第五章-同位素示蹤在農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用

1、第五章-同位素示蹤在農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用一同位素示蹤技術(shù)在土壤與植物營(yíng)養(yǎng)研究中的應(yīng)用二同位素示蹤技術(shù)在植物保護(hù)研究中的應(yīng)用三同位素示蹤技術(shù)在植物生理生化研究中的應(yīng)用四同位素示蹤技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用一同位素示蹤技術(shù)在土壤與植物營(yíng)養(yǎng)研究中的應(yīng)用利用示蹤技術(shù)對(duì)土壤、植物營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題研究是土壤農(nóng)化研究中的重要手段。主要研究?jī)?nèi)容： 1）肥料的吸收利用率 2）土壤中殘留 3）最佳肥料配方 4）施最佳時(shí)期 5）施肥量 6）土壤中有效養(yǎng)分，等等（一）土壤有效養(yǎng)分的測(cè)定土壤中有效養(yǎng)分含量的高低是土壤肥力的基本指標(biāo)之一，也是指導(dǎo)科學(xué)合理施肥的重要依據(jù)。常用的土壤有效養(yǎng)分含量測(cè)定方法主要有化學(xué)提取速測(cè)法、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂法

2、、生物方法和同位素示蹤法。1 測(cè)定土壤有效磷的“A ”值法 1954年美國(guó)科學(xué)家Fried 和Dean，提出了測(cè)定土壤中有效養(yǎng)分的“A”值概念，可用以下公式表示：A：土壤中有效養(yǎng)分含量B：施用肥料（標(biāo)準(zhǔn)）的數(shù)量Y：植物從已知肥料（標(biāo)準(zhǔn)）吸收的有效養(yǎng)分的百分率以植物養(yǎng)分磷為例，植物從標(biāo)記肥料中吸收有效磷的百分率Y的計(jì)算：假定示蹤肥料的比活度為Sf,植物樣品的比活度為Sp，土壤有效磷含量為A，作為標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記源（肥料）為B，則A值法的公式為：例題 為研究揚(yáng)州沙壤土中有效磷的含量，設(shè)計(jì)了一示蹤試驗(yàn)，在一盆缽中施入5g 比活度為1.85M Bq/g的磷肥，同時(shí)播種玉米，14天后取玉米植株，烘干，取樣2g

3、，測(cè)定其磷含量為2.5mg，放射性活度為500Bq，計(jì)算該土壤中有效磷含量。解：1）由題意得Sf1.85M/g，B5g 2）植株中磷的比活度 Sp500*2*103/2.5=0.4M/g3）土壤有效磷含量2 土壤陽(yáng)離子交換量的計(jì)算土壤陽(yáng)離子交換量就是土壤表面吸附的各種交換性鹽基和交換性酸的總量。它與土壤保持有效養(yǎng)分的能力密切相關(guān)，因而測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量有重要意義。乙酸鍶（89Sr）法 教材P202（二）肥料利用率的測(cè)定肥料利用率是指作物對(duì)肥料中有效養(yǎng)分被當(dāng)季作物吸收利用的百分?jǐn)?shù)，是肥料有效性的一個(gè)直接指標(biāo)。同位素示蹤法可直接測(cè)定植物對(duì)肥料養(yǎng)分的利用率。常規(guī)方法為差值法。同位素示蹤法測(cè)定肥料利

4、用率公式：對(duì)磷而言：植物從肥料中吸收磷的總量植物全磷植物吸收肥料中磷的百分?jǐn)?shù)（三）提高土壤肥料利用率的測(cè)定1氮肥利用率的研究我國(guó)氮肥利用率一直低于世界水平，而長(zhǎng)期的低利用率造成對(duì)環(huán)境的浸染也逐漸凸現(xiàn)出來(lái)。氮肥損失主要通過(guò)淋溶、徑流和氣態(tài)氮逸出三種途徑。15N在研究農(nóng)田中氮肥的動(dòng)向發(fā)揮著重要作用。3鉀肥利用率的研究磷肥利用率的研究磷肥與氮肥及鉀肥相比，其利用率要低得多。這主要是由于土壤中的磷易被固定，移動(dòng)性差。主要包括三種形態(tài)：速效磷、緩效磷和固定態(tài)磷。由于鉀沒(méi)有合適的放射性同位素，常用同族元素86Rb（銣）代替鉀來(lái)研究鉀肥肥效。二同位素示蹤技術(shù)在植物保護(hù)研究中的應(yīng)用（一）在昆蟲(chóng)學(xué)研究中的應(yīng)用1

5、 害蟲(chóng)防治研究標(biāo)記昆蟲(chóng)的方法： 1）飼喂法； 2）噴灑法； 3）注射法； 4）浸漬法； 5）插入法； 6）間接標(biāo)記法輻射昆蟲(chóng)不育防治害蟲(chóng)優(yōu)點(diǎn)：不污染環(huán)境；對(duì)人、畜和天敵無(wú)害；防治效果持久；專(zhuān)一性強(qiáng)；使植物生態(tài)系統(tǒng)保持良性循環(huán)。2 昆蟲(chóng)生態(tài)學(xué)研究昆蟲(chóng)生態(tài)特性的研究可為有效防治農(nóng)作物害蟲(chóng)提供依據(jù)。 包括昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育、食物習(xí)性、遷移、寄生性和捕食天敵的關(guān)系等。應(yīng)用同位素示蹤技術(shù)具有方便、直觀、有效等優(yōu)點(diǎn)。主要研究方向昆蟲(chóng)遷飛規(guī)律昆蟲(chóng)越冬場(chǎng)所及活動(dòng)規(guī)律3 昆蟲(chóng)毒理學(xué)研究利用同位素研究殺蟲(chóng)劑對(duì)昆蟲(chóng)的穿透力、在昆蟲(chóng)體內(nèi)的分布、作用部位與代謝及殺蟲(chóng)劑在植物體內(nèi)的殘留、殺蟲(chóng)劑對(duì)人畜的毒理作用等Welling

6、 等（1972）將35S和3H雙標(biāo)記的有機(jī)磷農(nóng)藥馬拉松引入抗性家蠅與非抗性家蠅，根據(jù)所形成的放射性產(chǎn)物研究了其在昆蟲(chóng)體內(nèi)的可能代謝降解路線。4 昆蟲(chóng)生理生化的研究研究?jī)?nèi)容主要包括：昆蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)、代謝、呼吸及激素等生理生化過(guò)程。（二）在病害研究方面的應(yīng)用1 病原生物標(biāo)記標(biāo)記方法：1）用放射性培養(yǎng)基標(biāo)記病原生物2）用放射性寄主標(biāo)記病原生物3）用放射性真菌標(biāo)記線蟲(chóng)體4）用放射性細(xì)菌標(biāo)記噬菌體5）用放射性病植物體標(biāo)記傳播病毒的昆蟲(chóng)2 標(biāo)記病原生物的應(yīng)用1）病害浸染規(guī)律的研究2）植物病理生理問(wèn)題的研究3）植物抗病機(jī)制的研究4）DNA探針技術(shù)用于細(xì)菌和病毒的診斷研究（三）在農(nóng)藥研究中的應(yīng)用1 農(nóng)藥在作物中的殘

7、留、代謝及安全施用的研究 農(nóng)藥的不合理使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因而測(cè)定農(nóng)藥在環(huán)境中的殘留、污染途徑和循環(huán)規(guī)律，以及農(nóng)藥在生物間的運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系和生物富集，制定農(nóng)藥安全使用技術(shù)，減少環(huán)境污染，是農(nóng)業(yè)環(huán)保中的重要課題1）研究農(nóng)藥在作物上殘留和消失動(dòng)態(tài)2）農(nóng)藥在作物體內(nèi)吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)的研究2農(nóng)藥在土壤中的殘留、遷移和降解的研究為防治害蟲(chóng)和雜草農(nóng)藥直接或間接進(jìn)入土壤，殘留在土壤中的農(nóng)藥不僅直接影響土壤微生物的活動(dòng)、繁殖、代謝，而且還可通過(guò)淋溶、遷移、轉(zhuǎn)化，給環(huán)境生物會(huì)帶來(lái)各種不良影響。弄清農(nóng)藥在土壤中的吸附積累、殘留和分解動(dòng)態(tài)，對(duì)保護(hù)人類(lèi)生存環(huán)境意義重大。1）土壤中農(nóng)藥殘留的研究2）農(nóng)藥在土壤中的吸附和遷移研

8、究3）農(nóng)藥在土壤中降解的研究三同位素示蹤技術(shù)在植物生理生化研究中的應(yīng)用 植物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的形成，主要取決于將環(huán)境中的光能、二氧化碳、水和其他養(yǎng)分合成有機(jī)物的能力及其轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪?jīng)濟(jì)價(jià)值的終產(chǎn)物的效率。而決定這一效率的營(yíng)養(yǎng)代謝過(guò)程，主要有：光合作用，同化物的運(yùn)輸，分配與積累，土壤養(yǎng)分的吸收和利用。同位素示蹤技術(shù)對(duì)于闡明這些代謝過(guò)程起著重要的作用。（一）植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和分配的研究1研究植物體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的方法1）環(huán)割法，適合于木本植物2）隔離法3）蚜蟲(chóng)吻刺法如物質(zhì)的運(yùn)輸方向研究作物多探頭活體測(cè)量?jī)x2物質(zhì)運(yùn)輸速度植物運(yùn)轉(zhuǎn)速度(cm/h)報(bào)道者大豆84Vernon(1952)菜豆107Bidd

9、ulph(1957)糖甜菜85-100Kursanov(1953)南瓜40-60Pristupa(1957)馬鈴薯20-80Mokronosov(1961)葡萄60Swanson(1958)垂柳100Weatherley(1959)3物質(zhì)代謝研究氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素既是構(gòu)成生命篺基礎(chǔ)的重要元素，又是生命活動(dòng)中催化、調(diào)節(jié)、供能等物質(zhì)的主要組成之一。1）氮的代謝研究氮是植物生命的基礎(chǔ)元素，它是構(gòu)成蛋白質(zhì)、氨基酸的主要成分。土壤中氮的吸收利用與轉(zhuǎn)化、大氣中氮的固定轉(zhuǎn)化，等等。2）磷的代謝磷是植物體內(nèi)核酸、核蛋白、磷脂、植素和多種酶類(lèi)的組成成分，是植物體內(nèi)物質(zhì)代謝與能量代謝的調(diào)節(jié)劑。（二）用14C研究高等植

10、物的光合作用生物界中的碳水化合物都來(lái)源于植物或光合細(xì)菌的光合作用，它們利用光能將CO2和水同化合成葡萄糖。葉片簡(jiǎn)易光合標(biāo)記圖11-2 水稻葉片活體14C光合標(biāo)記裝置1光合速率的測(cè)定和光呼吸的檢出Rubisco酶活性的測(cè)定2光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移、分布不同時(shí)期葉片光合產(chǎn)物的去向、比例。（三）植物根系發(fā)育和吸收作用植物生長(zhǎng)發(fā)育要通過(guò)根系從土壤中吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并合成多種有機(jī)物質(zhì)。根系的結(jié)構(gòu)、特性和生理活動(dòng)以及所處土壤環(huán)境決定著植物從土壤吸收水分、養(yǎng)分及有機(jī)物質(zhì)合成，從而影響作物的產(chǎn)量，根系吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程。同位素示蹤技術(shù)為研究根系發(fā)育，根的吸收作用提供了有利條件。1根系吸收作用的研究1

11、）根系吸收活力的測(cè)定2）根系不同部位吸收能力的研究2根系的發(fā)育動(dòng)態(tài)和吸收中心分布1）根系發(fā)育動(dòng)態(tài)測(cè)定2）根系吸收中心的測(cè)定四同位素示蹤技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用生物技術(shù)（Biotechnology）又稱生物工程，是當(dāng)今世界新技術(shù)革命的支柱之一。同位素示蹤技術(shù)作為一種重要的研究手段，對(duì)生物技術(shù)的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用。1952年，Hershey 和Chase利用同位素示蹤技術(shù)證明了遺傳物質(zhì)是核酸而非蛋白質(zhì)。1958年Meselson和Stahl用同位素實(shí)驗(yàn)證明了DNA的半保留自制方式。20種編碼氨基酸的遺傳密碼的解讀也是通過(guò)該技術(shù)完成的。（一）核酸分子雜交1斑點(diǎn)雜交2原位雜交3Southern 印跡雜交4Norther