摘要： 离子束生物工程技术作为一门起源于我国的交叉学科, 与其它传统的辐射诱变方法相比, 具有更高的生物效应, 为生物遗传改良和基因工程开辟了新路径。近年来, 我国离子束生物工程技术得到迅速发展, 在相关领域取得了阶段性成果, 将有助于加深人们对离子束生物工程技术的了解和关注。
关键词： 离子束; 生物工程技术; 遗传改良;
离子束是指将元素的离子经过高能加速器作用后所获得的放射线。离子束与生命物质之间建立的关系可追溯到上世纪80年代, 中科院余增亮研究员将超低能N+离子注入水稻干种子中, 在短时间内育成几个新品种, 让人们开始认识到离子束在生物学领域的巨大前景。与传统诱变源相比, 离子束具有高传能线密度、尖锐的电离峰和低氧增比, 可精确控制入射深度和部位, 产生能量沉积、动量传递、质量沉积和电荷交换等生物效应, 从而引起基因突变。作为一门交叉学科, 离子束生物工程技术已越来越受到国内外专家关注, 我国作为其自主知识产权拥有国, 也在相关领域取得了重要的阶段性成果。本文将就离子束生物工程技术在我国的应用与研究进展进行回顾与展望, 以期为今后的进一步发展提供参考。
1 在植物遗传育种方面
作为离子束生物技术应用的最早领域, 相较于传统诱变方法, 利用离子注入方法进行植物诱变育种, 在质量、能量、电荷三因子协同作用影响下, 可产生丰富的基因突变, 且变异幅度大、频率高、良性多, 已成为我国植物品种改良有效手段之一。从上世纪80年代起, 安徽省农科院水稻所、浙江农业大学等机构即先后开展这方面的研究, 并先后成功选育S9042、早籼14、D9055、早籼903等多个水稻新品种, 经大规模推广应用, 效果显着。用16O8+辐照春小麦风干种子, 成功育成我国第一例重离子束辐照小麦新品种“陇辐2号”[1]。将经低能Ar+和N+注入的番茄种子进行培育, 其果实的营养品质明显提高[2]。利用12C6+辐照大葱种子, 其M1代结果期的株高、白长、花序直径和种子产量明显增加[3]。将N+诱变后的茶树为原料进行选育繁殖, 成功选育“茶农8号”、“茶农1号”新品种[4]。对鸡冠花离子注入处理, 其M1代生长发育时期有效提前, 株高、冠幅、叶形、分枝等均有显着差异[5]。用离子辐照永19玉米自交系, 其后代植株株高、穗位高与对照相比变异极显着[6]。随着研究技术的不断提高, 诱变的植物品种越来越多, 其方法也越来越成熟。
2 在微生物品种改良方面
自1994年发现离子注入链霉菌产生诱变效应以来, 我国在微生物品种改良领域取得了丰硕成果, 在生产实践中也得到广泛应用。运用离子注入技术进行微生物诱变育种, 可表现出较高的突变率和诱变效率。利用低能N+注入拟威克酵母, 成功选育出突变菌株, 其槐糖脂含量提高84.71%, 有效解决了槐糖脂在药物方面的需求[7]。利用N+对红曲霉M14进行诱变后, 其诱变菌株发酵产物中洛伐他汀含量相对出发菌株提高70%, 具有一定的应用价值[8]。采用N+注入对出发菌株米根霉PW352进行诱变改良, 得到突变米根霉菌株RLC41-6, 其L (+) -乳酸生产能力和速率均大幅提高[9]。利用低能N+注入诱变深黄被孢霉As3.3410菌株, 筛选得到突变株F312, 其γ-亚麻酸产量比原菌株提高了157.5%[10]。利用12C6+辐照酵母, 选育出高产突变菌株C03A, 发酵速率、发酵产酒率大幅提高[11]。利用N+注入诱变, 筛选出高产琼胶酶菌株WL-15, 其产酶活力显着提高[12]。随着离子束注入技术在微生物品种改良方面的不断发展, 为我国食品加工、药物、能源等行业提供了越来越多的新菌种, 并顺利实现产业化, 开创了我国微生物育种应用的崭新局面。
3 在介导转基因方面
相比电激法、基因枪法等传统方法, 使用离子束注入进行介导基因转移, 取材方便, 可直接利用种胚和愈伤组织等作为外植体进行操作;由于刻蚀作用产生的微孔, 可为外源基因进入细胞内部提供便利;由于电荷交换作用, 可使自身带有的正电荷在微孔内大量积累, 对带负电荷的外源基因产生吸引;离子束注入时造成的微孔内部分染色体损伤, 可为外源基因进入受体细胞后进行整合重组提供便利。我国自1989年首次证实离子束可用于基因工程以来, 已先后在水稻、小麦以及棉花多种高等植物及部分微生物上取得成功。将经N+注入的小麦种子浸泡在小黑麦全基因组DNA中进行选育, 形成的变异材料蛋白含量及品质均明显提高[13]。利用Ar+处理, 将白棉全DNA导入彩棉垦绿一号中, 使受体后代变异频率有效增加, 受体彩棉抗病性显着增强[14]。通过低能Ar+和N+注入介导, 成功获得多株遗传稳定、高含量的生物合成甘草酸 (GA) 、甘草次酸 (GAs) 重组酵母菌[15]。利用Ar+、N+介导技术, 将蓝麻黄基因组DNA成功转移到酿酒酵母、汉逊酵母中, 其重组菌株胞外麻黄碱、伪麻黄碱含量大大提高[16]。利用N+注入介导, 成功获得多株遗传性状稳定的产麻黄碱、伪黄碱重组酵母工程菌株[17]。作为近年来发展的生物工程技术, 离子束介导转基因法的应用对我国农业经济的快速发展起到了重要的推动作用。
4 在其它研究领域方面
由于离子束注入时需要短暂真空、低温环境, 使大多数动物受体无法耐受, 所以相比较在植物、微生物改良方面的快速发展, 离子注入在动物方面的研究一直进展缓慢, 目前只集中在家蚕与果蝇等动物。在环境保护和治理领域应用则逐渐增多, 目前主要应用在污水处理、土地荒漠化治理等方面。通过离子束注入诱变, 对活性污泥进行辐照, 可有效降解污水中的有机废物;利用离子束改良, 可促使植物根系产生有机酸以供土壤微生物生长, 有利于土壤微生物在沙地中固氮、解磷、解钾, 为植物提供充足的营养物质, 该技术经国家863课题“离子束植被改良与新材料联用固沙技术”实际应用, 效果良好。此外, 在生命起源和人类健康领域也有一定研究, 作为目前最先进的癌症治疗手段, 离子束技术具有正常组织损伤小、靶区肿瘤细胞杀灭彻底、定位精确、毒副作用小等特点, 在临床医学特别是深部肿瘤治疗方面已得到广泛应用。我国也成为继美、日、德之后, 第四个将重离子束技术应用于肿瘤治疗的国家。
5 结语
离子束生物工程技术作为一门起源于我国的交叉学科, 以其诱变变异频率高、生理损伤轻、突变谱广、存活率高、技术稳定等优点, 已逐渐成为生物培养与改良的重要手段之一, 为生物遗传改良和基因工程开辟了新路径。本文分别就近年来离子束生物工程技术在植物遗传育种、微生物品种改良、介导转基因以及环境治理、生命起源和人类健康等方面的应用进展和一些阶段性成果进行了阐述, 并对其未来的应用前景进行了展望, 将有助于加深人们对离子束生物工程技术的了解和关注。
参考文献
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