重离子束在诱变育种和分子改造中的应用_卫增泉
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。
重离子束在中药材品种改良上的应用研究
采 用 中科 院 近代物 理研究 所 重 离子 加 速 器提 供
［ 基金项 目］ 甘肃省科学技术攻关项 目及科 教兴省省长基 金资助项 目 （ Ｓ １ 一Ａ ５ ０ ８－０ ） Ｇ ０５ ４ — ０ ３ ［ 通讯作者］ 颉红 梅，Ｔ ｌ ０ ３ ）４ ６ ３９ ｅ：（９ １ ９９ ３ ，Ｅ— ｉ ｉｈ ｍａ ：ｘｅｍ＠ｉ ｐ ａ．ｃ ｃ 。 ｌ ｍ ｃｓａ．ｎ
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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。
离子注入诱变改良农业微生物的研究进展及应用前景
离子注入诱变改良农业微生物的研究进展及应用前景
孟佑婷;刘桂君;杨素玲;包放
【期刊名称】《安徽农业科学》
【年(卷),期】2012(000)019
【摘要】离子注入生物体诱变是人工诱变的新方法,利用其可以获得较高的突变率,扩大突变谱,从而为筛选优良的突变菌株提供了更广阔的空间.该研究综述了离子注入诱变微生物的机理、生物学效应和近年来该技术应用于农业微生物诱变改良的实例,同时分析了今后离子注入在农业微生物诱变育种工作中的发展前景.
【总页数】3页(P9992-9993,10014)
【作者】孟佑婷;刘桂君;杨素玲;包放
【作者单位】北京市辐射中心,北京100015;北京市辐射中心,北京100015;北京市辐射中心,北京100015;北京市辐射中心,北京100015
【正文语种】中文
【中图分类】S123;Q93
【相关文献】
1.离子注入技术在微生物诱变育种中的研究 [J], 梁慧星
2.微生物诱变育种技术-离子注入法 [J], 盛加元
3.离子注入诱变微生物应用与研究进展 [J], 张建华;王乃彦;张丰收;王广甫
4.离子注入微生物诱变育种研究进展 [J], 宫春波;刘鹭;谢丽源;贺稚非
5.一株离子注入诱变选育的高效微生物絮凝剂产生菌 [J],
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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。
重离子束诱变技术的研究及其应用
重离子束诱变技术的研究及其应用引言重离子束诱变技术是一种用于改变物质性质的高级技术，它在近年来得到了越来越多的关注和研究。
本文将从介绍重离子束诱变技术的基本概念和原理入手，探讨其研究现状，最后探讨其在生物医学、材料科学等领域的应用前景。
重离子束诱变技术的基本概念及原理重离子束，是指电荷量大、质量大，速度较快的带正电荷的离子束，通常是指速度在10万米每秒以上，质量达到下百质量数的带电粒子束。
而诱变则是指从一个物质状态到另一个物质状态的转变。
在物理学中，通过重离子束将物质的基本结构发生变化，形成新的物质，这也就是重离子束诱变技术的本质。
从微观结构上看，重离子的电子云圆球形而密集，其传输电荷的能力较强。
而其高速通过物质后，具有较大能量的电子云将材料中的原子内部层电子激发出来，并与外层的电子发生作用，从而改变原子的电荷状态，改变原子内部的排布及其离子化能量，其结果就是产生诱变。
这种诱变的产生难以通过其他技术实现，因而重离子束诱变技术便自然产生了。
重离子束诱变技术的研究现状重离子束诱变技术起源于20世纪60年代初期，当时被广泛应用于材料科学领域，用于改变材料的物理、化学性质。
近些年来，随着研究和发展的不断深入，人们开始逐渐发现了重离子束诱变技术的广泛应用前景。
具体来说，重离子束诱变技术主要应用于材料科学和生物医学领域。
在材料科学领域，其不仅用于改变材料的物理性质，如热阻、导热系数、硬度等，还可以改变材料的化学性质，如利用重离子束诱变技术将锂氧化物晶体结构改变成更加稳定的结构，从而改进锂离子电池的性能。
在生物医学领域，重离子束诱变技术可以用于肿瘤治疗。
重离子束在人体组织中的穿透能力较强，而且能够在目标肿瘤组织中形成高剂量区，从而使肿瘤组织得到更加准确细致的辐射，达到治疗目的。
同时，由于组织中正常细胞的受损较少，因此治疗成功率较高，副作用也较小。
重离子束诱变技术的应用前景重离子束诱变技术在生物医学和材料科学领域均有广泛的应用前景。
重离子束在微生物诱变育种及生物能源开发中的应用
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*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㊂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㊁独特优点㊁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㊂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,D e V r i e s(1904)提出了辐射诱发突变的利用,至今己有上百年的历史㊂多年来,传统辐射育种手段主要是基于紫外线㊁X射线㊁γ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]㊂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㊁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㊂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㊂重离子束特别是低能碳㊁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]㊂2 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 E T)大,能在生物介质中产生高密度的电离㊁激发㊁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B r a g g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㊁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(R B E)高,因此突变体的产生效率高且突变谱广㊂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D N A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D N A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㊂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D N A甚至全D N A,这就简化了步骤,可以缩短周期和降低成本[6]㊂此外,重离子参数多样,采用不同质量数㊁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(H I R F L)的冷却储存环(C S R)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㊂2.2 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㊂从离子注入到终点生物学效应,经历物理㊁化第24卷 第3期原子核物理评论V o l.24,N o.3 2007年9月N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w S e p.,2007*收稿日期:2007-01-23;修改日期:2007-05-15* 基金项目:中国科学院西部之光资助项目(O606180X B0)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;E-m a i l:l i r e n m i n@126.c o m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㊂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㊂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0.1M e V/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㊁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㊁沉积下来,与生物碱基[8]㊁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D N A损伤和生物体变异[11,12]㊂重离子束对生物体的作用是集动量传递[13]㊁能量及质量沉积[14]㊁电荷中和与交换[15]于一体的联合作用㊂2.3 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-效应曲线,这是重离子所特有的质量沉积效应的体现㊂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㊂存活率与剂量的关系式如下[18]: S=e x p{-P[αD+βD2-γD3e x p(-k D)]},(1)式中,S为微生物群体的存活率(%),D为辐照剂量(G y),其他符号参见参考文献[18]㊂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]㊂3 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㊂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㊂ 在抗生素药物方面,颉红梅等[21]用40A r14+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1150m g/l提高到3580m g/l;陈 宇等[22]用40 60k e V㊁剂量1×1011 5×1014i o n s/c m2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30k e V,剂量1.0×1015 5.0×1016i o n s/c m2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%㊂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20k e V 和15×1014i o n s/c m2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W J0521,筛选得到两株氨肽酶活力提高了30%的高产菌株M60-5-13和M80-10-7,经多次传代实验表明两菌株遗传稳定性良好,对M80-10-7的发酵条件初步优化后,进一步使产酶水平提高了77.5%㊂重离子辐照诱变微生物菌种改良在色素[27]㊁油脂[28]和多糖的生产中取得了比较理想的效果㊂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(A A)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%, A A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㊂4 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㊁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㊂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㊃532㊃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㊁利用率高㊁再生性强的特点,备受人们的青睐㊂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㊁棕榈酸㊁亚油酸和硬脂酸,这些脂肪酸经转酯化即可得柴油㊂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”㊂这为微生物生物柴油的生产提供了坚实的理论依据㊂受中国科学院 西部之光”人才培养项目㊁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 I R F L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㊂ 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㊁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㊂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㊂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1/4㊂这项工艺对推广燃料乙醇,节约能源㊁提高设备利用率和降低建设资金具有重要的现实意义㊂ 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㊁能源利用率高的新型能源已迫在眉睫㊂微生物资源丰富㊁原料来源广泛㊁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㊁基因重组等基因工程㊁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㊁改善环境㊁解决能源危机方面,发挥巨大的作用㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1]C h e n Y i g u a n g,L i M i n g g a n g,X u L i h u a,e ta l.J o u r n a lo fJ i a n g h a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n), 2005,25(2):46(i nC h i n e s e).(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]Y uZ e n g l i a n g.P h y s i c s,1997,26(6):333(i nC h i n e s e).(余增亮.物理,1997,26(6):333.)[3]Y uZ e n g l i a n g.I E E E T r a n s a c t i o n so nP l a s m aS c i e n c e,2000,28(1):128.[4]X i eH o n g m e i,W a n g H a o h a n,W e i Z e n g q u a n,e t a l.N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w,2001,18(3):174(i nC h i n e s e).(颉红梅,王浩翰,卫增泉等.原子核物理评论,2001,18(3):174.)[5]W e iZ h e n g q u a n,X i e H o n g m e i,L i W e n j i a n,e t a l.N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w,2003,20(1):38(i nC h i n e s e).(卫增泉,颉红梅,李文建等.原子核物理评论,2003,20(1):38.)[6]W e i Z h e n g q u a n,X i eH o n g m e i,Z h o uG u a n g m i n g,e t a l.C o l-l e c t i o no fA b t r a c t so f t h e2n dT e c h n i c a lC o n f e r e n c eo fP l a n tS c i e n c ea n d E x p l o i t u r ei n N o r t h w e s t.U r u m q io f C h i n a.2001,113(i nC h i n e s e).(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]W e i Z e n g q u a n,L iW e n j i a n,X i eH o n g m e i,e t a l.A c t aL a s e rB i o l o g y s i n i c a,1996,5(3):888(i nC h i n e s e).(卫增泉,李文建,颉红梅等.激光生物学报,1996,5(3): 888.)[8]L uR u n l o n g,Z h uX u e l i a n g,Y uZ e n g l i a n g,e t a l.J o u r n a l o fA n h u iA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,1991,18(4):294(i n C h i-n e s e).(鲁润龙,朱学良,余增亮等.安徽农业大学学报,1991,18(4):294.)[9]Y 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,1996,19(6):321(i nC h i n e s e ).(邵春林,余增亮.核技术,1996,19(6):321.)[16]S h a oC h u n l i n ,Y uZ e n g l i a n g .N u c l e a rT e c h n i qu e s ,1996,19(6):321(i nC h i n e s e ).(邵春林,余增亮.核技术,1996,19(6):321.)[17]S o n g D a o j u n ,Y a oJ i a n m i n g,S h a oC h u n l i n ,e t a l .N u c l e a r T e c h n i qu e s ,1999,22(3):129(i nC h i n e s e ).(宋道军,姚建铭,邵春林等.核技术,1999,22(3):129.)[18]S h a oC h u n l i n ,Y uZ e n g l i a n g .N u c l e a rT e c h n i qu e s ,1997,20(7):423(i nC h i n e s e ).(邵春林,余增亮.核技术,1997,20(7):423.)[19]W u D i n g ,L u G u i h o n g .C h i n aB r e w i n g,2002,(7):31(i n C h i n e s e ).(吴 定,路桂红.中国酿造,2002,(7):31.)[20]Z h a n g M i n g c h u n .M u t a t e dB r e e d i n g o f I n d u s t r y M i c r o o r g a n -i s m.B e i j i n g :S c i e n c eP r e s s ,1999,206(i nC h i n e s e ).(章明春.工业微生物诱变育种.北京:科学出版社,1999,206.)[21]X i e H o n g m e i ,W e iZ h e n g q u a n ,L i W e n ji a n ,e t a l .C h i n e s e J o u r n a l o fA n t i b i o t i c s ,1998,23(6):462(i nC h i n e s e ).(颉红梅,卫增泉,李文建等.中国抗生素杂志,1998,23(6):462.)[22]C h e nY u ,Z h a n g Z i x i n ,Z h a n g F e n g,e t a l .C h i n e s eJ o u r n a l o fA n t i b i o t i c s ,1997,22(6):410(i nC h i n e s e ).(陈 宇,林梓鑫,张 峰等.中国抗生素杂志,1997,22(6):410.)[23]Z h a oH o n g y i n g ,L i Y a n .J o u r n a l o fT i a n j i n I n s t i t u t e o f T e c h -n o l o g y,2001,17(1):14(i nC h i n e s e ).(赵洪英,李 彦.天津理工学院学报,2001,17(1):14.)[24]X i a n g D i ,L i J i o n g ,Y a o J i a n m i n g ,e t a l .A c t aL a s e rB i o l o g y S i n i c a ,2002,11(4):276.[25]Y a n g L i f e n g ,Y uL o n g ,Z h a n g N i n g .C h e m i s t r y &B i o e n g i -n e e r i n g,2005,(1):16(i nC h i n e s e ).(杨立峰,虞 龙,张 宁.化学与生物工程,2005,(1):16.)[26]W uQ i n g x u n ,G u H a i x i a n ,Z h a oG u a n g ’a o .F o o da n dF e r -m e n t a t i o n I n d u s t r i e s ,2006,32(1):15(i nC h i n e s e ).(吴庆勋,谷海先,赵光鳌.食品与发酵工业,2006,32(1):15.)[27]L iH o n g y u ,L iC h e n g h u a ,D i n g Xi n c h u n ,e t a l .F o 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1,L IW e n -j i a n 1(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 Sc i e n c e s ,L a n z h o u 730000,C h i n a ;2G r ad u a te S c h o o l of C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,B e i j i ng 100049,C h i n a )A b s t r a c t :A s an e wr a d i a t i o ns o u r c e ,h e a v y i o nb e a m sh a v ed e m o n s t r a t e dt h eo u t s t a n d i n g a d v a n t a g e i n m u t a t i o nb r e e d i n g .B a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ,t h eb a s i c p r i n c i p a la n du n i q u e p e c u l i a r i t y o fh e a v y io n b e a m s ,t h e a c h i e v e m e n t a n dt h e p r o g r e s s i nt h e r e s e a r c ho fm i c r o b i a lm u t a t i o nb r e e d i n g a r e r e v i e w e d i n t h e p a p e r .T h e p o t e n t i a l a p p l i c a t i o no f h e a v y i o nb e a m s t on e wb i o l o g i c a l e n e r g y i s a l s o p r o s pe c t e d .K e y wo r d s :h e a v y i o n ;m i c r o b i a lm u t a t i o nb r e e d i n g ;b i o l o g i c a l e n e r g y ㊃732㊃ 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*R e c e i v e dd a t e :23J a n .2007;R e v i s e dd a t e :15M a y 2007 *F o u n d a t i o n i t e m :W e s t e r nL i g h tT a l e n t sT r a i n i n g P r o g r a mo fC h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s (O 606180X B 0) 1)E -m a i l :l i r e n m i n @126.c o m。
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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 .
在能量低于 0 .1 MeV/u 时 , 与介 质的作用主 要表现为核碰撞阻止 , 它会造成介质中大量原子位 移 , 形成物质缺陷和分子组分与结构的变化 .即使 中 、高能离子 , 只要它们被阻止在所研究的物质中 , 那么在它们被阻止前总要经历能量低于 0 .1 MeV/u 的过程 , 因而也会具有低能 、 超低能的特性 :除了 能量转移外 , 还会发生电荷交换和质量沉积 .可以 利用这个特性来改造生物分子 , 进而可能造成生理 生化反应或遗传性状的改变 .
图 5 诱变后的牵 牛花与 对照 相比 , 花 瓣由 单瓣 变为 双瓣 , 颜色由粉红变为深红 ;左侧是对照
(2)提高药物活性 1)微生物 ———庆 大霉素生产菌绛红色小单孢
菌进行辐照处理后 , 选出了孢子量丰富 、 菌落出现 时间缩短 40 h 、 正突变率达到 69 .1 %的 、效价高达 2 000 μg/m L 的突变株 .
第 20 卷 第 1 期 2003 年 3 月
原子核物理评论
Nuclear Physics Review
文章编号 :1007-4627(2003)01 -0038 -04
V ol.20, No .1 M ar ., 2003
重离子束在诱变育种和分子改造中的应用
卫增泉1 , 颉红梅1 , 梁剑平1 , 袁世斌1 , 冯 岩1 , 谢忠奎2
2)辐照兽药喹烯酮后 , 使其抗菌 活性明显提
第 1 期
卫增泉等:重离子束在诱变育种和分子改造中的应用
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高 , 抑菌圈增大 , 最小抑菌浓度减小 . (3)改造分子结构
1)质子(p)辐照甘氨酸水溶液 , 使甘氨酸(分子 式为 NH2 CH2 CO OH)聚合成 甘甘 二肽(分子 式为 N H2CH2CON HCH2COO H).
还可以通过实验寻找参数合适的重离子 , 来进 行生物分子改性研究 , 或进行药物分子的改造[ 6] , 最终达到人工制造人类需要的新分子 , 使其在加快 新药研制 、 治疗疾病 、 优化物种 、 推动生物进化中 起积极作用 , 由此可建立起一门新的生物技术 ——— 重离子束生物工程 .
2 理论基础
重离子束作为一种新的辐射源 , 在生命科学研 究中居有重要的独特地位 , 因为它具有常规辐射源 所没有的优势 :(1)传能线密度(LE T)大 , (2)相对 生物效率(RBE)高 , (3)损伤后修复效应小 , (4)能 量沉积的空间分辨性好 , (5)氧效应小 , (6)细胞在 不同时相内对重离子束敏感性的差异小 , 等 .
1 引言
常规的 X , γ射线和中子等中性辐射会造成细 胞 、 生物分子的损伤和突变已被研究所证实 , 它们 的应用在诸多领域中已经实现 , 机理研究也进入到 相当深度 .然而 , 荷能重带电粒子(即重离子束)对 生物影响的研究及其在生命科学领域中的应用方兴 未艾 , 有待进一步开发 .
为了科学地 、 有效地实现重离子束在生命科学 领域中的应用价值 , 近年来 , 核物理学家和生物学 家合作 , 对其在物理学和生物学上表现出的特征开 展了广泛的研究 .重离子束对生物体系的作用 , 按 其能量的高低可能有 3 种基本过程 :在能量较高或 受体线度较小的情况下 , 表现为重离子束贯穿 , 这 时主要是能量转移 , 即能量传递的一重效应 ;在上 述情况下若有电荷交换 , 即表现为能量与电荷的二 重效应 ;在能量较低或受体线度较大时 , 表现为重 离子束注入 , 这时便会产生能量动量转移 、 电荷交 换及质量沉积三重效应 .
基于上述理论 , 我们进行了多年重离子束在生 命科学领域中的应用基础研究 .
重离子束是 由兰州重离子加 速器国家 实验室 (NLHIAL)兰州重离子研究装置(H IRFL)提供的 . 目前该装置可提供 20 多种稳定离子束 (最高能量 可达 100 MeV/ u)以及几十种放射性离子束 (最大 流强可达 106 ions/ s).在为应用研究建立的辐照终 端上 , 可提供面积最大可达 5 cm ×5 cm 的比较均 匀的离子束 .在该装置上除主要研究重离子物理基 础研究外 , 还为重离子物理相关交叉学科的应用及 其基础研究创造了条件 .近年来 , 我们所做的工作 及取得的初步成果大致如下 :
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所创新项目(210069) 作者简介 :卫增泉(1939 -), 男(汉族), 江苏吴县人, 研究员 , 博士生导师 , 从事(重离子)物理学与生命科学交叉学科的研究 .
第 1 期
卫增泉等:重离子束在诱变育种和分子改造中的应用
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重离子的 LE T 要比 X , γ射线的大得多 , 因此 它对生物介质作用到的部位损伤很密 , 造成细胞核 中 DNA 分子双链断裂比例显著增加 , 表现出损伤 程度比较严重 , 不是细胞致死 , 就是突变率高 , 而 且损伤不易修复 , 突变体稳定较快 .这些特性在诱 变育种中具有很大的优越性 , 可以采用较小的剂量 达到诱变目的 , 而且突变率高 、 突变体稳定性好和 育种周期短 .
以上新品系已在甘肃省中 、 西部地区试种千亩 以上(最多已近 3 万亩), 深受农户欢迎 , 拟在品种 审定后 , 正式提供生产 , 推广使用 .
3)诱变进口马铃薯“大西洋” , 当代大薯率增加 50 %, 小薯率减 少 50 %, 单株上结 实个大 、 数多 , 单株产量提高 30 %—50 %(见图 2).
图 2 诱变后的进口马铃薯“ 大西洋”(左边)
4)诱变 新疆白皮脆瓜 , 当代就获得含糖量增 加 、肉质颜色变深 、 个大和一藤结 4 瓜(原一藤只结 一个)等优良变异株(见图 3).
5)诱变蔬菜荷兰豆 , 当代就选育出茎杆变矮 、 肉质增厚 、嫩荚宽度增大的优良变异株(见图 4).
6)辐照处理禾本科草籽“ 美国细茎披碱草”和 菊科草籽后 , 在大田中已选出叶片变厚 、 叶色深绿 、 生长势增强的禾本科牧草与叶片形状 、 茎杆和叶脉 颜色发生了很大变化的菊科品种新株系 .
重离子束在辐照生物体系时 , 受体细胞表面受 损和穿孔 , 从而引起细胞膜透性和跨膜电场改变 , 有利于带负电荷的外源 DNA 主动进入细胞 .另一 方面 , 重离子束辐 照导致受体 DNA 损伤 , 激活受 体细胞的修复机制 , 有利于外源 DNA 与受体细胞 DNA 的重组和整合 .这两点有可能提高外源基因 导入率 、 克服转基因沉默并延长表达时间 .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 、降低成本[ 7] .
3 科学实践
来描述 , 式中符号见参考文献[ 2] .一方面 , 重离子 随着能量不断损失而速度逐渐减小 , 另一方面 , 在 离子路程上因获得电子而使其电荷数变小 , 因此在 开始一段路程上 , 能量损失值几乎保持不变 .随着 离子向前行进 , 速度越来越小 , 而有效电荷数不再 变化 , 直到离子能量耗尽时 , 整个射程 骤然截止 . 截止前产生一个尖锐的能量损 失峰 , 即 Bragg 峰 , 此时 LE T 在很长一段行进路程上相对较小 , 到最 终骤然增大 .这种能量沉积空间分辨高的特性 , 就 会使生物系统受到严重影响的部位是局部的 , 其它 部位影响较小 .因此 , 总体来看 , 重离子束对生物 体系的作用 , 有利于获得更多突变体 , 提高突变率 . 同时 , 这种局部受损的部位可以随离子能量的高低 而变化 , 是可以调控的 、 可以选择的 , 这有利于实 现宏观定点定位诱变 , 探索定向育种 .这种能量沉 积空间分辨性好的特性也非常适用于肿瘤治疗 , 它 能高效 、 准确地杀死癌细胞 , 对消除癌细胞集中的
图 4 诱变后的蔬菜 荷兰豆 , 与 对照 相比 , 茎杆 变矮 、 肉 质 增厚 、 嫩荚宽度 已选育出茎杆变粗 、 颜色变深 、 茎叶铺展 面扩大 、 生长茁壮的新株系 .
8)牵牛花籽被处理后 , 使其结出的花瓣由单瓣 变为双瓣 , 由粉红变为深红(见图 5).