1、第八章 核技术在农业领域的应用第八章 核技术在农业领域的应用“核农学”（Nuclear Agriculture）。它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。全球通过辐射育种方式培育了2376个品种，
2、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。第一节第一节 辐射育种技术辐射育种技术 辐射育种辐射育种（Radioactive breeding techniques）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
3、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改良并培育出新品种品种。这种利用射线诱发生物遗传性的改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变，经人工选择培育新的优良品种的技术就称为辐射育种就称为辐射育种。一、辐射育种的发展历程一、辐射育种的发展历程1934年，印尼科学家托伦纳利用射线照射烟草，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
4、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。法国水稻良种“岱尔塔”等均有很大的经济意义。一、辐射育种的发展历程一、辐射育种的发展历程 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
5、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“优838”、“扬稻6号”二、辐射育种的基本原理二、辐射育种的基本原理 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。一是直接作用，入射粒子或射线使大分子发生电离或激发；二是间接作用，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
6、、照射时的温度、氧的存在等。一、电离一、电离辐射所致突变的可能机制辐射所致突变的可能机制一、电离一、电离辐射所致突变的可能机制辐射所致突变的可能机制（一）（一）DNA分子结构变化分子结构变化 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。1.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1.电离辐射引起D
7、NA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。b)DNA交联（DNA cross-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。2.基因突变（Gene mutation）碱基对的增添、缺失或改变，引起的基因结构的变化 a）点突
8、变（Point mutation）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2.基因突变（Gene mutation）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（Reading frame shift），
9、使其后所译读的氨基酸序列全部混乱，称为移码突变（Frame-shift mutaion）。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：致死性；丧失某些功能；改变基因型（Genotype）而不改变表现型（Phenotye）；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。3.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
10、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。3.染色体畸变 1）染色体数目畸变）染色体数目畸变 人们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
11、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。3.染色体畸变2）染色体结构畸变）染色体结构畸变 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（缺失（De
12、ficiency或或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。染色体在射线作用下的中间缺失示意图染色体在射线作用下的顶端缺失示意图 2）染色体结构畸变）染色体结构畸变 重复（重复（Duplication）：染色体上增加了相同的某个区段
13、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（Tandem duplication）和反接重复（Reverse duplication）染色体在射线作用下的重复示意图（二）细胞对辐射损伤的修复（二）细胞对辐射损伤的修复（1）回复修复：这是较简单的修复方式，一般都能将DNA修复到原样。主要包括：光修复，单链断裂的重接，碱基的直接插入，烷基的转移。（2）切除修复：切除修复是修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂等都能起修复作用。（3）重组修复：上述的
14、切除修复在切除损伤段落后是以原来正确的互补链为模板来合成新的段落而做到修复的。但在某些情况下没有互补链可以直接利用 4）SOS修复：DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复，使细胞有较高的突变率。DNA重组修复示意图（三）辐射敏感性和诱变剂量（三）辐射敏感性和诱变剂量（1）作物辐射敏感性测定方法测定辐射敏感性一般从个体、细胞或代谢三个水平上进行，指标有：1）幼苗的高度和根长；2）植株存活率；3）植株不育性；4）大豆初生叶叶斑和面积；5）过氧化物酶活性和邻苯二酚含量；6）分裂间期的
15、细胞核体积（INV）和染色体体积（ICV）大小；（2）作物的诱变剂量采用吸收剂量为计算依据，法定剂量单位为Gy。1）半致死剂量（LD50），即作物受照后有50%致死时所需的剂量；2）半致矮剂量（D50），即作物受照后株高降低到对照50%时的剂量；3）临界剂量，当作物生长已受到显著抑制，但有2030%的植株在生育过程中仍有形成种籽能力所能接受的剂量。三、辐射育种方法三、辐射育种方法 诱变源：质子、介子射线、中子、射线、离子束 常用的射线内照射方法有：a）浸种法 b）植株处理法 c）花序处理法 d）木本植物内照射处理法辐射育种培育的果树与原树的所结果实的对比第二节 辐射保藏一、基本原理、概念一、基
16、本原理、概念 辐射保藏（辐射保藏（Radioactive preservationRadioactive preservation）食品是用电离辐射照射的方法延长食品保藏时间，提高食品质量的新技术。它的基本原理是利用射线或加速器产生的粒子束流照射食品，引起一系列物理，化学或生物化学反应，达到杀虫、灭菌、抑制发芽、抑制成熟等目的从而减少食品在贮存和运输中的耗损，增加供应量，延长货架期，提高食品的卫生品质。（注：正在进行蔬菜的辐照保鲜试验，蓝光为切伦科夫辐射）钴60辐照装置（一）辐照条件（一）辐照条件用于保鲜或保藏的辐射源有三种：即60Co和137Cs的射线、电子直线加速器产生的射线、X射线管产生
17、的X-射线。实验室试验阶段有两种装置可以使用，即60Co或137Cs的辐射装置和电子加速器，对于体积小，包装薄的物品，采用直线电子加速器比较易于管理。为了满足特殊工艺要求，例如提高均匀度，保证照射时的温度控制，减少照射时的氧含量，减少食品在传送、照射和贮藏过程中的机械损伤（碰伤），以及为了从经济角度来改进工厂辐射源的利用率，应当规定适宜的辐照类型和剂量范围，还应考虑其它条件和因素的影响。对于供卫生安全性实验用的食品辐照条件，应尽可能地与供人消费的食品的辐照条件一致，供动物实验用的食品，其剂量至少应该是商业推广所用的最大剂量。在辐照加工时，还要求含水量、氧效力、温度和辐照后的保藏条件都尽可能与商
18、业推广的条件接近。（二）处理各种产品、样品的剂（二）处理各种产品、样品的剂量及剂量率量及剂量率 通常，低剂量照射（低于10kGy）用于减少微生物、减少非孢子病原性微生物数目和改进食品的工艺品质；高剂量照射（约10kGy50kGy）用于商业目的的消毒和消除病毒。在适当的物理条件下，使用均匀的消毒（辐射完全杀菌）剂量为10kGy70kGy，似乎不会影响食品供人食用的安全性，公认的剂量限值为15kGy，若考虑均匀性，平均剂量值一般为10kGy。各种有效处理所需的剂量范围各种有效处理所需的剂量范围（三）综合处理技术（三）综合处理技术 1.防腐剂与电离辐射 2.加热与电离辐射 3.重复照射 只允许两种情
19、况进行重复照射：（1）被辐照食品是一种经过低剂量辐照的加工食品；（2）含有少量辐照过的成分的食品（例如含有辐照香料的肉制品和浓缩物）。4.包装材料（1）可靠的金属容器（2）轻的多层薄膜包装材料二、国内外研究应用状况二、国内外研究应用状况（一）辐照技术在国外的研究状况（一）辐照技术在国外的研究状况 目前，辐射杀虫储粮已经成功运行了几十年，处理了上千万吨的被多种害虫(如米象、谷蠹)感染的小麦。电子束辐照技术经试验证明是一种成熟的技术、前景广阔，在俄罗斯、美国和日本等发达国家均有广泛应用。根据世界卫生组织（WHO）、联合国粮农组织（FAO）和国际原子能机构（IAEA）等3个组织联合于1980年发表公
20、告证实：任何食品当其总体平均吸收剂量不超过10kGy时，没有毒理学危险，同时在营养学和微生物学上也是安全的。这一结论得到了世界食品法典委员会（CAC）的认可。（一）辐照技术在国外的研究状况（一）辐照技术在国外的研究状况 到了1999年，WHO、FAO和IAEA三个组织再次发布联合公告，证明超过10kGy以上的剂量辐照食品也不存在安全性问题。以电子加速器产生的高能电子束灭菌方法，正在成为发展趋势。辐射装置只要严格按照隔离设计及控制要求建设和操作使用，其安全管理不存在任何问题。为了确保灭菌的有效性，世界卫生组织制定了统一的标准，只要控制一定的吸收剂量就能彻底杀灭细菌。电子束照射过的物品中不会残留有
21、任何放射性，因此这种方法不仅成为一次性医疗用品消毒灭菌的重要手段，也是杀灭炭疽菌以抵制国际恐怖主义的一种可靠有效的选择。（二）辐照技术在我国粮食储藏中的应（二）辐照技术在我国粮食储藏中的应用用 目前国内对电子束辐照储粮技术研究工作仍处于尝试阶段，但已取得一定进展。清华科技园在联合国开发计划署支持下，于19982001年开展电子束辐照处理带菌疫麦技术的研制和实施，曾得到美国、俄罗斯、乌克兰等国大学、科研部门专家协作和支持。清华科技园在拥有三座原子反应堆、一座1.851015Bq钴源辐照站和研究用电子加速器设施的条件下，集中了约600名从事核科学、电子加速器等学科研究和核工程建设的技术队伍，经过近
22、四年的辐照实验室研究、田间栽培及工程化研究，取得了包括粮食辐照灭菌和杀虫在内的一批科研成果。已具备了独立设计、建设和运行辐照处理带菌疫麦工艺系统的能力。这将大大推进辐照技术在食品领域推广应用。马铃薯的辐照抑制发芽（左为对照品）第三节第三节 辐射杀虫辐射杀虫 辐射杀虫（辐射杀虫（Radioactive killing insect pestRadioactive killing insect pest）即是利用电离辐射防治虫害，其辐射效应与剂量大小有关，其生物效应在适当剂量时导致昆虫生殖细胞染色体易位，受到损害，使当代受辐射的昆虫部分丧失延续后代的能力（遗传不育），并可遗传到下一代，使下一代比当
23、代更不育，这种剂量称为半不育剂量。高于这种剂量，使昆虫当代完全不育，称为不育剂量。当辐射剂量再提高时，害虫就不能完成世代交替，而慢慢地死去，达到防治目的，这种剂量称为缓期致死剂量。当辐照剂量更高时，可在短时间内直接杀死害虫，这称为致死剂量致死剂量。一一、一般原理和特点一般原理和特点不考虑虫口密度对增殖率的影响，忽略环境条件对昆虫成活率的影响，假设某害虫种群为100万，每代以5倍的比例繁殖，若采用每代杀死90%的防治措施，则其残存率为10%，同样以5倍的比例增殖，到第五代就只能杀死56250只，当种群数量降低后，用少量杀虫剂即可杀灭害虫，减少农药用量。若采用雄性不育法进行防治，其不育雄虫释放为正
24、常雄虫的9倍，则正常雄虫与正常雌虫交配的概率为1/10，第一代以后若仍释放与第一代同等数量的不育性雄虫，则不育性雄虫与正常雌虫的比例急剧增大，也就是正常雄虫与正常雌虫的交配概率急剧降低。二二、辐射不育治虫技术辐射不育治虫技术 辐射防治害虫技术考虑的因素因素有：1.防治对象的选择 2.适宜剂量和照射方法 3.人工饲养 4.包装运输和大田释放 5.害虫的种群动态 6.迁飞能力与防治效果雄性不育昆虫的对比（左为正常雄虫，右为不育雄虫）雄性不育昆虫的对比（左为正常雄虫，右为不育雄虫）三三、辐射不育杀虫的特点、辐射不育杀虫的特点1 1）无环境污染，有利于生态平衡。）无环境污染，有利于生态平衡。辐射不育是
25、一种生物防治方法，无化学残毒，对农作物与生态环境完全没有影响，并且不危害人畜、野生动物、害虫天敌和有益昆虫，是一种十分安全卫生的防治方法。2 2）专一性强，目标明确。）专一性强，目标明确。只防治一种特定的昆虫，对其他昆虫不会伤害。3 3）防治持久而彻底。）防治持久而彻底。辐射不育可在大面积范围内灭绝一种害虫。如果不再从其他地区迁入这种害虫，就可长期保持农作物(以及畜、林)免遭侵害。4 4）特殊效果。）特殊效果。对自然隐蔽性强（有钻蛀习性）的害虫，或已产生抗药性的害虫，或一般防治有困难的害虫，采用辐射不育可以取得特殊效果。经济效益显著。由于防治效果持久，而且具有可能达到灭绝根除害虫的目的，因而受益具有长期性。例如螺旋蝇的防治与根绝，辐射不育的技术效益与成本之比可达到50:1。5 5）一次性投资高。）一次性投资高。昆虫辐射不育需要人工饲养大量昆虫，并进行大田或野外释放。饲养过程中的人力、物资与装备（饲料、辐射源等）花费以及释放的运输设备、人员投入都很大。然而从长期取得的效果权衡，启动基金的大投入是有价值的。部分害虫蛹的辐射致死剂量部分害虫成虫的辐射致死剂量习 题DNA损伤的类型有哪几种？请具体描述。机体的辐射敏感性与哪些因素有关？测定辐射敏感性一般从个体、细胞或代谢三个水平上进行，常用指标有哪些？辐射保藏的基本原理是什么？在辐射防治害虫技术中，防治对象必须满足什么条件？
