重离子注入质量沉积效应的研究动态

重离子注入生物学效应是我国首创的研究领域,但其基础理论研究开展较少,特别是在重离子束辐照所特有的电荷交换、动量传递和质量沉积效率等方面。前人多采用低能重离子束注入生物小分子和仪器分析手段来研究重离子注入质量沉积,但有关质量沉积对处于生命状态下的活性物体组织细胞和生物大分子所带来的生物学效应的研究还未见报道。本文作者首次提出应用稳定性和放射性重离子束注入细胞、生物大分子和抗生素等药物分子,然后用X－射线晶体衍射分析、微观和亚微观放射显影、放射性测量和分子生物学等研究技术对重离子注入质量沉积和质量沉积效应开展进一步的研究。     

三种辐射源对耐辐射微球菌作用机理的比较研究

三种辐射源对耐辐射微球菌作用机理的比较研究宋道军余增亮（中国科学院等离子体物理研究所离子束生物工程研究中心合肥２３００３１八十年代中期创立于我国的低能重离子生物学，研究已证实注入离子对植物和微生物均有良好的诱变效应［１－４］。离子注入生物体集能量沉积...     

离子束对生物体的作用原理及应用

离子束是指一束具有一定能量的质量数小于或等于4的带电离子束,离子束注入技术是生物物理技术,具有生理损伤小、突变谱广和突变频率高等特点。离子束与生物体的相互作用是我国具有独立知识产权的生物物理技术,我国科学家在上世纪80年代已经发现了离子束注入的生物效应,并将这一原理应用于植物诱变育种。本文主要概述了低能离子束注入对生物体的作用原理,以及该技术在植物育种、微生物品种改良和遗传改良上的应用,最后还小结了离子束注入技术在研究领域存在的问题并对其未来发展方向提出展望。     

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。     

离子束生物效应及应用中值得研究的几个问题

重离子束生物效应及重离子束在生命科学中的应用研究,在国内外物理学与生命科学领域中得到了广泛的开展,但对出现的一些现象还没有深刻地揭露其本质,作出机理性解释。为了深入研究,本文提出一些值得研究的问题供参考,如:重离子径迹结构及能量沉积分布模型,DNA辐射敏感位点,质量沉积-分子改造,直接作用与间接作用,放射性核束的应用等。     

氮离子束对小麦种子不同部位作用的突变效应

本文描述了荷能重离子束（^14氮^1 和^14氮^7 ）在作物改良上的应用。为了探讨离子束轰击小麦种子不同部位（例如：种皮,种胚和整粒种籽,包括胚乳、胚和种皮）后的不同反应,采用了不同能量的氮离子。轰击不同部位是通过改变离子能量来实现的。在这个研究中,我们选择了三种能量以达到轰击不同部位的目的,它们是超低能区的110keV,低能区的15．7MeV/u和中能区的72MeV/u.根据TRIM 91程序计算,它们在种子内的射程依次为0．44μm,0.61mm和9.6mm。所以,110keV的离子不能贯穿种皮,因为它的厚度72μm,只能极浅层注入种皮而不能触及胚细胞（称这种情况为轰击部位1）,15．7MeV/u的离子能够贯穿种皮并注入胚内（厚度约1mm),但不能进入胚乳（称这为轰击部位2）,72MeV/u的离子能从种子的胚部到顶部贯穿整个麦粒（麦粒长约7mm)（称这为轰击部位3）。上述三种能量的氮离子辐照了三个品种（定西24、88－12、82－579）的春小麦种子。而后进行了室内实验和大田培育,得到了50％出苗率时的剂量D50,统计了上述三个轰击部位下根尖细胞中的微核率及染色体畸变率,大田中产生了一些新的变异,例如增产（达百分之几十）,早熟（五天左右）,矮杆（低约20cm),抗（条锈）病,并且显示了轰击不同部位的突变频率与突变谱,还简略地讨论了三种情况的突变机理。     

低能N~+注入芽孢杆菌与酵母菌的Monte-Carlo模拟与分析

低能离子注入技术和方法已广泛应用于微生物诱变育种,为了进一步理解低能N+注入原核微生物与真核微生物细胞的离子输运过程与效应,本文根据腊样芽孢杆菌和酿酒酵母菌的化学组成与细胞结构,建立了两种简化的微生物靶材料模型,利用Monte-Carlo方法计算了能量15 Ke V的N+注入在两种不同类型微生物细胞中的离子射程分布、径迹结构、能量沉积及靶损伤情况,比较了N+注入对微生物细胞的损伤效应,对芽孢杆菌死亡率高于酵母菌死亡率的机理进行了理论分析。     

低能N~+离子束注入香瓜种子引起的变异及后代基因组的RAPD分析

用低能N+离子束对香瓜种子进行不同能量和剂量组合的处理。从各处理组与对照组当代和第三代苗期形态特征观察、考种中发现 :在一定能量和剂量组合下 ,处理组香瓜叶型和果肉厚度发生了明显的变化 ,这种形态学变化是可遗传的。应用随机引物扩增多态性DNA (RandomamplifiedpolymorphicDNA即RAPD)技术分析对照组和注入低能N+离子束处理组的香瓜总DNA的结果显示 :10 0种随机引物中的 2 4种引物扩增出 44条多态性片段 ,且其中一种引物所扩增的条带与叶型变化相连锁。表明低能N+注入香瓜种子可引起其基因组DNA发生变异 ,一定注入剂量和能量的组合 ,可导致特异性的变异。     

低能N^＋离子束注入香瓜种子引起的变异及后代基因组的RAPD分析

用低能N^ 离子束对香瓜种子进行不同能量和剂量组合的处理,从各处理组与对照组当代和第三代苗期形态特征观察,考种中发现：在一定能量和剂量组合下,处理组香瓜叶型和果肉厚度发生了明显的变化。这种形态学变化是可遗传的,应用随机引物扩增多态性DNA（Random amplified polymkorphicDNA即RAPD）技术分析对照组和注入低能N^ 离子束处理组的香瓜总DNA的结果显示：100种随机引物中的24种引物扩增出44条多态性片段,且其中一种引物所扩增的条带与叶型变化相连锁,表明低能N^ 注入香瓜种子可引起其基因组DNA发生变异,一定注入剂量和能量的组合,可导致特异性的变异。     

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。     

低能离子束在生物技术中的应用研究

自从发现离子注入生物效应后,低能离子与生物体系相互作用研究在我国率先兴起,并很快投入应用。简要介绍低能离子注入生物效应的机理研究和应用研究的进展状况,并展望未来 。     

碳离子束辐照拟南芥介导外源基因转移的研究

采用700keV或4.0MeV碳离子束辐照拟南芥种子,通过对样品的显微摄影,发现随着辐照剂量的增加,碳离子束对种子表面的损伤逐渐加剧,特别是在4.0MeV碳离子束辐照下,当剂量达到1×1014ions·cm-2后,种皮局部逐渐被刻蚀殆尽,甚至造成种皮局部破裂。对拟南芥种子进行台盼蓝染色后的显微观测显示,碳离子束辐照可以导致拟南芥种皮细胞着染,在剂量较大的情况下,部分皮下细胞也可着染,表明碳离子束可作用到皮下细胞,为外源基因提供导入的通道。GUS基因导入后的组织化学检测表明:质粒pCAMBIA1301能够进入4.0MeV碳离子束辐照后的拟南芥种子,并在种子和幼芽中获得瞬间表达。     

离子束在生命科学中的应用

低能离子在生命科学中应用是道德在中国兴起的１９８６年,中国的科技工作者研究了低能哼子对生物的诱变效应,并成功地将其应用于植物育种。现在,离子注入技术已被应用于生物改良、生命起源和进化以及环境辐射生物学效应等多个理论和应用研究领域。其中,在植物遗传转化、创造新种质资源方面的成果尤其为突出：通过离子束介导转化法获得了高蛋白小麦、高光效水稻,抗病小麦、水稻、棉花新品质。通过诱变技术获得了多穗型玉米、无融     

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。     

Contribution of indirect action to radiation-induced mammalian cell inactivation: dependence on photon energy and heavy-ion LET

The contribution of indirect action mediated by OH radicals to cell inactivation by ionizing radiations was evaluated for photons over the energy range from 12.4 keV to 1.25 MeV and for heavy ions over the linear energy transfer (LET) range from 20 keV/microm to 440 keV/microm by applying competition kinetics analysis using the OH radical scavenger DMSO. The maximum level of protection provided by DMSO (the protectable fraction) decreased with decreasing photon energy down to 63% at 12.4 keV. For heavy ions, a protectable fraction of 65% was found for an LET of around 200 keV/microm; above that LET, the value stayed the same. The reaction rate of OH radicals with intracellular molecules responsible for cell inactivation was nearly constant for photon inactivation, while for the heavy ions, the rate increased with increasing LET, suggesting a reaction with the densely produced OH radicals by high-LET ions. Using the protectable fraction, the cell killing was separated into two components, one due to indirect action and the other due to direct action. The inactivation efficiency for indirect action was greater than that for direct action over the photon energy range and the ion LET range tested. A significant contribution of direct action was also found for the increased RBE in the low photon energy region.     

Failla Memorial lecture. The future of heavy-ion science in biology and medicine

Interplanetary space contains fluxes of fast moving atomic nuclei. The distribution of these reflects the atomic composition of the universe, and such particles may pose limitations for space flight and for life in space. Over the past 50 years, since the invention of Ernest Lawrence's cyclotron, advances in accelerator technology have permitted the acceleration of charged nuclei to very high velocities. Currently, beams of any stable isotope species up to uranium are available at kinetic energies of several hundred MeV/nucleon at the Berkeley Bevalac. Recently, new areas of particle physics research relating to the mechanisms of spallation and fission have opened up for investigation, and it is now realistic to search for nuclear super-dense states that might be produced in heavy nuclear collisions. The heavy ions hold interest for a broad spectrum of research because of their effectiveness in producing a series of major lesions in DNA along single particle tracks and because of the Bragg depth ionization properties that allow the precise deposition of highly localized doses deep in the human body. Individual heavy ions can also interrupt the continuity of membraneous regions in cells. Heavy ions, when compared to low-LET radiation, have increased effectiveness for mammalian cell lethality, chromosome mutations, and cell transformation. The molecular mechanisms are not completely understood but appear to involve fragmentation and reintegration of DNA. Cells attempt to repair these lesions, and many of the deleterious effects are due to misrepair or misrejoining of DNA. Heavy ions do not require the presence of oxygen for producing their effects, and hypoxic cells in necrotic regions have nearly the same sensitivity as cells in well-oxygenated tissues. Heavy ions are effective in delaying or blocking the cell division process. Heavy ions are also strong enhancers of viral-induced cell transformation, a process that requires integration of foreign DNA. Some cell lines, known to be radioresistant to X rays, have exhibited greater sensitivity to heavy ions. These radiobiological properties, combined with the ability to deliver highly localized internal doses, make accelerated heavy ions potentially important radiotherapeutic tools. Other novel approaches include the utilization of radioactive heavy beams as instant tracers. Heavy-ion radiography and microscopy respond to delicate changes in tissue electron density. Dose localization with helium ions has achieved excellent results for pituitary tumors, tumors adjacent to the spinal cord, and ocular melanomas. We are working on adapting silicon- and neon-ion beams for controlled therapy studies.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)     

重离子束生物工程中的一些基本物理问题

本文介绍了重离子束的基本特性和在生命科学应用中的优势,以及它的能区划分,传能线密度LET,相对生物效率RBE等,分别叙述了中、高能和低能离子束与介质作用的特点、在农学中应用的模式及其吸收剂量的计算,最后还对一些机理问题进行了简单讨论。