低能离子注入技术在生物学中的研究和应用

20年前,我国科学工作者率先开展了低能离子与生物体系相互作用的研究。如今,低能离子注入技术已在农业、花卉业以及发酵工程中广泛应用。对离子注入的概念、机理、应用和研究的主要成果及其前景作了简要介绍。     

低能氮离子注入同源四倍体水稻的生物学效应

以低能氮离子束为诱变源,对同源四倍体水稻进行注入处理后,对其生物学效应进行了研究。研究结果表明,同源四倍体水稻比二倍体水稻对低能氮离子束注入处理更敏感。在注入离子剂量为3×1017N+/cm2时,同源四倍体水稻所受到的损伤比二倍体水稻所受到的损伤更严重。4份同源四倍体水稻(即IR36(4)、IR28(4)、紫血稻(4)、明恢63(4))的成苗率分别是2.0%、3.5%、3.0%和4.0%,致死率非常高。在同样条件下,4份相应的二倍体水稻(即IR36(2)、IR28(2)、紫血稻(2)、明恢63(2))的成苗率分别是33.0%、31.5%、29.0%和24.5%,致死率也比较高。在经过注入处理后的当代群体内,4份同源四倍体水稻的平均变异频率为32.5%,而4份相应的二倍体水稻的平均变异频率为9.5%。在同源四倍体水稻IR36(4)和IR28(4)的变异群体内分别发现22株和14株结实率均达到75.0%以上的单株,其中在IR36(4)群体内有1单株的结实率高达91.89%;在紫血稻(4)的变异群体内发现2株具有双胚苗性状的单株;在二倍体水稻明恢63(2)的变异群体内发现1株具有红心米性状的单株。在第二代群体中,除了叶鞘变异和米质变异这两个变异性状能稳定遗传之外,其它变异性状在群体内都发生了明显的性状分离现象。同源四倍体水稻的高结实率特性和双胚苗特性表现出一定的可遗传性。     

低能离子注入对大豆种子吸胀冷害的影响

本文分别从浸种液中无机离子的浓度、可溶性糖的浓度以及溶液的pH值,研究了低能离子注入对大豆种子吸胀冷害的影响。结果发现一定剂量的氮离子注入大豆种子后,其无机离子、可溶性糖、酸性物质的泄漏量均有低于对照组的趋势,而且其长势好于对照组,说明离子注入能在一定程度上减轻大豆遭受的吸胀冷害。     

低能离子注入介导外源DNA转化的原理与应用

低能离子注入介导外源DNA转化是分子杂交育种的一种有效的途径,被广泛应用于植物和微牛物的品质改良及种质创新并在农业、工业的生产应用方面奠定了很好的基础.本文简述了低能离子注入介导外源DNA转化技术的基本原理,低能离子的注入对受体产生了通道作用、吸引作用、损伤作用和吸胀作用的验证性实验,介绍了该技术在成功创制"玉米稻"、"高蛋白小麦"品系和株系的基础上进行转化植物和微生物方面取得的成果,分析了该研究领域包括实验技术、实验材料、实验结果方面存在一些问题并提出初步解决设想.     

低能钒离子注入花生种子的深度分布

采用鼎瑟福背散射（RBS）和X射线能谱分析法（EDAX）对V元素在花生种子中的深度分布进行了测量,并用扫描电镜对注入前后花生种胚的形貌变化进行观察。结果表明,由于样品表面较粗糙以及其特殊结构,RBS方法不适于测量钒在花生肿胚中的深度分布,trim95也不适合于对注入钒离子在花生种子中的深度进行模拟,而EDAX的测量结果表明V离子的穿透深度可达到15μm。另外,注入前后花生种胚的形貌发生了显著变化。     

H^＋、N^＋、Ar^＋注入对啤酒酵母存活率的影响及SEM和ESR研究

研究了H+、N+、Ar+低能离子注入酵母菌剂量对存活率的影响;离子注入对酵母细胞的刻蚀损伤作用和离子注入后对细胞内自由基产生的影响.结果表明酵母的存活率随着注入剂量的增加而减少,离子注入对其存活率影响程度是H+>N+>     

低能离子注入对固态尿嘧啶损伤的初步研究

对２５ｋｅＶ氮、氩离子束辐照尿嘧啶（ｕｒａｃｉｌ）引起其分子结构的变化分别进行了研究，通过紫外光谱的分析，得到了离子注入后尿嘧啶的残余紫外吸收曲线，富里叶红外光谱仪的分析，说明尿嘧啶受到了一定程度的损伤；茚三酮反应的测定证明了氮、氩离子辐照后的样品中均产生了新的化学基团氨基。     

低能氮离子注入对决明子的生物效应研究

用低能氮离子注入决明子种胚,种子浸泡液电导率显著增加,发芽势和发芽指数显著降低,幼苗主根长度减少,平均鲜重和活力指数显著降低.直接接受离子注入的种胚,其SOD酶活性随注入剂量的增加呈现出先下降再轻微上升的趋势.而没有直接接受离子注入的胚乳,其SOD酶活随注入剂量的增加呈马鞍形曲线.     

低能氮离子注入对小麦组织培养影响的研究

以普通小麦为材料,研究了氮离子注入对小麦花药、成熟胚培养过程中愈伤诱导、植株再生的影响。结果表明：离子注入引起花药出愈率下降,但对分化率基本无影响,而且对成苗有利,在处理剂量下,成苗率比对照提高了４６．２％ ;而离子注入可以在基本不影响成熟胚出愈率的情况下,显著提高愈伤的分化率。     

氮离子注入对麻疯树幼苗抗氧化能力的影响

本文分析了能量为25kev的不同剂量N^＋对麻疯树种子萌发和幼苗的抗氧化能力的影响。结果表明N^＋注入降低了麻疯树种子的发芽率和成苗率以及幼苗的SOD和APX活性和MDA含量,增强了CAT活性。6×10^16-9×10^16N^＋·cm^2的剂量增加了还原型抗坏血酸含量,12×10^16-15×10^16N^＋·cm^2的剂量降低了总抗氧化能力,但增强了POD活性。18×10^16N^＋·cm^2可能是能量为25kev的N^＋诱变麻疯树干种子的合适剂量。     

微波等离子体溅射诱变选育花生四烯酸高产菌及补料工艺研究

采用微波等离子（N^ ,15w,3min)溅射高山被孢霉T105,筛选到高产菌R254,该菌最高生物量29．3g/L,油脂11．5g/L,花生四烯酸4．20g/L,花生四烯酸产量是原出发菌株1．35倍。通过对突变株R245的代谢情况、继代稳定性以及脂肪酸组成分析,认为微波等离子溅射诱变育种是获得花生四烯酸高产菌株的有效方法。并采用补糖工艺可进一步提高其产量,花生四烯酸产量为7．43g/L,是未补糖时花生四烯酸产量的1．76倍,且为出发菌株花生四烯酸最高产量的2．40倍。     

低能离子束生物技术的应用

自从我国科学家发现离子注入生物学效应后,低能离子束生物技术的研究就在我国率先兴起。随后,越来越多的科学家基于低能离子与生物体之间存在的能量沉积、动量传递、质量沉积及电荷中和与交换的相互作用,对生物体内的遗传物质进行加工、修饰、重组,开辟了农作物和微生物等遗传改良及转基因的新方法。本文简要介绍了低能离子束生物技术产生的背景、低能离子束与生物体之间相互作用的机理和特点以及目前低能离子束在诱变育种和转基因等生物技术领域的研究进展,并展望了离子束技术在藻类基因工程方面的发展潜力。     

低能铁离子束辐照氨基酸衍生物的红外光谱结构表征

利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术研究了能量为110keV的Fe^ 离子束辐照L（ ）-半胱氨酸盐酸盐单晶水合物固态样品的结构变化情况。对辐照样品的两次红外光谱分析结果有所不同,表明固态样品不同部位受低能铁离子束作用后可发生不同的分子改性;但二者又具有一定的相似性,都反映了原分子中氨基、羧基和巯基等基团的受损及硝基和酰胺基团等的生成。     

低剂量率下高线性能量转移碳离子束辐照人类唾液腺细胞的存活效应

利用日本千叶重离子医用加速器 HIMAC 提供的碳离子束,对人类唾液腺细胞 (HSG) 在剂量率为 0.5 Gy/h 的低剂量率条件下进行了辐照,运用标准的克隆形成法得到了 3 种不同剂量平均线性能量转移 (LET) 碳离子束辐照 HSG 细胞的剂量存活效应 . 与先前 HSG 细胞在治癌剂量率 (1~5 Gy/min) 下对相近剂量平均 LET 碳离子束辐照的剂量存活效应数据相比, HSG 细胞对高 LET 碳离子束辐射表现出明显的剂量率效应 . 为在相同条件下得到碳离子束对 HSG 细胞的相对生物学效应 (RBE) ,利用 60Co-γ射线在剂量率为 0.5 Gy/h 的条件下辐照了 HSG 细胞,得到该细胞系对低 LET 射线响应的剂量存活效应 . 与先前在治癌剂量率下得到的 RBE 值相比,低剂量率条件下得到的 RBE 值总体减小 . 由实验发现的剂量率效应及低剂量率条件下 RBE 值的减小,表明由高 LET 碳离子束造成的辐射损伤在低剂量率条件下也存在着显著的修复效应 . 据此,对辐射造成细胞致死的原因进行了探讨 .     

低能铁离子束对原卟啉IX二钠盐的辐照效应研究

110ke V Fe^ 离子注入原卟啉IX二钠盐薄膜亲品后的一些谱学分析结果表明,低能铁离子束辐照可以导致生物分子的损伤和化学改性,并且初步证实注入铁离子在样品分子中慢化沉积后形成含铁的金属络合物,即注入铁离子的质量沉积。     

氮离子束注入燕麦种子对M1-M2代幼苗生理生化指标的影响

采用能量为25keV的不同剂量(4×1016N /cm2、6×1016N /cm2、8×1016N /cm2、12×1016N /cm2)N 束注入燕麦种胚,研究了N 离子束注入后,燕麦M1代和M2代种子的发芽率,幼苗体内过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性,叶绿素含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖及可溶性蛋白含量的影响。实验结果表明:以12×1016N /cm2剂量处理燕麦较合适,能提高燕麦M1和M2代种子的发芽率,幼苗POD、CAT活性和可溶性蛋白含量,有利于幼苗生长。     

低能离子束生物工程的发展趋势

简述了低能离子束生物技术在6个主要方面的研究成果。随着离子束生物技术不断发展,迫切需要建立一个更加完善的物理学平台,形成一个更加完整的研究体系,借助于其它学科的新技术或新工艺形成一个相互补充的技术集成体系,更应该将离子束生物技术的实用性和普遍性的范围不断地拓宽。明确提出了低能离子束生物工程的技术思路,即立足于低能离子束这一物理学技术平台,瞄准2个发展方向,促进3个有效转变,分清4个研究层次,注重5大生物学特性。     

氮离子束注入对小麦苗期耐盐性的影响

采用能量为25keV的不同剂量的N 注入新疆春小麦种胚后,研究盐胁迫对小麦幼苗体内生理生化指标的影响。结果表明,在6×1016N /cm2剂量注入新春11号时,盐胁迫后小麦幼苗的SOD活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均增加,幼苗生长良好,说明该剂量处理新春11号有利盐胁迫下小麦幼苗的生长。