重离子束在微生物诱变育种及生物能源开发中的应用

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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

(1)改良植物品种采用了各种不同种类、不同能量的离子 , 连续多年对不同种类的植物进行了诱变育种 , 通过实验室观察与田间培育 , 已经获得了一批新品系和许多突变材料 , 其中较好的有 :
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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 .

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

董，喜存一李文建（中科院代理究，肃州３０．国学研生，京ｌ３１国学近物研所甘兰７０２科院究院北ｏ９．０；中０ｏ）ｏ
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Ａ５４文章编号０１— ６１（８１ — ４４０５７６１（￣）０９ — ２２２２
１ｔｔｌａｒｆｎｏｕｔｎｆｈｈｍｆｉａｉｔｈｏｇｄｉａｐｃｉｎｓｅｔ￣ｕｄｅｔａｒｏｅ．ｎｓ８．ｈａｉｅｂｅｉｒｃｏｏｔｅｙｏｏｂｍｂ－ｃｎｌｙｎｔｐｌｔｎｉｗｅｓｍａａｗｓｅｒｄＡｄｌｎＩｅｒｃｉｔｄｉｅｔｎｅｏｅｏａｓｉｏａｏｎｙｓｐｔａｏ眦
ＣＡＳ．
ＫｅｏｓＭｕａｉｎｔｃｎｑｅｉｄｅｄｂｏｅｍ；ｗｅｏｇｕ；ａｔＦｅｔａｏｙｗｒｇｔｔｅｈｉｕｎｕｅｙｉｎｂａＳｅｔｓｒｈｍＹｅｓ；ｕｌｅｈｎｌｏ
２０世纪６ｏ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。

重离子的辐射生物效应及其在生命科学中的应用_贾蓉

和核技术的发展，人们在地面建立了重离子加速器装置，这种装置的建立，不仅大大促进了核科学的研究与相应技术的发展，也促进了核技术在生命科学基础与应用领域的研究，更好的理解 DNA 团簇损伤与修复机制及重离子在生命科学中的应用，能为未来研究方向提供方便，促进对重离子辐射危害的评估与防护策略的建立，以及其得到更好的应用。
电离辐射通过射线的直接作用和间接作用引起
Single break
অ䬮ᯝ㻲 SSBs
Chemical change
⻡สᦏՔ APs
Double break
DNA 分子发生多种类型损伤，包括如图 1 所示的碱基位点损伤（Apurinic/apyrimidinic sites，APs），损伤碱基（Oxidized purines or pyrimidines），单链断裂（Single-strand breaks， SSBs）或双链断裂（Double-strand
重离子是指重于元素周期表中 2 号元素氦并被电离的粒子。线性能量传递（Linear energy transfer， LET），又称为传能线密度，是描写射线性质的一种物理量，单位为 J/m，常用 keV/μm 表示，指的是电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量，即电离辐射贯穿物质时，因碰撞而发生的能量转移。重离子属于高 LET 类型的粒子，这种粒子在其穿透的路径上，产生很强的局部电离，与传统的光子辐射（如 X、γ 射线）相比，会诱导更严重的辐射损伤生物效应。外太空中存在着高能量的质子和重离子，它们对生命体细胞会产生严重的电离作用，导致细胞死亡、染色体畸变和癌症发生，影响着外太空航天员的健康安全
·综述与专论·
BIOTECHNOLOGY

离子束生物技术在生命科学中的应用

离子束生物技术在生命科学中的应用第29卷第2期2006年2月核技术NUCLEARTECHNIQUESV o1.29,No.2February2006离子束生物技术在生命科学中的应用曾宪贤,武宝山1,2吕杰,21(新疆大学离子束生物工程中心乌鲁木齐830008)2(新疆大学物理系乌鲁木齐830046)摘要我国科学家80年代发现了离子注入的生物效应,并将这一原理应用于诱变育种.本文介绍了离子束生物技术及原理,低能离子束注入生物学效应的研究,离子束生物技术在新疆的应用和发展.关键词离子注入,诱变育种,应用中图分类号TL503.4,Q691.$816_3受太空育种等辐射育种的启发,20世纪80年代中国科学院等离子体物理研究所开创了离子束注人生物新技术.经过二十多年的发展,该技术研究无论在理论还是实际应用方面都取得了一定进展.在诱变育种,转基因以及环境辐射与人类健康等方面取得了一些重要的阶段性研究结果.其中在植物及微生物诱变育种的研究应用中,利用离子注入进行品种改良已在生产实践中得到广泛的推广应用.离子注入是一种具有能量沉积,动量传递,质量沉积和电荷中和与交换联合作用的诱变源,相当于一种复合诱变源,使该技术比其它诱变方法能产生更为广泛的诱变图谱.因此,离子注人进行生物诱变育种已成为诱变育种研究的热点.本文对离子束生物技术的原理进行了概括,并对离子束生物技术在新疆的应用与发展进行了综述.1离子束生物技术及原理核技术是现代科学技术的重要组成部分,是当代最主要的尖端技术之一,也是社会现代化的标志之一.核技术的范围十分广泛,它包括核武器,核动力,同位素和辐射技术.民用非动力核技术应用产业包括的内容之一是辐射加工和材料改性.离子束在生物技术上的应用是我国在80年代中期由中国科学院等离子体物理研究所余增亮研究员等一批科技工作者开创的新的研究领域,是育种方法学的重要创新.离子束生物工程学自诞生以来,已成为名副其实的高新技术成果孵化器.在装置发明,方法学创新,新种质资源创建,新品(菌)种培育等方面,每年都有一批成果产出.离子束诱变技术,离子束DNA大分子转移技术,离子束辅助农杆菌遗传转化技术,离子束介导超远缘分子杂交技术和离子束细胞加工技术等,已成为具有我国自主知识产权的定向遗传改良的新方法,新途径….离子束诱变育种与传统的辐射法及化学诱变剂相比,具有损伤轻,突变率高,突变谱广,遗传稳定,易于获得理想新品(菌)种等特点,对品(菌)种的选育是较理想的方法.可以预言,离子束在科学中的应用研究正处在重大突破前夜,并将成为2l世纪生命科学研究的支撑技术之一.重离子通常是指原子序数比氦大的,被剥离或部分剥离了轨道电子的原子核,带正电荷,如碳,氮,氖及氩离子等.低能重离子通常是指l0～lOOkeV的重离子.然而由于过去通常认为低能离子注人生物体组织的深度有限,对机体作用不大,因此国际上在这一领域内的研究主要限于l0.～10eV的高能重离子的辐射生物学及其在肿瘤治疗上的应用,而低能重离子的研究主要集中在半导体掺杂和离子注人金属材料表面改性方面.重离子与x射线,Y射线(都属于光子流)及电子束等低线性能量转移值(Linearenergytransfer.LET)辐射相比具有一些重要的特征:如传能线密度高以及能在生物组织内产生高密度的激发和电离作用等.在能量损失过程中在射程末端形成电离峰(又称Bragg峰),因而离子作用于生物体的主要效应是局部的,可控的,可选择的,相对生物学效应大,氧增比小,损伤可修复性小等.由于这些独特的性质,低能重离子在生物学,医学和农业上正展现出美好的应用前景,成为辐射生物学发展的一个新领域并日益引起人们的兴趣l2】.1986年,中国科学院等离子体物理研究所余增亮率先把低能重离子注入技术应用于水稻诱变育国家自然科学基金项目(19865001),岛鲁木齐巾重大基金项目(YO010),崮家发改委高技术产业化示范工程项Lt(发改高计[200412077号)第一作者:曾宪贤,男,1942年5月出生,1964年毕业于北京大学,教授,硕十研究生导师,主要从事核物理和离子束生物工程方面的研究收稿日期:200510.09第2期曾宪贤等:离子束生物技术在生命科学中的应用种,表现出生理损伤小,突变谱广,突变频率高的统计结果,并有一定的重复性和方向性的诱变效应, 开辟了低能离子与生物体相互作用的新的研究方向,建立了质量,能量,电荷三因子作用的机制体系,创立了"离子束生物工程学"(也叫低能重离子生物学).这一新型的交叉基础学科被认为是中国兴起的辐射生物学发展的新领域,填补了辐射生物学的空白,受到国内外专家的关注.经过十余年的努力,离子束生物工程学在基础研究领域为分子生物学,遗传工程等方面的研究提供了新的研究手段,同时新的实验证据使得人们对低能离子在生命中的作用有了新的认识.1.1低能离子束注入生物学效应的研究加速后的重离子具有一定的静止质量,注入生物体后可使质量,动量,能量和电荷共同作用于生物体,且注入离子同时还具有高LET和尖锐的Bragg峰.不同的质量数,电荷数和能量又可根据需要进行组合,这种离子注入生物体后质,能,电的联合作用比核辐射对生物体的作用内容更为丰富,它将会对生物细胞乃至生物大分子的生理,生化功能产生重大影响,从而引起染色体突变I引.注入离子与生物体作用的原初过程可分四个方面,即能量的沉积,动量的传递,质量沉积和电荷的交换,此过程大约在10-一lOS内同时发生,很难区分各自的独立作用.1.2离子束生物工程学的应用进展离子束注入作为新的诱变源表现出损伤轻,突变谱宽,突变率高的统计结果,因此具有良好的应用前景【5】.在遗传改良上应用开展最早的是诱变育种.据统计,仅1994年至1997年,经离子束处理选育出的8个新品种,新增经济效益就达l5亿元【6J. 众所周知,作物产量,品质,抗性等性状往往是由多基因控制的.传统的诱变技术在对这些性状的改良上效果不佳,而离子束诱变技术对这些性状的改良效果显着.其原因在于离子注人除了像一般辐射一样由于能量作用引起DNA链断裂外,还由于质量,能量,电荷的三因子协同引起大量受体原子移位,重组,形成新的分子结构和基因,产生丰富的基因突变.因而,可以在损伤轻的情况下获得较高的突变率.这种诱变技术自应用以来,一直倍受青睐.目前,在农作物诱变育种方面,离子注入改良的范围几乎涉及所有的主要粮食和经济作物.离子束在改良微生物方面也取得了可喜的成果.淮南制药厂林可霉素出发效价2600u/mL,经过中国科学院等离子体物理研究所离子束生物工程实验室微生物攻关小组一年的诱变筛选后,效价达到3100u/mL,提高了25%.经过两年的筛选,之江霉素发酵水平由200单位提高到500单位[4】.经过离子注入筛选的花生四烯酸生产菌发酵水平高于出发菌70.5%,中试效果良好,AA产量最高达4.59g/LJ.利用离子注入单宁酶菌产生菌——黑曲霉选育高产菌株,获得高产菌株酶活可达34.5u/mL,较原始出发菌提高近5倍.远缘杂交是创造新物种和向异源物种转移有利基因的重要途径,具有重大的理论和实践意义,但由于亲缘关系较远的物种间存在生殖隔离,会出现远缘杂交中的不亲和现象,使杂种不结实.因此,有关提高远缘杂交结实率的研究是十分有意义的. 离子束生物工程在创造新资源和远缘杂交方面取得了较大的进展.用紫玉米全DNA转化水稻得到的玉米稻新品系,茎杆粗,抗倒伏,光合速率比原品系提高84%,区域试验中亩产在650kg以上.安徽农业大学用离子束处理玉米得到的高光效多穗型材料一对生玉米,对玉米高产育种是一种极其宝贵的中间材料.安徽农业大学利用离子注入技术注入海岛棉和陆地棉杂交F1种子,其后代遗传性稳定, 从中选育出了结合海岛棉和陆地棉性状的稳定优良品系J.因此,离子注人对于生物体的作用是多方面的.离子束外源基因转移技术是低能离子束注入在生物工程上应用的重大进步.这种技术的原理是利用离子束对植物细胞的刻蚀作用【9J,造成受体细胞表面的损伤和穿孔,从而引起细胞膜透性和跨膜电场的改变,将外源基因引入植物细胞.转基因的方法很多,但作为一种新的导入外源基因的方法,低能离子束介导的外源基因转移技术的突出优点是: (1)利用种子胚和愈伤组织等作为外植体,便于取材和批量操作,同时也省去了原生质体制备和再生植株的麻烦,是一种方便,有效的外源基因转移技术. (2)由于向生物细胞注人的是带电荷的离子,带正电的离子注人后,电荷交换使微通道积累正电荷,便于吸引带负电的外源DNA主动进人细胞.(3)利用离子束作用细胞体时存在峰值,如果对峰值控制得当,就可以对微通道内的部分染色体造成损伤,便于外源DNA与受体细胞DNA的重组和整合.在总结多种植物的多品种转化经验的基础上,离子束介导转基因技术体系已经初步形成.2离子束生物技术在新疆的应用和发展2.1离子束注入装置新疆大学离子束生物工程中心科研人员从114核技术第29卷1997年开始借用中港合资新疆贝肯工业发展有限公司的LCD.1000多功能离子注入机对新疆农作物种子进行改良.该机主要用于金属材料改陛,其本身的结构(靶室,离子源,真空系统,操作控制,机电能源)不适合离子束生物工程的研究与应用. 为此,本中心需对离子束生物工程装置的智能化, 小型化和特殊靶室进行设计,加工和安装,其目标为:研制能处理含水量高的特殊样品靶室,靶室直径不小于900mln,并有可自动控制转速,角度的转盘,转盘上可放6__8个直径为200m/n的样品盘. 设计,加工用于微生物,植物细胞离子束处理的无菌操作环境的小靶室.2.2离子束农作物育种新疆长绒棉l7万亩,品质优良,但产量只有1.5X10t;陆地棉1485万亩,产量1.4X10.t,而品质急需提高;甜菜165万亩,产糖5.31×10.t,而含糖率逐年下降;甜瓜22万亩,产量2.95X105t; 西瓜26万亩,产量4.95X10t.在这些新疆特色农业中,提高含糖量,产量,早熟,抗病是急需解决的课题.新疆的红色食品,如西红柿,辣子,红花,枸杞子,红枣以及新疆特有的食(药)菌均可用离子束生物技术培育新品种(系),使其更加发挥新疆特色农产品及特色食品加工业的优势.(1)《离子注入对新疆甜菜品种的改良和生物效应研究》已于2002年6月通过自治区科技成果鉴定.该项研究在甜菜育种上做了开创性工作,获得甜菜早熟亲本材料一份,甜菜产量和含糖量同时增加的亲本材料二份,填补了国内外在甜菜育种上应用离子束技术的空白,达到国际同类研究的先进水皿[1O,l1】l0(2)离子注入的加工番茄比对照早熟20d,产量提高25%,番茄红素等七项品质因素略有提高,当代效应十分明显.Mz代稳定遗传,今年产量提高到3O%【.(3)四平头辣椒经离子注入后显着提高了对疫霉病的抗性,有望解决多年来一直困扰生产的辣椒抗病难题.今年处理的四平头辣椒继续表现出对疫霉病的抗性.(4)不同注量的低能离子注入五叶茄种子,通过M1代和M2代的筛选,分离,筛选,M3代已出现了完全不同的性状表现.座果数高达4.6-_6个,最大果重1.9—3.45,同时,两处理的M3代外形和果色也有明显区别u引.(5凝离子注入的麻黄草种子的发芽率和出苗率从原来的20%提高到了90%以上.正在进一步研究和开发右旋麻黄素的含量.(6)百日草经离子束注入后,由一种颜色变为五种颜色,可为花卉市场提供新材料.2.3离子束微生物育种(1)国内外将离子束生物技术应用于谷氨酸高产菌株的选育,经过一年多的努力,获得了产酸率比出发菌株提高了二个百分点以上的优良菌株2 株,中试后,可进行技术转让ll.(2腐子注入纤维分解细菌的研究在国内外也已经提出.N注入后,FPA活性提高了4.1倍, CMCase活性提高了2.5倍;N注入后,纤维素酶的pH稳定性,温度稳定性和对底物的适应性均有不同程度的提高Il引.设计了引物Pl,P2,以高酶活菌株和出发菌株总DNA为模板,用引物Pl及P2进行PCR扩增,得到大小约1500bp的扩增产物.序列分析测序结果与GeneBank中的相关序列进行同源性比较,表明获得所要的纤维素酶基因序列其全长为1500bp,该序列已被GeneBank,收录登录号是AY766381.基因序列部分碱基发生了变化【I制. 目前正在进行真核表达载体的构建和表达工作. (3)利用离子注入技术改良阿魏菇,猴头菇,香菇等食(药)用菌的品质,选育耐高温新品种进行反季节生产,同时进行食(药)用菌的液体深层发酵和深加工等研究,并实现产业化.通过简易组织分离,筛选得到一株阿魏菇低温型品种.以此为基础,通过离子束诱变,分离,筛选得到2株在33~C 菌丝生长正常的耐高温阿魏菇新品系.目前针对实验室筛选得到的3株阿魏菇新品种,正进行出菇小试和液体发酵试验.(4)以黑曲霉最优菌种为出发菌,在实验室条件下发酵水平的基础上,经离子束诱变筛选后,实现以下三项技术指标的任意两项:①产酸能力提高两个百分点,②发酵周期缩短5h,③糖酸转化率提高六个百分点.2.4离子束介导DNA大分子转移"离子束介导麻黄碱基因组DNA的遗传转化"课题,今年又得到国家自然科学基金委的资助.通过离子束介导麻黄DNA大分子转移,研究麻黄碱基因组DNA在酵母菌中的高效表达和稳定移传途径,创建麻黄碱新基因型材料,为微生物发酵生产麻黄碱奠定基础,将对我国干旱半干旱地区生态环境的保护和民族制药业的发展产生深远的影响.3结束语新疆地域辽阔,资源丰富.根据新疆自治区党第2期曾宪贤等:离子束生物技术在生命科学中的应用l15 委和人民政府对新疆经济建设和社会发展的战略部署,本中心以"种子工程"为切入点,联合新疆地方和兵团,农,牧,草,林,微生物,食品等科研单位,紧紧围绕新疆种植业,畜牧业,发酵行业的产业结构调整,培育新的增长点,带动产业群的发展,促进新疆自身科技的创新能力,促进新疆自身的科技和交叉学科的发展,促进新疆自身高层次科技人才的培养,并实现环境效益,社会效益和经济效益的统一.使离子柬生物工程学这一新的交叉学科得到进一步的充实和发展.参考文献l陈佳洱.核技术.北京:科学出版社,1991.14O一156 CHENJiaer.NuclearTechniques.Beijing:SciencePress, 1991.14一1562余增亮.物理,1997,26(6):333--338YUZengliang.Physics,1997,26(6):333--3383宋道军,余汛,姚建铭,等.生物化学与生物物理,1998,30(6):57O～574SONGDaojun,YUXun,YAOJianming,eta1.Acta BiochimBiophysSin,1998,3O(6):57～5744余增亮.离子束生物技术引论.安徽:安徽科技出版社, 1998.67—105YUZengliang.Theindexofionbeambio.technology. Anhui:ScienceandTechnologyPress.1998.67—1O55吴跃进,余增亮,王学栋.安徽农业科学,1989,4O(1):1一13WUYu~in,YUZengliang,W ANGXuedong.JAnhuiA鲥cSci,1989,40(1):1O～136吴跃进,余增亮,吴家道,等.核农,1990,11(4):154_一156W-t5Yuejin,YUZengliang,WUJiadao,ela1.ActaAgfic NuclSin,1990,11(4):154—1567袁成凌,余增亮,张宏慧,等.粮食与油脂,2001,(5):6---7YUANChengling,YUZengliang,ZHANGHonghui,el.JCerealsOils,2001,(5):6-一78宾郁泉.第二次全国离子注入生物效应学术会议论文集,1993BINGYuquan.Thesecondnationalconferenceofion beambioengineering,19939余增亮,邵春林,杨剑波+安徽农业大学,1994,21(3):26～264YUZengliangSHAOChunlin,YANGJianbo.JAnhui AgricUniv,1994,21(3):26O一264l0曾宪贤,张石峰,李茜,等.核技术,2002,25(3):193—197ZENGXianxian.ZHANGShifeng,LIQian,eta1.NuclTech,2002,25(3):193—19711曾宪贤,王燕飞,张石峰,等.科学通报,1999,44(4):382--384ZENGXianxian.W ANGY anfei,ZHANGShifeng,eta1.ChineseSciBull,1999,44(4):382—38412毛培宏,李晓国,曾宪贤,等.核技术,2003,26(5):346～348MAOPeihong,LIXiaoguo,ZENGXianxian,eta1.NuclTech,2003,26(5):346_一34813武宝山,凌海秋,曾宪贤,等.种子,2004,(8):9—1OWUBaoshan,LINGHaiqiu,ZENGXianxian,eta1.Seed,2004,(8):9—1O14甄卫军,李茜,张石峰,等.食品与发酵,2002,28(3):20_一24ZHENWeijun,LIQian,ZHANGShi~ng,eta1.FoodFerment,2002,28(3):2o_一2415陈燕勤,曾宪贤.种子,2004,(8):3—5CHENY anqin,ZENGXianxian.Seed,2004,(8):3—516曾宪贤,吕杰.新疆大学,2005,(1):17—21ZENGXianxian.El3Jie.JXi~iangUniv,2005,(1):17—21Applicationanddevelopmentofionbeambio-technologyinlifescienceZENGXiaJ1xian1?WUBaoshart,L0Jie?(IonBeamBio.EngineeringCenter,XinjiangUniversity,Urumqi830008)2(DepartmentofPhysics.XinjiangUniversity.Urumqi830O46) AbstractChinesescientistsdiscoveredthebiologicaleffectofionbeamimplantationinthe19 80s,andappliedthismethodtothemutationbreeding.Thearticlegivesabriefintroductiontothetheoryofionbeambio—technology,the biologicaleffectoflowenergyionbeamandtheprogressofstudiesonionbeambio.engineerin ginXinjiang-KeywordsIonimplantation,Mutationbreeding,ApplicationCLC1103.4,Q691,$816.3。

离子束对生物体的作用原理及应用

离子束对生物体的作用原理及应用
解继红;包金刚;徐柱;杨凯;尹军
【期刊名称】《基因组学与应用生物学》
【年(卷),期】2010(29)4
【摘要】离子束是指一束具有一定能量的质量数小于或等于4的带电离子束,离子束注入技术是生物物理技术,具有生理损伤小、突变谱广和突变频率高等特点。

离
子束与生物体的相互作用是我国具有独立知识产权的生物物理技术,我国科学家在
上世纪80年代已经发现了离子束注入的生物效应,并将这一原理应用于植物诱变育种。

本文主要概述了低能离子束注入对生物体的作用原理,以及该技术在植物育种、微生物品种改良和遗传改良上的应用,最后还小结了离子束注入技术在研究领域存
在的问题并对其未来发展方向提出展望。

【总页数】7页(P761-767)
【关键词】离子束;生物效应;遗传改良;应用
【作者】解继红;包金刚;徐柱;杨凯;尹军
【作者单位】中国农业科学院草原研究所;鄂尔多斯市林工站;内蒙古草原工作站;满洲里市市政公用事业管理局
【正文语种】中文
【中图分类】Q581
【相关文献】
1.雌二醇对生物体内分泌系统毒性作用机制的研究 [J], 寇胜男;朗朗;季宇彬
2.生态环境中镉对生物体毒性作用机理及硒对该毒性拮抗作用的研究进展 [J], 廖琳;胡晓荣;李晖;王上辅
3.磁场对生物体作用的实验设计研究 [J], 贺潇蒙
4.微塑料对生物体不同器官的毒性作用研究进展 [J], 何丽娟
5.重离子束注入与生物体的相互作用及遗传诱变的分子机制 [J], 李珂;张东正;赵瑾;张根发
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重离子诱变微生物的优良菌种的筛选

题目：重离子诱变微生物的优良菌种的筛选摘要重离子诱变技术是二十世纪中后期兴起的一种新兴的诱变技术，余增亮等一些人率先把这一新兴的诱变技术应用在植物和微生物育种方面，并且取得了很大的成效。

重离子诱变技术具有传线密度大，对生物体的损伤不易修复等优点，为微生物和植物诱变育种提供了一条崭新的途径。

实验菌株嗜热梭菌、酵母菌和溶纤维丁酸弧菌WH-1具有很好的纤维降解能力，并具有一定的产乙醇能力，但是嗜热梭菌、酵母菌和WH-1的乙醇产量并不是非常高，为提高乙醇产量，本课题拟通过重离子辐照诱变提高乙醇产量和产率，采用10Gy、25Gy、40Gy、60Gy、80Gy、100Gy、120Gy剂量的重离子束对嗜热梭菌进行辐照诱变，并设有0Gy空白对照研究辐照剂量与致死率的关系。

实验结果表明，重离子对菌株嗜热梭菌、酵母菌和溶纤维丁酸弧菌WH-1有明显的作用效果，随着重离子辐照剂量的增加，三株菌株的致死率明显增大，在诱变剂量为10Gy时，酵母菌菌种的致死率为零，没有发生致死效果。

在诱变剂量为120Gy时，溶纤维丁酸弧菌WH-1菌种的致死率达到了100%。

关键词：诱变；重离子；致死率AbstractHeavy ion implantation technology is in the latter part of the twentieth century the rise of a new mutation technique, Yu Zengliang and others took the lead in this new mutation technique application in plant and microbial breeding, and achieved great results. The technology of heavy ion mutagenesis has the advantages of large density of transmission lines, the damage to the organism, and so on. It provides a new way for the microbial and plant mutation breeding..Experimental strains of thermophilic clostridium thermocellum, yeast and soluble fiber butyrivibrio WH-1 has good fiber degradation ability, and has certain capability of ethanol fermentation, but addicted to ethanol production by Clostridium thermocellum, yeast and WH-1 is not very high, in order to improve the yield of ethanol. The subject intends by heavy ion irradiation mutagenesis improve ethanol yield and productivity, Gy and 25 Gy, 40 Gy, 60 Gy and 80 Gy, 100gy and 120gy dose of the heavy ion beam of Clostridium thermocellum of irradiation induced by, with Gy blank control the irradiation dose and the lethal rate.The experimental results show that the heavy ion strains of thermophilic clostridium thermocellum, yeast and soluble fiber butyrivibrio WH-1 has obvious effect, with increase of heavy ion irradiation dose, the three strains the mortality rate was significantly increased, in mutagenic dose 10 Gy, yeasts death rate is zero, no lethal effect. The lethal rate of Vibrio WH-1 strain was 100% when the mutation dose was 120Gy.Keywords: mutation; heavy ion ;lethal rate目录引言 (1)第一章文献综述 (2)1.1微生物的诱变 (2)1.1.1物理诱变 (2)1.1.2化学诱变 (3)1.1.3重离子诱变 (3)1.1.4重离子诱变的理论基础 (3)1.1.5重离子诱变与传统诱变相比具备的优点 (4)1.2 嗜热厌氧梭菌简介 (4)1.3 酵母菌简介 (5)1.4 溶纤维丁酸弧菌简介 (5)1.5 纤维素 (6)1.6 纤维素乙醇简介 (6)1.6.1 纤维素乙醇国内外研究现状 (6)1.6.2 纤维素乙醇的前景 (7)1.7 纤维素乙醇的工艺方法 (7)1.7.1分步糖化发酵法(SHF) (7)1.7.2同步糖化发酵法(SSF) (7)1.7.3共发酵法(SSCF) (8)1.7.4联合生物加工法(CBP) (8)1.8研究背景和内容 (8)1.8.1 研究背景 (8)1.8.2研究内容 (9)第二章实验仪器与药品 (10)2.1 实验仪器 (10)2.2 实验药品 (13)第三章重离子对微生物的诱变 (16)3.1实验材料和方法 (16)3.1.1实验材料 (16)3.1.2培养基和培养条件 (16)3.1.3实验方法 (18)3.2重离子对嗜热梭菌的诱变 (20)3.2.1实验菌种 (20)3.2.2 培养基 (20)3.2.3培养条件 (20)3.2.4 嗜热梭菌菌悬液的制备 (20)3.2.5嗜热梭菌最适菌悬液稀释度的确定 (20)3.3重离子对溶纤维丁酸弧菌WH-1的诱变 (21)3.3.1实验菌种 (21)3.3.2 培养基 (21)3.3.3培养条件 (21)3.3.4 溶纤维丁酸弧菌WH-1菌悬液的制备 (21)3.3.5溶纤维丁酸弧菌WH-1最适菌悬液稀释度的确定 (21)3.4重离子对酵母菌的诱变 (21)3.4.1实验菌种 (21)3.4.2 培养基 (22)3.4.3培养条件 (22)3.4.4 酵母菌菌悬液的制备 (22)3.4.5酵母菌最适菌悬液稀释度的确定 (22)3.5重离子诱变高产菌株的筛选 (22)3.5.1诱变菌株的选育 (22)3.5.2致死率的计算 (22)3.5.3初筛 (23)3.5.4复筛 (23)3.6结果与分析 (23)3.6.1总结 (23)3.6.2菌落的形态 (24)3.6.3致死率的计算 (24)3.7本章小结 (27)第四章结论与展望 (28)4.1结论 (28)4.2展望 (28)参考文献 (29)致谢 (31)引言嗜热梭菌、酵母菌和溶纤维丁酸弧菌WH-1具有很好的纤维降解能力，并具有一定的产乙醇能力。

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 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n ga n dE x p l o i t a t i o no fB i o l o g i c a l E n e r g y*L IR e n -m i n 1,2,1),WA N GJ u -f a n g 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。

【doc】生物育种新技术——重离子束辐照

生物育种新技术——重离子束辐照2007年第42卷第6期生物学通报生物育种新技术——重离子束辐照水王菊芳H李文建张莹2(1中科院近代物理研究所甘肃兰.州7300002北京林业大学园林学院北京100083) 摘要回顾了我国辐射育种的现状,阐述了重离子辐照育种新技术的优势:剂量分布具有Bragg峰,能够造成难以修复的DNA损伤,更有利于突变体的产生.最后介绍了重离子辐照育种所取得的成果.关键词育种辐照重离子基因突变是产生新品种的源泉.人工诱发突变是加速基因突变的重要手段,其突变频率要比自然突变频率提高成百上千倍.在我国,大多数耘品种的诱变采用的是常规的物理,化学方法,少数育种工作引进了先进的基因工程技术.物理诱变方法主要包括X射线,射线,电子束及近些年来新兴起来的重离子,其中的重离子辐照育种技术将是本文介绍的重点.1辐射育种的研究现状为了缓解急剧增长的人口与日渐紧张的自然资源之问的矛盾,大多数国家都在各自的生态环境下采用电离辐射技术开展经济作物的育种研究.从20世纪50年代放射性同位素在农业上的应用,到60年代后采用的射线,中子和高能电子束等常规辐射进行作物诱变育种,在提高产量,抗倒伏,抗病害,抗寒抗旱及提高作物营养成分等方面培育出了一大批优良品种.我国自20世纪50年代后期开始辐射育种工作.80年代以来进入快速发展阶段,在40多种植物上育成513个新品种,占世界辐射诱变育成品种总数的1/4.辐射诱变育种工作所创造的经济效益已成为我国农业经济的重要组成部分.浙江农业大学育成的水稻新品种"浙辐802"连续9年居全国常规稻推广面积之首.湖南省农业科学院技术人员自20世纪70年代以来,用辐射技术育成水稻品种60个,累计推广面积约666hm2.增产粮食约在25亿kg,获社会经济效益约40亿元.山东农业科学院原子能研究所采用辐射诱变技术进行长绒棉诱变改良获得较大进展,已筛选出既有陆地棉的产量性状,又有海岛棉纤维品质f绒长3337ram)的稳定突变株系,这是我国在选育改良长绒棉花品种研究中的一个突破性进展,已成为我国农业经济的重要组成部分.辐照育种虽然做了不少工作,也取得了许多新品种,但无论种类还是数量都远远不能满足需要.主要是因为这些辐射源穿过作物材料时产生的生物效应较弱,造成突变率不够高,突变谱不够广,突变体不够稳定等缺憾.虽然基因工程技术已可以应用于产生突变体,但由于其操作复杂,要求条件高,这些工作目前只能在少数实验室进行.因此加大力度开展辐照育种新技术的开发研究,发展核技术在农业中的应用成为势在必行的重要措施.从20世纪80年代中期开始.出现了重离子诱变育种的尝试.重离子是一种新型的辐射源,与传统的紫外线,X,射线一样,都属于电离辐射,因此它们与物质的基本作用机理也相同:生物体的原子吸收到足够的来自诱变源的能量.核外壳的电子即可发生电离,电离出的电子可以与细胞的DNA分子,细胞器,生物膜等发生反应,引起一系列的损伤,如果这些损伤能被修复,细胞就恢复正常,如果不能修复,细胞就死亡.少数带损伤的细胞可以存活下来,就有可能产生新的性状,成为新的突变体.2辐照育种的新武器——重离子重离子通常是指原子序数大于2的所有失去了膜的融合,而且分泌泡同细胞质膜的融合只发生在局部细胞质膜上.内吞和外排作用都伴随着膜的运动,主要是膜本身结构的融合,重组和移位,这都需要能量的供应,有实验表明,如果细胞氧化磷酸化被抑制,肺巨噬细胞的吞噬作用将被阻止,在分泌细胞中,如果ATP合成受阻,则外排作用不能进行,分泌物无法排到细胞外.但内吞和外排作用及细胞融合和细胞分裂过程中膜的脂双层的联结和粘合的机理迄今为止依然不是很清楚.}中科院"西部之光"(0606180XBO)项目资助}}通讯作者主要参考文献1KarpG..CellandMolecularBiology:ConceptsandExperiment.3th ed.NewY ork:JohnWileySonsIne,2002.78.2MukherjeeS.,GhoshR.N.,MaxfieldF.R—Endocytosis.Physiological Reviews.1997,77:759--803.3陈国强.低密度脂蛋白受体生物化学.生理科学进展,1989,2O(2): 167—168.4刘永康,陈国民.细胞膜对大分子物质及颗粒物质的跨膜转运.现代医药卫生,2006,22(5):674--675.(E-mail:**********************.ca)(BH)生物学通报2007年第42卷第6期全部或部分电子的原子(正离子),或有过剩电子的原子f负离子),一般都指正离子.重离子辐照作为一种新的诱变技术,除了与传统的辐射源有共同的物理特征外,还有许多独特的特征:重离子通过加速器注人生物体内,在其到达终点前,将同生物材料中的分子,原子发生一系列的碰撞, 不仅存在能量转移,还有动量传递,电荷交换,质量沉积等效应,因此重离子与生物材料的作用要比单纯的电离辐射更复杂.重离子的剂量在射程前端分布较少,在射程末端形成Bragg峰.图l给出了X,^y射线以及光子和重离子在水中随入射深度的增加,它们的剂量分布变化情况.可以看出,X,^y射线和光子的剂量分布随入射深度的增加呈指数衰减,重离子的剂量分布随入射深度的增加在前端基本保持不变,在射程的末端形成一个尖锐的Bragg峰.因此,重离子同生物体相互作用产生明显效应的区域是局部的,位置是可控的.通过选择合适的能量,能使重离子高剂量区域的Bragg峰正好落在需要照射的部位.重离子径迹上的电离密度要比X,^y射线的电离密度密集很多.稀疏电离所引起的生物损伤以DNA单链断裂为主,且呈分散稀疏分布,由于模板仍然存在, dephinwater【cm】图1几种电离辐射的相对剂量分布与射程的关系比较比较容易修复;密集电离所引起的损伤以DNA双链断裂为主,而且这些损伤呈团簇状分布,很难修复,更易产生诱变效应.这种特性从另一方面充分体现了重离子辐照育种技术的优势:具有突变谱宽,诱变率高,突变易稳定的特点.3重离子辐照育种进展将重离子辐照技术应用于诱导新品种的产生已在我国获得了初步的成果.由中科院近代物理研究所和甘肃张掖地区农科所合作,采用不同种类及不同能量的重离子对1O个春小麦品种(系)的301次诱变处理,经过4年6代的选择,选育出较原亲本具有突出表现的稳定突变系59份和3个优良突变系,育成的"陇辐2号"水地春小麦,具有增产,矮秆,早熟,抗倒伏等特点,到目前为止,总计推广种植面积已达200多万亩;还对甜高粱,玉米,马铃薯,中草药等多种经济作物进行了辐照诱变,筛选出多个新品系.此外,该所还在花卉育种上取得了一些结果,得到一些较为罕见的突变植株,如图2照片所示.在对临洮大丽花品种矮化改良研究中,在相同生长条件下,经过重离子辐照处理的植株高度降低近1/3,使大丽花进行盆栽有望成为现实.中科院等离子体物理研究所在低能重离子柬辐照改良工业微生物方面也取得了丰硕的成果.通过对图2经重离子辐照后选育的矮牵牛花(Petuniahybrida)突变植株: 突变体(右)表现为颜色加深,单瓣变多瓣花生四烯酸产生菌进行辐照,选育出了一株及具工业化应用前景的花生四烯酸高产菌,为新型营养强化剂花生四烯酸的大规模生产做出了贡献.此外,重离子辐照育种在抗生素,酶制剂等方面也取得了令人瞩目的成绩.目前,日本等发达国家也将目光投向离子束辐射育种,并做了大量的工作,取得了可喜的成果.作为一项新的辐照诱变技术,相信在不久的将来,重离子束一定会成为生物育种新技术里的一朵奇葩,为改善人民生活质量做出突出的贡献.主要参考文献1高健,卢惠萍.花卉辐射诱变育种研究进展.安徽农业大学, 2000,27(3)2228--230.2温贤芳.中国核农学现状与21世纪初的发展.核科学与工程,2000, 20(3):232—237,3余增亮.离子柬与生命科学——一个新的研究领域.物理,1997,26(6):333--338,4王浩翰,重离子对春小麦诱变育种及生物效应的研究,核农, 2003,17(1):73～75,5袁成凌,姚建铭,王纪等,低能离子注入花生四烯酸高产菌株选育中的研究.辐射研究与辐射工艺,2003,21(4):237--242,6向砥,李炯,姚建铭等,离子注入选育高产壮观链霉菌的研究.激光生物,2002,(4)226--279,7吴庆勋,谷海先,赵光鳌.N～+注入诱变选育氨肽酶高产菌株及发酵条件初步优化.食品与发酵_T业,2006,32(1):15.(E—mail:********************.c/1)(BH)。

离子束诱变技术在海洋微藻培育中的应用

图 # 离子束生物工程装置示意图 ( ) " # + , . / 01 2 ) 1 34 5 64 ) 1 3 ) 3 7 ) 3 ; ) / * * *8
第 .期
古绍彬等离子束诱变技术在海洋微藻培育中的应用 =
% + /
按上述方法把准备好的细胞放入离子注入靶室进行注入，发现极少有细胞存活，即使是没有接受离子注入的真空对照也是如此。这是由于裸露的等鞭金藻藻细胞在真空干燥情况下失水使细胞在离子注入前就出现大量死亡。通过采用不同质量分数的甘油溶液（! "， # $ "， # ! "， % $ "）和 &’ ( ) 溶液（作为保护剂对等鞭金藻进行 $ * ! "， # "， % "， + "）处理后再进行离子注入实验，发现用含有质量分数为# 经过 $ "甘油的培养液处理后保护效果最理想，照射后仍可以观察到有一定量的细胞存活；而当保护剂浓度太低或太高结果都不理想，浓度太低保护效果差，浓度太高则负作用太强。 & ’ ’存活率的影响 ! " ! 不同剂量的 #$ 注入对% 。不同剂量的 , 注入 . $ # # 的存活曲线见图 . 其存活率随着注入剂量的当 ,- 注入剂量较小时，
［］ # % 的断裂和大量自由基的产生，而产生的自由基又
将引起包括 & , : 在内的生物大分子及生物膜的损伤。动量传递的结果是细胞结构及亚细胞结构受到刻蚀损伤。同时，生物细胞在低剂量下的辐射敏感
［］ # . 也是其在低剂量下存活率迅速下降的原因。性
在中高剂量下，等鞭金藻存活率随着 ,- 注入剂量的增加而有所上升但又远低于对照组（ # $ $ "存活率）。一方面说明能量沉积效应和动量传递效应仍然起着主要作用，同时又说明质量沉积效应和电荷效应在发挥作用。注入离子的电荷效应主要是通过电荷中和与电荷的交换、转移来减轻 & , : 与生物大分子的损伤；同时，注入离子的正电荷还可吸收

离子束生物工程技术简介

离子束生物工程技术简介中科院等离子体物理研究所从上世纪80年代末开创了离子束生物工程学这一交叉学科，利用低能离子束与生物体相互作用原理，发明了离子束生物工程改良品（菌）种的方法。

离子束生物学在国家自然科学基金重点、重大项目及国家“八五”、“九五”、“十五”“十一五”重点科技攻关项目、“863”项目、农业成果转化基金等和中国科学院及安徽省科技项目支持下，经过多年发展，基础研究和应用研究取得了一系列创新成果，创造了显著的社会经济效益。

八十年代中，正当国内外兴起离子注入材料表面改性研究时，中国科学院等离子体所与安徽农业科学院水稻研究所科技人员用30keV的氮离子注入水稻干种子后发现显著的诱变效应，以后又陆续发现一些新现象：如注入离子在种子里长距离穿射和高速率溅射，低能离子与生物分子相互作用只要反应体系里有氮参与都有一定的几率形成氨基酸，以及离子注入条件下出现的生物反常辐照损伤、当代可遗传突变等等现象。

这些现象后来被国内外科学家所证实。

例如，低剂量下生物体呈现的“反常辐照损伤”（hyper-radiosensitive response，HRS’）现已成为辐射生物学研究的热点之一。

因此，低能离子与生物体相互作用是一个客观存在的有重大应用背景的科学问题。

这一科学问题的提出和研究在有关论著中得到高度评价。

《核技术》（科学出版社）认为：“余增亮小组利用核物理实验方法、手段、概念探索离子注入生物体后产生的物理和生物现象…，形成了很强的交叉领域，孕育着交叉学科”。

杨垂绪（美）在《太空放射生物学》（中山大学出版社）中将此列为重离子生物学发展的一个阶段，并做了详细介绍。

丘冠英在《生物物理学》（武汉大学出版社）一书中认为：这“形成了辐射生物学的一个新领域－低能重离子生物学，引起了国内外的关注”离子束生物技术具有很多优点：一是诱变的变异频率高，可选择注入的离子种类多样，而且其质量、能量、电荷可有多种组合，所以其产生的诱变结果和效应也是多种多样的；二是变异谱宽，离子束能产生较高的电离密度，使DNA产生严重损伤，其作用于植物体后可获得较高的变异频率和较广的突变谱，易于筛选出先新的突变体；三是变异稳定快，离子注入造成的损伤不以修复，突变体稳定较快；四是技术稳定可靠，简单易得，经加速后的离子具有一定的静止质量，注入生物体后可以使质量、能量、电荷共同作用于生物体。

重离子束技术在微电子学中的应用研究

重离子束技术在微电子学中的应用研究重离子束技术（Heavy Ion Beam Technology）是一种较新的材料加工技术，在微电子学领域中得到了广泛的应用研究。

传统的光刻技术由于其精度受限，一些微小的加工和制造任务需要更高级别的技术来完成。

重离子束技术是一种高精度、高分辨率的新型加工技术，由于其在电子学中的应用前景广阔，越来越受到研究者们的青睐。

1. 重离子束技术的基本原理重离子束技术的基本原理是将重离子（如氮、氖等元素）加速至特定能量，然后运用加速器和束线系统将其加速到靶材表面进行加工。

这种技术可以在纳米级尺寸内进行加工和制造，具有较高的分辨率和精度。

在重离子束技术中，重离子束的精度和能量非常关键。

若束的能量达到一定值，其会引起表面处的原子发生击退及较深的核转换现象，从而达到在纳米级别进行物质移动的目的。

通过控制离子束的能量，可以在目标材料的表面刻出尺寸、深度达到亚纳米级的微加工结构。

2. 重离子束技术在微电子学中的应用重离子束技术可以应用于各种微电子学领域的研究和制造，如MEMS微电子机械系统、纳米器件及LED发光二极管等等。

这种技术可以满足微电子学中加工要求中对精度和分辨率的需求。

在纳米器件的制造中，重离子束技术可以用来制作纳米颗粒和纳米线，或创造出一些微型加工和结构。

通过该技术，研究者们可以在晶片上加工出更加复杂和高密度的器件，实现了微电子学中的突破性进展。

对于一些MEMS制造，重离子束技术也可做出重要的贡献。

MEMS是一种微型机械系统，可以应用于包括加速度计、微电机、生物传感器等等。

重离子束技术可以使用加工单个微件，这样就可以在晶片上构建出更好的MEMS结构，使得器件的可靠性和精度更高，从而可以广泛地应用于微纳技术领域。

在LED的制造中，重离子束技术的应用也值得一提。

LED作为一种绿色能源亮点，正迅速地得到传播和应用。

然而，LED制造过程中的能耗和二氧化碳排放仍然是一个难以避免的问题。

重离子诱变技术

重离子诱变技术是一种先进的辐射诱变源，具有以下优点：
重离子诱变技术也是一种产生微生物突变体的有效方法，相比传统的诱变方法它可以产生更高的突变率和突变谱。

重离子诱变通过热和电离效应等直接造成微生物菌株的DNA损伤，这些DNA损伤更加有利于微生物突变体的产生。

如通过利用兰州重离子加速器对链霉菌进行诱变育种，提高了恩拉霉素以及阿维菌素的产量。

这些优势使得重离子束在诱变育种中具有高突变率、广突变谱、快速突变和突变体稳定遗传周期短等特点。

在农业和微生物研究领域中，重离子诱变技术具有独特的地位。