第八章 核技术在农业领域中的应用

第八章核技术在农业领域中的应用2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用2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。引言——“核农学”（NuclearAgriculture）2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用3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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用4主要内容第一节辐射育种第二节辐射保藏第三节辐射杀虫2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用5第一节辐射育种辐射育种（Radioactivebreedingtechniques）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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用6一、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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用7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6号”2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用8二、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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用9（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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用101、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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用111、DNA分子结构变化2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用121、DNA分子结构变化2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用131、DNA分子结构变化2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用14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2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用15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（DNAcross-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DNA-DNA交联和DNA-蛋白质交联。会影响细胞的功能和DNA复制。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用16电离辐射引起DNA损伤的类型碱基的电离效应2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用17基因突变（Genemutation）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（Pointmutation）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）。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用18基因突变（Genemutation）2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用19基因突变（Genemutation）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（Readingframeshift），使其后所译读的氨基酸序列全部混乱，称为移码突变（Frame-shiftmutaion）。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用20基因突变（Genemutation）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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用21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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用22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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用23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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用24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（Tandemduplication）和反接重复（Reverseduplication）染色体在射线作用下的重复示意图2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用25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（Paracentricinversion）：指倒位的区段在染色体的某一个臂内，而臂间倒位（Pericentricinversion）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。染色体的倒位示意图2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用26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（Reciprocaltranslocation）,另一种为简单易位（Simpletranslocation）。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。2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用27染色体畸变——染色体结构畸变染色体在射线作用的易位原理示意图2020/1/24核技术应用概论——核技术在农业领域中的应用282、细胞对辐射损伤的修复（1）回复修复：