第八章-核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

第八章核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用2024/11/81核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要研究核素和核輻射及相關(guān)核技術(shù)在農(nóng)業(yè)科學(xué)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及其作用機(jī)理，可分為核輻射技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用和核素示蹤技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。核技術(shù)是增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的最有效手段之一，可為農(nóng)業(yè)提供優(yōu)質(zhì)良種、控制病蟲害、評估肥效、控制農(nóng)藥殘余、保持營養(yǎng)品質(zhì)、延長儲(chǔ)存時(shí)間、鑒定糧食品質(zhì)等。核農(nóng)學(xué)是核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一門交叉學(xué)科，主要涉及輻射誘導(dǎo)育種，昆蟲輻射不育，肥料、農(nóng)藥、水等的示蹤，輻射保鮮，農(nóng)用核儀器儀表等內(nèi)容。引言——“核農(nóng)學(xué)”（NuclearAgriculture）2024/11/82核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用全球通過輻射育種方式培育了2376個(gè)品種，我國占全球的四分之一以上。保藏技術(shù)具有節(jié)約能源，衛(wèi)生安全，保持食品原來的色、香、味和改善品質(zhì)等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)也日趨成熟；昆蟲輻射不育技術(shù)是目前可以滅絕某一蟲種的有效手段。同位素示蹤技術(shù)能夠比較真實(shí)地反映某一元素（或化合物）在生物體內(nèi)的代謝過程或農(nóng)業(yè)環(huán)境的物理化學(xué)行為，它所具有的優(yōu)點(diǎn)是目前其它方法不能替代的。2024/11/83核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要內(nèi)容第一節(jié)輻射育種第二節(jié)輻射保藏第三節(jié)輻射殺蟲2024/11/84核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

第一節(jié)輻射育種輻射育種（Radioactivebreedingtechniques）是利用射線處理動(dòng)植物及微生物，使生物體的主要遺傳物質(zhì)—脫氧核糖核酸產(chǎn)生基因突變或染色體畸變，導(dǎo)致生物體有關(guān)性狀的變異，然后通過人工選擇和培育使有利的變異遺傳下去，使作物（或其它生物）品種得到改良并培育出新品種。這種利用射線誘發(fā)生物遺傳性的改變，經(jīng)人工選擇培育新的優(yōu)良品種的技術(shù)就稱為輻射育種。2024/11/85核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用一、輻射育種的發(fā)展歷程1934年，印尼科學(xué)家托倫納利用Ｘ射線照射煙草，育成煙草新品種，開創(chuàng)了農(nóng)作物輻射育種的新紀(jì)元。1958年，美國國家原子能實(shí)驗(yàn)中心開展了大規(guī)模田間輻射育種研究。日本用射線對水稻農(nóng)林8號進(jìn)行田間照射，獲得545個(gè)突變體，提高了蛋白質(zhì)的含量。1964年美國利用熱中子輻射，培育出抗倒伏、早熟、高產(chǎn)的“路易斯”軟粒小麥。1986年意大利用熱中子輻射培育出抗倒伏、豐產(chǎn)的硬粒小麥。前蘇聯(lián)育成的“新西伯利亞67”小麥良種，具有抗寒、早熟、優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)；日本育成的矮稈抗倒伏水稻良種，年收益達(dá)10億日元以上；美國育成的抗枯萎病的胡椒和薄荷良種，幾乎占據(jù)全美栽種面積，年產(chǎn)值達(dá)2000萬美元。2024/11/86核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用法國水稻良種“岱爾塔”等均有很大的經(jīng)濟(jì)意義。中國自50年代后半葉以來，已先后育成水稻、小麥、大豆等各種作物品種品系20多個(gè)，其中用射線照射“南大2419”育成良種“鄂麥6號”；用射線照射“科字6號”獲得優(yōu)良稻種“原豐早”使成熟期提早45天。80年代以來定向控制突變成為輻射育種工作的中心課題。90年代，輻射育種進(jìn)入了一個(gè)更加快速發(fā)展階段。年增產(chǎn)糧食30億千克～40億千克，皮棉4億千克～4.5億千克，油料2.5億千克～3億千克，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)30億元～40億元?！棒斆抟惶枴泵藁?，“原豐早”水稻和“鐵豐18號”大豆等，玉米“魯原4號”、小麥“山東輻63”、三系雜交水稻“Ⅱ優(yōu)838”、“揚(yáng)稻6號”2024/11/87核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用二、輻射育種的基本原理輻射育種具有打破性狀連鎖、實(shí)現(xiàn)基因重組、突變頻率高、突變類型多、變異性狀穩(wěn)定快、方法簡便且縮短育種年限等特點(diǎn)。2024/11/88核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用（一）電離輻射所致突變的可能機(jī)制直接作用，入射粒子或射線使大分子發(fā)生電離或激發(fā)；間接作用，與生物體中的水分子作用，使發(fā)生電離或激發(fā)。相對貢獻(xiàn)取決于：輻射的性質(zhì)、靶的大小和狀態(tài)、組織含水量、照射時(shí)的溫度、氧的存在等。2024/11/89核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用1、DNA分子結(jié)構(gòu)變化脫氧核糖核酸是是遺傳信息的載體，指導(dǎo)著蛋白質(zhì)和酶的生物合成，主宰著細(xì)胞的各種功能。DNA的變化是一切育種的物質(zhì)基礎(chǔ)。輻射誘發(fā)突變的遺傳效應(yīng)是由于輻射能使生物體內(nèi)各種分子發(fā)生電離和激發(fā)，導(dǎo)致DNA分子結(jié)構(gòu)的變化，造成基因突變和染色體畸變，從而引起遺傳因子發(fā)生改變并以新的遺傳因子傳給后代。2024/11/810核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用1、DNA分子結(jié)構(gòu)變化2024/11/811核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用1、DNA分子結(jié)構(gòu)變化2024/11/812核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用1、DNA分子結(jié)構(gòu)變化2024/11/813核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用電離輻射引起DNA損傷的類型DNA損傷的類型主要包括堿基變化、鏈斷裂和交聯(lián)等。DNA分子的輻射損傷2024/11/814核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用電離輻射引起DNA損傷的類型a)堿基變化：堿基環(huán)破壞；堿基脫落丟失；堿基替代；形成嘧啶二聚體等。b)DNA鏈斷裂：磷酸二酯鍵斷裂，脫氧核糖分子破壞，堿基破壞或脫落等都可以引起核苷酸鏈斷裂。SSBs，DSBs。單鏈斷裂發(fā)生頻率為雙鏈斷裂的10-20倍，但還比較容易修復(fù)；對大多數(shù)單倍體細(xì)胞（如細(xì)菌）一次雙鏈斷裂就是致死事件。c)DNA交聯(lián)（DNA

cross-linkage）：DNA分子受損傷后，在堿基之間或堿基與蛋白質(zhì)之間形成了共價(jià)鍵，而發(fā)生DNA-DNA交聯(lián)和DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)。會(huì)影響細(xì)胞的功能和DNA復(fù)制。2024/11/815核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用電離輻射引起DNA損傷的類型堿基的電離效應(yīng)2024/11/816核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用基因突變（Genemutation）堿基對的增添、缺失或改變，引起的基因結(jié)構(gòu)的變化a）點(diǎn)突變（Pointmutation）指DNA上單一堿基的變異。核輻射影響下，如果堿基的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，則可能產(chǎn)生不正常的配對關(guān)系，這種不正常的配對通常分為轉(zhuǎn)換和顛換兩種方式。嘌呤替代嘌呤（如A與G之間的相互替代）、嘧啶替代嘧啶（如C與T之間的替代）稱為轉(zhuǎn)換（Transition）；嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤則稱為顛換（Transvertion）。

2024/11/817核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用基因突變（Genemutation）2024/11/818核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用基因突變（Genemutation）b）缺失（Deletion）指DNA鏈上一個(gè)或一段核苷酸的消失。c）插入（Insertion）指一個(gè)或一段核苷酸插入到DNA鏈中。如缺失及插入的核苷酸數(shù)不是3的整倍數(shù)，則在為蛋白質(zhì)編碼的序列中發(fā)生讀框移動(dòng)（Readingframeshift），使其后所譯讀的氨基酸序列全部混亂，稱為移碼突變（Frame-shiftmutaion）。2024/11/819核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用基因突變（Genemutation）基因突變通?？梢鹨欢ǖ谋硇妥兓?，對生物可能產(chǎn)生4種后果：①致死性；②喪失某些功能；③改變基因型（Genotype）而不改變表現(xiàn)型（Phenotye）；④發(fā)生了有利于物種生存的結(jié)果，使生物進(jìn)化，這正是誘變育種的基礎(chǔ)。2024/11/820核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用染色體畸變?nèi)旧w畸變指染色體數(shù)目的增減或結(jié)構(gòu)的改變。染色體結(jié)構(gòu)變異通常要涉及到較大的區(qū)段，甚至達(dá)到光學(xué)顯微鏡可以識(shí)別的程度。染色體結(jié)構(gòu)變異都要涉及到染色質(zhì)線的斷裂和重接過程—“斷裂-重接”假說。染色線在復(fù)制前后都可以某種方式造成斷裂，通過修復(fù)機(jī)制，重新接上，包括錯(cuò)接，特別當(dāng)幾個(gè)不同斷裂同時(shí)發(fā)生，在空間上又非常接近時(shí)，重排是不難發(fā)生的（重建性愈合和非重建性愈合）?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，未復(fù)制的染色體或染色單體只含有一條DNA雙螺旋分子，染色體的斷裂實(shí)際上也是DNA鏈的斷裂，所以推測染色體斷裂以后之所以能重接，可能就是由于DNA斷裂端以單鏈形式伸出的粘性末端來完成的。染色體畸變分為數(shù)目畸變和結(jié)構(gòu)畸變。2024/11/821核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用染色體畸變——染色體數(shù)目畸變把一個(gè)正常精子或卵子的全部染色體稱為一個(gè)染色體組（簡寫n）也稱單倍體。正常人體細(xì)胞染色體，共46條即23對，即含有兩個(gè)染色體組為2n，故稱為二倍體。以二倍體為標(biāo)準(zhǔn)所出現(xiàn)的成倍性增減或某一對染色體數(shù)目的改變統(tǒng)稱為染色體畸變。前一類變化產(chǎn)生多倍體，后一類稱為非整體畸變。多倍體：如果一個(gè)細(xì)胞中的染色體數(shù)為單倍體的3倍，稱為三倍體（3n=69條）；為單倍體的4倍，稱為四倍體（4n=92條）。余此類推，三倍體以上的通稱為多倍體。人類多倍體較為罕見，偶可見于自發(fā)流產(chǎn)胎兒及部分葡萄胎中。非整倍體：一個(gè)細(xì)胞中的染色體數(shù)和正常二倍體的染色體數(shù)相比，出現(xiàn)了不規(guī)則的增多或減少，即為非整倍體畸變。增多的叫多體。僅增加一個(gè)的，即2n+1，叫做三體，同一號染色體數(shù)增加兩個(gè)的，即2n+2，叫做四體。余此類推。減少一個(gè)的（2n-1）叫做單體。2024/11/822核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用染色體畸變——染色體結(jié)構(gòu)畸變指染色體發(fā)生斷裂，并以異常的組合方式重新連接。缺失（Deficiency或Deletion）：指染色體上某一區(qū)段及其帶有的基因一起丟失，缺失在遺傳學(xué)上的效應(yīng)表現(xiàn)為生物的活力降低，影響生長發(fā)育；第二個(gè)是假顯性，在雜合體中，由于受到缺失的影響，使某些隱性基因得以顯現(xiàn)，但是，這種顯性是假顯性；第三改變基因間的連鎖強(qiáng)度，輻射所形成的缺失染色體，在遺傳過程中形成缺失純合體，缺失導(dǎo)致染色體鏈縮短，使較遠(yuǎn)的基因連鎖強(qiáng)度增強(qiáng)，交換率下降；第四可能發(fā)生嚴(yán)重的遺傳病，導(dǎo)致作物的生存能力和產(chǎn)量下降。2024/11/823核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用染色體畸變——染色體結(jié)構(gòu)畸變重復(fù)（Duplication）：染色體上增加了相同的某個(gè)區(qū)段而引起變異的現(xiàn)象。根據(jù)重復(fù)片段的排列順序及所處的位臵，可以分為三種類型：串聯(lián)重復(fù)，倒位串聯(lián)重復(fù)，移位重復(fù)。主要表現(xiàn)為順接重復(fù)（Tandemduplication）和反接重復(fù)（Reverseduplication）染色體在射線作用下的重復(fù)示意圖2024/11/824核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用染色體畸變——染色體結(jié)構(gòu)畸變倒位（inversion）：指某一條染色體發(fā)生兩處斷裂，形成三個(gè)節(jié)段，其中間節(jié)段旋轉(zhuǎn)180度變位重接。包括臂間倒位和臂內(nèi)倒位。臂內(nèi)倒位（Paracentricinversion）：指倒位的區(qū)段在染色體的某一個(gè)臂內(nèi)，而臂間倒位（Pericentricinversion）指倒位區(qū)間有著絲?；虻刮粎^(qū)間與兩個(gè)臂有關(guān)。倒位所導(dǎo)致的遺傳學(xué)效應(yīng)又可抑制或降低倒位環(huán)內(nèi)基因的重組或交換、改變基因的交換率或重組值、影響基因間的調(diào)控方式等。染色體的倒位示意圖2024/11/825核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用染色體畸變——染色體結(jié)構(gòu)畸變易位（Translocation）：指從某一條染色體上斷裂下的節(jié)段連接到另一染色體上。兩條染色體各發(fā)生一處斷裂，并交換其無著絲粒節(jié)段，分別形成新的衍生染色體和相互易位。一種為相互易位（Reciprocaltranslocation）,另一種為簡單易位（Simpletranslocation）。相互易位在易位中最常見，指兩個(gè)非同源染色體受到射線作用后都發(fā)生斷裂，斷裂后的染色體及碎片發(fā)生交換重新結(jié)合起來；簡單易位也稱單項(xiàng)轉(zhuǎn)移，即染色體的某一區(qū)段嵌入到非同源染色體的一個(gè)臂內(nèi)。2024/11/826核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用染色體畸變——染色體結(jié)構(gòu)畸變?nèi)旧w在射線作用的易位原理示意圖2024/11/827核技術(shù)應(yīng)用概論——核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用2、細(xì)胞對輻射損傷的修復(fù)（1）回復(fù)修復(fù)：這是較簡單的修復(fù)方式，一般都能將DNA修復(fù)到原樣。主要包括：光修復(fù)，單鏈斷裂的重接，堿基的直接插入，烷基的轉(zhuǎn)移。（2）切除修復(fù)：切除修復(fù)是修復(fù)DNA損傷最為普遍的方式，對多種DNA損傷包括堿基脫落形成的無堿基位點(diǎn)、嘧啶二聚體、堿基烷基化、單鏈斷裂等都能起修復(fù)作用。（3）重組修復(fù)：上述的切除修復(fù)在切除損傷段落后是以原來正確的互補(bǔ)鏈為模板來合成新的段落而做到修復(fù)的。但在某些情況下沒有互補(bǔ)鏈可以直接利用（4）SOS修復(fù)：DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷、細(xì)胞處于危急狀態(tài)時(shí)所誘導(dǎo)的一種DNA修復(fù)方式，修復(fù)結(jié)果只是能維持基因組的完整性，提高細(xì)胞的生成率，但留下的錯(cuò)誤較多，故又稱為錯(cuò)誤傾向修復(fù)，使細(xì)胞有較高的突變率。202