第八章核技术在农业领域中的应用

• 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， 一、 开创了农作物辐射育种的新纪元。
辐 射 育 种 的 发 展 历 程
• 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。
• 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。
核技术在农业领域的应用
姜林
•
“核农学”（Nuclear Agriculture）。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。
• 一是直接作用，入射粒子或射线使大分子发生电离或激发；
电 • 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。 离 • 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。 辐 射 所 致 突 变 的 β 可 能 机
HO0 H H
O
制
β
（一） DNA 分 子 结 构 变 化
•
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
源自文库
•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。
N H N
8
HN 9
7 nn 4 3 2 5 6 1
N H H H H N H HN
O
CH3
6 -p
N H N 1
5 4
O
2
O
3
鸟嘌呤G
G（电离态）
胸腺嘧啶T
碱基的电离效应
2.基因突变（Gene mutation）
• • 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（Point mutation）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 （Transvertion）。
B A B A C C D E D E F G A F G 射线 A B C 中间缺失 B 射线 A B A C 中间缺失 C D G D E F F 反接重复 E G B C D G D E F E 顺接重复 F G
染色体在射线作用下的重复示意图
• 2）染色体结构畸变 • 倒位（inversion）：指某一条染色体发生两处断裂，形成三个节段，其中间 节段旋转180度变位重接。包括臂间倒位和臂内倒位。
b c d e bc i d e
a a f g f g
b c d e b c h i h i d e h i
a
a
h i
b b h i d c c d c h i g f g f
(b) 相互易位
染色体在射线作用的易位原理示意图
1. 电 离 辐 射 引 起 D N A 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 D N A 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（DNA cross-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DNADNA交联和DNA-蛋白质交联。会影响细胞的功能和DNA复制。
B A C D E F G 射线 B A C D F E G
(a) 臂内倒位 B A C D E F G (b) 臂间倒位 射线 F A D C E B G
染色体的倒位示意图
易位（Translocation）：指从某一条染色体上断裂下的节段连接到另一染色体 上。两条染色体各发生一处断裂，并交换其无着丝粒节段，分别形成新的衍 生染色体和相互易位。一种为相互易位（Reciprocal translocation）,另一种为 简单易位（Simple translocation）。相互易位在易位中最常见，指两个非同源 染色体受到射线作用后都发生断裂，断裂后的染色体及碎片发生交换重新结 合起来；简单易位也称单项转移，即染色体的某一区段嵌入到非同源染色体 的一个臂内。
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。
•
• 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。
•
臂内倒位（Paracentric inversion）：指倒位的区段在染色体的某一个臂内， 而臂间倒位（Pericentric inversion）指倒位区间有着丝粒或倒位区间与两个 臂有关。倒位所导致的遗传学效应又可抑制或降低倒位环内基因的重组或交 换、改变基因的交换率或重组值、影响基因间的调控方式等。
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。
第一节
辐射育种技术
辐射育种（Radioactive breeding techniques）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。
B A C D E F G H 射线 A B C 中间缺失 F G H D 缺失的断片 E
A B C D E F G H 射线 A B C 顶端缺失 D E F G 缺失的断片 H
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（Tandem duplication）和反接重复（Reverse duplication）
a a b b c c d d e e f g f g a a b b c d e a a b c d e a b c a b c f g d h i d e e g h i f b c h i f g f g (a) 简单易位 h i
c d h i e h i
d e
f g f g
h i h i
a a h f g f g
• 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 • 打破性状连锁、实现基因重组、突变频率高、突变类型 种 多、变异性状稳定快、方法简便且缩短育种年限等特点。 的 基 本 原 理
•1）染色体数目畸变
3. 染 色 体 畸 • 多倍体：如果一个细胞中的染色体数为单倍体的3倍，称为 变 三倍体（3n=69条）；为单倍体的4倍，称为四倍体（4n=92
• 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。
HN CH3 O CH3 O H N 1 2 HN N H HN -p O O 胸腺嘧啶 T（电离态） 鸟嘌呤G NH H 3 6 5 4 7 8 9 NH
胸腺嘧啶与鸟嘌呤配对
N H
• 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（Reading frame shift），使其后所译读的氨 基酸序列全部混乱，称为移码突变（Frame-shift mutaion）。
•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。