全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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一
介 衬
低能离子辐照生物体存活率
剂量效应的质量效应模型
邵春林 吴跃进
‘ 程备久“ 桂启富 余增亮
中国科学院等离子体物理研究所 合肥 ”
安徽农科院水稻研究所 合肥 。。
, , 安徽农业大学 合肥
低能 离子束诱 变 的主 要特点 是 其具 有质 量沉 积 效应 。 本文 立 足 于 “ 双 链 断 裂 ” 学
说 , 从质量沉积效应 出发 , 认 为注入 离子通过各种沉积方 式 形 成的 沉积 产物对 双
链或单链的断 裂具有修复或增强作用 , 由 此导 出低能氮 离子辐照 中生 物 体存活 率的 剂
量 效应模型 一 一 。甲 即 , 一 衬 一 叻 一 材 一 叻 , 并将之 称 为 质
量效应模型 。 该模 型很好地拟合 了过去的模 型所 不 能拟合的多种 生物 体的存活率剂量
效应 曲 线
。 同时还对其应 用 范 围进行 了分析 。
关键词 离子束 辐 照 存活率 剂量效应 质童 效应模型
前 言
低能离子辐照的生物效应存在着许多与 射线 、 高能粒子辐射等不同的特点 。 就其剂量效
应来说 , 射线 、高能粒子等的辐射使生物体存活率的剂量效应 曲线遵循指数失活规律 , 常用
的剂量效应模型有靶模型 包括其各种修正模型 、线性平方模型等图 。 在低能离子辐照下生物
体存活率剂量效应曲线往往存在一个峰区 , 即在某剂量区域内 , 存活率随着剂量的增大不是减
小 , 而是增大 , ‘〕。 这一现象无法用 已有的辐射生物学模型进行有意义的拟合 。 研究证明 , 低能
离子辐照时 , 注入 十 能够与生物碱基阁 、氨基酸闭乃至植物种子中的某些成份川发生反应 , 产
生新的含 化合物 本文作者曾通过低能氮离子注人酪氨酸分子的实验发现 , 注人 的质量
沉积产物能够强烈地影响到样品的残余活性 。 因此 , 有理由认为 , 注入离子的质量沉积产物
将对生物体的存活率有所影响 。
本文正是从质量沉积效应这一前提考虑 , 在 的双链断裂学说的基础上 , 尝试用
新的辐射生物学模型 , 拟合某些农作物和微生物的存活率剂量效应曲线 。
模 型 的 建 立
象 了射线
、 高能粒子辐射一样 , 低能离子辐照也具有能量沉积作用 。 能量作用可使
此文于 年 月 日收到 。
国家 自然科学基金资助项 目 。
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核 农 学 报 卷
双链断裂 设断裂数为 。 , 包括一次辐射事件引起的双链断裂 设断裂数为 , 和二次辐射
事件产生的两个相邻单链断裂引起的双链断裂 设断裂数为 。 这方面的作用使受辐照生物
体的存活率剂量效应曲线遵循 的线性一平方模型 , 即
一 。 一 一 。 。 , 〕一 〔一 。 甲 即 , 〕
其中 。 、 日分别是与一次辐射事件和二次辐射事件有关的参数 , 。 是辐射时生物体 自身不
能修复断裂双链的概率 , 。 是一个未修复的 双链断裂引起细胞死亡的概率 。 生物体 自身
修复后 , 双链断裂数为 一 十 两 , , 被修复数为 一 。 一 。 即 ,
。
低能离子辐照中 , 质量沉积产物的效应 , 由于大多数注入离子将沉积在 峰区 内 〕,
这就使得局部生物体内具有较高的沉积产物浓度 。 指出 , 链断裂的剂量效应关
系在很大程度上受到辐射当时 周围环境的影响 , 因此 , 当低能离子辐照的 峰正位
于 链附近时 , 沉积产物的化学活性将可能影响到 链断裂的数目 。 这种影响应包括
两个方面 一是沉积产物如同辐射保护剂 , 对 链的断裂具有保护或修复作用 二是沉积
产物通过阻止生物体 自身修复等途径 , 对 链的断裂具有增强作用
。
质量沉积产物作用的大小 , 应与其质量成正 比 。 通过对酪氨酸的辐照研究可知 , 质量沉积
产物在产生的同时 , 亦有一定的儿率受到进一步而来的注入离子的辐射损伤 。 因而 , 可假设具
有生物效应的质量沉积产物的分子数为 闭 , 且
一 甲 一
其中 为产物的产率 , 为产物的损伤率 。
在考虑质量沉积产物的效应时 , 假设无论是修复效应 , 还是损伤增强效应 , 沉积产物对一
次辐射事件中 的双链断裂和二次辐射事件中 双链断裂均具有不同的效应因子 。
首先考虑修复效应 。 设单位分子的沉积产物对一次辐射事件中 的双链断裂和二次
辐射事件中 双链断裂的修复因子分别为 , , 则对 双链断裂的修复数为 。。 ,
两 , , 总双链断裂数为 ,
一 甲 。肿 , 一 甲 , 一 。匆 ,
。
, 两 , 一 , 一 甲 一 尽 , , 一 甲 〕
其次 , 考虑质量沉积产物的损伤增强作用 。 设单位分子的沉积产物阻止一次辐射事件中
的双链断裂和二次辐射事件中 双链断裂修复的因子分别为
、
, 则 双链断
裂的增加数为 一 。 甲 工 一 。 即 , , 总双链断裂数为 、
甲 。脚 , 一 。 日 一 。 甲,
令 一 。一 一 , , 则
。【甲 匆 一 , 于’ , , , 一 甲 一 ’ , , 一 甲
可以看出 , 式和 式具有相同的数学形式 , 可将它们用一个共同的方程表示
。 甲 丙 , 一 甲, 一 甲 一 , 一 , 〕
则存活率 为
一 御 , 一 甲, 一 甲 一 甲 一 , 口
其 中 , 。 , , , 或 ’ , 于’
。
式就是所求得的考虑了注入离子质量沉积效应的生物体存活率剂量效应模型 , 可称之
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低能离子辐照生物体存活率剂盈效应的质量效应模型
为质量效应模型 。 在拟合结果中 , 若 , 则表示质量沉积产物对一次辐射事件中的 双
链断裂具有修复作用 , 而 , 则表示质量沉积产物对该种 双链断裂具有增强作用 同
理 , 若 , 则表示质量沉积产物对二次辐射事件中的 双链断裂具有修复作用 , 而
, 则表示质量沉积产物对该种 双链断裂具有增强作用 。
材 料 与 方 法
辐照源 以 中国科学院等离子体所的离子束育种机为辐照源 。 注人氮离子的能量为
。 样品靶室的真空度不低于 一 ’托 。 离子束辐照的单位脉冲剂量 。 为 , ’ 一 ’。
材料与方法 以棉花种子 、 小麦种子 、水稻种子 、棉花愈伤组织及枯草杆菌等为研究对象 。
将离子束辐照前后的水稻种子播于沙盘 , 在 ℃恒温箱催芽 , 统计其存活情况 。 而枯草杆菌则
培养于 琼脂的基本培养基 。 离子束辐照前后的棉花 、小麦种子的存活率测定分别
见文献〔 和 〕。 棉花愈伤组织的培养及存活率测定见文献〔 〕。 在存活率测定中 , 以未受辐
照的真空处理样品为对照 。
结 果 与 分 析
结果表明 , 离子束辐照后生物样品存活率的剂量效应曲线均不呈指数型 , 不能用传统的指
数损伤规律进行数据拟合
。
我们利用本文所得的模型 , 采用最小二乘法原理对低能离子辐照下生物体的存活率进行
剂量效应拟合 。 结果表明 , 该模型无论是对指数失活 , 还是对具有单峰或双峰形状的存活率曲
线 , 均能得到很好的拟合效果 。我们仅例举一部分关于低能离子束辐照下水稻 、棉花 、小麦及枯
草杆菌存活率剂量效应的拟合结果 如图 一 。 拟合时剂量以 甲。 为单位 。 对各个生物体存活
率剂量效应曲线的拟合参数见表 。
表 用方程 拟合离子束辐照下生物体存活率荆且效应时的各个参数
’
品种 参数
子’ 尽 『’ 『’ 『
水稻 一 昌
水稻 鄂宜 火 一 。
棉花 徐 一
小麦 一
棉花下胚轴 石 一
棉花茎尖
棉花叶
枯草杆菌 一
一 一 一 一 一
一 一 一 一 一
一 一 一 一 ‘ 一
一 一 一 ‘ 一 一
一 一 ,
一 一
一
由表 可看出 , 、 与曲线的形状有关 , 如 , 则存活率曲线具有单峰形状 如图 ,
如 , , 则存活率曲线具有双峰形状 如图 、 图 。
另外 , 微生物存活率曲线的拟合参数 最大 , 愈伤组织次之 , 而植物种子的 值最小 。这意
味着 值大小反映了离子束对生物体的辐射敏感性 , 越大 , 生物体越具辐射敏感性 。
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核 农 学 报 卷
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图 离子束辐照下棉花愈伤组织存活率
剂量效应曲线的拟合
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一拟合曲线 子叶 下胚轴 ⋯茎尖—王 ,
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图 离子束辐照下棉花 、小麦种子存活率
剂 效应曲线的拟合
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图 离子束辐照下枯草杆菌存活率
剂量效应曲线的拟合
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图 离子束辐照下水稻种子存活率
剂量效应曲线的拟合
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写
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式中 , 我们没有考虑质量沉积效应的效应时间 , 或认为效应是即刻的 。如考虑效应时间
因子 一入, 的话 , 式应具有如下形式
一 甲 匆 , 一 , , 一 伞一入 一 , 一 , 一入 〕
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值得注意的是 , 式的应用范围还可推广至其他辐射条件 。 诱变源如 射线等不具有
质量沉积效应时 , 、 则趋于或等于零 , 式即转变为 方程 诱变源虽不具质量
沉积效应 , 但受辐射生物体内也可能产生对 双链断裂具有修复或增强作用的物质 此种
情况下 , 式无疑同样适用 。 因此 , 本文导出的模型 , 虽立足于双链断裂学说的线性 一平方模
型 , 但 比该模型具有更加广泛的应用范围 。
参 考 文 献
余增亮 中国离子注人生物效应研究 中国核科技报告 , 北京 原子能出版社 ,
朱壬葆 辐射生物学 北京 科学出版社 ,
程备久等 离子注人楠花诱变效应研究 安徽农学院学报 , ,
杨赞林等 离子注人对小麦生长发育的效应 安徽农学院学报 , “
邓建国 荷能离子辐照生物体扭伤机理若干研究 博士论文 中科院等离子体所编印 ,
黄纬东等 质 沉积效应 离子束注入 一蔡乙徽的研究 第二次全国离子注入生物效应会议论文摘要 , 中科院等离
子体所编印 ,
张正南等 离子注人水稻干种子光声谱分析 安徽农业科学 , ,
邵春林等 低能氮离子束注人酷氮酸样品的荆 效应研究 核技术 , ,
, 口 , ,
余增亮等 离子注入水稻诱变育种机理初探 安徽农业科学 , ,
周立人等 离子注人对棉花离体组织培养形响初报 安徽农业科学 , , 一
,
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