全 文 ：离子束诱变育种研究及应用进展
陈恒雷1, 2 吕杰1, 2 曾宪贤1, 2
( 1新疆大学离子束生物工程中心,乌鲁木齐 830008; 2新疆大学物理系,乌鲁木齐 830046)
摘 要: 阐述了离子束诱变的生物效应, 研究中有待解决的问题, 介绍了离子束诱变在农业、工业育种上的
研究进展及成果,并展望了今后的研究前景。
关键词: 离子束 诱变育种 生物效应
Advances in Research and Application of
Mutation Breeding with ion Beam Implantation
Chen Heng lei1, 2 LJie1, 2 Zeng Xianx ian1, 2
( 1 I on Beam Bio-Engineer ing Center , X inj iang univ er sit y , Urumqi 830008;
2 p hysi cs de par tment , X inj iang univ ersi ty , Urumqi 830046)
Abstract: In this paper, the bio lo gical effect s o f ion beam and the unsolved problems were expounded and the
advances and achievements in breeding of ag riculture and industry o f ion beam mutation were intr oduced. In add-i
tion, the further pro spect of research was predicted.
Key words: Ion beam M utat ion breeding Biolo g ical effects
离子束在生物技术上的应用是中国科学院等离
子体物理研究所余增亮研究员等一批科技工作者
20世纪 80年代中期开创的新兴研究领域, 是育种
方法学的重要创新并从国内走向世界。离子束诱变
技术已成为我国自主知识产权的定向遗传育种的新
方法,新途径[ 1]。
在离子注入生物效应的研究中, 呈现出一些独
特性,它主要包括以下四个原初过程: 能量沉积、动
量传递、质量沉积和电荷交换。这四个过程在很短
的时间内同时发生, 很难区分各自的独立作用。离
子注入产生的生物效应的因素与辐射不同, 荷能离
子注入除了具有能量沉积引起机体损伤的特征外,
还具有动量传递产生的级联损伤,表现为遗传物质
的原子移位、重排或基因缺失,还有沉积离子、移位
原子和本底元素复合反应造成的化学损伤以及电荷
交换引起的生物分子电子转移造成的损伤。因此注
入的荷电离子的电信号和所形成的微电场影响着生
物体生命过程中的基因表达和调控、细胞内外的能
量交换、物质运输、信息传递,并刺激损伤 DNA 的
修复、生物体的生长和发育。低能离子与生物体系
相互作用是一个复杂的过程。从离子注入那一时刻
起到终点生物学效应, 时间跨越 10-19~ 109s, 经历物
理、化学和生物学阶段;空间从微观生物分子损伤到
宏观性状的表现, 其效应不知放大了多少倍,要弄清
这样宽广的时空域内发生的过程, 就目前的认识能
力和技术水平尚不可能, 有待物理学家和生物学家
通力合作[ 2]。
1 离子束诱变在农作物育种方面的应用
自然界的粒子,不论是人工的还是天然的, 总有
部分粒子沉积在细胞内引起细胞的损伤。辐照生物
学发展的 100年间, 科学家研究的重点在辐射能量
的沉积引起的生物效应,较少关注有静止质量的粒
收稿日期: 2004-12-13
基金项目:国家发改委高技术产业化示范工程项目( [ 2004] 2077)
作者简介:陈恒雷( 1979- ) , 男,硕士研究生,从事民用非动力核技术及其应用研究。
联系方式: 0991-8441751 E-mail: hen ry511688@ yahoo. com. cn
生物技术通报
# 综述与专论# BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 2期
子沉积带来的影响。中国科学家于上世纪 80年代
中期开始涉足低能离子与生物体相互作用这个未知
领域,于 1986年发现离子注入诱变作用, 提出注入
离子能量沉积、质量沉积和电荷转移引起生物效应
的假说,不断得到实验的证实,为离子束诱变的发展
奠定了基础,很快在农作物育种上得到应用。
1. 1 谷物
水稻的诱变育种是离子束诱变在谷物育种中研
究和应用的最早的。1986年余增亮研究员发现离子
注入水稻生物效应后, 水稻诱变育种在实践中取得
了实质性的进展,先后选育成功了 7个水稻新品种:
早籼 S9042[ 3]、晚粳 D9055[ 4]、中粳 63、晚粳 M3122、
早籼 14[ 5]、晚粳 48和晚粳M1148[ 6]。早籼 S9042主
要是利用离子诱变改良了早熟性, 使全生育期较原
品种浙 15提前了 3天以上;晚粳 D9055和早籼 14
主要是利用离子诱变改良了稻米品质; 而中粳 63和
晚粳 M3122主要是利用离子诱变改良了产量性状,
使产量较原品种台粳 67和 6769/沪选 19 的杂交后
代有较大的提高; 晚粳 48和晚粳 M1148 主要是利
用离子诱变改良了原有的丰产性和熟期, 既提高了
产量又缩短了全生育期。
除水稻外, 离子束在小麦方面的育种研究及应
用也相当广泛。霍裕平等 [ 7]对离子束诱变小麦的遗
传新规律进行了研究,发现在合适的剂量下, 离子束
辐照在当代就能产生高达百分之几的各类突变, 且
有很宽的突变谱。而且绝大多数第一代突变株的第
二代株系内很少分离,突变形状也基本保持, 即第一
代突变已具有遗传性。第三代后基本不分离, 明显
的突变性状也基本保持。颉红梅等 [ 8] 采用 75M ev/
u16O 8+ 和 80M ev/ u20N e10+ 离子从种子顶部垂直注入
胚乳,通过嫁接技术后进行萌发, 经处理后观测了当
代萌发的根尖细胞染色体的微核率和畸变率,结果
表明它们与注入剂量呈正比关系;同时,进行多代大
田培育,获得了矮杆与各种突变穗型,显示了离子注
入胚乳能够诱发后代变异,且有遗传特性。
1. 2 蔬菜
离子束诱变也开始在蔬菜育种中应用, 例如加
工番茄、辣椒、五叶茄等。
武宝山等[ 9] 采用间断脉冲的 N + 注入精选的
87-5制罐番茄品系的干种子, 在同一时间离子注入
的加工番茄比对照座果数提前幅度高达 21. 4% ~
83. 9%,早熟 20天, 产量提高 25%,番茄红素等七项
品质因素略有提高, 当代效应十分明显。M2代稳定
遗传, 年产量提高到 30%。王军等[ 10] 通过用 35M ev
的 N + 离子束,对自交多代四平头辣椒、新椒 3号和
6号干种子进行处理, 发现离子注入后自交多代四平
头辣椒出苗率和对疫霉病的抗病性明显提高, 平均
出苗率达到 94. 4%比对照 86. 5%高出 7. 9个百分
点,抗病性明显提高。离子注入后辣椒具有早熟、增
产效应,表现在物候期提早、单株结果数增加。乌鲁
木齐市蔬菜研究所用不同剂量的低能 N + 离子注入
五叶茄种子,通过 M1代和 M 2代的筛选、分离、筛选,
M3代已出现了完全不同的性状表现。座果数高达
( 4. 6个~ 6个) , 最大果重( 1. 9kg~ 3. 45kg ) , 同时,
两处理的 M 3代外形和果色也有明显区别。
1. 3 其它作物
百日草经离子束注入后, 由一种颜色变为五种
颜色,可为花卉市场提供新材料。经离子注入的麻
黄草种子的发芽率和出苗率从原来的 20%提高到了
90%以上, 红花含油率提高了 4%, 产量提高了
50% ,当代效应十分明显。紫花苜蓿株高为 70~
80cm,离子注入后株高达到 120~ 130cm, 分支数比
对照多 30%。离子注入对新疆甜菜品种的改良已于
2002年 6月通过自治区科技成果鉴定。该项研究在
甜菜育种上做了开创性工作, 获得了甜菜早熟亲本
材料一份, 获得了甜菜产量和含糖量同时增加的亲
本材料二份, 填补了国内外在甜菜育种上应用离子
束技术的空白, 达到国际同类研究的先进水平 [ 11]。
2 离子束诱变在微生物育种方面的应用
离子束诱变育种与传统的辐射法及化学诱变剂
相比,具有损伤轻, 突变率高, 突变谱宽, 遗传稳定,
易于获得理想菌株等特点,离子注入除了与一般辐
射一样由于能量作用引起 DNA链断裂外, 还由于质
量、能量、电荷的三因子协同引起大量受体原子移
位、重组, 形成新的分子结构和基因, 产生丰富的基
因突变,对菌种的选育是较理想的方法。
离子束诱变在新菌株的选育上取得丰硕的成
果。古绍彬、姚建铭等[ 12] 用离子注入乳酸产生菌
Pw352菌种选育的研究中,发现在糖浓度为 150g / L
的发酵液中其产酸能力为 130~ 136g/ L , 最高可达
112005年第 2期 陈恒雷等:离子束诱变育种研究及应用进展
140g / L , 对糖的转化率为 86% ~ 90% 。甄卫军
等[ [ 13]将离子束生物技术应用于谷氨酸高产菌株的
选育在国内外尚属首次, 经过一年多日日夜夜的艰
苦奋斗,获得了产酸率比出发菌株提高了二个百分
点以上的优良菌株 2株, 中试后,可进行技术转让。
陈燕勤等[ 14] 用 N + 离子注入纤维分解细菌 Hy2 , 注
入后, FPA活性提高了 4. 1倍, CMCase活性提高了
2. 5倍; 纤维素酶的 pH 稳定性、温度稳定性和对底
物的适应性均有不同程度的提高。淮南制药厂林可
霉素出发效价 2 600L/ ml,经过中科院等离子体物理
研究所离子束生物工程实验室微生物攻关小组一年
的诱变筛选后, 效价达到 3 100L/ m l, 提高了 25%。
经过两年的筛选, 之江霉素发酵水平由 200单位提
高到 500单位。利用离子注入单宁酶菌产生菌 ) ) )
黑曲霉选育高产菌株, 获得高产菌株酶活可达 34. 5
L/ ml,较原始出发菌提高近 5倍。
特别应当提出的是虞龙等[ 15] 和袁成凌等[ 16] 分
别用低能离子注入选育的 VC 高产菌株和花生四烯
酸( AA)产生菌,其发酵水平双双创国内外新高。维
生素 C 在 300t 发酵罐上糖-酸摩尔转化率达到
94. 8%,重量转化率为 102%。这就是说, 100kg 山
梨糖可产出 102kg 古龙酸,接近菌种转化率的极限,
被业内专家喻为/自维生素 C 二步法发酵发明以来
的重大突破0;离子束生物工程菌生产花生四烯酸,
发酵水平是当前国内论文报道的 10 倍, 比国外高
50%。在 50t 罐上, 干菌体得率为 3% ,总脂占干菌
体的 35%, AA 占总脂的 50%以上。
3 离子束诱变育种的一般操作过程
离子束注入诱变现在的研究很广泛, 成功的例
子也不少。它操作简单, 诱变的效果显著、遗传稳定
性好。下面以食用菌为例, 简要介绍一下离子束进
行大型真菌育种的一般操作过程。
3. 1 孢子的制备
取一片未喷发孢子的食用菌子实体, 将其置于
放有培养皿的干燥器中,让其自然喷发, 喷发后, 将
孢子收集起来, 用 PDA 培养基平板对收集的孢子进
行纯化, PDA 斜面培养保存。
3. 2 离子束诱变
将收集的孢子制成一定浓度的孢子悬浮液, 取
0. 1ml涂于无菌空白培养皿中, 置于超净台风干制
成菌膜备用。确定好最佳剂量及能量后,用 N + 注入
进行辐照处理, 然后用无菌水洗脱, 接种于 PDA 平
板上培养,计数,挑菌落分别接 PDA 斜面。
3. 3 筛选及遗传稳定性
¥在经离子注入食用菌的 PDA 斜面培养基上
用无菌接种铲铲下约 0. 5cm 2菌块至装有 50m l玉米
蔗糖综合培养基的 250ml三角瓶中,恒温静置培养
2d,旋转式摇床在同样的温度 150~ 180 r/ min恒温
培养。以未经离子注入的菌种为对照。
¦将无杂菌污染的摇瓶菌丝球分别以 10% (W/
W)接种量接入菌袋中,培养 30~ 35d, 观察菌丝体的
长势如何,记录数据。当菌丝体长满菌袋时, 其生理
还不成熟进入后熟阶段, 然后进入出菇管理阶段,出
菇后,观察食用菌的子实体长势、形状等情况, 记录
数据。计算产量、生物转化率等, 测定其化学成分。
以未经离子注入的菌种为对照。
重复 3. 3 ¥、¦ 步实验, 将出菇、长势均表现良
好,产量、生物转化率高, 化学成分稳定的菌株至少
传代三次,仍表现出较好结果,说明通过离子注入诱
变获得的高产菌株具有较好的遗传稳定性。
4 展望
低能离子束在生命科学中应用虽然取得了一些
重要进展, 对国民经济和科技进步做出了突出的贡
献。但是,低能离子与生物体相互作用的机理研究
还不完善, 离子束在生命科学中应用的研究还刚刚
起步。随着离子束诱变技术的不断发展, 它将对生
命科学中一些重大问题的研究提供技术支撑。如果
离子束聚焦到微米以下, 利用离子束无接触地照射
细胞、细胞核或细胞器, 选择性的损伤一部分, 切断
基因,观察损伤和修复,就有可能发展成为一种细胞
加工的手段, 切断不利基因, 拼接有益基因, 加速定
向遗传进化, 有目的地改良品种。再如单离子束精
确定位照射技术取得突破,将为研究细胞信号传导、
基因表达和调控提供先进的手段[ 17]。
中国科学院等离子体物理研究所独具慧眼, 应
用低能离子束这一辐照源于生命科学中开辟了新的
研究领域, 对低能离子生物学的兴起和离子束生物
工程学的发展做出了突出的贡献。现在这一新兴领
域已走向世界, 面临激烈的竞争与挑战,各离子束生
物工程中心只有应用离子束生物工程学原理, 加强
12 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 2期
合作、深入开展低能离子与生物体相互作用机理和
支撑技术(细胞图像分析、细胞精确定位技术等)的
研究,才能加速农作物和微生物定向进化, 为农业和
发酵行业提供丰富的种质资源。
参 考 文 献
1 彭德建. 我国首创离子束应用于生物技术. 科学时报, 2002.
2 余增亮, 离子束生物技术引论. 合肥: 安徽科学技术出版社,
1998.
3 吴敬德,吴跃进,等. 离子注入生物效应论文集. 安徽农业大学学
报, 1994, 3.
4 程剑主编.安徽省农业重点课题论文集. 北京:中国农业科技出版
社, 1997.
5 吴敬德,吴跃进,等. 早籼 14生物学特性和栽培技术. 合肥:安徽
农业出版社, 2000, 28( 3) : 306~ 307.
6 吴敬德,吴跃进,等.晚粳新品种 M1148的特征特性积栽培技术
研究. 2001, 29( 6) : 724.
7 霍裕平,秦广雍,苏明杰,等. 离子束诱变小麦遗传新规律的研究.
第三次全国离子束生物工程学大会暨第一次国际研讨会论文集,
2002.
8 颉红梅,郝冀方,卫增泉,等. 重离子束注入小麦胚乳诱发的突变
效应. 第三次全国离子束生物工程学大会暨第一次国际研讨会论
文集, 2002.
9 武宝山,凌海秋,等. 低能 N+ 离子注入对加工番茄的辐照效应.
第三次全国离子束生物工程学大会暨第一次国际研讨会论文集,
2002.
10 王 军,武宝山,等. 离子束诱变辣椒种子生物效应. 第三次全国
离子束生物工程学大会暨第一次国际研讨会论文集, 2002.
11 毛培宏, 金湘,等. 生物技术, 2003, 13( 4) : 50~ 51
12 古绍彬,姚建铭,等. 离子注入乳酸产生菌 PW352菌种选育的研
究. 第三次全国离子束生物工程学大会暨第一次国际研讨会论
文集, 2002.
13 甄卫军,等.食品与发酵工业, 2002, 28( 3) : 20~ 24.
14 陈燕勤. 低能 N+ 离子注入纤维分解菌生物效应的研究(硕士毕
业论文) . 2004.
15 虞 龙,许安,等. 激光生物学报, 1998, 8( 3) : 218~ 220.
16 袁成凌,王 纪,等. 离子注入花生四烯酸 ( AA) 产生菌诱变选育
及产业化研究. 第三次全国离子束生物工程学大会暨第一次国
际研讨会论文集, 2002.
17 袁成凌,余增亮. 中国生物工程杂志, 2003, 23( 4) : 57~ 61.
(上接第 5页)
13 Rich ards RC. Biochemical an d Biop hysical Research Comm un-i
cat ions , 2001, 284: 549~ 555.
14 Birkem o GA, Torben L, J on NM, et al. Biochimica et Bioph ys-
ica Acta, 2003, 1646: 207~ 215.
15 Fernandes JM O, Gerard M , Graham DK, et al. Developmental
and Comparat ive Immunology, 2004, 28: 127~ 138.
16 Oren, YS. J Biochem , 1996, 237( 1) : 303~ 310.
17 Chan BP, Jae HL, In YP, et al . FEBS L et ters, 1997, 411:
173~ 178.
18 Cole AM , Peddrick W . T he jou rnal of Biological Chemist ry,
1997, 272( 18) : 12008~ 12013.
19 L ee IH , Ch eng QZ. FEBS Let ter s, 1997, 400: 158~ 162.
20 Lee IH , Yoon C. Comp Biochem Ph ysiol, 1997, 118B( 3) : 515
~ 512.
21 Lauth X, H iroko S , Jane CB, et al . T he journal of Biological
C hemist ry, 2002, 277( 7) : 5030~ 5039.
22 U zzell T, Ethan DS, Ann ES, et al. Pept ides , 2003, 24: 1655
~ 1667.
23 Kaw abata S, Fuminori T, Yoshie K, et al. FEBS Let ters ,
1996, 398: 146~ 150.
24 Cole AM, Rabih OD, Diana L, et al. Ant imicrobial Agents an d
Ch emotherapy, 2000: 2039~ 2045.
25 Douglas SE, Gallant JW, Gong Z, et al . Developmen tal an d
Comparat ive Immun ology, 2001, 25: 137~ 147
26 Chen SL, Xu MY, Sui SF, et al. Proceedings at 6th Interna-
t ion al M arin e Biotechn ology Confer ence, 21~ 27, Sept , 2003,
China, Japan.
27 Jon-Paul S , Robert . Pept ides , 2003, 24: 1681~ 1691.
28 Nakamura T, Furunaka H, Miyata T , et al . J Biol Chem ,
1988, 263: 16709~ 16713.
29 T henn arasu S, Nagaraj R. Int J Peo Pr ot Res , 1995, 46( 6 ) :
3480~ 3486.
30 Shai Y, Oren Z. Th e jou rnal of Biol Ch em, 1996, 271 ( 13 ) :
7305~ 7308
31 Munoz M , Fr anck V, Yannick, et al . Developm ental and Com-
parat ive Immunology, 2003, 27: 283~ 289.
32 Douglas SE , Jef f rey WG, Ryan SL, et al . Developm ental an d
Comparat ive Imm unology, 2003, 27: 589~ 601.
132005年第 2期 陈恒雷等:离子束诱变育种研究及应用进展