第八章核技术在农业领域的应用

第八章核技术在农业领域的应用第八章核技术在农业领域的应用••“核农学”（NuclearAgriculture）。它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，可分为核辐射技术及其在农业中的应用和核素示踪技术及其在农业中的应用。••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。核农学是核技术在农业领域的应用所形成的一门交叉学科，主要涉及辐射诱导育种，昆虫辐射不育，肥料、农药、水等的示踪，辐射保鲜，农用核仪器仪表等内容。•全球通过辐射育种方式培育了2376个品种，我国占全球的四分之一以上。••保藏技术具有节约能源，卫生安全，保持食品原来的色、香、味和改善品质等特点，应用越来越广泛，技术也日趋成熟；••昆虫辐射不育技术是目前可以灭绝某一虫种的有效手段。同位素示踪技术能够比较真实地反映某一元素（或化合物）在生物体内的代谢过程或农业环境的物理化学行为，它所具有的优点是目前其它方法不能替代的。第一节辐射育种技术•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。一、辐射育种的发展历程•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。1986年意大利用热中子辐射培育出抗倒伏、丰产的硬粒小麦。前苏联育成的“新西伯利亚67”小麦良种，具有抗寒、早熟、优质的特点；•日本育成的矮秆抗倒伏水稻良种，年收益达10亿日元以上；•美国育成的抗枯萎病的胡椒和薄荷良种，几乎占据全美栽种面积，年产值达2000万美元。•法国水稻良种“岱尔塔”等均有很大的经济意义。一、辐射育种的发展历程•中国自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，其中用射线照射“南大2419”育成良种“鄂麦6号”；用射线照射“科字6号”获得优良稻种“原丰早”使成熟期提早45天。80年代以来定向控制突变成为辐射育种工作的中心课题。90年代，辐射育种进入了一个更加快速发展阶段。••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。“鲁棉一号”棉花，“原丰早”水稻和“铁丰18号”大豆等，玉米“鲁原4号”、小麦“山东辐63”、三系杂交水稻“Ⅱ优838”、“扬稻6号”二、辐射育种的基本原理•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、方法简便且缩短育种年限等特点。•一是直接作用，入射粒子或射线使大分子发生电离或激发；•二是间接作用，与生物体中的水分子作用，使发生电离或激发。•相对贡献取决于：辐射的性质、靶的大小和状态、组织含水量、照射时的温度、氧的存在等。一、电离辐射所致突变的可能机制一、电离辐射所致突变的可能机制•（一）DNA分子结构变化•脱氧核糖核酸是是遗传信息的载体，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。1.电离辐射引起DNA损伤的类型••DNA损伤的类型主要包括碱基变化、链断裂和交联等。DNA分子的辐射损伤1.电离辐射引起DNA损伤的类型•a)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。•b)DNA链断裂：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。SSBs，DSBs。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。•b)DNA交联（DNAcross-linkage）：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。2.基因突变（Genemutation）••碱基对的增添、缺失或改变，引起的基因结构的变化••a）点突变（Pointmutation）指DNA上单一碱基的变异。•核辐射影响下，如果碱基的结构发生变化，则可能产生不正常的配对关系，这种不正常的配对通常分为转换和颠换两种方式。嘌呤替代嘌呤（如A与G之间的相互替代）、嘧啶替代嘧啶（如C与T之间的替代）称为转换（Transition）；嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换2.基因突变（Genemutation）•b）缺失（Deletion）指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。•c）插入（Insertion）指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。如缺失及插入的核苷酸数不是3的整倍数，则在为蛋白质编码的序列中发生读框移动（Readingframeshift），使其后所译读的氨基酸序列全部混乱，称为移码突变（Frame-shiftmutaion）。•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：•①致死性；•②丧失某些功能；•③改变基因型（Genotype）而不改变表现型（Phenotye）；•④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。3.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。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。••染色体结构变异都要涉及到染色质线的断裂和重接过程—“断裂-重接”假说。染色线在复制前后都可以某种方式造成断裂，通过修复机制，重新接上，包括错接，特别当几个不同断裂同时发生，在空间上又非常接近时，重排是不难发生的（重建性愈合和非重建性愈合）。现在已经知道，未复制的染色体或染色单体只含有一条DNA双螺旋分子，染色体的断裂实际上也是DNA链的断裂，所以推测染色体断裂以后之所以能重接，可能就是由于DNA断裂端以单链形式伸出的粘性末端来完成的。染色体畸变分为数目畸变和结构畸变。3.染色体畸变•1）染色体数目畸变•人们把一个正常精子或卵子的全部染色体称为一个染色体组（简写n）也称单倍体。正常人体细胞染色体，共46条即23对，即含有两个染色体组为2n，故称为二倍体。以二倍体为标准所出现的成倍性增减或某一对染色体数目的改变统称为染色体畸变。前一类变化产生多倍体，后一类称为非整体畸变。•多倍体：如果一个细胞中的染色体数为单倍体的3倍，称为三倍体（3n=69条）；为单倍体的4倍，称为四倍体（4n=92条）。余此类推，三倍体以上的通称为多倍体。人类多倍体较为罕见，偶可见于自发流产胎儿及部分葡萄胎中。•非整倍体：一个细胞中的染色体数和正常二倍体的染色体数相比，出现了不规则的增多或减少，即为非整倍体畸变。增多的叫多体。仅增加一个的，即2n+1，叫做三体，同一号染色体数增加两个的，即2n+2，叫做四体。余此类推。减少一个的（2n-1）叫做单体。3.染色体畸变2）染色体结构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。•缺失（Deficiency或Deletion）：指染色体上某一区段及其带有的基因一起丢失，•缺失在遗传学上的效应表现为生物的活力降低，影响生长发育；第二个是假显性，在杂合体中，由于受到缺失的影响，使某些隐性基因得以显现，但是，这种显性是假显性；第三改变基因间的连锁强度，辐射所形成的缺失染色体，在遗传过程中形成缺失纯合体，缺失导致染色体链缩短，使较远的基因连锁强度增强，交换率下降；第四可能发生严重的遗传病，导致作物的生存能力和产量下降。染色体在射线作用下的中间缺失示意图染色体在射线作用下的顶端缺失示意图•2）染色体结构畸变•重复（Duplication）：染色体上增加了相同的某个区段而引起变异的现象。根据重复片段的排列顺序及所处的位臵，可以分为三种类型：串联重复，倒位串联重复，移位重复。主要表现为顺接重复（Tandemduplication）和反接重复（Reverseduplication）染色体在射线作用下的重复示意图（二）细胞对辐射损伤的修复•（1）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。•（2）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。•（3）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•4）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。DNA重组修复示意图（三）辐射敏感性和诱变剂量•（1）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：•1）幼苗的高度和根长；•2）植株存活率；•3）植株不育性；•4）大豆初生叶叶斑和面积；•5）过氧化物酶活性和邻苯二酚含量；•6）分裂间期的细胞核体积（INV）和染色体体积（ICV）大小；•（2）作物的诱变剂量•采用吸收剂量为计算依据，法定剂量单位为Gy。•1）半致死剂量（LD50），即作物受照后有50%致死时所需的剂量；•2）半致矮剂量（D50），即作物受照后株高降低到对照50%时的剂量；•3）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。三、辐射育种方法•诱变源：质子、π介子γ射线、中子、β射线、离子束•常用的β射线内照射方法有：•a）浸种法•b）植株处理法•c）花序处理法•d）木本植物内照射处理法辐射育种培育的果树与原树的所结果实的对比第二节辐射保藏一、基本原理、概念•辐射保藏（Radioactivepreservation）食品是用电离辐射照射的方法延长食品保藏时间，提高食品质量的新技术。它的基本原理是利用射线或加速器产生的粒子束流照射食品，引起一系列物理，化学或生物化学反应，达到杀虫、灭菌、抑制发芽、抑制成熟等目的从而减少食品在贮存和运输中的耗损，增加供应量，延长货架期，提高食品的卫生品质。（注：正在进行蔬菜的辐照保鲜试验，蓝光为切伦科夫辐射）钴60辐照装置（一）辐照条件•用于保鲜或保藏的辐射源有三种：即60Co和137Cs的γ射线、电子直线加速器产生的β射线、X射线管产生的X-射线。•实验室试验阶段有两种装置可以使用，即60Co或137Cs的辐射装置和电子加速器，对于体积小，包装薄的物品，采用直线电子加速器比较易于管理。•为了满足特殊工艺要求，例如提高均匀度，保证照射时的温度控制，减少照射时的氧含量，减少食品在传送、照射和贮藏过程中的机械损伤（碰伤），以及为了从经济角度来改进工厂辐射源的利用率，应当规定适宜的辐照类型和剂量范围，还应考虑其它条件和因素的影响。•对于供卫生安全性实验用的食品辐照条件，应尽可能地与供人消费的食品的辐照条件一致，供动物实验用的食品，其剂量至少应该是商业推广所用的最大剂量。在辐照加工时，还要求含水量、氧效力、温度和辐照后的保藏条件都尽可能与商业推广的条件接近。（二）处理各种产品、样品的剂量及剂量率••通常，低剂量照射（低于10kGy）用于减少微生物、减少非孢子病原性微生物数目和改进食品的工艺品质；高剂量照射（约10k