| 单词 | 离子束对遗传物质的作用 |
| 释义 | 【离子束对遗传物质的作用】 拼译：The effects of IonBeam implantation on genetic material 自从1927年默勒(Muller)发现X射线能增加生物体突变以来，辐射遗传学、育种学发展起来。20世纪60年代以来，物理诱变源的研究经历3个阶段和有3方面内容：60年代的Χ、γ、β、中子等射线诱变源；70年代的激光诱变源；80年代的离子束注入诱变源。它们各有特点，在诱变育种上广泛应用。离子束注入具有以下特点：(1)传能线密度高(L．E．T)；(2)在能量沉积过程中，其射程末端存在一个尖锐的能量损失峰(Bragg峰)；(3)重离子诱变参数多样，能拓宽诱变谱；(4)存在质量沉积过程。因此，低能离子注入生物体具有损伤轻、突变率高、突变谱广的优点。 离子注入技术最早应用是60年代的半导体“掺杂”，成了半导体行业必不可少的设备，70年代发现离子注入对金属材料改性有效，投入工业应用。70年代末，美国、德国、日本开始利用离子注入治疗肿瘤，研究DNA损伤的诱导和修复。离子注入用于诱变育种，并在水稻上获得成功，这是80年代中国开创的成就。1986～1989年，中国科学院等离子体物理研究所俞增亮等人和安徽省农科院王学栋、吴跃进等人合作，采用N+束(N+-Beam，30KeV，束流为10mA左右)和江苏农业科学院育成的中粳广亲和系02428。该品系在农艺性状、广亲和性方面有较大优点，而在丰产性、抗病虫、株叶型等方面尚需改善，因此，可通过离子注入诱变，选育保持原品系的广亲和性，提高丰产性，改善抗病虫性等。经过3～4年的努力，终于获得一批性状稳定、高产、抗病又保持广亲和性的品系，如J804、J809、J826等，区试亩产增加15%～20%，鼓励了育种学家和具备离子注入技术的单位合作，在番茄、棉花、玉米、小麦、大豆、烟草、枸杞等材料上进行离子注入生物学效应的研究，在合肥地区、兰州、北京、上海、武汉等地形成一个研究网络。1989年，中国科技大学生物系鲁润龙等人和中国科学院俞增亮等人合作，开展低能离子注入对生物体遗传物质作用的研究。这是离子注入诱变育种研究的核心和基础。只有探测离子注入引起的遗传物质DNA发生的结构和数量变异，才能阐明其离子注入诱变机理以及品系品种的稳定性。他们以细菌的环状质粒DNA，酵母的染色体，蚕豆、百合染色体作为研究对象，研究离子注入诱变机理。1989～1990年底，中国科技大学生物系鲁润龙、朱学良等人通过琼脂糖凝胶电泳实验技术成功地检测到N+染束(30keV)注入引起单链双链断裂的变化。他们采用大小一致并结构稳定的环状质粒PBR322(4．3kb)，在细菌体内一般处于超螺旋状态，若有单链断裂则展开为开环状DNA，若DNA同一部位双链裂断则成为线状染色体。而超螺旋DNA、开环DNA、线状DNA经溴化乙锭染色，在琼脂糖凝胶电泳上泳动速度和距离不同，可分出三条带。他们紧接着用同样方法检测离子注入引起体内质粒DNA的变异。多次重复实验证实他们预想的结果，这是国内外第1次用实验证实离子注入引起DNA单链、双链断裂的发现。1991年2月在合肥召开第1次全国离子注入生物学效应学术会议，此报告受到与会专家的重视和关注。1991，中国科技大学生物系姜锋在鲁润龙指导下，通过核酸分子扫描电镜技术，拍摄了PBR322质粒DNA的电镜照片，人们可直观未经离子注入对照组超螺旋DNA结构和经过30keV离子注入(1次、5次、10次脉冲连续辐照)的PBR322开环状DNA、线状DNA。这不仅佐证琼脂糖凝胶电泳的结论，而且还新发现离子注入引起DNA的聚合，使之形成多袢(loops)的结构。这就为显示基因重排、基因结构变异提供直观的形态观察。1992年，运用近代物理技术方法，如红外光谱、紫外光谱、电子顺磁共振谱、液相摄谱等手段检测DNA碱基的变化，发现与对照组的四种碱基吸收峰相比，出现吸收峰的位移以及新吸收峰的产生。此发现的意义在于碱基排列构成遗传密码，碱基发生变化，遗传密码也因此发生变化。同时，进行功能检测，具有抗卡霉素基因的质粒受离子注入处理后，感染细菌转入菌体，在卡那霉素培养基上不能存活，说明抗性丢失，即抗性基因发生突变。此种性状可以一代一代传递，说明遗传是稳定的，而且从筛选突变体的功能检测中发现突变率相当高。从上述工作进展可以看到，氮离子(N+)注入对遗传物质的作用，在原核细胞已经从DNA分子单链、双链断裂，碱基变化，聚合铰研究深入到基因序列结构和功能层次。199l～1992年，利用交变脉冲电场电泳技术方法检测荷能离子注入酵母细胞引起遗传物质的变化。因为该技术能使芽生酵母17条染色体分成16条带(其中两条染色体由于大小只相差20bP，所以难于分开)。所以，经离子注入染色体大小有无变化，就可以用交变脉冲电场电泳进行检测，实验结果表明，电泳图谱上随着剂量的增加，随着辐照频率的增高，自由基含量增高，DNA损伤(染色体损伤)也增大。离子注入植物种子细胞，引起遗传物质染色体变异的研究相对来说较早，也较普遍。中国国内有合肥地区中国科学院等离子体物理研究所和安徽省农科院水稻所、安徽农学院、中国科技大学生物系的合作，他们分别在水稻、棉花、蚕豆、百合上进行染色体组型分析。兰州地区有中国科学院近代物理研究所和兰州大学生物系合作，研究中能(10～100MeV／amu)重离子辐照小麦、枸杞、山豆、白兰瓜种子引起染色体畸变。北京地区北京师范大学与中国农科院的合作，研究低能离子注入引起小麦的染色体的变异，发现减数分裂过程中不分离的现象。此外，还有上海、武汉等地也有科研单位进行此项研究工作。离子注入作物种子，随着剂量的发芽率的增加，生长势抑制作用越明显，染色体组型分析也得出同样结论；随着剂量的加大，染色体畸变率也提高，包括环状染色体、断片、染色体桥等。在低能离子注入随着辐照频率的增高，1次、5次、10次、50次、100次，发芽率的提高和生长势抑制作用越来越明显，染色体的畸变率也逐步提高。相对来说，中能离子注入比低能离子注入引起生物体遗传物质染色畸变率要高，而且致死率也高得多。采用放射性同位素标记技术、放射自显影方法检测DNA非预定合成部位，可显示染色体DNA由于离子注入造成的损伤部位。国内此工作刚刚起步，而在日本、美国、德国，70年代末用离子注入探讨肿瘤治疗问题，已采用此种技术方法。离子束对遗传物质作用问题，今后将在以下几个方面深入研究：(1)离子束对遗传物质作用途径问题，这里有离子束射程问题、各种能级的离子束能否穿透种皮进入胚细胞问题这就有一个荷能离子束直接作用还是间接作用DNA问题；同时，还有一个离子束微束化技术，如何使之作用定向化，以提高生物效应研究的准确性。在间接作用中长寿命的自由基，其性质和作用的研究也应予以重视。(2)离子束注入引起遗传物质染色体的变异研究，应从DNA或染色体整体水平深入到某一特定功能的基因结构序列的水平。这就要求运用分子生物学的方法，如分子杂交方法、DNA序列测定、PCR技术等。虽然在植物中许多性状是多基因控制的，但此途径可搞清离子注入诱变的实质。染色体畸变率高和致死率高并不理想。因此，抓住某一作物重要性状的变异深入研究其基因的结构变化，是一个有效的途径。(3)在重视离子注入的原初反应和终端反应同时，还应重视中间过程，特别是真核细胞，细胞增殖周期过程中细胞膜及其受体细胞骨架、细胞核膜、核纤层、核基质等结构都会影响细胞的分裂运动；微核化、微核率增加与此有关。离子注入生物学效应，离子注入对遗传物质的作用，是个多学科交叉的研究课题，因此，需要有关专家的合作才能有重大突破。【参考文献】：1 Muller H J，Ritter M A，et al．Science Nature，1977，266：653～6552 Roots R，et al．Radiation Reseach，1979，266：653～6553 Roots R，et al．Radiation Reseach，1979，78：38～494 Ryclbery B．International Journal of Radiation Biology．1985，47：57～615 Equchi K，et al．J．Radiat．Biol．，1987，52：115～1236 余增亮，等．安徽农学院学报，1991，18(4)：251～2577 鲁润龙，等．安徽农学院学报，1991，18(4)：254～2978 鲁润龙，等．安徽农学院学报，1992，19(1)：39～439 卫增泉，等．安徽农学院学报，1991，18(4)：289～29310 陆挺，等．安徽农学院学报，1991，18(4)：289～293(中国科技大学鲁润龙副教授撰) |
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