重離子束誘導(dǎo)生物育種的研究進(jìn)展

重離子束是一種高效的人工電離輻射。重離子加速生物細(xì)胞的作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，具有特殊的生物學(xué)效果。與其他物理因素引起的生物學(xué)效應(yīng)相比，它具有相似性和特殊性。重離子與生物分子相互作用可分為物理過程、化學(xué)過程和生物學(xué)過程1特殊的作用和過程輻射作為對生物脅迫形式的一種,隨著劑量的不同對生物會有不同的影響。重離子束為特殊的輻射形式,對生物體有著特殊的作用和過程。例如加速的重離子傳能線密度(Linearenergytransfer,LET)大,離子接觸受體樣品后首先發(fā)生物理過程,引起細(xì)胞表面穿孔生物接受低劑量輻照時(shí)會有一些基礎(chǔ)性反應(yīng)來應(yīng)對脅迫,比如引發(fā)輻射低劑量超敏感現(xiàn)象,通過影響自由基代謝等其它方式轉(zhuǎn)化脅迫損傷,我們把這一系列反應(yīng)稱為初級反應(yīng)。1.1吸收劑用量的影響通過對重離子束輻照細(xì)胞后致死效應(yīng)的大量研究發(fā)現(xiàn),在一定劑量區(qū)域內(nèi)隨吸收劑量增加,存活曲線出現(xiàn)相似的“馬鞍形”變化趨勢“誘導(dǎo)修復(fù)”模型被人們廣為接受1.2電子傳遞異?；钚匝?Reactiveoxygenspecies,ROS)是生物體內(nèi)正常代謝時(shí),氧化還原過程由于電子傳遞異常而產(chǎn)生的一種高活性的中間產(chǎn)物,通常具有強(qiáng)氧化性。ROS的產(chǎn)生是對自身或外界損傷的基礎(chǔ)反應(yīng),在多種生理和病理過程中扮演著重要的角色。例如ROS可作為第二信使在AKT途徑、線粒體介導(dǎo)的Casepase凋亡途徑、細(xì)胞周期蛋白調(diào)控等信號途徑中發(fā)揮重要功能重離子輻照能夠使受照細(xì)胞生成ROS,通常包括超氧自由基(·O1.3金屬離子檢測活性氧與電離輻射損傷效應(yīng)有關(guān),一定程度上對輻射損傷起推動作用。如Gao等SOD是一種普遍存在于生物體內(nèi)的含有金屬離子的酸性蛋白酶,也是一類重要的氧自由基清除劑重離子輻照生物產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)還包括對細(xì)胞表面的切割與蝕刻,引起分子結(jié)構(gòu)及電性的改變,對DNA的損傷、修復(fù)和變異等。雖然目前對重離子輻照生物產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的具體機(jī)制研究還不夠透徹,但在應(yīng)用方面的豐碩成果證明了此項(xiàng)研究的重要價(jià)值,也為重離子束資源的研究與開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。2重離子束的結(jié)構(gòu)我國從1986年開始用離子束法改良生物性狀,通過輻照誘變獲得微生物新基因、新性狀,最終得到高產(chǎn)、穩(wěn)定、低耗、抗菌的理想工業(yè)菌種中、高能離子束有其特殊的物理性質(zhì),如高激發(fā)性、傳能線密度(LET)高和相對生物學(xué)效應(yīng)(Relativebiologicaleffectiveness,RBE)大、尖銳的能量損失峰(Bragg峰)及氧增強(qiáng)比(Oxygenenhancementratio,OER)較小等2.1輻照藥用微生物誘變育種微生物藥物的研究開發(fā),關(guān)鍵在于微生物優(yōu)良菌種的選育。近年來重離子以其獨(dú)特的優(yōu)勢,在輻照藥用微生物誘變育種方面取得了重大進(jìn)展。例如早前中國科學(xué)院近代物理研究所用7MeV·u2.2微生物食品利用重離子輻照進(jìn)行微生物菌種改良在食品生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。如YUANChengling等2.3農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)的技術(shù)依托重離子高效的誘變效應(yīng),建設(shè)以微生物肥料、微生物農(nóng)藥、微生物飼料、環(huán)境激素和環(huán)境工程微生物等為核心的農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景。WANGPeng等2.4微生物油脂發(fā)酵的研究方向微生物開發(fā)新能源在沼氣、酒精等方面取得重要進(jìn)展,微生物油脂發(fā)酵可能成為生物柴油產(chǎn)業(yè)和生物經(jīng)濟(jì)的重要研究方向,而重離子輻照選育優(yōu)良菌株是一種不可替代的育種手段。陸棟等2.5其他重離子輻照誘變微生物在色素、酶制劑和環(huán)境工程等多個(gè)方面都有較理想的效果。如秦紅霞等3重離子輻照微生物應(yīng)用重離子束作為特殊的電離輻射源,輻照生物細(xì)胞的作用發(fā)生在多種分子和多個(gè)位點(diǎn),不同離子對同種細(xì)胞的輻射效應(yīng)不同,同種離子對不同細(xì)胞的輻射效應(yīng)也有差異,加之研究過程受到輻射劑量、輻射強(qiáng)度、氧效應(yīng)等因素的影響,各種生物學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的具體機(jī)制尚不明了,所以理論有待進(jìn)一步研究。而微生物DNA含量低,且真核和原核基因結(jié)構(gòu)存在差異,又受重離子輻照裝置等客觀條件的限制,輻照生物效應(yīng)理論研究緩慢。雖然應(yīng)用方面已有大量的研究成果,但受理論限制,進(jìn)展較為緩慢。所以闡明重離子對微生物損傷的分子機(jī)制及突變劑量閾值,既有重要的理論價(jià)值,又有潛在的應(yīng)用價(jià)值。新的生物學(xué)技術(shù)也為重離子誘變微生物機(jī)理研究提供了新的途徑。比如基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、基因猝滅技術(shù)及RNA干擾技術(shù)等,已經(jīng)被廣泛用于生物代謝調(diào)控研究。新的生物學(xué)技術(shù)和重離子輻照技術(shù)相結(jié)合,能夠更高效的、定點(diǎn)的誘變微生物,提高育種效率,未來將在開發(fā)微生物資源、降低能耗、改善環(huán)境等方面,發(fā)揮巨大的作用。目前,重離子束輻照