第八章核技術在農業領域中的應用2024/11/81核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用主要研究核素和核輻射及相關核技術在農業科學和農業生產中的應用及其作用機理，可分為核輻射技術及其在農業中的應用和核素示蹤技術及其在農業中的應用。核技術是增加農業產量、提高農產品品質的最有效手段之一，可為農業提供優質良種、控制病蟲害、評估肥效、控制農藥殘余、保持營養品質、延長儲存時間、鑒定糧食品質等。核農學是核技術在農業領域的應用所形成的一門交叉學科，主要涉及輻射誘導育種，昆蟲輻射不育，肥料、農藥、水等的示蹤，輻射保鮮，農用核儀器儀表等內容。引言——“核農學”（NuclearAgriculture）2024/11/82核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用全球通過輻射育種方式培育了2376個品種，我國占全球的四分之一以上。保藏技術具有節約能源，衛生安全，保持食品原來的色、香、味和改善品質等特點，應用越來越廣泛，技術也日趨成熟；昆蟲輻射不育技術是目前可以滅絕某一蟲種的有效手段。同位素示蹤技術能夠比較真實地反映某一元素（或化合物）在生物體內的代謝過程或農業環境的物理化學行為，它所具有的優點是目前其它方法不能替代的。2024/11/83核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用主要內容第一節輻射育種第二節輻射保藏第三節輻射殺蟲2024/11/84核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用

第一節輻射育種輻射育種（Radioactivebreedingtechniques）是利用射線處理動植物及微生物，使生物體的主要遺傳物質—脫氧核糖核酸產生基因突變或染色體畸變，導致生物體有關性狀的變異，然后通過人工選擇和培育使有利的變異遺傳下去，使作物（或其它生物）品種得到改良并培育出新品種。這種利用射線誘發生物遺傳性的改變，經人工選擇培育新的優良品種的技術就稱為輻射育種。2024/11/85核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用一、輻射育種的發展歷程1934年，印尼科學家托倫納利用Ｘ射線照射煙草，育成煙草新品種，開創了農作物輻射育種的新紀元。1958年，美國國家原子能實驗中心開展了大規模田間輻射育種研究。日本用射線對水稻農林8號進行田間照射，獲得545個突變體，提高了蛋白質的含量。1964年美國利用熱中子輻射，培育出抗倒伏、早熟、高產的“路易斯”軟粒小麥。1986年意大利用熱中子輻射培育出抗倒伏、豐產的硬粒小麥。前蘇聯育成的“新西伯利亞67”小麥良種，具有抗寒、早熟、優質的特點；日本育成的矮稈抗倒伏水稻良種，年收益達10億日元以上；美國育成的抗枯萎病的胡椒和薄荷良種，幾乎占據全美栽種面積，年產值達2000萬美元。2024/11/86核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用法國水稻良種“岱爾塔”等均有很大的經濟意義。中國自50年代后半葉以來，已先后育成水稻、小麥、大豆等各種作物品種品系20多個，其中用射線照射“南大2419”育成良種“鄂麥6號”；用射線照射“科字6號”獲得優良稻種“原豐早”使成熟期提早45天。80年代以來定向控制突變成為輻射育種工作的中心課題。90年代，輻射育種進入了一個更加快速發展階段。年增產糧食30億千克～40億千克，皮棉4億千克～4.5億千克，油料2.5億千克～3億千克，經濟效益達30億元～40億元。“魯棉一號”棉花，“原豐早”水稻和“鐵豐18號”大豆等，玉米“魯原4號”、小麥“山東輻63”、三系雜交水稻“Ⅱ優838”、“揚稻6號”2024/11/87核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用二、輻射育種的基本原理輻射育種具有打破性狀連鎖、實現基因重組、突變頻率高、突變類型多、變異性狀穩定快、方法簡便且縮短育種年限等特點。2024/11/88核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用（一）電離輻射所致突變的可能機制直接作用，入射粒子或射線使大分子發生電離或激發；間接作用，與生物體中的水分子作用，使發生電離或激發。相對貢獻取決于：輻射的性質、靶的大小和狀態、組織含水量、照射時的溫度、氧的存在等。2024/11/89核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用1、DNA分子結構變化脫氧核糖核酸是是遺傳信息的載體，指導著蛋白質和酶的生物合成，主宰著細胞的各種功能。DNA的變化是一切育種的物質基礎。輻射誘發突變的遺傳效應是由于輻射能使生物體內各種分子發生電離和激發，導致DNA分子結構的變化，造成基因突變和染色體畸變，從而引起遺傳因子發生改變并以新的遺傳因子傳給后代。2024/11/810核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用1、DNA分子結構變化2024/11/811核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用1、DNA分子結構變化2024/11/812核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用1、DNA分子結構變化2024/11/813核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用電離輻射引起DNA損傷的類型DNA損傷的類型主要包括堿基變化、鏈斷裂和交聯等。DNA分子的輻射損傷2024/11/814核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用電離輻射引起DNA損傷的類型a)堿基變化：堿基環破壞；堿基脫落丟失；堿基替代；形成嘧啶二聚體等。b)DNA鏈斷裂：磷酸二酯鍵斷裂，脫氧核糖分子破壞，堿基破壞或脫落等都可以引起核苷酸鏈斷裂。SSBs，DSBs。單鏈斷裂發生頻率為雙鏈斷裂的10-20倍，但還比較容易修復；對大多數單倍體細胞（如細菌）一次雙鏈斷裂就是致死事件。c)DNA交聯（DNA

cross-linkage）：DNA分子受損傷后，在堿基之間或堿基與蛋白質之間形成了共價鍵，而發生DNA-DNA交聯和DNA-蛋白質交聯。會影響細胞的功能和DNA復制。2024/11/815核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用電離輻射引起DNA損傷的類型堿基的電離效應2024/11/816核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用基因突變（Genemutation）堿基對的增添、缺失或改變，引起的基因結構的變化a）點突變（Pointmutation）指DNA上單一堿基的變異。核輻射影響下，如果堿基的結構發生變化，則可能產生不正常的配對關系，這種不正常的配對通常分為轉換和顛換兩種方式。嘌呤替代嘌呤（如A與G之間的相互替代）、嘧啶替代嘧啶（如C與T之間的替代）稱為轉換（Transition）；嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤則稱為顛換（Transvertion）。

2024/11/817核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用基因突變（Genemutation）2024/11/818核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用基因突變（Genemutation）b）缺失（Deletion）指DNA鏈上一個或一段核苷酸的消失。c）插入（Insertion）指一個或一段核苷酸插入到DNA鏈中。如缺失及插入的核苷酸數不是3的整倍數，則在為蛋白質編碼的序列中發生讀框移動（Readingframeshift），使其后所譯讀的氨基酸序列全部混亂，稱為移碼突變（Frame-shiftmutaion）。2024/11/819核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用基因突變（Genemutation）基因突變通常可引起一定的表型變化，對生物可能產生4種后果：①致死性；②喪失某些功能；③改變基因型（Genotype）而不改變表現型（Phenotye）；④發生了有利于物種生存的結果，使生物進化，這正是誘變育種的基礎。2024/11/820核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用染色體畸變染色體畸變指染色體數目的增減或結構的改變。染色體結構變異通常要涉及到較大的區段，甚至達到光學顯微鏡可以識別的程度。染色體結構變異都要涉及到染色質線的斷裂和重接過程—“斷裂-重接”假說。染色線在復制前后都可以某種方式造成斷裂，通過修復機制，重新接上，包括錯接，特別當幾個不同斷裂同時發生，在空間上又非常接近時，重排是不難發生的（重建性愈合和非重建性愈合）。現在已經知道，未復制的染色體或染色單體只含有一條DNA雙螺旋分子，染色體的斷裂實際上也是DNA鏈的斷裂，所以推測染色體斷裂以后之所以能重接，可能就是由于DNA斷裂端以單鏈形式伸出的粘性末端來完成的。染色體畸變分為數目畸變和結構畸變。2024/11/821核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用染色體畸變——染色體數目畸變把一個正常精子或卵子的全部染色體稱為一個染色體組（簡寫n）也稱單倍體。正常人體細胞染色體，共46條即23對，即含有兩個染色體組為2n，故稱為二倍體。以二倍體為標準所出現的成倍性增減或某一對染色體數目的改變統稱為染色體畸變。前一類變化產生多倍體，后一類稱為非整體畸變。多倍體：如果一個細胞中的染色體數為單倍體的3倍，稱為三倍體（3n=69條）；為單倍體的4倍，稱為四倍體（4n=92條）。余此類推，三倍體以上的通稱為多倍體。人類多倍體較為罕見，偶可見于自發流產胎兒及部分葡萄胎中。非整倍體：一個細胞中的染色體數和正常二倍體的染色體數相比，出現了不規則的增多或減少，即為非整倍體畸變。增多的叫多體。僅增加一個的，即2n+1，叫做三體，同一號染色體數增加兩個的，即2n+2，叫做四體。余此類推。減少一個的（2n-1）叫做單體。2024/11/822核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用染色體畸變——染色體結構畸變指染色體發生斷裂，并以異常的組合方式重新連接。缺失（Deficiency或Deletion）：指染色體上某一區段及其帶有的基因一起丟失，缺失在遺傳學上的效應表現為生物的活力降低，影響生長發育；第二個是假顯性，在雜合體中，由于受到缺失的影響，使某些隱性基因得以顯現，但是，這種顯性是假顯性；第三改變基因間的連鎖強度，輻射所形成的缺失染色體，在遺傳過程中形成缺失純合體，缺失導致染色體鏈縮短，使較遠的基因連鎖強度增強，交換率下降；第四可能發生嚴重的遺傳病，導致作物的生存能力和產量下降。2024/11/823核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用染色體畸變——染色體結構畸變重復（Duplication）：染色體上增加了相同的某個區段而引起變異的現象。根據重復片段的排列順序及所處的位臵，可以分為三種類型：串聯重復，倒位串聯重復，移位重復。主要表現為順接重復（Tandemduplication）和反接重復（Reverseduplication）染色體在射線作用下的重復示意圖2024/11/824核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用染色體畸變——染色體結構畸變倒位（inversion）：指某一條染色體發生兩處斷裂，形成三個節段，其中間節段旋轉180度變位重接。包括臂間倒位和臂內倒位。臂內倒位（Paracentricinversion）：指倒位的區段在染色體的某一個臂內，而臂間倒位（Pericentricinversion）指倒位區間有著絲粒或倒位區間與兩個臂有關。倒位所導致的遺傳學效應又可抑制或降低倒位環內基因的重組或交換、改變基因的交換率或重組值、影響基因間的調控方式等。染色體的倒位示意圖2024/11/825核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用染色體畸變——染色體結構畸變易位（Translocation）：指從某一條染色體上斷裂下的節段連接到另一染色體上。兩條染色體各發生一處斷裂，并交換其無著絲粒節段，分別形成新的衍生染色體和相互易位。一種為相互易位（Reciprocaltranslocation）,另一種為簡單易位（Simpletranslocation）。相互易位在易位中最常見，指兩個非同源染色體受到射線作用后都發生斷裂，斷裂后的染色體及碎片發生交換重新結合起來；簡單易位也稱單項轉移，即染色體的某一區段嵌入到非同源染色體的一個臂內。2024/11/826核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用染色體畸變——染色體結構畸變染色體在射線作用的易位原理示意圖2024/11/827核技術應用概論——核技術在農業領域中的應用2、細胞對輻射損傷的修復（1）回復修復：這是較簡單的修復方式，一般都能將DNA修復到原樣。主要包括：光修復，單鏈斷裂的重接，堿基的直接插入，烷基的轉移。（2）切除修復：切除修復是修復DNA損傷最為普遍的方式，對多種DNA損傷包括堿基脫落形成的無堿基位點、嘧啶二聚體、堿基烷基化、單鏈斷裂等都能起修復作用。（3）重組修復：上述的切除修復在切除損傷段落后是以原來正確的互補鏈為模板來合成新的段落而做到修復的。但在某些情況下沒有互補鏈可以直接利用（4）SOS修復：DNA受到嚴重損傷、細胞處于危急狀態時所誘導的一種DNA修復方式，修復結果只是能維持基因組的完整性，提高細胞的生成率，但留下的錯誤較多，故又稱為錯誤傾向修復，使細胞有較高的突變率。202