第八章核技術在農業領域的應用第八章核技術在農業領域的應用?“核農學”（NuclearAgriculture）。它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。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。第一節

輻射育種技術輻射育種（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。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。法國水稻良種“岱爾塔”等均有很大的經濟意義。一、輻射育種的發展歷程中國自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”二、輻射育種的基本原理打破性狀連鎖、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。一是直接作用，入射粒子或射線使大分子發生電離或激發；二是間接作用，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。一、電離輻射所致突變的可能機制一、電離輻射所致突變的可能機制（一）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。1.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1.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。b)DNA交聯（DNAcross-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。2.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2.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）。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。3.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。3.染色體畸變1）染色體數目畸變人們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。3.染色體畸變2）染色體結構畸變

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。染色體在射線作用下的中間缺失示意圖染色體在射線作用下的頂端缺失示意圖2）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（二）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。DNA重組修復示意圖（三）輻射敏感性和誘變劑量（1）作物輻射敏感性測定方法測定輻射敏感性一般從個體、細胞或代謝三個水平上進行，指標有：1）幼苗的高度和根長；2）植株存活率；3）植株不育性；4）大豆初生葉葉斑和面積；5）過氧化物酶活性和鄰苯二酚含量；6）分裂間期的細胞核體積（INV）和染色體體積（ICV）大小；（2）作物的誘變劑量采用吸收劑量為計算依據，法定劑量單位為Gy。1）半致死劑量（LD50），即作物受照后有50%致死時所需的劑量；2）半致矮劑量（D50），即作物受照后株高降低到對照50%時的劑量；3）臨界劑量，當作物生長已受到顯著抑制，但有20～30%的植株在生育過程中仍有形成種籽能力所能接受的劑量。三、輻射育種方法誘變源：質子、π介子γ射線、中子、β射線、離子束常用的β射線內照射方法有：a）浸種法b）植株處理法c）花序處理法d）木本植物內照射處理法輻射育種培育的果樹與原樹的所結果實的對比第二節

輻射保藏一、基本原理、概念輻射保藏（Radioactivepreservation）食品是用電離輻射照射的方法延長食品保藏時間，提高食品質量的新技術。它的基本原理是利用射線或加速器產生的粒子束流照射食品，引起一系列物理，化學或生物化學反應，達到殺蟲、滅菌、抑制發芽、抑制成熟等目的從而減少食品在貯存和運輸中的耗損，增加供應量，延長貨架期，提高食品的衛生品質。（注：正在進行蔬菜的輻照保鮮試驗，藍光為切倫科夫輻射）鈷60輻照裝置（一）輻照條件?用于保鮮或保藏的輻射源有三種：即60Co和137Cs的γ射線、電子直線加速器產生的β射線、X射線管產生的X-射線。?實驗室試驗階段有兩種裝置可以使用，即60Co或137Cs的輻射裝置和電子加速器，對于體積小，包裝薄的物品，采用直線電子加速器比較易于管理。?為了滿足特殊工藝要求，例如提高均勻度，保證照射時的溫度控制，減少照射時的氧含量，減少食品在傳送、照射和貯藏過程中的機械損傷（碰傷），以及為了從經濟角度來改進工廠輻射源的利用率，應當規定適宜的輻照類型和劑量范圍，還應考慮其它條件和因素的影響。?對于供衛生安全性實驗用的食品輻照條件，應盡可能地與供人消費的食品的輻照條件一致，供動物實驗用的食品，其劑量至少應該是商業推廣所用的最大劑量。在輻照加工時，還要求含水量、氧效力、溫度和輻照后的保藏條件都盡可能與商業推廣的條件接近。（二）處理各種產品、樣品的劑量及劑量率?通常，低劑量照射（低于10kGy）用于減少微生物、減少非孢子病原性微生物數目和改進食品的工藝品質；高劑量照射（約10kGy～50kGy）用于商業目的的消毒和消除病毒。在適當的物理條件下，使用均勻的消毒（輻射完全殺菌）劑量為10kGy～70kGy，似乎不會影響食品供人食用的安全性，公認的劑量限值為15kGy，若考慮均勻性，平均劑量值一般為10kGy。各種有效處理所需的劑量范圍（三）綜合處理技術1.防腐劑與電離輻射2.加熱與電離輻射3.重復照射只允許兩種情況進行重復照射：（1）被輻照食品是一種經過低劑量輻照的加工食品；（2）含有少量輻照過的成分的食品（例如含有輻照香料的肉制品和濃縮物）。4.包裝材料（1）可靠的金屬容器（2）輕的多層薄膜包裝材料二、國內外研究應用狀況（一）輻照技術在國外的研究狀況目前，輻射殺蟲儲糧已經成功運行了幾十年，處理了上千萬噸的被多種害蟲(如米象、谷蠹)感染的小麥。電子束輻照技術經試驗證明是一種成熟的技術、前景廣闊，在俄羅斯、美國和日本等發達國家均有廣泛應用。根據世界衛生組織（WHO）、聯合國糧農組織（FAO）和國際原子能機構（IAEA）等3個組織聯合于1980年發表公告證實：任何食品當其總體平均吸收劑量不超過10kGy時，沒有毒理學危險，同時在營養學和微生物學上也是安全的。這一結論得到了世界食品法典委員會（CAC）的認可。（一）輻照技術在國外的研究狀況到了1999年，WHO、FAO和IAEA三個組織再次發布聯合公告，證明超過10kGy以上的劑量輻照食品也不存在安全性問題。以電子加速器產生的高能電子束滅菌方法，正在成為發展趨勢。輻射裝置只要嚴格按照隔離設計及控制要求建設和操作使用，其安全管理不存在任何問題。為了確保滅菌的有效性，世界衛生組織制定了統一的標準，只要控制一定的吸收劑量就能徹底殺滅細菌。電子束照射過的物品中不會殘留有任何放射性，因此這種方法不僅成為一次性醫療用品消毒滅菌的重要手段，也是殺滅炭疽菌以抵制國際恐怖主義的一種可靠有效的選擇。（二）輻照技術在我國糧食儲藏中的應用目前國內對電子束輻照儲糧技術研究工作仍處于嘗試階段，但已取得一定進展。清華科技園在聯合國開發計劃署支持下，于1998～2001年開展電子束輻照處理帶菌疫麥技術的研制和實施，曾得到美國、俄羅斯、烏克蘭等國大學、科研部門專家協作和支持。清華科技園在擁有三座原子反應堆、一座1.85×1015Bq鈷源輻照站和研究用電子加速器設施的條件下，集中了約600名從事核科學、電子加速器等學科研究和核工程建設的技術隊伍，經過近四年的輻照實驗室研究、田間栽培及工程化研究，取得了包括糧食輻照滅菌和殺蟲在內的一批科研成果。已具備了獨立設計、建設和運行輻照處理帶菌疫麥工藝系統的能力。這將大大推進輻照技術在食品領域推廣應用。馬鈴薯的輻照抑制發芽（左為對照品）第三節

輻射殺蟲輻射殺蟲（Radioactivekillinginsectpest）即是利用電離輻射防治蟲害，其輻射效應與劑量大小有關，其生物效應在適當劑量時導致昆蟲生殖細胞染色體易位，受到損害，使當代受輻射的昆蟲部分喪失延續后代的能力（遺傳不育），并可遺傳到下一代，使下一代比當代更不育，這種劑量稱為半不育劑量。高于這種劑量，使昆蟲當代完全不育，稱為不育劑量。當輻射劑量再提高時，害蟲就不能完成世代交替，而慢慢地死去，達到防治目的，這種劑量稱為緩期致死劑量。當輻照劑量更高時，可在短時間內直接殺死害蟲，這稱為致死劑量。一、一般原理和特點?不考慮蟲口密度對增殖率的影響，忽略環境條件對昆蟲成活率的影響，假設某害蟲種群為100萬，每代以5倍的比例繁殖，若采用每代殺死90%的防治措施，則其殘存率為10%，同樣以5倍的比例增殖，到第五代就只能殺死56250只，當種群數量降低后，用少量殺蟲劑即可殺滅害蟲，減少農藥用量。?若采用雄性不育法進行防治，其不育雄蟲釋放為正常雄蟲的9倍，則正常雄蟲與正常雌蟲交配的概率為1/10，第一代以后若仍釋放與第一代同等數量的不育性雄蟲，則不育性雄蟲與正常雌蟲的比例急劇增大，也就是正常雄蟲與正常雌蟲的交配概率急劇降低。

二、輻射不育治蟲技術輻射防治害蟲技術考慮的因素有：1.防治對象的選擇2.適宜劑量和照射方法3.人工飼養4.包裝運輸和大田釋放5.害蟲的種群動態6.遷飛能力與防治效果雄性不育昆蟲的對比（左為正常雄蟲，右為不育雄蟲）三、輻射不育殺蟲的特點?1）無環境污染，有利于生態平衡。輻射不育是一種生物防治方法，無化學殘毒，對農作物與生態環境完全沒有影響，并且不危害人畜、野生動物、害蟲天敵和有益昆蟲，是一種十分安全衛生的防治方法。?2）專一性強，目標明確。只防治一種特定的昆蟲，對其他昆蟲不會傷害。?3）防治持久而徹底。輻射不育可在大面積范圍內滅絕一種害蟲。如果不再從其他地區遷入這種害蟲，就可長期保持農作物(以及畜、林)免遭侵害。?4）特殊效果。對自然隱蔽性強（有鉆蛀習性）的害蟲，或已產生抗藥性的害蟲，或一般防治有困難的害蟲，采用輻射不育可以取得特殊效果。?經濟效益顯著。由于防治效果持久，而且具有可能達到滅絕根除害蟲的目的，因而受益具有長期性。例如螺旋蠅的防治與根絕，輻射不育的技術效益與成本之比可達到50:1。?5）一次性投資高。昆蟲輻射不育需要人工飼養大量昆蟲，并進行大田或野外釋放。飼養過程中的人力、物資與裝備（飼料、輻射源等）花費以及釋放的運輸設備、人員投入都很大。然而從長期取得的效果權衡，啟動基金的大投入是有價值的。部分害蟲蛹的輻射致死劑量部分害蟲成蟲的輻射致死劑量習題

DNA損傷的類型有哪幾種？請具體描述。機體的輻射敏感性與哪些因素有關？