离子注人是80年代初兴起的一种材料表面处理的高新技术,主要用于金属材料表面的改性方面,而 用于农作物育种在我国始于1986年,现已逐渐应用于多种农作物。所谓离子注人诱变,就是利 用离子注入生物体引起遗传物质的改变,导致性状的变异,从而达到育种的目的。在此简要介绍离子注入诱变的机理、特点、生物学效应及其在育种上的应用。1离子注入的诱变机理荷能离子通过发生器注人到生物体内,在它到达终位前,将与靶原子和分子发生一系列碰撞,并把能 量传给靶原子和分子。靶原子和分子在获得大于它的键合能的能量时,键断裂,原子和分子被击出 原位,留下断链或缺陷。并且,被击出原位的原子和分子通过级联或反冲碰撞,与邻近的原子和分 子交换能量。如果这时能量仍很大,将再次发生级联或反冲碰撞,直到主动离子慢化(能量低于1 00eV)为止(见图1)。I+,K‘v侧拓褪留友籍...完整的靶分子二断裂的靶分子亡二二空位的靶分子.注人离子·厂卞\Bragg峰深度方向图t荷能离子与生物体相互作用 注人离子深度方向图2一束能蚤相同的注入离子沿深度方向 的相对电离密度或能量损失率 在射程的末端,荷能离子的能量变得很低,其能量损失率急剧上升,从而形成一个密度很高的电离峰 (Bragg峰)(见图2)。在Bragg峰的位置,注入离子引起生物组织很强的生理损伤, 而位于Bragg峰正前方受到的损伤小,位于Bragg峰之后的组织不受注入离子的辐照损伤 。如果荷能离子击中染色体某个部位,当能量足够大时,该部位移位,形成染色体断片缺失;如果该断片转移到另一同源染色体上时(通过级联或反冲ChineseAgrieultural Seienee Bulletin 1994 Vol.10 No.3碰撞),就发生了染色体重复;如果细胞核内二条非同源染色体都被注人离子击中断裂,断 片很可能易位联接。如果一条染色体两处被注入离子击中断裂,中间的断片可能倒转。注人的荷能 离子也可能使生物体内原来稳定的一NH3、一NH:或一NH基因破坏,C=O、C一O、C一 C键打断。如果这一过程发生在DNA分子链上,就会引起DNA大分子单链或双链断裂,进而引起基因突变。注人的荷能离子在生物体内除具有能量作用外,还发生质量沉积效应。如果沉积的是活性离子(如H 、O、N、C等),且这些离子已经慢化,则这些慢化离子在生物体组织内可能以离子键、配位键 的形式重新键合。键合如果发生在染色体、DNA的断位、缺失处,则荷能离子会引起染色体易位 、倒位、重复、缺失或使DNA分子断链、取代、补充,从而引起遗传物质的突变。这便是离子注入诱变的另一原因。2离子注入诱变的特点离子注人诱变与其它物理、化学诱变相比有其独特之处,主要表现在以下几方面。2.1离子注入具 有作用区域的选择性、种类的多样性和作用过程的双重性注人离子同生物体相互作用是局部的、可 控的。利用这点可以对生物体进行定点区域的诱变,如在农作物种子中,控制性状遗传的基因物质 主要集中在种子的胚部。因此,可使种子的胚部对着离子注入的方向,从而获得最大的辐照截面, 以达到最有效地改变遗传物质的目的。注人离子可以有不同的电荷数、能量、质量的组合,亦即注 入离子的电、能、质可根据实际需要任意组合。据估算,能量在600KeV以下离子注入的组合 不下于lx105个,如果加上剂量大小的控制,其组合不低于sxlo“个。如此众多的组合对 诱变农作物的突变提供了十分丰富的条件。此外,注入离子具有作用过程的双重性,它不仅有能量 沉积过程,而且发生质量沉积效应。如前所述,这正是离子注入诱变的机理所在。2.2
离子注入 诱变的突变率高、突变谱广、损伤轻、有利突变多、性状稳定较快离子注入作为诱变源,一次照射 就具有高的突变率。在群体生物学上突变率为2%一15%,单一性状的突变率在10%一20% 。同时,离子注入具有宽的突变谱,如离子注入处理过的水稻种子第2代群体除了发生叶绿体畸变 外,还出现抽穗期、株高、穗形、粒形、育性、抗性、籽粒色泽、米质等突变。离子注入具有高的 突变率和宽的突变谱,可能与损伤修复抑制有关。有实验证明,同一批离子注入的水稻种子存放不 同时间后,二者突变率没有什么差异。众所周知,修复是需要时间的,在其它物理、化学诱变育种 中,同一批处理的种子,存放时间越长,突变率越低(损伤修复率越高)。另外,离子注人有高的 诱变率和宽的突变谱并不是以增大辐照损伤、降低成苗率为前提的,而是在辐照损伤轻、存苗率高 为基础的情况下获得的。当然,成活率与注人离子数(剂量)有关,不过,这里的成活率一剂量相 关曲线(见图3)与辐射生物学中的剂量相关曲线有显著的差异。在离子注入处理中,成活率一剂 量相应为一条先降后升再降的曲线,它既反映了荷能离子在生物体中的能量沉积,这与辐射处理相同;又顾及了质量沉积的因素。离子注人\、一一/\、电离辐射︵岁︶哥姐仲剂量(相对单位)图3离子注入和辐射引起的生物存活一 剂量效应关系的差异3.离子注入具有刻蚀作用,因而可用于定点诱变和基因工程当入射离子穿过生 物体表面一定距离时,离子能量逐渐沉积在生物体内,引起生物体的辐照损伤。除此之外,这种能 量的一小部分随着动量方向指向表面而到达表面,从而引起表面的二次离子发射即溅射。由于离子 具有溅射现象,因此它能象“手术刀”那样,对生物体细胞进行“雕刻”,即所谓的离子刻蚀。又 由于离子溅射是动量转换过程引起的,它与能量转换的热蒸发(如电子束、激光束)有本质的不同 ,细胞刻蚀后留下的创面非常整齐。据此,如果将离子束聚焦到亚微米量级,即可用于细胞的切割 、钻孔、融合,进而对基因点位照射,引起某性状的特定基因改变;或者将外源基因定向导入细胞,从而控制诱变的方向。3离子注入的生物学效应离子注人具有显著的生物学效应。从单个细胞看,离子注人细胞的细胞壁遭到不同程度的剥离,有的 细胞壁被削去一部分,露出了胞质,有的胞质甚至从开口处“流”了出来,从整体细胞来看,离子 辐照区域的细胞排列紊乱,形状变化巨大,细胞被拉长、扭曲和绞连。胞间质基本上被刻蚀,留下 很深的沟槽和孔洞。从生物个体来看,离子注入引起生物体多种生理生化的变化和损伤,如导致叶绿体畸变,引起呼吸代谢、过氧化物酶、自由基以及自由基清除酶等的变化。4离子注入在育种上的应用离子注入诱变育种已开始应用于农作物品种改良上。自1986年以来,中国科学院等离子体研究所 和安徽省农业科学院水稻研究所等单位的科研人员通力合作,现已初步育成高产、多抗、优质的早 釉5904:晚粳D905:品系;从离子束注入温敏型水稻的当代选育出黄化叶水稻材料,该株 系苗期叶黄、花期转绿;并已将温敏型叶绿体突变体黄化基因转入光敏核不育系中,获得具有黄化 标记性状的光敏核不育系,因而可解决杂交稻去杂保纯问题。华中农业大学利用离子注入技术也获 得了高频无融合生殖水稻HDAR001。在基因工程方面,利用离子束的刻蚀作用已成功地将G us基因、Cat基因以及潮霉素抗性基因导入水稻带壁的细胞或成熟胚,并获得了外源基因表达的细胞系和转基因植株。总之,离子注入在农作物诱变育种上具有重要的意义,它既是一类高效、方便、安全、无污染的新型 诱变源,又为农作物基因工程开辟了一片广阔天地。离子注入诱变及其在育种上的应用@向太和$安徽省农业科学院水稻研究所!合肥230031离子注入;;
诱变;;育种本文综述了离子注入诱变的机理、特点、引起的生物学效应及其在农作物育种上的应用。1 王学栋等,安徽农业科学,1988,(3) :37。
2 田秋元等,安徽农学院学报,1992,19(3) :178～181。
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6 陆兆新等,核农学通报,1990,11(2) :87～88。
7 杨赞林等,安徽农业科学,1990,(3) :212～216。
8 柳学余等,江苏农业学报,1993,8(4) :40～44。湎窒?因此它能象“手术刀”那样,对生物体细胞进行“雕刻”,即所谓的离子刻蚀 。又由于离子溅射是动量转换过程引起的,它与能量转换的热蒸发(如电子束、激光束)有本质的 不同,细胞刻蚀后留下的创面非常整齐。据此,如果将离子束聚焦到亚微米量级,即可用于细胞的 切割、钻孔、融合,进而对基因点位照射,引起某性状的特定基因改变;或者将外源基因定向导入细胞,从而控制诱变的方向。3离子注入的生物学效应离子注人具有显著的生物学效应。从单个细胞看,离子注人细胞的细胞壁遭到不同程度的剥离,有的 细胞壁被削去一部分,露出了胞质,有的胞质甚至从开口处“流”了出来,从整体细胞来看,离子 辐照区域的细胞排列紊乱,形状变化巨大,细胞被拉长、扭曲和绞连。胞间质基本上被刻蚀,留下 很深的沟槽和孔洞。从生物个体来看,离子注入引起生物体多种生理生化的变化和损伤,如导致叶绿体畸变,引起呼吸代谢、过氧化物酶、自由基以及自由基清除酶等的变化。4离子注入在育种上的应用离子注入诱变育种已开始应用于农作物品种改良上。自1986年以来,中国科学院等离子体研究所 和安徽省农业科学院水稻研究所等单位的科研人员通力合作,现已初步育成高产、多抗、优质的早 釉5904:晚粳D905:品系;从离子束注入温敏型水稻的当代选育出黄化叶水稻材料,该株 系苗期叶黄、花期转绿;并已将温敏型叶绿体突变体黄化基因转入光敏核不育系中,获得具有黄化 标记性状的光敏核不育系,因而可解决杂交稻去杂保纯问题。华中农业大学利用离子注入技术也获 得了高频无融合生殖水稻HDAR001。在基因工程方面,利用离子束的刻蚀作用已成功地将Gus基因、Cat基因以及潮霉素抗性基因导入水稻
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