重离子束在微生物诱变育种及生物能源开发中的应用
重离子束技术在材料研究和制备中的应用
重离子束技术在材料研究和制备中的应用材料科学是一门研究材料的性质和构造的学科，其在现代科技、电子、医学等领域中有着广泛的应用。
如何研究、制备出更优质的材料一直是材料科学家们的追求。
近年来，随着科学技术的不断发展，重离子束技术逐渐被应用于材料研究与制备中，其优异的性能在多方面得到了验证。
重离子束技术是指将带电粒子（通常是离子）加速至一定速度后，以高能束流的形式射入材料内部的技术过程。
这种技术可以控制粒子的能量、流量、轰击角度等参数，通过调整这些参数可以使得材料在粒子的轰击下发生退火、自组装、蚀刻、掺杂等反应，从而改变其结构和性质。
下面将从以下几个方面介绍重离子束技术在材料研究和制备中的应用。
一、表面改性将重离子束轰击材料表面，可以改变其表面形貌和化学性质。
通过单次甚至多次轰击可以使得表面纳米化，表面硬度和抗腐蚀性能大幅度提升。
这种技术已经在航空航天、汽车等领域得到应用。
二、材料合成以前很难合成的材料，通过重离子束技术可以轻松合成。
例如，通过重离子束轰击玻璃，可以使得玻璃变得更加耐磨、耐腐蚀，而且强度也得到了提高。
重离子束还可以用于纳米结构的制备，通过控制离子轰击的角度和能量可以呈现不同的纳米结构。
三、材料改性轰击材料可以对其内部结构进行改变，例如离子注入可以改变材料的电子结构，使得其导电性提高。
此外，重离子束还可以用于制备核反应堆的密封材料，这种材料可以快速地吸收辐射能量，有效避免核泄漏。
四、生物医学领域重离子束在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，通过改变生物大分子的二级和三级结构，可以影响生物体的生命活动。
同时，在肿瘤治疗中，重离子束技术可以通过高能离子束直接杀死癌细胞，而对正常细胞的伤害则很小。
综上所述，重离子束技术在材料科学中的应用是多样的。
它不但可以用于表面改性、材料合成和改性，同时在生物医学领域也有着广泛的应用。
未来，随着该技术的不断发展，它将在更多的领域中得到应用，为材料研究和制备带来更多的机遇和挑战。
离子束生物工程在育种中的应用
内容简介
1.离子束生物工程简介 2. 离子注入诱变的机理 3.生物学研究 4. 离子注入的独特在生物学方面的优势 5.离子注入在作物育种上的应用 6.离子注入技术育种的若干问题及前景 7.离子束生物工程在加速生物诱变肓种进程上的新构想
8.应用实例 ：离子注入小麦诱变育种的回顾与展望
靶室部分设有大小两个靶室。 大靶室体积约1m3，一般用于辐照种子和一些耐真空的微生 物； 小靶室为辐照微生物专用，体积约为0.006m3。因为微生物 的耐真空性能较差，不宜在真空中放臵时间过长，所以，小 靶室采用了特殊的设计，缩短了微生物暴露于真空中的时间。 注入机工作时真空度为3×10-2Pa～5×10-2Pa。 两靶室均有水冷装臵，样品温度通过水冷可控制在50℃以下。
离子注入是新近兴起的一种生物诱变新技术，它是利用加 速的气体离子（等离子体）轰击植物种子、芽胚和微生物 菌种等生物材料，使之产生突变，从而选育出新的品种。 离子注入具有突变率高、变异谱广、优良变异多、稳定快、 安全、方便、无污染等特点，可提早2至3年育成新的作物 品种，从而大大加快作物育种进程和新品种更新速度，促 进农业生产水平的提高。 该技术育成的水稻、玉米、番茄、大豆、小麦等农作物新 品种，普遍有抗逆、高产、优质、抗病等优良特性。
离子束生物工程在育种中的应用
关键词 离子束生物工程Ion Beam Bioengineering 应用Application
前言
离子注入诱变是一种较新的作物诱变育种方法 , 日本、法国、 德国等自60年代就应用重离子注入进行作物改良的报导[1]. 80 年代中期 , 中国科学院等离子体物理研究所及合作单位 [2] 开 始从事离子注入诱变育种及其机理研究 , 且用于水稻、小麦、 棉花、玉米、大豆、山梨豆、白兰瓜、番茄、烟草及洋葱等作 物的改良研究. 离子束生物工程是我国独自开创的一个新技术领域，中国科学 院利亚分院强电研究所制造的 Titan脉冲式 全元素离子源 离子注入机的加速电压10kV～80kV，金属束流0～500mA， 气体束流0～250mA，脉冲频率有50 Hz、50/2 Hz、50/4 Hz、 50/8 Hz，脉冲宽度为400μs，可获得气体离子和金属离子。 常用的气体有氮气和氩气，可供使用的金属有Al、Ti、Cr、 Fe、Co、Ni、Zn等。 在该装臵上可进行气体离子、金属离子的单独注入，气体金属同步注入，多元素复合离子注入。
重离子束对北里链霉菌的诱变效应
文章编号:1007-4627(2011)02-0215-04重离子束对北里链霉菌的诱变效应*刘敬1,陈积红1,胡伟2,王曙阳1,李文建1,#(1中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;2甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州730070)摘 要:考察不同剂量重离子束对北里链霉菌的致死及诱变效应,可确定最有利于筛选高产菌株的重离子束辐照剂量㊂利用不同剂量的重离子束辐照北里链霉菌孢子,统计了存活率㊁致死率㊁正负突变率㊂结果发现,在5G y重离子辐照时北里链霉菌出现较高致死率,其后随剂量升高,致死率变化较平缓㊂各辐照剂量下正负突变率相比较,40G y时正突变率最高,负突变率相对较低,存活率为0.92%㊂因此确定40G y是对北里链霉菌高产菌株筛选最有利的辐照剂量㊂关键词:重离子;剂量;诱变;北里链霉菌中图分类号:Q691.5 文献标识码:A1 引言吉它霉素(k i t a s a m y c i n)又名柱晶白霉素(l e u-c o m y c i n),是从北里链霉菌(S t r e p t o m y c e s k i t a s a-t o e n s i s)中分离出来的十六元大环内酯类广谱抗生素,其抗菌谱与红霉素相似,对革兰氏阳性菌和阴性菌㊁立克次氏体㊁螺旋体和大型病毒等均有较强的抑制作用[1]㊂因为对部分大环内酯类耐药菌(如耐青霉素G㊁红霉素㊁氯霉素及四环素等的金黄色葡萄球菌)也有效,所以公认吉它霉素的疗效优于红霉素[2-3],且不会引起肝功能障碍,细胞形成耐药也比较慢,目前广泛应用于医药和兽药行业㊂利用重离子束辐照诱变植物㊁微生物,进行品种改良,已有几十年的发展历史了,技术逐渐成熟稳定[4-5]㊂针对具体的微生物菌种,在诱变筛选初期,首先要考量该菌种对重离子束的能量㊁剂量等因素的敏感性㊂本研究利用兰州重离子加速器提供的中能12C6+重离子束对吉他霉素生产菌北里链霉菌进行了梯度辐照实验,考察不同剂量重离子束对北里链霉菌的致死及诱变效应,并讨论了重离子辐照北里链霉菌最佳剂量的选择策略㊂2 材料与方法2.1 菌种北里链霉菌菌种由中国科学院近代物理研究所生物物理研究室提供㊂检测菌枯草芽孢杆菌63501购自中国兽医药品监察所㊂2.2 培养基北里链霉菌固体培养基:可溶性淀粉㊁酵母浸膏㊁K H2P O4㊁M g S O4和琼脂㊂枯草芽孢杆菌孢子悬液及检测培养基平板的制备均参照‘中国兽药典“2000版[6]㊂2.3 重离子辐照诱变及存活率统计取培养7d的成熟北里链霉菌斜面,用10m l 无菌水洗下孢子,加玻璃珠震荡1h后4层无菌纱布过滤制成单孢子悬液㊂将悬液移入直径30mm 的小皿中,以能量为100M e V/u㊁传能线密度L E T =28.12k e V/μm的12C6+重离子束对北里链霉菌进行了辐照诱变㊂照射剂量设计为0,5,10,20, 40,60,80和100G y㊂将受辐照的单孢子悬液梯度稀释后均匀涂布于北里链霉菌平板培养基上,培养5d待单菌落比较饱满又不是太大时统计菌落数㊂第28卷 第2期原子核物理评论V o l.28,N o.2 2011年6月N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w J u n e,2011*收稿日期:2010-08-25;修改日期:2010-11-02* 基金项目:兰州市城关区科技攻关计划(08-3-5)作者简介:刘敬(1976-),女(汉族),博士,助理研究员,从事微生物诱变育种研究;E-m a i l:l i u j@i m p c a s.a c.c n# 通讯联系人:李文建,E-m a i l:w j l i@i m p c a s.a c.c n2.4 抑菌实验及正负突变统计将各剂量重离子束辐照后的北里链霉菌孢子悬液稀释涂平板,培养3d 后,长出单菌落㊂将单菌落打成琼脂块,放在空培养皿中在恒温恒湿的温室内28℃培养3d ㊂将琼脂块摆放在含0.5%枯草孢子悬液的检测平板上,36℃培养箱内培养17h 后用游标卡尺测抑菌圈直径㊂受照菌株中抑菌圈直径高于对照株抑菌圈直径最大值记为正突变,低于对照株抑菌圈直径最小值的记为负突变㊂并以此为标准统计正负突变率㊂3 实验结果3.1 重离子辐照剂量对北里链霉菌存活率的影响实验结果显示(图1),北里链霉菌对重离子束辐照较为敏感,在5G y 辐照时即表现出较高的死亡率(达91.36%),其后随剂量升高,死亡率变化较平缓㊂存活率的变化与死亡率相对应,在5G y 辐照时存活率降至8.64%,其后随辐照剂量升高,存活率缓慢降低㊂图1不同剂量重离子辐照下北里链霉菌的存活率和致死率3.2 重离子辐照剂量对北里链霉菌正负突变影响受辐照的北里链霉菌形成的单菌落在检测平板上形成抑菌圈,各处理的抑菌圈直径平均值没有和辐照剂量形成显著的相关关系(图2)㊂但对照组抑菌圈直径的标准差较小,而受辐照各组均表现出较大的标准差㊂这说明,北里链霉菌在受重离子辐照后其产抗能力存在较对照组高的变异性㊂而各剂量组的平均产抗水平与对照组的平均水平无显著差异㊂各受辐照处理组均表现出较高的负突变率(图3),以20G y 处理组负突变率最高㊂正突变率以40G y 处理组最高,达到24.6%,其余几个处理正突变率均很低,在5,80和100G y 处理组,甚至没有得到正突变菌落㊂图2不同剂量重离子辐照后北里链霉菌单菌落的抑菌圈直径图3各剂量重离子辐照后北里链霉菌的正负突变率3.3 重离子束辐照诱变北里链霉菌的剂量选择重离子诱变北里链霉菌的最佳剂量选择,要综合考虑存活率㊁正负突变率三方面因素确定最佳辐射剂量㊂存活率过高,则加大了筛选的工作量,存活图4各剂量重离子辐照后对存活率㊁正负突变率的综合影响率过低则样本量不够;正突变率过低则筛选得到高产正突变株的可能性降低,所以正突变率越高越㊃612㊃原子核物理评论第28卷好;负突变率高则在加大工作量的同时降低了工作效率,所以负突变率越低越好㊂综合三方面因素,我们选择这样的辐照剂量:在这个剂量或剂量范围内,存活率较低同时正突变率高而负突变率低㊂按照这个策略,从图4可见,本实验中40G y是所需要的最佳辐照诱变剂量㊂在该剂量条件下,正突变率最高,而负突变率较低,存活率为0.92%㊂4 讨论在对紫外线㊁X射线及乙烯亚胺等诱变效应的研究中发现[7],正向突变多出现在偏低剂量,而负向突变较多出现在偏高剂量㊂在本实验中,重离子束为诱变剂,没有出现类似的规律,但很明显的是,正向突变在极高剂量和极低剂量都为0,负向突变则在各剂量组都大量存在㊂这种现象是否由重离子束的特殊性引起的,还有待于进一步实验研究㊂另外,实验是以抑菌效果为检验标准,所以结果只代表吉他霉素产量方面的变异,而不涉及其他性状(比如,形态变异和颜色变异等)㊂有研究表明[7],辐照剂量越高,形态变异率越大㊂这提示我们在设计辐照实验时,应该综合考虑剂量对实验对象及性状指标方面的影响㊂在利用重离子束对微生物进行诱变育种的实际应用中,不可避免的要涉及到具体的重离子束的参数选择问题㊂选择合适的重离子参数,不仅能够提高筛选效率㊁尽快得到目的突变株,还能在最大程度上避免重离子加速器的资源浪费㊂对最适诱变剂量的选择目前没有统一标准,比较一致的观点是,既能增加变异幅度及突变频度又能促使变异向正突变范围移动的剂量就是合适的剂量[7-8]㊂针对不同的菌种,最适诱变手段及相应的最适剂量会有很大差异㊂选择对诱变筛选最有效的重离子束参数时需要综合考虑不同辐照条件下菌种的存活率㊁正负突变率的差异㊂如前所述,存活率的高低决定了筛选的工作量,正负突变率则不仅影响到筛选的工作量,更能决定得到高产正突变株的几率㊂因此,利用不同重离子参数辐照菌种的孢子悬液,通过综合考察存活率㊁正负突变率3个参数,选择使菌种的孢子存活率较低㊁正突变率相对高而负突变率相对低的重离子束参数进行辐照是最高效的辐照策略㊂虽然不同诱变手段对基因组诱发突变存在某些突变热点,针对具体遗传性状的改变仍是随机的㊂为了改变某一菌株的某种性状,选用什么诱变手段,及如何选择诱变剂量,尚无规律可循,须在实际工作中不断摸索和积累经验,根据高产突变株出现的频率来具体选择合适的诱变手段及合适的诱变剂量㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1]L iM e i.C h i n e s e P h a r m a c e u t i c a l J o u r n a l,1993,28(9):254(i nC h i n e s e).(李眉.中国药学杂志,1993,28(9):254.)[2]L u K u i d u o,J i n G u i z h e n.C h i n a M o r d e n M e d c i n e,2010,17(2):63(i nC h i n e s e).(卢奎多,金桂珍.中国当代医药,2010,17(2):63.)[3]Y a n g M i n g,L e iX i a o g u a n g,P e n g M i n g j i.C h i n e s e J o u r n a l o fD r u g A p p l i c a t i o n a n dM o n i t o r i n g,2009,6(1):6(i nC h i n e s e).(阳明,雷小光,彭明基.中国药物应用与监测,2009,6(1):6.)[4]Z h o uC h a n g f a n g,Q i nP e i.J o u r n a l o fN a n j i n g F o r e s t r y U n i v e r-s i t y(N a t r u a lS c i e n c e sE d i t i o n),2003,27(1):81(i n C h i-n e s e).(周长芳,钦佩.南京林业大学学报(自然科学版),2003,27(1):81.)[5]Z h o uL i b i n,L iW e n j i a n,Q uY i n g,e t a l.N u c l e a r P h y s i c sR e-v i e w,2008,25(2):165(i nC h i n e s e).(周利斌,李文建,曲颖,等.原子核物理评论,2008,25(2): 165.)[6]C h i n e s e V e t e r i n a r y P h a r m a c o p o e i a C o mm i s s i o n.V e t e r i n a r yP h a r m a c o p o e i a o fP e o p l e’sR e p u b l i co fC h i n a.B e i j i n g:C h i n aA g r i c u l t u r eP r e s s,2000,A p p e n d i x69(i nC h i n e s e).(中国兽药典委员会.中华人民共和国兽药典.北京:中国农业出版社,2000,附录69.)[7]D uL i a n x i a n g C h i e fE d i t.E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y o f I n d u s-t r i a lM i c r o b i o l o g y.T i a n j i n:T i a n j i n S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y P r e s s,1992,168-193.(杜连祥主编.工业微生物学实验技术.天津:天津科学技术出版社,1992,168-193.)[8]Z h a n g Z h i p i n g.M i c r o b i a lP h a r m a c o l o g y.B e i j i n g:C h e m i c a lI n d u s t r y P r e s s,2003,56-75(i nC h i n e s e).(张致平主编.微生物药物学.北京:化学工业出版社,2003, 56-75.)㊃712㊃第2期刘敬等:重离子束对北里链霉菌的诱变效应㊃812㊃原子核物理评论第28卷 M u t a t i o nE f f e c t o f S t r e p t o m y c e s k i t a s a t o e n s i s a f t e rE x p o s u r e t oH e a v y I o n sR a d i a t i o n*L I UJ i n g1,C H E NJ i-h o n g1,H u W e i2,WA N GS h u-y a n g1,L IW e n-j i a n1,#(1I n s t i t u t e o f M o d e r nP h y s i c s,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,L a n z h o u730000,C h i n a;2C o l l e g e o f F o o dS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,G a n s uA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,L a n z h o u730070,C h i n a)A b s t r a c t:T o d e f i n e t h e o p t i m u md o s e o f h e a v y i o nb e a m s f o r s e l e c t i n g h i g h p r o d u c t i v e s t r a i n s,w e s h o u l d s t u d y m o r t a l i t y a n dm u t a t i o ne f f e c t s o f S t r e p t o m y c e s k i t a s a t o e n s i s i r r a d i a t e db y h e a v y i o nb e a m s i nd i f f e-r e n t d o s e s.I n t h i s r e s e a r c h,s p o r e s o f S t r e p t o m y c e s k i t a s a t o e n s i s w e r e i r r a d i a t e db y h e a v y i o nb e a m sw i t h d i f f e r e n t d o s e s.A n d s u r v i v a l r a t e,m o r t a l i t y r a t e,p o s i t i v em u t a t i o na n dn e g a t i v em u t a t i o nw e r e a n a l y z e d s t a t i s t i c a l l y.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t h i g hm o r t a l i t y r a t e a p p e a r e d f r o m5G y a n d t h e n t h em o r t a l i t y r a t e c u r v eb e c a m e g e n t l y.C o m p a r e dt h e p o s i t i v ea n dn e g a t i v e m u t a t i o n s i nd i f f e r e n td o s e s,h i g h e s t p o s i t i v e m u t a t i o nw a s o b t a i n e d i n40G y,w h i l e t h e n e g a t i v em u t a t i o nw a s l o w e r i n t h i s d o s e,a n d t h e s u r v i v a l r a t e w a s0.92%.S ow e d e f i n e d t h a t o p t i m u md o s e o f h e a v y i o n s r a d i a t i o n f o r S t r e p t o m y c e s k i t a s a t o e n s i s s e l e c-t i o nw a s40G y i n t h i s e x p e r i m e n t.K e y w o r d s:h e a v y i o n;d o s e;m u t a t i o n;S t r e p t o m y c e s k i t a s a t o e n s i s*R e c e i v e dd a t e:25A u g.2010;R e v i s e dd a t e:2N o v.2010*F o u n d a t i o n i t e m:T e c h n o l o g i e sR&DP r o g r a mm e o fC h e n g g u a nD i s t r i c tL a n z h o u(08-3-5)#C o r r e s p o n d i n g a u t h o r:L iW e n-j i a n,E-m a i l:w j l i@i m p c a s.a c.c n。
重离子束在诱变育种和分子改造中的应用_卫增泉
· 40 ·
原子核物理评论
1)来自亲本“定西-24”的抗旱 、 抗逆 、 优质春 小麦新品系 95-119 .
上面提及的重离子传能线密度 L ET 是沿其行 进路程而变化的 , 对于多电荷重离子射入介质后 , 可根据 Bethe-Bloch 公式
-ddEx
=
电离
4πz 2e4 NZ mev2
·
ln
2 me v 2 I(1 -β 2)
-β2
-ZC
瘤块和保护周围健康组织特别有利 . 重离子参数多样 , 有利于拓宽突变谱 .采用不
(1 中国科学院近代物理研究所 , 甘肃 兰州 730000 ; 2 中国科学院寒区旱区环境与工 程研究所 , 甘肃 兰州 730000)
摘 要 :重离子束具有与中性辐射 X , γ和中子不同的特性 , 利用这些特性开展它在生物学领域内 的应用和基础研究具有重要的理论和实际意义 .简要阐述了这种应用的理论基础 , 以及多年来实践 的一些工作与取得的结果 . 关 键 词 :重离子束 ;诱变育种 ;分子改造 ;应用 中图分类号 :Q691 文献标识码 :A
重离子束具有的这种独特优势在肿瘤治疗上可 以用来高效 、 准确地杀死癌细胞 , 而周围的健康组 织免遭(或减小)损伤 , 正像一把锋利的不流血的手 术刀 , 利用这种技术可以使我国的放射治疗技术跨 入当代先进行列 , 更好地造福人类[ 1 , 2] .
重离子束还可以用来进行定点定位诱变研究 , 探索定向育种新技术 , 有可能改变过去传统的无方 向性的随机育种局面 , 创造一套全新的育种手段 , 大大提高育种效率 , 缩短育种周期[ 3—5] , 为农业和 医药食品工业达到优质增产的目的 , 创造明显的经 济和社会效益 .
重离子束技术的生物医学应用
重离子束技术的生物医学应用重离子束技术（Heavy Ion Beam Therapy，简称HIBT）是一种新型的肿瘤治疗方法，它利用重离子束的高能量特性，精确瞄准肿瘤组织，使肿瘤细胞受到局部高剂量的辐射，同时保护周围正常组织。
与传统的放射疗法相比，重离子束技术可以有效减少正常组织对剂量的敏感性，避免了正常组织受到不必要的伤害，从而降低了治疗的副作用和并发症，使得肿瘤治疗更为安全和有效。
近年来，重离子束技术在生物医学领域的应用日益广泛。
除了肿瘤治疗，它在基础研究和临床应用中都有着重要的作用。
一、基础研究重离子束技术能够模拟太空辐射环境，可以被用来研究长期太空旅行对宇航员健康的影响。
研究表明，太空辐射会导致基因突变和细胞受损，增加患癌症、神经系统疾病等疾病的风险。
通过模拟太空辐射，科学家们可以更好地理解这些辐射对人体健康的影响，并提出更为有效的防护措施。
此外，重离子束技术还可以用于神经退行性疾病的研究。
重离子束的高能量可以使得细胞发生DNA双链断裂，这种损伤通常会导致细胞死亡或者细胞功能障碍。
神经退行性疾病的发生往往与DNA损伤有关，重离子束技术可以模拟这种细胞内损伤过程，帮助研究人员更好地理解神经退行性疾病的发生机制。
二、临床应用在肿瘤治疗方面，重离子束技术的主要优点是其治疗效果比传统放疗更好，患者的生存率和治愈率都有所提高。
这种治疗方法可以应用于多种肿瘤，如胰腺癌、肺癌、骨肉瘤等。
此外，重离子束技术还可以应用于放射性治疗失败的患者，或者那些不能接受传统手术的病人，以及由于局部解剖位置的限制而无法使用传统手术和放疗的患者。
重离子束技术在肿瘤治疗中有着如此好的表现，主要是由于它具有更好的剂量特性。
传统放射疗法的剂量是呈高斯分布的，基本上没有办法使剂量控制在肿瘤区域内。
而重离子束技术的剂量特性是高峰、低背景的，具有更好的空间聚焦性，可以精确控制辐射能量，同时保护周边正常组织。
这种空间上的优势使得治疗效果得到了很大的提升。
离子束诱变技术及其在甜高粱能源开发中的应用
摘要 利 用离子 柬诱 变技术进行甜 高粱品种和酵母 菌种 的选育 ， 旨在甜 高粱燃料 乙醇产业化的有效 开发 。对 离子柬诱 变技术 的原理及 其在植物 、 生物诱 变育种方 面的应 用进展 进行 了简要概述 ， 对 中科 院近代物理 研 究所在甜 高粱燃料 乙醇产 业化研发 中对重 离子诱 微 并 变育种 的初 步应用进行介 绍和展 望。 关键词 离子柬诱 变技术 ； Ｎ粱； ａ 酵母 茵 ； 燃料 乙醇 中 图分类 号 ￥ １ 文献标 识码 Ａ ５４ 文章编号 ０１— ６１ （８１ — ４ ４ ０ ５７ ６１（ ￣ ） ０９ — ２ ２ ２ ２
１ ｔ ｔｌａ ｒｆｎｏｕｔｎ ｆｈ ｈｍ ｆｉ ａ ｉｔｈｏ ｇ ｄｉ ａｐｃｉ ｎｓｅｔ ￣ ｕ ｄ ｅ ｔ ａｒ ｏｅ ．ｎ ｓ ８ ． ｈ ａｉｅ ｂ ｅｉｒ ｃｏ ｏｔ ｅｙｏ ｏ ｂ ｍｂ －ｃｎｌ ｙｎ ｔ ｐｌ ｔｎｉ ｗｅｓ ｍａ ａ ｗｓｅ ｒｄＡ ｄ ｌ ｎ Ｉ ｅ ｒｃ ｉ ｔｄ ｉ ｅｔ ｎｅ ｏｅ ｏ ａ ｓ ｉ ｏ ａ ｏ ｎ ｙ ｓ ｐ ｔ ａｏ 眦
ＣＡ Ｓ．
Ｋｅ ｏ ｓ Ｍｕａｉｎ ｔｃ ｎｑ ｅｉｄ ｅｄ ｂ ｏ ｅ ｍ； ｗ ｅ ｏｇｕ ； ａ ｔＦ ｅ ｔａｏ ｙ ｗｒ ｇ ｔｔ ｅｈ ｉｕ ｎ ｕｅ ｙ ｉｎ ｂａ Ｓ ｅ ｔｓｒｈ ｍ Ｙｅ ｓ； ｕ ｌｅｈ ｎ ｌ ｏ
２ ０世纪 ６ ｏ年代 以来 ， 离子 注入技 术在 国内外得 到 了较
体相互作 用时 的能量 沉积 、 质量沉 积 、 动量交换 和 电荷 交换
重离子束辐照在优良工业微生物新菌株创建中的应用实践
重离子束辐照在优良工业微生物新菌株创建中的应用实践陈积红;胡伟;李文建【摘要】性能优良的工业微生物菌种是企业保持竞争力的重要保障，因此培育优质、高产的微生物新菌种依旧是生物育种产业创新发展的核心内容之一。
重离子束辐照作为一种高效的诱变手段，现已广泛应用于我国工业微生物育种实践中。
重点回顾了重离子束辐照诱导生物体DNA突变的分子机制研究以及重离子束微生物育种的研究进展。
同时，也展望了我国重离子束育种专用装置的产业化前景。
%The excellent performance of the industrial microbial strains is important for enterprise to keep a sustainable competitive advantage. Therefore, it is still one of the core content to cultivate new microbial strains of high quality and high yield for the innovation and development of biological breeding industry. As an effective mutation method, heavy ion irradiations have been widely used in biological breeding industry. This paper mainly reviews the molecular mechanism of DNA mutation induced by heavy ion irradiations in living organism, and relative research progress of microbial breeding in China. Meanwhile, the application of special equipment for heavy ion breeding is dicussed.【期刊名称】《生物产业技术》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】5页(P46-50)【关键词】重离子束;工业微生物;育种【作者】陈积红;胡伟;李文建【作者单位】中国科学院近代物理研究所，兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，兰州 730000;中国科学院近代物理研究所，兰州 730000【正文语种】中文陈积红，中国科学院近代物理研究所正研级高级工程师，硕士生导师，主要从事重离子束辐射生物学以及高附加值甜高粱生物产品的应用基础研究。
关于高能重离子束辐射诱变北方粳稻育种方法的思考
关于高能重离子束辐射诱变北方粳稻育种方法的思考随着人口的增加和粮食需求的不断增长，粮食生产已经成为了全球关注的焦点。
而在粮食生产中，水稻作为最重要的粮食作物之一，其产量和品质一直是农业科研工作者所关注的重点。
为了提高水稻的产量和品质，育种技术一直在不断的探索和创新。
而其中，辐射诱变育种技术在水稻育种中也扮演着重要的角色。
高能重离子束辐射诱变技术是一种新型的育种方法，其主要是利用高能重离子束对种子进行辐照，从而使种子突变，进而产生新的性状或性状组合，为育种提供新的遗传资源。
相比传统的育种方法，高能重离子束辐射诱变技术有着更高的突变效率和更广泛的突变谱，可以产生更多的突变体，为育种提供更多的选择和可能性。
北方粳稻是一种重要的水稻品种，其主要分布在我国黄淮海平原和长江中下游地区。
北方粳稻具有早熟、高产、抗逆性强等优点，是我国北方地区主要的水稻品种之一。
然而，由于其自交亲缘关系较近，遗传多样性较低，导致其在遗传育种中面临着较大的难题。
因此，利用高能重离子束辐射诱变技术对北方粳稻进行育种研究，具有重要的意义和价值。
在高能重离子束辐射诱变北方粳稻的育种研究中，首先需要确定合适的辐照剂量和辐照方式。
一般来说，辐照剂量越大，突变效果越明显。
但是，过高的辐照剂量会导致种子的死亡率增加，从而影响育种效果。
因此，需要在保证育种效果的前提下，尽可能减少死亡率。
同时，不同的辐照方式也会影响育种效果。
目前，常用的辐照方式主要有束穿、束扫和束扫/穿混合辐照。
不同的辐照方式会对种子产生不同的影响，因此需要根据具体情况进行选择。
在确定合适的辐照剂量和辐照方式之后，还需要对突变体进行筛选和鉴定。
突变体的筛选和鉴定是辐射诱变育种中非常关键的一步，它直接决定了育种的成败。
在筛选和鉴定过程中，需要对突变体进行全面的评估，包括形态性状、生理生化性状、抗逆性等方面。
只有对突变体进行全面的评估，才能够选择出具有良好性状的突变体，为育种提供更好的遗传资源。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
文章编号:1007-4627(2007)03-0234-04重离子束在微生物诱变育种及生物能源开发中的应用3李仁民1,2,王菊芳2,李文建2(1中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;2中国科学院研究生院,北京100049)摘 要:作为一种新型的辐射诱变源,重离子束在辐射诱变育种中的优越性已经显现。
在此基础上综述了重离子束用于微生物诱变育种的基本原理、独特优点、所取得的成果及研究进展,并对其在新型生物能源开发中的潜力进行了展望。
关键词:重离子;微生物;诱变育种;生物能源中图分类号:Q691 文献标识码:A1 引言20世纪初,DeVries(1904)提出了辐射诱发突变的利用,至今己有上百年的历史。
多年来,传统辐射育种手段主要是基于紫外线、X射线、γ射线和激光等常用的物理诱变源,由于这些诱变源的反复利用,许多工业菌株都对其产生了耐受性[1]。
辐射诱变的机理一般被认为是基因重组或染色体发生断裂而导致的基因突变或染色体畸变,具有不可控制性、诱变谱狭窄和诱变能力低等缺点,因此传统诱变源已展现出其局限性,若要开发新的具有较好性能的实用突变体,则须寻找新的诱变源。
重离子辐照诱变育种技术的开展弥补了这一缺点,为辐照育种研究注入了新的活力。
重离子束特别是低能碳、氮离子束对微生物与植物种子有很强的致突变作用,将其应用于微生物及植物诱变育种研究已取得了巨大的经济与社会效益[2,3]。
2 重离子束辐照微生物诱变育种的理论基础2.1 重离子束的特点及其在辐照育种中的优势 与传统的诱变源相比,重离子束具有以下重要特点:(1)传能线密度(L ET)大,能在生物介质中产生高密度的电离、激发、能量和质量沉积,造成生物介质的损伤,易于突变体的形成;(2)能量沉积过程中,在其射程末端存在一个尖锐的能量损失峰,即Bragg峰,使得生物样品的局部受损,这种局部受损的位置可随离子能量的高低而变化,是选择可控的,有利于宏观定点、定位诱变,实现定向育种[4];(3)损伤后修复效应小,可产生大量的突变且突变体稳定快;(4)相对生物学效应(RB E)高,因此突变体的产生效率高且突变谱广。
重离子束与生物体相互作用时,在引起受体细胞表面受损穿孔,细胞膜透性和跨膜电位改变的同时,导致受体DNA损伤,激活受体细胞的修复机制,有利于外源基因主动进入受体细胞并与受体DNA进行重组和整合[5],以提高外源基因导入率,克服转基因沉默并延长表达时间。
同时,重离子束介导外源基因不必通过与载体重组这一中间环节,而且可以转导大片段DNA甚至全DNA,这就简化了步骤,可以缩短周期和降低成本[6]。
此外,重离子参数多样,采用不同质量数、电荷数和不同能量的重离子束,对生物体系做不同方式处理,可获得多种不同需求的突变体,有利于拓宽突变谱,提高突变率,特别是在兰州重离子研究装置(HIRFL)的冷却储存环(CSR)建成出束后,可供选择的重离子及其能量的范围将更为广阔。
2.2 重离子束诱变育种的基本原理及过程 重离子与生物体系相互作用是一个复杂的过程。
从离子注入到终点生物学效应,经历物理、化 第24卷 第3期原子核物理评论Vol124,No.3 2007年9月Nuclear Physics Review Sep.,2007 3收稿日期:2007201223;修改日期:2007205215 3 基金项目:中国科学院西部之光资助项目(O606180XB0) 作者简介:李仁民(1982-),男(汉族),甘肃正宁人,硕士研究生,从事辐照生物学研究;E2mail:lirenmin@学和生物学3个阶段,从微观生物分子损伤到宏观性状的表现,其效应不断被放大。
在此过程中离子束将同生物细胞的电子和原子发生相互作用。
起初,入射离子的能量较高,主要同生物细胞中的分子和原子发生非弹性碰撞,使生物分子发生电离或激发,产生电离损伤[7];随着离子能量的不断损失,当能量小于0.1MeV/u时,主要表现为与原子核的弹性碰撞,导致原子移位,留下空位和断键;随着入射离子的进一步前进,离子能量的传递、原子的电离及入射离子的沉积,其与靶分子所交换的能量急剧地被释放出来,由此形成一个电离密度相对较高的能量损失峰,离子迅速慢化、沉积下来,与生物碱基[8]、氨基酸[9]以及生物体组织中的某些成分[10]发生反应,产生新的化合物;同时还引发生物细胞表面的二次粒子和电子溅射,造成细胞表面的穿孔效应,有利于后续离子对细胞的直接刻蚀,最终导致DNA损伤和生物体变异[11,12]。
重离子束对生物体的作用是集动量传递[13]、能量及质量沉积[14]、电荷中和与交换[15]于一体的联合作用。
2.3 辐照剂量选择 经离子束辐照后,微生物群体的存活率随辐照剂量的增加呈现先减小后增加又减小的马鞍型剂量2效应曲线,这是重离子所特有的质量沉积效应的体现。
并认为质量沉积产物对菌种的生长和修复产生刺激效应[16,17],从而导致菌种的存活率在注入剂量的一定范围上升,然后又下降,形成“马鞍型”曲线,并且菌种的修复出错使得其突变率大大提高,尤以曲线峰值区域的突变率为高,为此选择存活曲线峰值区域所对应的注入剂量为诱变育种的最佳注入剂量。
存活率与剂量的关系式如下[18]:S=exp{-P[αD+βD2-γD3exp(-kD)]},(1)式中,S为微生物群体的存活率(%),D为辐照剂量(Gy),其他符号参见参考文献[18]。
大量的研究表明,在群体生物学上重离子束诱变引起的遗传变异效率在10%—20%[19],并以存活率在25%—30%时正突变率为高[20]。
3 重离子束辐照微生物诱变育种的研究进展 自1994年报道了离子注入链霉菌的诱变效应以来,我国在这一领域的成果不断。
尤其是以中国科学院等离子体物理研究所和中国科学院近代物理研究所为首的科研人员,就离子束对微生物体的诱变机理及其生物效应进行了深入的研究探讨,将其应用于工业菌种的改良上,取得了理想的成果。
在抗生素药物方面,颉红梅等[21]用40Ar14+离子辐照庆大霉素产生菌绛红小单孢菌,所得突变株的正变率为69.1%,效价从1150mg/l提高到3580mg/l;陈 宇等[22]用40—60keV、剂量1×1011—5×1014ions/cm2的N+离子注入红霉素产生菌,经筛选得到了高产突变菌株,摇瓶发酵后表明其产量提高了20%;赵洪英等[23]用30keV,剂量1.0×1015—5.0×1016ions/cm2的N+离子注入庆大霉素产生菌成熟孢子后,经筛选得到高产抗生素突变菌株,摇瓶发酵表明其产抗力提高了27.39%;向 砥等[24]用离子注入选育高产壮观链霉菌,初步实验结果其效价较出发菌株提高了102.3%。
在酶制剂方面,杨立峰等[25]利用N+离子注入天冬氨酸转氨酶高产菌株进行诱变选育,在20keV 和15×1014ions/cm2的注入条件下,得到一株酶高产菌株,其转化苯丙氨酸的产量达17.10g/l,比出发菌株提高23.76%,且遗传稳定性较好;吴庆勋等[26]通过N+离子注入米曲霉WJ0521,筛选得到两株氨肽酶活力提高了30%的高产菌株M6025213和M8021027,经多次传代实验表明两菌株遗传稳定性良好,对M8021027的发酵条件初步优化后,进一步使产酶水平提高了77.5%。
重离子辐照诱变微生物菌种改良在色素[27]、油脂[28]和多糖的生产中取得了比较理想的效果。
尤其值得一提的是,袁成凌等[29]利用低能重离子对花生四烯酸(AA)产生菌进行诱变筛选,得到一株花生四烯酸高产菌株,其中,菌体油脂含量达33.8%, AA含量占菌体油脂总含量的52.36%,比对照组提高了126.2%,是美国专利水平的2.5倍。
4 以重离子束微生物诱变育种为依托的生物能源开发 生物能源即以生物质为前体,通过一定生物、化学手段对其进行加工转换,而得到的新型二次能源,其主要形式有生物柴油和燃料乙醇。
生物能源作为一种新型的可再生资源,在增加能源供给的同・532・ 第3期李仁民等:重离子束在微生物诱变育种及生物能源开发中的应用时,以其污染小、利用率高、再生性强的特点,备受人们的青睐。
近年来科学家发现,一些产油微生物也能合成油脂,其脂肪酸组成和一般植物油相近,以C16和C18系脂肪酸为主,如油酸、棕榈酸、亚油酸和硬脂酸,这些脂肪酸经转酯化即可得柴油。
另外,最新研究表明,有些微生物油脂发酵能高效利用纤维素和半纤维素水解得到的所有碳水化合物,包括五碳糖和六碳糖[32],实现“全糖转化利用”。
这为微生物生物柴油的生产提供了坚实的理论依据。
受中国科学院“西部之光”人才培养项目、中国科学院近代物理研究所所长基金项目等的资助,中国科学院近代物理研究所生物物理课题组在该领域开展了一些探索性的研究工作:主要是以重离子辐照微生物诱变育种技术为依托,利用H IRFL产生的重离子束进行产能微生物菌种的改良,筛选油脂含量高和原料利用谱广的超级产油菌株,以用于微生物油脂生产,并通过转酯化生产生物柴油的探索性工作。
此外,在燃料乙醇的产业化研发方面,中国科学院近代物理研究所与“白银中科天添生物科技有限公司”合作,利用重离子辐照微生物育种技术培育出了耐高温、耐酒精的酒精发酵新菌种;同时开展的甜高粱燃料乙醇联产产业化研发项目也取得了实质性的进展。
通过重离子辐照诱变育种对甜高粱进行品种改良,筛选出了4个优良品系,使其含糖量大幅度提高,达24%以上。
通过甜高粱榨汁,利用培育出的耐受性酒精酵母新菌种直接发酵,生产燃料乙醇,得到9%以上的酒份,使发酵时间大大缩短,仅为粮食(如玉米)生产燃料乙醇发酵时间的1/4。
这项工艺对推广燃料乙醇,节约能源、提高设备利用率和降低建设资金具有重要的现实意义。
随着世界石油资源的日益紧缺,多渠道多角度地思考与开发环境污染小、能源利用率高的新型能源已迫在眉睫。
微生物资源丰富、原料来源广泛、可塑性强,若能充分发挥重离子束在微生物诱变育种上的优越性,并以此为依托,结合细胞融合、基因重组等基因工程、代谢工程的方法对微生物菌种进行改良,将在开发新型生物能源、改善环境、解决能源危机方面,发挥巨大的作用。
参考文献(R eferences):[1]Chen Y iguang,Li Minggang,Xu Lihua,et al.Journal ofJianghan Petroleum Instit ute(Natural Science Edition),2005,25(2):46(in Chinese).(陈义光,李铭刚,徐丽华等.长江大学学报(自然科学版),2005,25(2):46.)[2]Yu Zengliang.Physics,1997,26(6):333(in Chinese).(余增亮.物理,1997,26(6):333.)[3]Yu Zengliang.IEEE Transactions on Plasma Science,2000,28(1):128.[4]Xie Hongmei,Wang Haohan,Wei Zengquan,et al.NuclearPhysics Review,2001,18(3):174(in Chinese).(颉红梅,王浩翰,卫增泉等.原子核物理评论,2001,18(3):174.)[5]Wei Zhengquan,Xie Hongmei,Li Wenjian,et al.NuclearPhysics Review,2003,20(1):38(in Chinese).(卫增泉,颉红梅,李文建等.原子核物理评论,2003,20(1):38.)[6]Wei Zhengquan,Xie Hongmei,Zhou Guangming,et al.Col2lection of Abtract s of t he2nd Technical Conference of PlantScience and Exploiture in Nort hwest.Urumqi of China.2001,113(in Chinese).(卫增泉,颉红梅,周光明等.西部地区第二届植物科学与开发学术讨论会论文摘要集.中国乌鲁木齐,2001,113.) [7]Wei Zengquan,Li Wenjian,Xie Hongmei,et al.Acta LaserBiology sinica,1996,5(3):888(in Chinese).(卫增泉,李文建,颉红梅等.激光生物学报,1996,5(3):888.)[8]Lu Runlong,Zhu Xueliang,Yu Zengliang,et al.Journal ofAnhui Agricultural University,1991,18(4):294(in Chi2nese).(鲁润龙,朱学良,余增亮等.安徽农业大学学报,1991,18(4):294.)[9]Yu Zengliang,Shao Chunlin.Radiate Physics Chemistry,1994,43(4):349.[10]Zhang Zhengnan,Deng Jianguo,Wu Xuejin.Journal of An2hui Agricult ural Sciences,1989,41(3):7(in Chinese).(张正南,邓建国,吴学进.安徽农业科学,1989,41(3):7.)[11]Song Yun,Zhang Huaiyu,Chang Zhijian.Molecular PlantBreeding,2004,2(2):301(in Chinese).(宋 云,张怀渝,畅志坚.分子植物育种,2004,2(2):301.)[12]Song Daojun,Yu Xun,Yao Jianming,et al.Acta Biochimicaet Biophysica Sinica,1998,30(6):570(in Chinese).(宋道军,余 汛,姚建铭等.生物化学与生物物理学报,1998,30(6):570.)[13]Shao Chunlin,Xu An,Yu Zengliang.High Technology Let2ters,1997,20(2):70.[14]Song Daojun,Yao Jianming,Shao Chunlin.High TechnologyLetters,1999,22(3):129.・632・原子核物理评论第24卷 [15]Shao Chunlin ,Yu Zengliang.Nuclear Techniques ,1996,19(6):321(in Chinese ).(邵春林,余增亮.核技术,1996,19(6):321.)[16]Shao Chunlin ,Yu Zengliang.Nuclear Techniques ,1996,19(6):321(in Chinese ).(邵春林,余增亮.核技术,1996,19(6):321.)[17]Song Daojun ,Yao Jianming ,Shao Chunlin ,et al.Nuclear Techniques ,1999,22(3):129(in Chinese ).(宋道军,姚建铭,邵春林等.核技术,1999,22(3):129.)[18]Shao Chunlin ,Yu Zengliang.Nuclear Techniques ,1997,20(7):423(in Chinese ).(邵春林,余增亮.核技术,1997,20(7):423.)[19]Wu Ding ,Lu Guihong.China Brewing ,2002,(7):31(in Chinese ).(吴 定,路桂红.中国酿造,2002,(7):31.)[20]Zhang Mingchun.Mutated Breeding of Industry Microorgan 2ism.Beijing :Science Press ,1999,206(in Chinese ).(章明春.工业微生物诱变育种.北京:科学出版社,1999,206.)[21]Xie Hongmei ,Wei Zhengquan ,Li Wenjian ,et al.Chinese Journal of Antibiotics ,1998,23(6):462(in Chinese ).(颉红梅,卫增泉,李文建等.中国抗生素杂志,1998,23(6):462.)[22]Chen Yu ,Zhang Zixin ,Zhang Feng ,et al.Chinese Journal of Antibiotics ,1997,22(6):410(in Chinese ).(陈 宇,林梓鑫,张 峰等.中国抗生素杂志,1997,22(6):410.)[23]Zhao Hongying ,Li Yan.Journal of Tianjin Institute of Tech 2nology ,2001,17(1):14(in Chinese ).(赵洪英,李 彦.天津理工学院学报,2001,17(1):14.)[24]Xiang Di ,Li Jiong ,Yao Jianming ,et al.Acta Laser Biology Sinica ,2002,11(4):276.[25]Yang Lifeng ,Yu Long ,Zhang Ning.Chemistry &Bioengi 2neering ,2005,(1):16(in Chinese ).(杨立峰,虞 龙,张 宁.化学与生物工程,2005,(1):16.)[26]Wu Qingxun ,Gu Haixian ,Zhao Guang ’ao.Food and Fer 2mentation Indust ries ,2006,32(1):15(in Chinese ).(吴庆勋,谷海先,赵光鳌.食品与发酵工业,2006,32(1):15.)[27]Li Hongyu ,Li Chenghua ,Ding Xinchun ,et al.Food and Fermentation Industries ,2001,27(19):34(in Chinese ).(李红玉,李成华,丁新春等.食品与发酵工业,2001,27(19):34.)[28]Yuan Chengling ,Wang Ji ,Yao Jianming ,et al.Message of High Techniques ,2003,(6):22(in Chinese ).(袁成凌,王 纪,姚建铭等,高技术通讯,2003,(6):22.)[29]Yuan Chengling ,Wang Ji ,Yao Jianming ,et al.J Radiat Res Radiat Process ,2003,21(4):237(in Chinese ).(袁成凌,姚建铭,王纪等.辐射研究与辐射工艺学报,2003,21(4):237.)[30]Tyson K S.NREL Technical Report ,1998,580:24.[31]Gerpen J V.NREL Technical Report ,2004,510:36.[32]Li Y onghong ,Liu Bo ,Sun Yan ,et al.China Biotechnology ,2005,25(12):39(in Chinese ).(李永红,刘 波,孙 艳.中国生物工程杂志,2005,25(12):39.)Application of H eavy Ion B eams to Microbial Mutation B reedingand Exploitation of Biological E nergy3L I Ren 2min 1,2,1),WAN G J u 2fang 1,L I Wen 2jian 1(1I nstitute of Modern Physics ,Chinese A cadem y of Sciences ,L anz hou 730000,China;2Graduate School of Chinese A cadem y of Sciences ,B ei j ing 100049,China )Abstract :As a new radiation source ,heavy ion beams have demonst rated t he out standing advantage inmutation breeding.Based on t his background ,t he basic principal and unique peculiarity of heavy ion beams ,t he achievement and t he progress in t he research of microbial mutation breeding are reviewed in t he paper.The potential application of heavy ion beams to new biological energy is also p rospected.K ey w ords :heavy ion ;microbial mutation breeding ;biological energy・732・ 第3期李仁民等:重离子束在微生物诱变育种及生物能源开发中的应用3R eceived d ate :23J an.2007;R evised d ate :15May 2007 3Found ation item :Western Light Talent s Training Program of Chinese Academy of Sciences (O606180XB0) 1)E 2mail :lirenmin @。