全 文 ：文章编号 :100028551 (2003) 052354204
离子注入在生命科学中的应用研究
焦　浈　秦广雍　曹刚强　霍裕平
(郑州大学离子束生物工程实验室 , 河南 郑州　450052)
摘 　要 :本文概述了近十几年来离子注入技术在机理研究、生物品种改良及介导外源基因转移
等方面的研究进展。
关键词 :离子注入 ;生物效应 ;诱变育种 ;转基因
APPLICATION OF ION IMPLANTATION IN LIFE SCIENCE
J IAO Zhen 　QIN Guang2yong 　CAO Gang2qiang 　HUO Yu2ping
( Ion Beam Bio2engineering Lab of Zhengzhou University , Zhengzhou , Henan , 　450052)
Abstract :This paper summarizes the research advancement of the technology in the field of mechanism research ,
organism improvement and transferring extra2gene via ion beam during this decade.
Key words :ion implanting ; biological effect ; mutation breeding ; transgene
收稿日期 :2001208222
作者简介 :焦浈 (1976～) ,女 ,博士研究生 ,从事离子束生物效应研究。
　　自 1986 年余增亮等[1 ]发现离子注入的生物学效应后 ,低能离子与生物体系相互作用的研究迅速兴
起 ,在生物品种改良及其作用机理方面取得了较大进展 ,初步明确了离子注入生物效应原初过程具有能
量沉积、动量传递、粒子注入和电荷交换 4 个方面。对辐照效应进行深入探讨也证明了这 4 种作用的存
在。同时将这一技术应用于植物和微生物的品种改良研究中 ,在创建新的基因型及获得新的种质资源
方面取得了进展。本文就近年来离子注入生物材料机理及其应用研究作一概述。
1 　离子注入生物学效应的机理研究
111 　离子注入种胚细胞结构变化及注入深度的研究
离子注入技术应用于诱变育种 ,不仅得到了突变体 ,也观察到了根尖细胞中的染色体畸变、同工酶
活性和酶谱变化及花粉母细胞减数分裂异常等 ,且在育种实践中也取得了明显的经济效益。对低能离
子注入生物种胚产生诱变的机理一般有两种认识 ,其一认为 :低能离子在植物种子材料中的射程浅 ,不
足以穿过种子表皮到达胚细胞 ,因此细胞的损伤可能是由离子引起的某些次级过程的间接作用造成
的[2 ] 。但越来越多的证据显示 ,高速离子能够穿过种皮 ,注入到子叶和种胚细胞内 ,通过质、能沉积造成
双重损伤 ,进而诱发突变。余增亮等[3 ]认为作物干种子结构极其复杂 ,多层、多相、多通道 ,载能离子的
刻蚀作用能使这些通道连通 ,使得后续离子直接作用到胚上。苏一等[4 ] 应用扫描电镜观察到绿豆种胚
细胞在注入后受到损伤 ,出现明显的质壁分离现象 ,淀粉粒也受到某种程度的损伤。他们认为这是离子
束直接作用细胞的结果。蒋悟生等[5 ]以 50keV Fe + 和 Cu + 注入绿豆种子 ,经扫描电镜观察后发现 ,细胞
壁角质层被破坏 ,细胞表面呈现出许多孔洞。能谱点扫描测定出孔洞区域均出现 Fe+ 和 Cu + 谱线 ,而非
孔洞区域与对照样品相同。由此证明孔洞区域是离子束穿过种皮留下的通道痕迹。韩建伟等[6 ] 的研究
453　 核 农 学 报　2003 ,17 (5) :354～357Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
提供了更加直接的证据 ,他们以离子辐照番茄果皮 ,在透射能谱中出现了完全自由通过的α粒子。这充
分说明了低能离子辐照可使得疏松的作物组织出现渐深的完全畅通的孔道 ,使后续离子能够达到更深
的组织中去 ,造成独特的低能离子辐照生物效应。离子注入后结构、深度的研究为离子注入产生的显著
生物学效应提供了证据 ,显示了其作用于生物体时区别于其他电离辐射的独特机制。
112 　低能离子注入有机小分子的研究
为了解释离子注入特有的生物学效应 ,许多研究者以有机小分子为对象 ,试图从简单物质入手 ,为
最终揭示其作用原理提供依据。注入离子的质、能双重作用可使靶物质的原子发生移位和重组 ,从而引
起靶分子结构的变化 ,因此该效应受到了高度重视。王相勤等[7 ]将 N + 直接注入不含氮元素的固体羧酸
钠 ,经傅里叶红外光谱分析 ,产生了含有氮原子的新产物 ,表明注入离子 N+ 与本底元素发生化学反应 ,
生成新的物质或基团 ,从而导致化学分子的结构发生了变化。对于生物体辐射损伤的主要靶分子核酸
来说 ,它的损伤主要表现为碱基的损伤。在以不同的嘧啶为对象的研究[8 ] 中发现 ,用 Ar + 辐照样品 ,通
过水合茚三酮反应分析得到了氨基。根据低能离子与固体物质相互作用的理论计算可知 ,一个具有
keV 能量的重离子 ,通过级联碰撞可使几百个靶原子移位。移位原子能量降至化学反应范围时 ,将同环
境元素发生化学反应。因此离子注入嘧啶产生的氨基可能是分子内部原子移位和重组的结果。氨基酸
是组成生物体的基本单元 ,经 N + 注入引起分子结构解体 ,形成各种损伤碎片 ,其中自由基碎片的类型
和数量强烈地倚赖于注入离子的剂量和能量 ,反映了这种低能离子极强的损伤力。此外 ,有一部分碎片
可以重组形成酰胺或新类型的氨基酸物质 ,使红外吸收光谱中出现新的吸收峰[9 ] 。上述不同的研究均
发现离子注入能够产生新的物质 ,是质、能、荷同时作用的结果 ,为离子注入生物体的效应研究提供了依
据。
此外 ,对于普遍存在的离子注入剂量 ———存活曲线呈“马鞍型”(即存活率随注入剂量的增大 ,呈现
为先降后升再降的变化)的研究也在不断的进行 ,不同学者分别以小分子[10 ] 或微生物[11 ] 为材料对其规
律进行探索 ,但对作用机理的认识目前还只停留在假说、推理阶段 ,仍须进一步探讨。
2 　离子注入微生物的品种改良研究
离子注入近年来在微生物的品种改良上取得了较大的进展。姚建铭[12 ] 用离子注入诱变利福霉素
生产菌 ,筛选出菌株 2953 # ,其效价稳定提高 18 %。谢立青[13 ] 用 N + 处理生产菌种 ———庆大霉素产生菌
和卡那霉素产生菌 ,选出的高产菌株已用于生产 ,提高幅度分别为 20 %和 1215 % ,经济效益显著。涂友
斌[14 ]用 N + 注入野生型联合固氮菌 ( Alcaligenf aecalis 11488) ,筛选出抗 516mmolΠL 乙二胺的泌铵突变株
EM1105 ,它以 KNO3 为氮源时 ,培养 21h 泌铵量可达到 110mmolΠL。陈宇等[15 ] 以 N + 注入红霉素产生菌 ,
经筛选得到了高产突变菌株 ,其产量可提高 20 %以上。虞龙[16 ] 在研究了不同离子注入 Vc 生产菌的生
物学效应后 ,确定了最适注入剂量并由此筛选出 4 株高产菌 ,其糖酸克分子转化率由 80 %提高到 94 %
以上 ,已通过工业生产试验 ,为企业带来显著经济效益。
3 　离子注入植物的诱变育种研究
311 　对农艺性状的影响
这部分的研究主要是针对小麦、水稻、棉花等农作物进行的。有研究表明[17 ] ,离子束处理小麦的干
种子后 ,发芽率和发芽势都有一定程度的降低 ,且随剂量加大降低幅度也增大。但轻微剂量照射对小麦
的生长还有一定的促进作用。离子注入对水稻幼苗生长也有一定的抑制作用 ,随注入剂量增大 ,苗高和
根长受抑制达到显著差异水平[18 ] 。但与不同剂量的叠氮化钠和γ射线处理相比 ,离子注入水稻 M1 代
生理损伤轻 ,M2 代株高、抽穗期诱变效率较高[19 ] 。离子束对花粉壁也有明显的刻蚀作用[20 ] ,并能促进
花粉粒间的融合。花粉的萌发率、萌发速度和花粉管长度均与注入剂量呈负相关。
312 　对染色体畸变的影响
553　5 期 离子注入在生命科学中的应用研究
有丝分裂畸变是诱变效应最敏感的指标之一。在对小麦[21 ] 、水稻[22 ] 、棉花[20 ] 等植物离子注入后的
根尖细胞染色体观察中发现 ,无论是萌动的种子还是干种子 ,离子辐照均诱导了显著地依赖于剂量的有
丝分裂畸变。注入组的畸变率明显高于对照组 ,萌动种子的畸变率表现出比干种子更敏感的生物效应。
核畸变的主要类型有核粘连、微核、双核、多核和畸形核等。染色体的畸变主要表现为染色体桥、落后染
色体、游离染色体、染色体断片、四倍体染色体等类型 ,其中以桥染色体居多。在一定的剂量范围内 ,有
丝分裂畸变率随注入剂量的增加而增加 ,但超过一定的剂量 ,染色体致畸效应出现饱和状态的现象。
313 　对同工酶的影响
电离辐射对植物体内酶系统影响研究始于 50 年代 ,国内外曾在水稻、小麦、玉米和大麦等作物上以
同工酶为指标研究辐射生物学效应。由于离子注入与植物体的相互作用关系区别于其它的电离辐射 ,
因此 ,许多研究试图从生化水平探讨离子注入的诱变效应和同工酶变化及辐照敏感性的相关关系 ,为离
子束诱变的早期筛选提供依据。程备久[23 ]在对 N + 注入的棉花种子的 M1 和 M2 代第 2 真叶的过氧化物
酶同工酶 ( IPO)的研究中发现 ,同工酶的变异能在一定程度上反映基因的变化。此外 ,在以水稻[24 , 25 ] 、
萝卜[26 ] 、西瓜[27 ]等植物为材料的同工酶研究中 ,酯酶、过氧化物酶、细胞色素氧化酶等同工酶在注入后
都有不同的变化。但同工酶与注入剂量、诱变效应还无明确的对应关系 ,因此 ,目前只能作为诱变筛选
的参考因素。
离子注入技术应用于农作物的诱变育种研究 ,经过十几年的发展 ,现已取得了明显的成效。最早育
成的两个水稻品种晚粳 D9055 和中熟早籼 S9042 已大面积推广 ,创造了较大的社会经济效益[28 ] 。舒世
珍[29 ]用 N + 辐照甜菊种子 ,除产量明显提高外 ,优质糖 ———莱包迪 A 甙含量也增加 162 %。邬振祥[30 ] 以
N + 辐照番茄 (早霞)干种子后 ,诱变当代出现明显的早熟、增产的效应。从 M4 代中选出的 6 个优良的突
变系 ,比原品种增产 711 %～3511 %。郑冬官[31 ]以离子注入棉花种子育成了早熟品系、株型稍松散品系
4053 等 ,已推广种植。此外 ,离子注入还具有明显克服远缘杂交不亲和性、提高杂交结实率等优势[32 ] 。
4 　离子注入介导外源基因转移的研究
自 1984 年首次获得转基因烟草以来 ,植物遗传转化技术迅速发展 ,现已建立了多种转化系统 ,如 :
农杆菌介导法、基因枪法、PEG法、电击穿孔法、脂质体介导法等。但这些方法由于需要建立原生质体系
统 ,或者仪器价格昂贵 ,或者对单子叶植物不敏感等缺点 ,限制了在植物尤其是禾谷类作物上的应用。
由于荷能离子注入的溅射作用能够对植物细胞壁进行刻蚀 ,进而损伤细胞膜 ,增加细胞膜透性 ,促进外
源 DNA 导入 ,因此利用低能离子束介导外源基因转移的研究迅速开展。
程备久[33 ]通过 Ar + 注入和 DNA 溶液浸滴法将比克氏棉和红麻 DNA 导入泗棉 2 号 ,结果表明离子
注入可显著地促进外源 DNA 导入受体。经选育已获得了一批抗枯萎病、早熟、种子少腺体和优质等各
具特色的陆地棉新种质。杨剑波[34 ] 用离子束介导法将编码β- 葡萄糖苷酸酶的 gus 基因引入受体植物
细胞 ,并实现瞬间表达。倪大虎[35 ] 将抗菌肽 ShivaA 基因导入水稻恢复系明恢 63 成熟胚中 ,再生出植
株 ,经 PCR 检测分析证明外源基因已整合到再生植株基因组中。李红[36 ]发现低能氮离子束注入水稻愈
伤组织可显著提高根癌农杆菌介导转基因效率 ,这为克服单子叶植物对根癌农杆菌不敏感性、提高遗传
转化效率的研究提供了一条新的途径。
吴丽芳利用离子束介导分别将 gus 基因[37 ] 、几丁质酶基因 ( RCH8) [38 ] 、改良的绿色荧光蛋白基因
(mGFP4) [39 ]导入小麦栽培品种的成熟胚细胞 ,经 PCR 检测、Southern 杂交分析 ,证明这 3 种基因已分别
整合到小麦基因组中 ,平均植株转化率为 114 %～17 %。此外 ,通过 Ar+ 注入 ,又将两个大豆品种的全
DNA 分别导入两个小麦栽培品种中[40 ] 。当代收获后 ,发现有两个单株的蛋白质含量分别达到 20146 %
和 25135 % ,明显高于对照。说明通过离子束介导外源 DNA 转化技术 ,可以绕过复杂的组培过程而由成
熟种子直接发育为植株 ,并获得带有目的性状的转化后代 ,为远缘物种间遗传物质交流提供了一种简便
有效的途径。
653 核　农　学　报 17 卷
5 　展望
由于低能离子束具有质荷能协同作用下的特殊生物学效应 ,它已在生物品种改良、生命起源和进化
以及环境辐射生物学效应等多个理论和应用研究领域中获得长足发展。通过离子注入诱变、介导外源
基因转移已获得了一大批生物优良品系 ,取得了显著的社会经济效益 ,应用前景十分广阔。作为一门新
的交叉学科 ,低能离子生物学将随着研究的不断深入 ,进一步完善其理论体系 ,拓展其应用研究领域 ,开
创新的研究局面。
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