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第八章核技术在农业领域中的应用“核农学”（NuclearAgriculture）:主要研究核素和核辐射及相关核技术在农业科学和农业生产中的应用及其作用机理的一门交叉学科。功能：核技术是增加农业产量、提高农产品品质的最有效手段之一，可为农业提供优质良种、控制病虫害、评估肥效、控制农药残余、保持营养品质、延长储存时间、鉴定粮食品质等。核农学分类：核辐射技术及其在农业中的应用，核素示踪技术及其在农业中的应用。主要内容：辐射诱导育种，昆虫辐射不育，辐射保鲜，肥料、农药、水等的示踪，农用核仪器仪表等。辐射育种（Radioactivebreedingtechniques）是利用射线处理动植物及微生物，使生物体的主要遗传物质—脱氧核糖核酸产生基因突变或染色体畸变，导致生物体有关性状的变异，然后通过人工选择和培育使有利的变异遗传下去，使作物（或其它生物）品种得到改良并培育出新品种。这种利用射线诱发生物遗传性的改变，经人工选择培育新的优良品种的技术就称为辐射育种技术。第一节辐射育种技术自1927年美国Muller发现X射线能诱发果蝇产生大量多种类型的突变以来，辐射技术在农业育种上的应用，在20世纪经历了一个突飞猛进的发展历程，已经产生了巨大的社会效益和经济效益。1934年，印尼科学家托伦纳利用Ｘ射线照射烟草，育成烟草新品种，开创了农作物辐射育种的新纪元。1958年，美国国家原子能实验中心开展了大规模田间辐射育种研究。日本用射线对水稻农林8号进行田间照射，获得545个突变体，提高了蛋白质的含量。1964年美国利用热中子辐射，培育出抗倒伏、早熟、高产的“路易斯”软粒小麦…辐射育种的发展历程中国的辐射育种起步于1958年，起步晚但成绩巨大，育成的品种数与推广面积均居世界领先地位。自20世纪50年代后半叶以来，已先后育成水稻、小麦、大豆等各种作物品种品系20多个；采用辐射育种方法以及辐射育种与其他育种方法相结合，选育出大面积推广应用的植物良种达数百个。年增产粮食30亿千克～40亿千克，皮棉4亿千克～4.5亿千克，油料2.5亿千克～3亿千克，经济效益达30亿元～40亿元。辐射育种的发展历程辐射育种的特点：打破性状连锁、实现基因重组、突变频率高、突变类型多、变异性状稳定快、方法简便、缩短育种年限…辐射育种的基本原理生物体受到辐射后，可以使很多生物活性物质受到损伤，其中生物大分子损伤是大多数辐射生物效应的物质基础。电离辐射所致突变的可能机制：电离辐射损伤生物大分子。辐射育种的基本原理电离辐射损伤生物大分子途径：直接作用入射粒子或射线直接与生物大分子（如DNA、RNA等）作用，使这些大分子发生电离或激发。间接作用入射粒子或射线与生物体中的水分子作用，使水分子发生电离或激发。一般情况下，直接作用和间接作用是同时存在的，它们的相对贡献取决于诸多因素：辐射的性质、靶的大小和状态、组织含水量、照射时的温度、氧的存在与否以及辐射防护剂或增敏剂的存在与否等。电离辐射损伤生物大分子脱氧核糖核酸（DNA）是生物体中一类最基本的大分子，是遗传信息的载体，指导着蛋白质和酶的生物合成，主宰着细胞的各种功能。DNA的基本结构是动态的而且是持续变化的，因此变化的发生是很自然的，尤其是在DNA复制和再结合期间，外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变。DNA的变化是一切育种的物质基础。辐射诱发突变的遗传效应是由于辐射能使生物体内各种分子发生电离和激发，导致DNA分子结构的变化，造成基因突变和染色体畸变，从而引起遗传因子发生改变并以新的遗传因子传给后代。电离辐射损伤生物大分子DNA分子结构变化电离辐射引起DNA损伤的类型：碱基变化碱基环破坏；碱基脱落丢失；碱基替代；形成嘧啶二聚体等。DNA链断裂辐射损伤的主要形式。磷酸二酯键断裂，脱氧核糖分子破坏，碱基破坏或脱落等都可以引起核苷酸链断裂。单链断裂发生频率为双链断裂的10-20倍，但还比较容易修复；对大多数单倍体细胞（如细菌）一次双链断裂就是致死事件。DNA交联DNA分子受损伤后，在碱基之间或碱基与蛋白质之间形成了共价键，而发生DNA-DNA交联和DNA-蛋白质交联。会影响细胞的功能和DNA复制。DNA分子结构变化以上损伤最终会导致DNA分子结构的变化，造成DNA分子水平上的基因突变和染色体畸变，是整体遗传突变的基础。DNA分子结构变化基因突变由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或改变，而引起的基因结构的变化就叫做基因突变。类型：点突变指DNA上单一碱基的变异。缺失指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。插入指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。DNA分子结构变化基因突变基因突变通常可引起一定的表型变化，对生物可能产生4种后果：致死性；丧失某些功能；改变基因型（Genotype）而不改变表现型（Phenotye）；发生了有利于物种生存的结果，使生物进化，这正是诱变育种的基础。DNA分子结构变化染色体畸变染色体畸变指染色体数目的增减或结构的改变，包括整个染色体组成倍的增加，成对染色体数目的增减，单个染色体某个节段的增减，以及染色体个别节段位置的改变等。和基因突变一样，染色体结构的变异也是生物遗传变异的重要来源之一；与基因突变相比，染色体结构变异通常要涉及到较大的区段，甚至达到光学显微镜可以识别的程度。DNA分子结构变化染色体畸变类型：染色体数目畸变染色体结构畸变指染色体发生断裂，并以异常的组合方式重新连接。畸变类型：缺失、重复、倒位、臂内倒位、易位等。染色体畸变是植物辐射损伤的典型表现特征，在辐射处理材料的有丝分裂和减数分裂细胞中都观察到了染色体畸变。DNA分子结构变化电离辐射作用于DNA，造成其结构和功能的破坏，从而引起生物突变，甚至导致死亡。然而在一定条件下，生物机体能使其DNA的损伤得到修复。这种修复是生物在长期进化过程中获得的一种保护功能。DNA修复是细胞对DNA受损伤后的一种反应，这种反应可能使DNA结构恢复原样，重新能执行它原来的功能；但有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这种损伤而继续生存。电离辐射损伤生物大分子细胞对辐射损伤的修复类型：回复修复这是较简单的修复方式，一般都能将DNA修复到原样。主要包括：光修复，单链断裂的重接，碱基的直接插入，烷基的转移。切除修复切除修复是修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂等都能起修复作用。细胞对辐射损伤的修复类型：重组修复上述的切除修复在切除损伤段落后是以原来正确的互补链为模板来合成新的段落而做到修复的。但在某些情况下没有互补链可以直接利用，其修复可用DNA重组方式进行。SOS修复DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复，使细胞有较高的突变率。细胞对辐射损伤的修复根据诱变因素的特点和对诱变因素敏感性的大小，选择适宜的诱变剂量是诱变育种取得成效的关键。适宜诱变剂量：是指能够最有效地诱发作物产生有益突变的剂量。辐照敏感性：是指在不同剂量辐照下，个体、组织或细胞内含物的形态、机能发生相应变化的程度。辐射敏感性和诱变剂量机体辐照敏感性的影响因素：生物种系种系演化越高，机体组织结构越复杂，其敏感性越高；生物个体一般随个体发育过程，敏感性逐渐降低，但老年较成年敏感；组织和细胞组织和细胞的辐射敏感性与其分裂能力成正比，与其分化程度成反比，但也有例外；组织和细胞的内环境如局部组织含氧量增加或温度升高都可以使放射敏感性增高。辐射敏感性和诱变剂量作物辐射敏感性测定方法测定辐射敏感性一般从个体、细胞或代谢三个水平上进行，指标有：幼苗的高度和根长以抑制一定苗高或根长的剂量作为衡量敏感性的大小。植株存活率用照射后的植株存活率来鉴定各种作物的辐射敏感性。植株不育性辐射处理后的植株不育性是测试辐射敏感性灵敏度较高的指标。辐射敏感性和诱变剂量作物辐射敏感性测定方法大豆初生叶叶斑和面积过氧化物酶活性和邻苯二酚含量分裂间期的细胞核体积（INV）和染色体体积（ICV）大小微核细胞率测定法辐射敏感性和诱变剂量作物的诱变剂量作物的辐射剂量采用吸收剂量为计算依据，法定剂量单位为Gy。作物的遗传物质吸收辐射可以引起结构损伤，结构上的损伤仅是一种前突变，即已经发生的分子水平的突变，但只有在生物体吸收辐射到足以破坏生物体内的化学键（辐射达到一定剂量水平）时，才能引起生物发生突变，显现突变性状。辐射敏感性和诱变剂量在辐射育种中，常用的诱变剂量表述方法：半致死剂量（LD50）即作物受照后有50%致死时所需的剂量；半致矮剂量（D50）即作物受照后株高降低到对照50%时的剂量；临界剂量当作物生长已受到显著抑制，但有20～30%的植株在生育过程中仍有形成种籽能力所能接受的剂量。辐射育种必须选取合适的辐照剂量，以确保较高的突变率和品种的优良率。辐射敏感性和诱变剂量辐射育种中常见诱变源质子π-介子π-介子可通过380MeV高能质子轰击石墨中的碳原子产生。π-介子具有带电重粒子的特性，在介质中几乎是沿直线穿透。当π-机子在电离激发过程中逐步慢化时，会被生物组织中的原子核俘获。γ射线在我国，γ源是辐射育种的主要诱变辐照源，常用60Co、137Cs等照射装置对组织、种子或植株进行处理。在处理过程中，严格控制辐照剂量是辐照育种的关键。辐射育种方法辐射育种中常见诱变源中子与γ射线相比，中子的辐射生物学效用远远大于前者。在辐射育种中常用的中子是快中子和热中子。加速器中子源是辐射育种的主要中子源。β射线利用β射线辐照时，应测量每一种能量的β射线在种子内的射程。分类：外辐照法内辐照法——浸种法、植株处理法、花序处理法、木本植物内照射处理法离子束辐射育种方法环境条件除了选择诱变因素和合适的诱变辐射剂量外，处理前后的环境条件也是影响辐射育种的重要因素。辐照条件的改变不仅较大程度地影响作物的敏感性，而且影响突变率和突变方向。因此，可通过调节环境条件提高突变率、诱变效果和诱变效率。在辐射育种中主要考虑的环境因素有：氧、温度、含水量、储藏方法辐射育种方法氧在各种影响辐射损伤的条件中，氧是主要的影响因素，其它如水分、湿度等或多或少与氧的作用联系在一起。生物体在氧气（或空气）中进行照射时，其辐射敏感性一般要比真空中或惰性气体中高，这是由于氧的增效作用所导致的。氧之所以具有增效作用，是因为它是一种热电子的清除剂（O2+e-O2-），而热电子能使辐射损伤得到恢复。另外，过氧自由基有较长的寿命，使得辐射损伤加剧。辐射育种方法温度温度效应即生物体系的辐射敏感性随照射时温度降低而减小的现象。温度之所以引起辐射损伤的变化，主要是因为影响了诸如DNA等大分子的结构（如氢键松散，较高温度导致分子的三维结构发生变化）；同时温度的变化也将影响自由基攻击大分子的能力。辐射育种方法含水量环境中的水份含量对种子中含水量起调节作用，同时，种子中含水量不仅是机体结构的一个部分，又对机体的气体含量起调节作用，因此，水与其它各种因素一样，它不是单独存在的，而是构成复杂体系的一部分。当需要获得较高的染色体畸变率时，可以把种子的含水量调节至低水平（＜6%），并在有氧条件下照射。辐射育种方法储藏种子照射结束后在贮藏时期内所发生的生物学效应称为贮藏效应。研究表明，贮藏期内种子的生物学效应与射线的间接作用和机体的修复作用等相关。贮藏效应对辐射育种具有一定的实际意义，一般说来种子在辐照后需要贮藏一段时间才能进行育种，这是因为辐照后的种子需经一定时间修复射线对其机体造成的生物学损伤。辐射育种方法诱变材料的选择诱变材料与突变有密切关系，限制产生突变和发现突变体的主要因素是诱变材料有机体的基因结构。对有性繁殖系作物种子——便于大量处理、使用和运输。对无性繁殖系作物休眠芽、各种不定芽和处于减数分裂期的花芽、休眠期的枝条、生根前后插条和叶片、块根和块茎、匍匐茎、植株等。辐射育种方法诱变材料的选择果树通常选择休眠枝