第6章.核辐射应用技术

根据照射时间的长短，分为急性照射和慢 性照射。 • 急性照射 指采用较高的剂量率进行短时 间处理。 • 慢性照射 是在长时间内进行低剂量率的缓 慢照射。 材料在慢照射时较急照射时的损伤轻, 形态畸变少,且诱变效果稳定。 照射材料包括：种子、球茎、块茎、鳞茎、 花粉、植株等。
内照射 将放射性核素引入植物体内，在体内 进行照射。其具有剂量低、持续时间长、 多数植物可在生育阶段进行处理等优点， 但操作和管理较麻烦，目前已很小应用。
克服远缘杂交不亲和性 通过照射花粉，可克服不亲合性，提高结实 率，使远缘杂交成功。 其他独特用途 如促进孤雌生殖；诱发染色体结构变异创造 不育性或无籽果实；诱发体细胞突变，创造果树 及无性繁殖植物的新品种等。 诱变的方向和性质难以控制 在一个突变体中，很难出现多个理想性状的变异。
类型
诱变常用的辐射类型 电离辐射
• 程序 □处理材料的选择
□剂量和剂量率的选择 □诱变处理和的栽培选育 □突变体的筛学与鉴定
处理材料的选择 • 综合性状良好，只存在个别缺点的品种 • 杂交材料 • 单倍体 • 多倍体
处理部位的选择
可处理干种子,湿种 子,萌动种子,应用较 多的是处理干种子。
1.种子
优点是很少 产生嵌合体
2.完整植株 3.花粉 4.子房 5.合子
参见：张伟.关于参加在美国举办的用辐照技术确保食品微生物安全培训的报 告.口岸卫生控制,2003,8(2)
设施
• 工业用食 品辐照装 置是以辐 射源为核 心，并配 有严格的 安全防护 设施和自 动输送、 报警系统。
食品辐照的生物学效应 生物学效应指辐射对生物体如微生物、病毒、 昆虫、寄生虫、植物等的影响，这些影响是由于 生物体内的化学变化造成的。 微生物 直接效应
诱变二代M2 • M2的种植：根据收获种子的方式按处理点播 • M2的选择：是选择的关键世代，根据育种目标多 采用单株选择法。 M3及以后世代的种植与选择 • 种植：入选突变株种成株行。 • 选择：稳定的株行可混收，分离的株行继续选株。
突变体鉴定和选择
• 形态鉴定 • 细胞学鉴定
目测或借助于简单工具 进行观察、记载、考种 鉴定染色体的结构变 异, 用材料的初生根
突变类型
转换 同型间 T→C
碱基替换 取代突变 碱基倒位 基因突变 颠换 异型间 A→C
碱基缺失 ATCGAT→ATGAT
移码突变 碱基插入 ATCGAT→ATCGGAT
方法
外照射 指被照射植物材料置于外部辐射源接受照射的 方法。这种方法简便，在诱变育种中比较常用。
钴室
钴圃
3．诱变机理： ⑴.自发突变： ①由宇宙射线或环境中的其它天然诱变因 素引起； ②由于正常细胞中酶出“差错”在内部形 成能起诱变 作用的代谢产物改变DNA分子的结构。 ③重组本身不对等交换，也能产生可遗传 变异。 果蝇：16A区段16A重复棒眼
• • • • • 选择适宜的育种材料。 确定适宜的诱变剂和诱变剂量。 采用适宜的处理生育期。 可采用综合诱变处理。 与其它育种方法相结合。
展望
与杂交育种结合 将突变性状转到另一品种，突变体之间杂交可 以产生更优良的品种。 与组织培养结合 诱变处理组织和细胞的离体培养，有助于发 现、分立和培育突变体。 与远缘杂交结合 通过花粉处理，可克服不亲合性，提高结实 率，使远缘杂交成功。 与分子标记结合 DNA标记用于突变体的筛选和鉴定。
微粒辐射 不带电粒子 带电粒子 中子 电磁辐射 射线 射线
非电离辐射
紫外线
质子 粒子 粒子
其他最新技术
激光辐照诱变 辐照源为2000-10000 A°激光 。 离子注入诱变： 辐照源为加速器产生 的各类粒子束流。 空间诱变育种 通过返回式卫星或高 空气球(30-40km )搭载， 利用空间的特殊环境进行 诱变的途径。
特点 提高突变率,扩大变异谱 自然突变频率低 , 辐射可增大突变频率 1000 倍左右，诱发全新类型，迅速丰富基 因库，扩大选择范围。 适于改良品种的个别单一性状 对亲本辐射诱导点突变，可改变某一 缺馅，提高其综合性状,如作物的抗逆性诱 变。 育种程序简单,年限短
打破不良基因连锁,促进有利基因重组
• DNA分子标记与突变体的筛选和鉴定
通过分析DNA标记， 间接对某些农艺性 状进行选择
提高诱变育种效率的方法 衡量诱变效果的指标 • 突变率 某一突变类型个体数占调查群体总数。
M 2发生突变的株数 突变率 100 M 2种植的总株数
• 诱变效率Biblioteka Baidu
突变率 诱变效率 生物损伤率
工艺及技术手段
航 天 葫 芦
航椒1号
航茄2号
机理
在分子水平上，诱变机理研究主要围绕 DNA损伤、修复及其与突变形成的关系进行 的。 辐射可使A-T，C-G之间的氢键断裂； DNA链中糖与磷酸基之间发生断裂;DNA上相 邻胸腺嘧啶之间形成二聚体；DNA链的断裂 和交联。 DNA损伤后，若发生错误修复，并在复 制过程将其保留，则形成突变。
环境因素
影响辐射效应的环境因素。
□氧效应：在有氧条件下能显著增加辐射的敏感性。
□水分效应：当种子含水量增加到使种子萌动的程度时， 对辐射的敏感性急剧增加。 □温度：辐射敏感性随辐照时温度的降低而减弱。 化学因素 辐射敏化剂 抑制染色体的扩散 , 如 EDTA ，抑制损伤的修 复,如咖啡因；辐射保护剂 有利于损伤恢复，降低辐射生 物学效应的物质，如酪氨酸 苯丙氨酸 色氨酸。 物理因素 主要射线种类、剂量率、照射方式等对植物辐射敏感性的 影响。
有时可诱发 孤雌生殖
6.营养器官
7.组织培养物
一旦获得好的突变体, 就可直接繁殖利用。
剂量和剂量率的选择
作物的因素 对辐射的敏感性。测定辐射敏感性 的指标： • 生长受抑制的程度 半致矮剂量(D50) • 植株成活率 致死剂量（LD100） 辐射引起植株全部死亡剂量。 半致死剂量（LD50） 辐射引起50%植株死亡剂量。 临界剂量 辐射后植株存活40%的剂量。
食品辐照保藏
概念
利用电离辐射照射的杀虫、灭菌、抑制发 芽、抑制成熟作用，通过辐照以减少食品贮存和 运耗损，延长货架期，提高食品的卫生品质的食 品加工技术。 特点 优点 • 杀菌杀虫彻底，剂量可根据需要进行调节。 • 在剂量（＜5kGy）照射不会使食品发生感官上 的明显变化。 • 高剂量（>10kGy）照射，食品中总的化学变化 也很微小，没有感生放射性。
染色体畸变
指染色体数目的增减或结构的改变。因此， 染色体畸变可分为数目畸变和结构畸变两大类。 数目畸变 1）单体性 二倍体细胞的某同源染色体只有一 个而不是两个的现象，即2n-1。 2）缺体性 二倍体生物的体细胞缺失了某一对 同源染色体的现象，即2n-2。 3）三体性 二倍体细胞的某同源染色体为三个 的现象，即2n +1。 4）多体性 二倍体细胞的某同源染色体的数目 在三个以上的现象。
A. 细胞内蛋白质、DNA受损 即 DNA分子碱基发生解离或
氢键断裂等，DNA分子本身受到损伤而致使细胞死亡——直 接击中学说 。 B. 细胞内膜受损 造成细胞膜泄漏，酶释放出来，酶功能
乱，干扰微生物代谢，使新陈代谢中断，从而使微生物亡。
•G- > G+ > 酵母 > 霉菌(敏感度)
诱变剂量的确定原则 诱变效应与剂量成正比关系，剂量过高存活 率太低，或染色体畸变较多，过低则突变率太低。 • 原则：
□活：后代要有一定的成活植株。 □变：在成活植株中，有较大的变异效应。 □优：产生的变异有较多的有利突变。
诱变处理后的选育
无性繁殖园艺作物后代选择
特点 □存在嵌合体； □处理群体小； □评选优良基因型需要时间长。 方法
□分离繁殖法 □ 短截修剪法 □不定芽法
有性繁殖园艺作物后代选择 诱变一代M1 经过诱变处理的种子或营养器官所长成的 植株或直接处理的植株。 M1的种植与选择 按不同处理点播或稀条播，如果处理的是种 子，多采用密植； M1的选择，原因： • M1存在着生物学损伤，植株生长较差。 • 突变往往发生在个别细胞中，植株是由变异和不 变异的细胞组成的嵌合体。 • 突变多是隐性突变，形态上不易显露出来。
结构畸变
在射线作用下，染色体断裂的频率增加，断 裂后的染色体重新连接，产生四种结构变异染色 体 缺失 丢失了带有基因的片段。 重复 染色体个别节段的增加。 倒位 染色体的某一节段发生断裂后，倒转 180°又重新连结起来。 易位 非同源染色体之间交换片段。
基因突变
• 分子机制: 基因相当于染色体上的一点，称为位点 (1ocus)。 一个位点还可以分成许多基本单位，称为座 位(site)。 一个座位一般指一个核苷酸对，其中一个碱 基发生改变可能产生一个突变。 所以，突变就是基因内不同座位的改变。 一个基因内不同座位的改变形成许多等位基 因复等位基因。
新种质及利用 与诱发突变品的直接利用相比，诱变创生的 种质资源的利用价值则更大。利用诱变手段几乎 可以实现对植物所有重要性状的改良，如生育期 、株型结构、抗耐逆境、籽粒与营养品质和产量 潜力等。 辐射突变种质资源在品种培育和功能基因组 等基础研究中发挥着重要作用。突变体基因资源 不仅对定位和克隆未知基因具重要意义，对研究 已知相关基因的结构与功能也有重要价值。
优点 • 产生的热量可忽略不计，保持食品原有的特性 和风味。 • 放射线穿透能力强、均匀，对其辐照过程可准 确控制。 • 对包装无严格要求，并可连带包装照射，避免 二次污染。
缺点
• 杀菌剂量的照射下，酶一般不能完全被钝化。 • 经辐照处理，食品的化学变化虽然在量上是微 乎其微的，但敏感性强的食品经高剂量照射可能 发生感官性质的变化。这些变化是因游离基的作 用而产生的。
• 植株不育程度（不育株%） • 幼苗根尖和幼芽细胞分裂时染色体畸变率 • 以细胞分裂间期细胞体积、染色体体积作 指标。
对辐射敏感性的差异
1）不同科、属、种、品种敏感性不同 豆科>禾本科>十字花科 2）不同倍数植物敏感性不同 二倍体>多倍体 3）不同器官、组织、细胞、成分敏感性不同 植株>种子；根>叶；分生组织>其它组织 性细胞>体细胞；卵细胞>花粉细胞 4）不同发育时期、不同生理状态辐照敏感性不同 幼龄植株>老龄植株； 未成熟种子>成熟种子；萌动芽>休眠芽。
第6章．辐射应用技术
中国农业大学 齐孟文
诱变育种 概念 利用物理、化学因素诱导植物的 遗传特性发生变异，根据育种目标要 求，对突变体进行选择和鉴定，直接 或间接地培育成生产上有利用价值的 新品种的育种途径。
成就
新品种及应用
据FAO／IAEA突变品种数据库最新统计，到2009 年9月底，有60多个国家在170多种植物上育成并通过 商业注册的植物突变品种总数已达3088个，其中突变体 直接利用品种1984个，占突变品种总数的64．2％。 我国已累计在45种植物上培育出802个植物突变品 种，占国际同期育成植物突变品种总量的1／4强、国内 同期各种方法培育成新品种总数的8．6％，种植面积约 占全国推广良种种植面积的10％，最大年种植面积达到 900万hm2。
应用
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进出口水果及农畜产品的辐照检疫处理； 低质酒类辐照改性； 干果、脱水蔬菜和肉类辐照杀虫； 调味品的辐照灭菌； 中药材的灭菌和杀虫； 辐照处理和其他保藏处理方法综合应用的研究。
安全
○感生放射性 感生放射性的产生与使用辐照剂量有关。射线能量了只有达 到一定阈值后,才能使被照物质产生感生放射性。目前应用于食 品辐照的放射源几乎都是Co-60和Cs-137 的γ 射线和电子加速器 为能源的食品辐射能量都远低于产生感生射线的能量阈值。因此 辐照食品本身不会产生感生放射性。 ○放射性沾染 辐照食品本身不存在放射性物质沾染问题。辐照时,辐射源 密闭于多层钢管内不会泄漏,只是以辐射照射食品，因此，不存 在放射性物质沾染的可能。 ○毒理性指标 大量的物毒理试验表明，在通常照射剂量下,食物未出现致 畸、致突变与致癌反应。WHO 及FAO于1980 年正式提出了 “经小于10KGy 剂量辐射的任何食品,都没有毒理方面的问题,没 有必要再进行毒理学试验”的结论。