水稻離子注入生物效應(yīng)的研究進展

水稻離子注入生物效應(yīng)的研究進展

離子技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用是中國科學院離子物理研究所的余曾亮科學家為20世紀80年代中期創(chuàng)建的一個新興研究領(lǐng)域。這是育種方法學的一項重要創(chuàng)新，并從中國走向世界。離子束誘變技術(shù)已成為我國自主知識產(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)出一些獨特性,它主要包括以下四個原初過程:能量沉積、動量傳遞、質(zhì)量沉積和電荷交換。這四個過程在很短的時間內(nèi)同時發(fā)生,很難區(qū)分各自的獨立作用。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體損傷的特征外,還具有動量傳遞產(chǎn)生的級聯(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和所形成的微電場影響著生物體生命過程中的基因表達和調(diào)控、細胞內(nèi)外的能量交換、物質(zhì)運輸、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胞內(nèi)引起細胞的損傷。輻照生物學發(fā)展的100年間,科學家研究的重點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)量的粒子沉積帶來的影響。中國科學家于上世紀80年代中期開始涉足低能離子與生物體相互作用這個未知領(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,不斷得到實驗的證實,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在谷物育種中研究和應(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,水稻誘變育種在實踐中取得了實質(zhì)性的進展,先后選育成功了7個水稻新品種: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,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在新菌株的選育上取得豐碩的成果。古紹彬、姚建銘等特別應(yīng)當提出的是虞龍等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。它操作簡單,誘變的效果顯著、遺傳穩(wěn)定性好。下面以食用菌為例,簡要介紹一下離子束進行大型真菌育種的一般操作過程。3.12.反應(yīng)取一片未噴發(fā)孢子的食用菌子實體,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,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將無雜菌污染的搖瓶菌絲球分別以10%(重復(fù)3.3⑴、⑵步實驗,將出菇、長勢均表現(xiàn)良好,產(chǎn)量、生物轉(zhuǎn)化率高,化學成分穩(wěn)定的菌株至少傳代三次,仍表現(xiàn)出較好結(jié)果,說明通過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中應(yīng)用雖然取得了一些重要進展,對國民經(jīng)濟和科技進步做出了突出的貢獻。但是,低能離子與生物體相互作用的機理研究還不完善,離子束在生命科學中應(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,它將對生命科學中一些重大問題的研究提供技術(shù)支撐。如果離子束聚焦到微米以下,利用離子束無接觸地照射細胞、細胞核或細胞器,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,將為研究細胞信號傳導(dǎo)、基因表達和調(diào)控提供先進的手段中國科學院等離子體物理研究所獨具慧眼,應(yīng)用低能離子束這一輻照源于生命科學中開辟了新的研究領(lǐng)域,對低能離子生物學的興起和離子束生物工程學的發(fā)展做出了突出的貢獻。現(xiàn)在這一新興領(lǐng)域已走向世界,面臨激烈的競爭與挑戰(zhàn),各離子束生物工程中心只有應(yīng)用離