第八章 核技术在农业领域中的应用

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核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用
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基因突变（Gene mutation）
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。
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1、DNA分子结构变化
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1、DNA分子结构变化
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1、DNA分子结构变化
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电离辐射引起DNA损伤的类型
碱基的电离效应
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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）。
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法国水稻良种“岱尔塔”等均有很大的经济意义。 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。 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 2016/10/19 7 核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用
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染色体畸变——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。
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染色体畸变
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。
第八章 核技术在农业领域 中的应用
引言——“核农学”（Nuclear Agriculture）
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。
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主要内容
第一节 辐射育种
第二节Байду номын сангаас辐射保藏
第三节 辐射杀虫
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第一节 辐射育种
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。
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电离辐射引起DNA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
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电离辐射引起DNA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。 c)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。
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1、DNA分子结构变化
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。
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染色体畸变——染色体数目畸变
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。 多倍体：如果一个细胞中的染色体数为单倍体的 3倍，称为三倍体 （3n=69条）；为单倍体的4倍，称为四倍体（4n=92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。
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染色体畸变——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）
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一、辐射育种的发展历程





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，开创了农作物辐射育种的新纪元。 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。
染色体的倒 位示意图
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染色体畸变——染色体结构畸变
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。
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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。
染色体在射线作用下的重复示意图
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染色体畸变——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。 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。
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基因突变（Gene mutation）
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基因突变（Gene mutation）
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（Frameshift mutaion）。

二、辐射育种的基本原理

辐射育种具有打破性状连锁、实现基因重组、突变 频率高、突变类型多、变异性状稳定快、方法简便 且缩短育种年限等特点。
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（一）电离辐射所致突变的可能机制
直接作用，入射粒子或射线使大分子发生电离或激发； 间接作用，与生物体中的水分子作用，使发生电离或激发。 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。