(guó)走向世界。離子束誘變技術(shù)已成為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定向遺傳育種的新方法,新途徑在離子注入生物效應(yīng)的研究中,呈現(xiàn)出一些獨(dú)特性,它主要包括以下四個(gè)原初過(guò)程:能量沉積、動(dòng)量傳遞、質(zhì)量沉積和電荷交換。這四個(gè)過(guò)程在很短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)發(fā)生,很難區(qū)分各自的獨(dú)立作用。離子注入產(chǎn)生的生物效應(yīng)的因素與輻射不同,荷能離子注入除了具有能量沉積引起機(jī)體損傷的特征外,還具有動(dòng)量傳遞產(chǎn)生的級(jí)聯(lián)損傷,表現(xiàn)為遺傳物質(zhì)的原子移位、重排或基因缺失,還有沉積離子、移位原子和本底元素復(fù)合反應(yīng)造成的化學(xué)損傷以及電荷交換引起的生物分子電子轉(zhuǎn)移造成的損傷。因此注入的荷電離子的電信號(hào)和所形成的微電場(chǎng)影響著生物體生命過(guò)程中的基因表達(dá)和調(diào)控、細(xì)胞內(nèi)外的能量交換、物質(zhì)運(yùn)輸、信息傳遞,并刺激損傷1輻射能量沉積引發(fā)的生物效應(yīng)自然界的粒子,不論是人工的還是天然的,總有部分粒子沉積在細(xì)胞內(nèi)引起細(xì)胞的損傷。輻照生物學(xué)發(fā)展的100年間,科學(xué)家研究的重點(diǎn)在輻射能量的沉積引起的生物效應(yīng),較少關(guān)注有靜止質(zhì)量的粒子沉積帶來(lái)的影響。中國(guó)科學(xué)家于上世紀(jì)80年代中期開始涉足低能離子與生物體相互作用這個(gè)未知領(lǐng)域,于1986年發(fā)現(xiàn)離子注入誘變作用,提出注入離子能量沉積、質(zhì)量沉積和電荷轉(zhuǎn)移引起生物效應(yīng)的假說(shuō),不斷得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí),為離子束誘變的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),很快在農(nóng)作物育種上得到應(yīng)用。1.1水稻誘變育種及成果水稻的誘變育種是離子束誘變?cè)诠任镉N中研究和應(yīng)用的最早的。1986年余增亮研究員發(fā)現(xiàn)離子注入水稻生物效應(yīng)后,水稻誘變育種在實(shí)踐中取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,先后選育成功了7個(gè)水稻新品種:早秈除水稻外,離子束在小麥方面的育種研究及應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。霍裕平等1.2蔬菜離子束誘變也開始在蔬菜育種中應(yīng)用,例如加工番茄、辣椒、五葉茄等。武寶山等1.3離子注入的麻黃草種子,增加了農(nóng)民的苗木率和發(fā)芽率,提高了特性百日草經(jīng)離子束注入后,由一種顏色變?yōu)槲宸N顏色,可為花卉市場(chǎng)提供新材料。經(jīng)離子注入的麻黃草種子的發(fā)芽率和出苗率從原來(lái)的20%提高到了90%以上,紅花含油率提高了4%,產(chǎn)量提高了50%,當(dāng)代效應(yīng)十分明顯。紫花苜蓿株高為70~802離子束誘變菌株的選育離子束誘變育種與傳統(tǒng)的輻射法及化學(xué)誘變劑相比,具有損傷輕,突變率高,突變譜寬,遺傳穩(wěn)定,易于獲得理想菌株等特點(diǎn),離子注入除了與一般輻射一樣由于能量作用引起離子束誘變?cè)谛戮甑倪x育上取得豐碩的成果。古紹彬、姚建銘等特別應(yīng)當(dāng)提出的是虞龍等3利用內(nèi)部誘變間的誘變離子束注入誘變現(xiàn)在的研究很廣泛,成功的例子也不少。它操作簡(jiǎn)單,誘變的效果顯著、遺傳穩(wěn)定性好。下面以食用菌為例,簡(jiǎn)要介紹一下離子束進(jìn)行大型真菌育種的一般操作過(guò)程。3.12.反應(yīng)取一片未噴發(fā)孢子的食用菌子實(shí)體,將其置于放有培養(yǎng)皿的干燥器中,讓其自然噴發(fā),噴發(fā)后,將孢子收集起來(lái),用3.2離子束誘導(dǎo)變量將收集的孢子制成一定濃度的孢子懸浮液,取0.13.3離子注入誘變產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性⑴在經(jīng)離子注入食用菌的⑵將無(wú)雜菌污染的搖瓶菌絲球分別以10%(重復(fù)3.3⑴、⑵步實(shí)驗(yàn),將出菇、長(zhǎng)勢(shì)均表現(xiàn)良好,產(chǎn)量、生物轉(zhuǎn)化率高,化學(xué)成分穩(wěn)定的菌株至少傳代三次,仍表現(xiàn)出較好結(jié)果,說(shuō)明通過(guò)離子注入誘變獲得的高產(chǎn)菌株具有較好的遺傳穩(wěn)定性。4在離子束和作用上的應(yīng)用低能離子束在生命科學(xué)中應(yīng)用雖然取得了一些重要進(jìn)展,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技進(jìn)步做出了突出的貢獻(xiàn)。但是,低能離子與生物體相互作用的機(jī)理研究還不完善,離子束在生命科學(xué)中應(yīng)用的研究還剛剛起步。隨著離子束誘變技術(shù)的不斷發(fā)展,它將對(duì)生命科學(xué)中一些重大問(wèn)題的研究提供技術(shù)支撐。如果離子束聚焦到微米以下,利用離子束無(wú)接觸地照射細(xì)胞、細(xì)胞核或細(xì)胞器,選擇性的損傷一部分,切斷基因,觀察損傷和修復(fù),就有可能發(fā)展成為一種細(xì)胞加工的手段,切斷不利基因,拼接有益基因,加速定向遺傳進(jìn)化,有目的地改良品種。再如單離子束精確定位照射技術(shù)取得突破,將為研究細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、基因表達(dá)和調(diào)控提供先進(jìn)的手段中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所獨(dú)具慧眼,應(yīng)用低能離子束這一輻照源于生命科學(xué)中開辟了新的研究領(lǐng)域,對(duì)低能離子生物學(xué)的興起和離子束生物工程學(xué)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。現(xiàn)在這一新興領(lǐng)域已走向世界,面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)與挑戰(zhàn),各離子束生物工程中心只有應(yīng)用離