低能重離子生物學

1927年，hermann發(fā)現(xiàn)x線對蒼蠅的誘導作用。20世紀80年代初期,正當離子注入金屬、半導體等材料進行表面改性、摻雜等研究開展得如火如荼之際,文獻[2]另辟蹊徑,率先嘗試將離子注入技術用于農(nóng)作物品種的改良,于1986年首次發(fā)現(xiàn)離子注入水稻生物效應,并在幾個水稻品種上,通過離子注入誘變獲得了損傷低、突變率高、突變譜廣的統(tǒng)計結(jié)果。經(jīng)過十多年的探索,這一研究已發(fā)展成為重離子生物學的一個新階段低能重離子是指能量在10—100keV之間的原子序數(shù)大于氦的剝離原子核,其在生命科學領域的應用即誕生了低能重離子生物學。加速后的重離子具有一定的靜止質(zhì)量,注入的離子束有刻蝕作用。同時,還具有高線性能量轉(zhuǎn)移(LET)和尖銳的Bragg峰。不同的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)和能量又可根據(jù)需要進行組合,這種離子注入生物體后,質(zhì)、能、電的聯(lián)合作用比核輻射對生物體的作用內(nèi)容更為豐富,它將會對生物細胞乃至生物大分子的生理、生化功能產(chǎn)生重大影響。低能重離子與生物體系相互作用是一個復雜的過程。從離子注入那一時刻起到終點生物學效應,作用時間跨越101低能重離子生物學在生物物質(zhì)作用中的應用低能離子輻射生物效應具有損傷輕、突變譜廣、突變率高和突變具有重復性等特點,這與低能離子和生物物質(zhì)作用的機理是分不開的。研究低能離子與生物體系相互作用的機理是為了更好地理解低能離子輻射生物效應,其研究反過來又必將促進了低能離子生物學的深入發(fā)展。1.1低能重離子生物學在m生物效應的測量20世紀90年代,余增亮陸續(xù)發(fā)表一系列論著,闡述了低能離子與生物體作用時的能量沉積、質(zhì)量沉積、動量交換和電荷交換等四因子效應文獻[10]、[11]研究了離子注入5′-dTMP的實驗表明,注入的低能離子首先引起堿基的釋放,然后是脫氧核糖受損釋放無機磷,且釋磷量與總磷量的物質(zhì)量百分比在低劑量時與注入劑量呈非線性關系,在較高劑量時呈線性關系。而釋放堿基的濃度隨離子注入劑量的增加達一飽和值后有下降趨勢。文獻[12]用N離子注入時的能量沉積是人們了解得比較多的一個方面。一般認為,能量在幾十至數(shù)百keV的低能離子的射程僅在亞微米量極。文獻[14]用盧瑟福背散射法測得100keV鐵離子在麥胚中的射程為251.7nm。文獻[15]測得180keV氮離子在小麥的射程為320.5nm。如此短的射程如何引起幾個到幾十個μm微米深處的生物靶物質(zhì)產(chǎn)生深刻的生物效應,是一直困擾著人們的一個關鍵問題。隨著測量技術的不斷提高和研究的不斷深入,越來越多的實驗結(jié)果表明,對于活體,如細胞和組織,其含有70%左右的水,離子注入射程有限;對干種子,本身結(jié)構(gòu)存在多相、多層、多通道的特點。注入離子進入干種子后,在其內(nèi)部通過濺射產(chǎn)生空洞,增加了后續(xù)離子的射程,離子可直接作用于生物體的遺傳物質(zhì)引起誘變。用300個大氣壓壓縮水和糙米,水的體積壓縮1%、糙米壓縮12%左右,說明干種子內(nèi)含有大量微小的孔洞注入離子動量傳遞的結(jié)果導致生物組織和細胞表面的濺射,引起細胞形態(tài)變異。主要表現(xiàn)在減薄細胞,損傷細胞膜,在劑量較大時甚至使細胞破裂。低能離子對生物組織的濺射刻蝕作用遠遠大于其對固體材料的作用。文獻[17]、[19]通過測量經(jīng)離子注入前后的α粒子透射能譜,估算出當能量為30keV,N注入離子的電荷交換效應是指注入的荷電離子與生物分子或細胞表面的電荷發(fā)生交換和中和,從而使細胞的電性發(fā)生變化。文獻[20]通過電泳法研究了生物分子晶體和細胞表面電性在離子注入前后的變化。研究表明,正離子注入水稻細胞使細胞的負電性發(fā)生很大的變化。在低注量時(~4×10當然,離子注入生物體引起的生物學效應除了注入離子本身的作用外,可能還與它引起的次級作用過程有關。文獻[21]測得注入離子作用于生物材料后會產(chǎn)生如特征X射線、2次電子等次級作用。1.2低能重離子束輻照pxgv機制因子的復雜性導致了效應的特異性。離子注入誘導生物體高的誘變效率、后代可遺傳的當代變異、“反常輻照損傷”(即在低注量段,生物存活與注入離子量的關系呈現(xiàn)先降后升再降的“馬鞍型”曲線)等等,與γ射線輻照等電離輻射誘導的生物效應有較大的差異以離子注入小分子為基礎,考慮原初過程“三因子”作用,文獻[26]建立了低能離子輻照下植物組織和微生物存活劑量關系的EMC模型,此模型在設定條件下能對實驗數(shù)據(jù)進行很好的擬合,并能對一些實驗結(jié)果給出合理的解釋。文獻[27]通過對低能離子注入甘氨酸等生物小分子的能量沉積、質(zhì)量沉積的研究,提出了能量沉積具有“自修復作用”理論,并認為低能離子注入生物材料具有“自修復作用”是低能離子輻照生物學效應呈現(xiàn)“馬鞍型”變化的主要原因。文獻[28]比較了氮離子注入及γ輻照對PxGV感染活性的影響。結(jié)果表明,在中高注量區(qū)(10低能離子束輻照裸露DNA的研究發(fā)現(xiàn),用30keV氮離子束輻照pUC18質(zhì)粒DNA,可以造成其DNA鏈的斷裂。在較低注劑量的情況下(5—15×10為了解離子束誘發(fā)DNA變異的類型與特點,文獻[30]用經(jīng)離子束輻照的M13mp18DNA(RF1)轉(zhuǎn)染宿主菌發(fā)現(xiàn),離子束輻照除了能使一部分M13mp18DNA分子失去轉(zhuǎn)染活性外,還能誘導其LacZ基因片段發(fā)生突變,在約20%存活率時,誘發(fā)的LacZ突變頻率較自發(fā)突變頻率高2.3—10倍。變異類型主要有轉(zhuǎn)換(50%)、顛換(45%)和缺失(5%),轉(zhuǎn)換主要以C→T和A→G為主,顛換則主要以C→A、C→G為主。在組成DNA的4種堿基中,以胞嘧啶最易發(fā)生變異(占整個突變堿基的60%)。根據(jù)這些結(jié)果,他們推測,這種DNA水平直接引變所表現(xiàn)的高密度、多位點堿基變異的特點可能在一定程度上反映了離子束具有高誘變效率的內(nèi)在原因,這種原因的產(chǎn)生可能與離子束自身的物理屬性和作用方式有關綜上所述,離了注入生物體既存在能量沉積(包括動量傳遞)過程,又存在質(zhì)量沉積和電荷交換過程,即同時向生物體某個局部輸入了能量、物質(zhì)和電荷。這與我們所熟知的輻射效應原初過程有較大的區(qū)別。作用原理的差異為離子束遺傳改良方法學的創(chuàng)新打下了基礎。2合理利用技術隨著低能離子與生物體相互作用研究的深入,離子束技術與分子生物學試驗方法相結(jié)合,形成了獨特的技術體系,包括離子束誘變、細胞加工、轉(zhuǎn)基因和細胞融合技術等,“為遺傳改良開辟了一條新的途徑”2.1低能重離子生物學在植物育種中的應用這方面研究主要集中在與人類生活密切相關的糧食、油料和棉花等作物上。開展較早并通過新品種鑒定的被評為安徽省優(yōu)質(zhì)米新品種的晚粳D2.2離子注入技術在淀粉酶產(chǎn)生菌誘導育種中的應用1993年以來,離子束在微生物育種上的應用也取得了豐碩的成果。文獻[39]在1993年首次將離子注入技術運用在α淀粉酶產(chǎn)生菌的誘變選育工作中,獲得了成功,菌種發(fā)酵水平由350u/mg提高到530u/mg。文獻[40]利用離子注入麥角甾醇產(chǎn)生菌,獲得較出發(fā)菌產(chǎn)率提高55%—60%的高產(chǎn)菌株,其遺傳性狀穩(wěn)定,于1998年3月通過江西贛南制藥廠的驗收。陳宇等對紅霉素產(chǎn)生菌進行N2.3離子束加工后的基因轉(zhuǎn)導法在基因工程方面,文獻[45]發(fā)現(xiàn),低能離子注入的質(zhì)量沉積效應會對細胞產(chǎn)生刻蝕作用,提出離子束應用于細胞加工和轉(zhuǎn)基因的設想。此后,離子束被成功地應用于介導外源基因的轉(zhuǎn)移,開辟出一種新的轉(zhuǎn)基因方法。低能離子束介導外源基因以其操作簡便、篩選周期短以及定位性較好等特點而具棉花、水稻細胞獲得瞬間表達的基礎上,選擇水稻成熟胚為受體,將帶有潮霉素抗性基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)入受體基因組,獲得轉(zhuǎn)基因水稻植株,移栽大田成活2.4離子注入蠶卵和蠶蛹離子注入品種改良在動物,尤其是經(jīng)濟類動物上的應用研究較為薄弱,這方面的研究主要集中在家蠶上。安徽農(nóng)科院蠶桑研究所利用離子注入蠶卵和蠶蛹,不僅觀察到一些特殊的生物效應,而且自1990年以來在離子注入的后代中選育了一批優(yōu)良的基因型材料。其中一大繭新品系在穩(wěn)定的M2.5離子生物學在生命活動中的重要作用生命起源問題是一個極其復雜的問題,千百年來圍繞著這一問題不斷地進行著激烈的爭論。現(xiàn)代科技成果證明離子在生命活動中起著十分重要的作用。天文觀察表明,太陽風和星際分子中,低能離子約占帶電粒子的90%;在近地表面,由于雷電、火山噴發(fā)等作用,都可能產(chǎn)生低能離子。這些低能離子作用于水圈,對星際分子形成和生命化學進化必定產(chǎn)生著某種影響。通過低能N利用N2.6氡氣的誘變作用自然界粒子輻射,不論是天然的還是人工的,總有部分離子注入到人體細胞內(nèi)。例如靜電,有時會產(chǎn)生10×10在現(xiàn)代居室環(huán)境中,氡氣及其子代衰變產(chǎn)生的α粒子占人體接受的有害輻射總量的55%以上。為了精確估價低劑量環(huán)境氡氣暴露對人體的影響,利用美國哥倫比亞大學單粒子微束裝置研究α粒子對細胞核和細胞質(zhì)的誘變作用,證明美國每年15000名肺癌死亡病例確因室內(nèi)氡氣引起。他們利用單粒子束分別照射細胞核和細胞質(zhì),發(fā)現(xiàn)細胞存在核外損傷目標3應用研究的有待進一步加強低能離子生物學是我國科研人員創(chuàng)立的新興交叉學科。雖然,這一領域在基礎理論研究和應用研究等方面取得了重大的突破,但是,由于其生物學效應的機理和應用研究才剛剛開始,很多問題在其深度和廣度上仍有待于進一步的研究。知識創(chuàng)新工程為這一領域的發(fā)展提供了極好的機遇,今后,該領域應著重以下幾方面的研究。3.1技術支撐下的分析過程20世紀90年代,美、歐、日、澳研制的此類裝置已紛紛問世,但其精度有待提高。我國應加強這方面研究,它將對生命科學中一些重大問題的研究提供技術支撐。例如,利用離子束的PIXE、俄歇電子譜(AES)等物理分析手段,很有可能檢測出細胞內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和它的時間域過程,這對闡明細胞、細胞核等組織的功能將起重要作用。再如,如果離子束聚焦到微米以下,利用離子束無接觸地照射細胞、細胞核或細胞器,選擇性的損傷一部分,切斷基因,觀察損傷和修復,這有可能發(fā)展成為一種細胞加工的手段,切斷不利基因,拼接有益基因,加速定向遺傳進化,有目的的改良品種等等。3.2離子束在遺傳改良上的應用離子束遺傳改良方法學的建立已經(jīng)有了初步的基礎。但這并不是說,離子束在遺傳改良上的應用潛能已經(jīng)開發(fā)出來。隨著基礎研究的深入,新的方法可能出現(xiàn)。這對提高我國育種技術總體水平具有重要意義。3.3裝置模塊化設計隨著研究的深入,方法的發(fā)展,離子束育種技術會不斷完善,推動裝置小型化商品化的進程。對離子束育成的一批在農(nóng)業(yè)、發(fā)酵行業(yè)有應用前景的新品(菌)種,加強推廣,對國民經(jīng)濟發(fā)展做出相應的貢獻。3.4子到有機分子、氨基酸和堿基在研究低能離子與生物分子相互作用時,發(fā)現(xiàn)離子注入在從簡單分子到有機分子、氨基酸和堿基的合成上起重要的作用。據(jù)此提出“低能離子在生命起源和進化中的作用”課題,深入研究該項目可能對揭示生