核技术应用-农业

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 核技术在农业领域中的应用,1,“,核农学,”,（Nuclear Agriculture）: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的一门交叉学科。,功能,：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。,2,核农学分类：,核辐射技术及其在农业中的应用，,核素示踪技术及其在农业中的应用。,主要内容：,辐射诱导育种，,昆虫辐射不育，,辐射保鲜，,肥料、农药、水等的示踪，农用核仪器仪表等。,3,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，导致生物体有关性状的变异，然后通过人工选择和培育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品种。,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就称为辐射育种技术。,第一节 辐射育种技术,4,自1927年美国Muller发现X射线能诱发果蝇产生大量多种类型的突变以来，辐射技术在农业育种上的应用，在20世纪经历了一个突飞猛进的发展历程，已经产生了巨大的社会效益和经济效益。,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”软粒小麦,辐射育种的发展历程,5,中国的辐射育种起步于1958年，起步晚但成绩巨大，育成的品种数与推广面积均居世界领先地位。,自20世纪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；采用辐射育种方法以及辐射育种与其他育种方法相结合，选育出大面积推广应用的植物良种达数百个。,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。,辐射育种的发展历程,6,辐射育种的特点：,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、,缩短育种年限 ,辐射育种的基本原理,7,生物体受到辐射后，可以使很多生物活性物质受到损伤，其中生物大分子损伤是大多数辐射生物效应的物质基础。,电离辐射所致突变的可能机制：,电离辐射损伤生物大分子。,辐射育种的基本原理,电离辐射损伤生物大分子,8,途径：,直接作用,入射粒子或射线直接与生物大分子（如DNA、RNA等）作用，使这些大分子发生电离或激发。,间接作用,入射粒子或射线与生物体中的水分子作用，使水分子发生电离或激发。,一般情况下，直接作用和间接作用是同时存在的，它们的相对贡献取决于诸多因素：辐射的性质、靶的大小和状态、组织含水量、照射时的温度、氧的存在与否以及辐射防护剂或增敏剂的存在与否等。,电离辐射损伤生物大分子,9,脱氧核糖核酸（DNA）,是生物体中一类最基本的大分子，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的基本结构是动态的而且是持续变化的，因此变化的发生是很自然的，尤其是在DNA复制和再结合期间，外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变。,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。,电离辐射损伤生物大分子,DNA分子结构变化,10,电离辐射引起,DNA,损伤的类型,：,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。,DNA链断裂,辐射损伤的主要形式。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。,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。,DNA交联,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。,DNA分子结构变化,11,以上损伤最终会导致DNA分子结构的变化，造成DNA分子水平上的基因突变和染色体畸变，是整体遗传突变的基础。,DNA分子结构变化,12,基因突变,由于,DNA,分子中发生碱基对的增添、缺失或改变，而引起的基因结构的变化就叫做基因突变。,类型：,点突变,指DNA上单一碱基的变异。,缺失,指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。,插入,指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。,DNA分子结构变化,13,基因突变,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。,DNA分子结构变化,14,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，包括整个染色体组成倍的增加，成对染色体数目的增减，单个染色体某个节段的增减，以及染色体个别节段位置的改变等。,和基因突变一样，染色体结构的变异也是生物遗传变异的重要来源之一；与基因突变相比，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。,DNA分子结构变化,15,染色体畸变,类型：,染色体数目畸变,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。,畸变类型：缺失、重复、倒位、臂内倒位、易位等。,染色体畸变是植物辐射损伤的典型表现特征，在辐射处理材料的有丝分裂和减数分裂细胞中都观察到了染色体畸变。,DNA分子结构变化,16,电离辐射作用于DNA，造成其结构和功能的破坏，从而引起生物突变，甚至导致死亡。然而在一定条件下，生物机体能使其DNA的损伤得到修复。这种修复是生物在长期进化过程中获得的一种保护功能。,DNA修复是细胞对DNA受损伤后的一种反应，这种反应可能使DNA结构恢复原样，重新能执行它原来的功能；但有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这种损伤而继续生存。,电离辐射损伤生物大分子,细胞对辐射损伤的修复,17,类型：,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。,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。,细胞对辐射损伤的修复,18,类型：,重组修复,上述的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，其修复可用DNA重组方式进行。,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。,细胞对辐射损伤的修复,19,20,根据诱变因素的特点和对诱变因素敏感性的大小，选择适宜的诱变剂量是诱变育种取得成效的关键。,适宜诱变剂量,：是指能够最有效地诱发作物产生有益突变的剂量。,辐照敏感性,：是指在不同剂量辐照下，个体、组织或细胞内含物的形态、机能发生相应变化的程度。,辐射敏感性和诱变剂量,21,机体辐照敏感性的影响因素：,生物种系,种系演化越高，机体组织结构越复杂，其敏感性越高；,生物个体,一般随个体发育过程，敏感性逐渐降低，但老年较成年敏感；,组织和细胞,组织和细胞的辐射敏感性与其分裂能力成正比，与其分化程度成反比，但也有例外；,组织和细胞的内环境,如局部组织含氧量增加或温度升高都可以使放射敏感性增高。,辐射敏感性和诱变剂量,22,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：,幼苗的高度和根长,以抑制一定苗高或根长的剂量作为衡量敏感性的大小。,植株存活率,用照射后的植株存活率来鉴定各种作物的辐射敏感性。,植株不育性,辐射处理后的植株不育性是测试辐射敏感性灵敏度较高的指标。,辐射敏感性和诱变剂量,23,作物辐射敏感性测定方法,大豆初生叶叶斑和面积,过氧化物酶活性和邻苯二酚含量,分裂间期的细胞核体积（,INV,）和染色体体积（,ICV,）大小,微核细胞率测定法,辐射敏感性和诱变剂量,24,作物的诱变剂量,作物的辐射剂量采用吸收剂量为计算依据，法定剂量单位为Gy。,作物的遗传物质吸收辐射可以引起结构损伤，结构上的损伤仅是一种前突变，即已经发生的分子水平的突变，但只有在生物体吸收辐射到足以破坏生物体内的化学键（辐射达到一定剂量水平）时，才能引起生物发生突变，显现突变性状。,辐射敏感性和诱变剂量,25,在辐射育种中，常用的诱变剂量表述方法：,半致死剂量（,LD,50,）,即作物受照后有,50%,致死时所需的剂量；,半致矮剂量（,D,50,）,即作物受照后株高降低到对照50%时的剂量；,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。,辐射育种必须选取合适的辐照剂量，以确保较高的突变率和品种的优良率。,辐射敏感性和诱变剂量,26,辐射育种中常见诱变源,质子,-,介子,-,介子可通过380MeV高能质子轰击石墨中的碳原子产生。,-,介子具有带电重粒子的特性，在介质中几乎是沿直线穿透。当,-,机子在电离激发过程中逐步慢化时，会被生物组织中的原子核俘获。,射线,在我国，,源是辐射育种的主要诱变辐照源，常用,60,Co、,137,Cs等照射装置对组织、种子或植株进行处理。,在处理过程中，严格控制辐照剂量是辐照育种的关键。,辐射育种方法,27,辐射育种中常见诱变源,中子,与,射线相比，中子的辐射生物学效用远远大于前者。在辐射育种中常用的中子是快中子和热中子。加速器中子源是辐射育种的主要中子源。,射线,利用,射线辐照时，应测量每一种能量的射线在种子内的射程。,分类：外辐照法,内辐照法,浸种法、植株处理法、花序处理法、木本植物内照射处理法,离子束,辐射育种方法,28,环境条件,除了选择诱变因素和合适的诱变辐射剂量外，处理前后的环境条件也是影响辐射育种的重要因素。,辐照条件的改变不仅较大程度地影响作物的敏感性，而且影响突变率和突变方向。因此，可通过调节环境条件提高突变率、诱变效果和诱变效率。,在辐射育种中主要考虑的环境因素有：,氧、温度、含水量、储藏方法,辐射育种方法,29,氧,在各种影响辐射损伤的条件中，氧是主要的影响因素，其它如水分、湿度等或多或少与氧的作用联系在一起。生物体在氧气（或空气）中进行照射时，其辐射敏感性一般要比真空中或惰性气体中高，这是由于氧的增效作用所导致的。氧之所以具有增效作用，是因为它是一种热电子的清除剂（O,2,+e,-,O,2,-,）,，而热电子能使辐射损伤得到恢复。另外，过氧自由基有较长的寿命，使得辐射损伤加剧。,辐射育种方法,30,温度,温度效应即生物体系的辐射敏感性随照射时温度降低而减小的现象。温度之所以引起辐射损伤的变化，主要是因为影响了诸如DNA等大分子的结构（如氢键松散，较高温度导致分子的三维结构发生变化）；同时温度的变化也将影响自由基攻击大分子的能力。,辐射育种方法,31,含水量,环境中的水份含量对种子中含水量起调节作用，同时，种子中含水量不仅是机体结构的一个部分，又对机体的气体含量起调节作用，因此，水与其它各种因素一样，它不是单独存在的，而是构成复杂体系的一部分。当需要获得较高的染色体畸变率时，可以把种子的含水量调节至低水平（6%），并在有氧条件下照射。,辐射育种方法,32,储藏,种子照射结束后在贮藏时期内所发生的生物学效应称为贮藏效应。研究表明，贮藏期内种子的生物学效应与射线的间接作用和机体的修复作用等相关。贮藏效应对辐射育种具有一定的实际意义，一般说来种子在辐照后需要贮藏一段时间才能进行育种，这是因为辐照后的种子需经一定时间修复射线对其机体造成的生物学损伤。,辐射育种方法,33,诱变材料的选择,诱变材料与突变有密切关系，限制产生突变和发现突变体的主要因素是诱变材料有机体的基因结构。,对有性繁殖系作物,种子便于大量处理、使用和运输。,对无性繁殖系作物,休眠芽、各种不定芽和处于减数分裂期的花芽、休眠期的枝条、生根前后插条和叶片、块根和块茎、匍匐茎、植株等。,辐射育种方法,34,诱变材料的选择,果树通常选择休眠枝的叶芽作为辐照材料。如苹果、梨、桃、樱桃等落叶果树。,辐射育种方法,35,辐射育种中组织、细胞培养技术,对于辐射育种，不论在试验诱变中或是在育种范畴内，,组织和细胞培养技术,都十分重要，采用组织培养术可更容易地处理不同阶段的细胞或组织。,这是由于染色体在不同阶段的复制是非同步的，而每一阶段的复制期对诱变处理都特别敏感，如果选择在特定阶段进行处理，可引起某种特定的变异。,高等植物的不同组织和处于不同生育阶段的同一组织，其基因激活程度也有所区别，因此可以根据需要来对处理组织的种类或所处阶段进行选择。,辐射育种方法,36,辐射育种中组织、细胞培养技术,注意事项：,离体细胞、组织的辐射敏感性和诱变剂量,细胞培养中的几个辐射效应,剂量效应、分散剂量效应、短时间间隔效应、间接作用影响、延迟平板培养的修复作用等,突变细胞或突变体的分离、选择技术,辐射育种方法,37,辐射育种是核农学的重要组成部分，全球通过辐射育种方式培育了2376个品种，我国建立了完整的辐射育种程序，培育了645个，占全球的四分之一以上（2009年数据）。,辐射育种的应用及展望,38,辐射育种的应用及展望,鲁棉343,“鲁棉343”,是利用辐射诱变和常规育种方法相结合，选育出的具有陆地棉和海岛棉性状的长绒棉新品系，其最大绒长达36.4毫米，并适宜在黄淮棉区种植，是我国在选育改良长绒棉花品种研究中的一个突破进展。,39,辐射育种的应用及展望,早稻品种,浙辐802,系1978年用,60,Co射线300Gy辐照中熟品种四梅2号干种子，于1980年选育定型，具有早熟、穗大粒多、高产、抗病适应性广等特性。1983年开始试种30万亩，据农业部种子总站统计，该品种1986年推广面积达1506万亩，成为当年全国水稻201个常规品种面积之首位，1987年上升到l913万亩，成为国内外历史上种植面积最大的水稻突变品种，1988年种植面积突破2000万亩，这样，浙辐802连续3年种植面积居全国水稻常规品种之首位。目前，它已成为湖南、江西、安徽、湖北、浙江等省早稻主要当家品种之一。一般亩产420450千克，最高亩产630千克，每亩增产幅度为3545千克。,“浙辐802”水稻,40,辐射育种的应用及展望,辐射育种培育的果树与原树的所结果实的对比,41,航天育种培育的南瓜王（左）和大茄子（右）,辐射育种的应用及展望,42,辐射诱变方法与技术的发展,目前国内外在辐射育种的研究与实践中，以提高诱发突变频率和选择效率为中心，不断改进辐射育种的方法技术，如诱变因素、诱变对象、诱变条件和筛选方法等，取得明显进展。,辐射育种的应用及展望,43,展望,发展方向：,拓宽突变谱、提高突变率、定向诱变、复合诱变、缩短育种周期等。,辐射育种的应用及展望,44,辐射保藏食品,：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。,基本原理：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。,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。,第二节 辐射保藏,45,辐射保藏是一种“冷加工”。,优点：,不需要添加剂，,能保持食品原有风味，有的还可提高食品工艺质量,；,无污染，,没有药剂残留，不会感生放射性,；,能彻底杀虫、灭菌，,是一种有效的免疫措施,；,能耗少，操作方便，适于大规模连续加工等。,辐射保藏,46,辐照源,用于保鲜或保藏的辐射源：,60,Co和,137,Cs的射线,电子直线加速器产生的射线,X射线管产生的X-射线,辐射保藏,钴60辐照装置,（注：正在进行蔬菜的辐照保鲜试验，蓝光为切伦科夫辐射）,47,辐照剂量和剂量率,食品在射线作用下吸收剂量不同，发生的变化也不同。吸收剂量的大小对杀虫、灭菌、营养成分的变化、抑制生长发育和新陈代谢的作用有直接影响，关系到辐射保藏的效果，所以必须尽可能准地确定测量食品被辐照后所吸收的剂量。,低剂量照射（10kGy）,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质量。,高剂量照射（10-50kGy）,商业目的的消毒和消除病毒等。,辐射保藏,48,综合处理技术,将辐射处理和其他手段结合起来的综合处理技术，在提高灭菌能力、减少能耗以及改进食品质量等方面具有重要作用。,防腐剂与电离辐射,加热与电离辐射,重复照射,只允许两种情况进行重复照射：,被辐照食品是一种经过低剂量辐照的加工食品；,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）。,包装材料,可靠的金属容器、轻的多层薄膜包装材料,辐射保藏,49,辐照食品的安全性,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。,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。,辐射保藏,50,国外,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。,国内外研究应用状况,51,国内,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。,我国辐照食品的数量自20世纪90年代以来迅速增加，辐照品种主要有调味品、脱水蔬菜、功能食品、水产品、宠物食品和熟畜禽肉类产品等，截至2002年，我国经过辐照处理的食品已超过10万吨，位居世界第一，直接产值超过20亿元。,国内外研究应用状况,52,国内外研究应用状况,马铃薯的辐照抑制发芽（左为对照物）,53,辐射杀虫,：即是利用电离辐射防治虫害。,辐照杀虫的辐射效应与剂量大小有关：,生物效应在适当剂量时会导致昆虫生殖细胞染色体因易位而受到损害，从而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,。,第三节 辐射杀虫,54,辐射防治害虫技术考虑的因素有：,防治对象的选择（雄虫）,能够建立大规模饲养方法，经济合理；,释放的不育雄虫能够在野外种群中充分分散；,不育处理不应对不育性雄虫的交配行为有不良影响；,雌虫是单配性的；,或者害虫的自然种群数量在某个时期明显减少。,辐射不育治虫技术（,SIT,）,雄性不育昆虫的对比,（左为正常雄虫，右为不育雄虫）,55,辐射防治害虫技术考虑的因素有：,适宜剂量和照射方法,、射线、快中子等的辐射都能导致昆虫的不育，辐射不育的剂量就是导致昆虫不育的吸收剂量，即昆虫辐照导致完全不育时，昆虫虫体单位质量所吸收的辐射能量。,一般采用0-20,0,C低温抑制，然后进行辐照。,辐射不育治虫技术（,SIT,）,56,辐射防治害虫技术考虑的因素有：,人工饲养,包装运输和大田释放,害虫的种群动态,迁飞能力与防治效果,辐射不育治虫技术（,SIT,）,57,无环境污染，有利于生态平衡。,辐射不育是一种生物防治方法，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。,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。,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。,辐射不育杀虫特点,58,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。,辐射不育杀虫特点,59,一次性投资高。,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。,辐射不育杀虫特点,60,20世纪50年代美国用辐射不育防治,螺旋蝇,成功后，昆虫学家对上百种害虫进行了辐射不育研究，其中30多种经辐照导致不育的害虫已用于生产上，或作过田间释放试验，取得了显著效果。,中国农科院原子能利用研究所成功实现,柑桔大实蝇,的人工饲养，并于1993年开始在贵州惠水县1.1810,6,m,2,计10万多株柑桔树的柑桔园内，连续释放160多万头辐射不育虫蝇，将柑桔大实蝇为害率由释放前的5.19%下降到0.098%，柑桔平均年产量由23.7万公斤增加到50.3万公斤，效果十分显著。,辐射杀虫应用,61,