離子束生物工程技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

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摘要:離子束生物工程技術(shù)作為一門(mén)起源于我國(guó)的交叉學(xué)科，與其它傳統(tǒng)的輻射誘變方法相比，具有更高的生物效應(yīng)，為生物遺傳改良和基因工程開(kāi)辟了新路徑。近年來(lái)，我國(guó)離子束生物工程技術(shù)得到迅速發(fā)展，在相關(guān)領(lǐng)域取得了階段性成果，將有助于加深人們對(duì)離子束生物工程技術(shù)的了解和關(guān)注。

關(guān)鍵詞:離子束;生物工程技術(shù);遺傳改良

離子束是指將元素的離子經(jīng)過(guò)高能加速器作用后所獲得的放射線(xiàn)。離子束與生命物質(zhì)之間建立的關(guān)系可追溯到上世紀(jì)80年代，中科院余增亮研究員將超低能N+離子注入水稻干種子中，在短時(shí)間內(nèi)育成幾個(gè)新品種，讓人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到離子束在生物學(xué)領(lǐng)域的巨大前景。與傳統(tǒng)誘變?cè)聪啾?，離子束具有高傳能線(xiàn)密度、尖銳的電離峰和低氧增比，可精確控制入射深度和部位，產(chǎn)生能量沉積、動(dòng)量傳遞、質(zhì)量沉積和電荷交換等生物效應(yīng)，從而引起基因突變。作為一門(mén)交叉學(xué)科，離子束生物工程技術(shù)已越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家關(guān)注，我國(guó)作為其自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)擁有國(guó)，也在相關(guān)領(lǐng)域取得了重要的階段性成果。本文將就離子束生物工程技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用與研究進(jìn)展進(jìn)行回顧與展望，以期為今后的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1在植物遺傳育種方面

作為離子束生物技術(shù)應(yīng)用的最早領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)誘變方法，利用離子注入方法進(jìn)行植物誘變育種，在質(zhì)量、能量、電荷三因子協(xié)同作用影響下，可產(chǎn)生豐富的基因突變，且變異幅度大、頻率高、良性多，已成為我國(guó)植物品種改良有效手段之一。從上世紀(jì)80年代起，安徽省農(nóng)科院水稻所、浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)即先后開(kāi)展這方面的研究，并先后成功選育S9042、早秈14、D9055、早秈903等多個(gè)水稻新品種，經(jīng)大規(guī)模推廣應(yīng)用，效果顯著。用16O8+輻照春小麥風(fēng)干種子，成功育成我國(guó)第一例重離子束輻照小麥新品種“隴輻2號(hào)”［1］。將經(jīng)低能Ar+和N+注入的番茄種子進(jìn)行培育，其果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)明顯提高［2］。利用12C6+輻照大蔥種子，其M1代結(jié)果期的株高、白長(zhǎng)、花序直徑和種子產(chǎn)量明顯增加［3］。將N+誘變后的茶樹(shù)為原料進(jìn)行選育繁殖，成功選育“茶農(nóng)8號(hào)”、“茶農(nóng)1號(hào)”新品種［4］。對(duì)雞冠花離子注入處理，其M1代生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期有效提前，株高、冠幅、葉形、分枝等均有顯著差異［5］。用離子輻照永19玉米自交系，其后代植株株高、穗位高與對(duì)照相比變異極顯著［6］。隨著研究技術(shù)的不斷提高，誘變的植物品種越來(lái)越多，其方法也越來(lái)越成熟。

2在微生物品種改良方面

自1994年發(fā)現(xiàn)離子注入鏈霉菌產(chǎn)生誘變效應(yīng)以來(lái)，我國(guó)在微生物品種改良領(lǐng)域取得了豐碩成果，在生產(chǎn)實(shí)踐中也得到廣泛應(yīng)用。運(yùn)用離子注入技術(shù)進(jìn)行微生物誘變育種，可表現(xiàn)出較高的突變率和誘變效率。利用低能N+注入擬威克酵母，成功選育出突變菌株，其槐糖脂含量提高84．71%，有效解決了槐糖脂在藥物方面的需求［7］。利用N+對(duì)紅曲霉M14進(jìn)行誘變后，其誘變菌株發(fā)酵產(chǎn)物中洛伐他汀含量相對(duì)出發(fā)菌株提高70%，具有一定的應(yīng)用價(jià)值［8］。采用N+注入對(duì)出發(fā)菌株米根霉PW352進(jìn)行誘變改良，得到突變米根霉菌株RLC41－6，其L(+)－乳酸生產(chǎn)能力和速率均大幅提高［9］。利用低能N+注入誘變深黃被孢霉As3．3410菌株，篩選得到突變株F312，其γ－亞麻酸產(chǎn)量比原菌株提高了157．5%［10］。利用12C6+輻照酵母，選育出高產(chǎn)突變菌株C03A，發(fā)酵速率、發(fā)酵產(chǎn)酒率大幅提高［11］。利用N+注入誘變，篩選出高產(chǎn)瓊膠酶菌株WL－15，其產(chǎn)酶活力顯著提高［12］。隨著離子束注入技術(shù)在微生物品種改良方面的不斷發(fā)展，為我國(guó)食品加工、藥物、能源等行業(yè)提供了越來(lái)越多的新菌種，并順利實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)微生物育種應(yīng)用的嶄新局面。

3在介導(dǎo)轉(zhuǎn)基因方面

相比電激法、基因槍法等傳統(tǒng)方法，使用離子束注入進(jìn)行介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)移，取材方便，可直接利用種胚和愈傷組織等作為外植體進(jìn)行操作;由于刻蝕作用產(chǎn)生的微孔，可為外源基因進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部提供便利;由于電荷交換作用，可使自身帶有的正電荷在微孔內(nèi)大量積累，對(duì)帶負(fù)電荷的外源基因產(chǎn)生吸引;離子束注入時(shí)造成的微孔內(nèi)部分染色體損傷，可為外源基因進(jìn)入受體細(xì)胞后進(jìn)行整合重組提供便利。我國(guó)自1989年首次證實(shí)離子束可用于基因工程以來(lái)，已先后在水稻、小麥以及棉花多種高等植物及部分微生物上取得成功。將經(jīng)N+注入的小麥種子浸泡在小黑麥全基因組DNA中進(jìn)行選育，形成的變異材料蛋白含量及品質(zhì)均明顯提高［13］。利用Ar+處理，將白棉全DNA導(dǎo)入彩棉墾綠一號(hào)中，使受體后代變異頻率有效增加，受體彩棉抗病性顯著增強(qiáng)［14］。通過(guò)低能Ar+和N+注入介導(dǎo)，成功獲得多株遺傳穩(wěn)定、高含量的生物合成甘草酸(GA)、甘草次酸(GAs)重組酵母菌［15］。利用Ar+、N+介導(dǎo)技術(shù)，將藍(lán)麻黃基因組DNA成功轉(zhuǎn)移到釀酒酵母、漢遜酵母中，其重組菌株胞外麻黃堿、偽麻黃堿含量大大提高［16］。利用N+注入介導(dǎo)，成功獲得多株遺傳性狀穩(wěn)定的產(chǎn)麻黃堿、偽黃堿重組酵母工程菌株［17］。作為近年來(lái)發(fā)展的生物工程技術(shù)，離子束介導(dǎo)轉(zhuǎn)基因法的應(yīng)用對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

4在其它研究領(lǐng)域方面

由于離子束注入時(shí)需要短暫真空、低溫環(huán)境，使大多數(shù)動(dòng)物受體無(wú)法耐受，所以相比較在植物、微生物改良方面的快速發(fā)展，離子注入在動(dòng)物方面的研究一直進(jìn)展緩慢，目前只集中在家蠶與果蠅等動(dòng)物。在環(huán)境保護(hù)和治理領(lǐng)域應(yīng)用則逐漸增多，目前主要應(yīng)用在污水處理、土地荒漠化治理等方面。通過(guò)離子束注入誘變，對(duì)活性污泥進(jìn)行輻照，可有效降解污水中的有機(jī)廢物;利用離子束改良，可促使植物根系產(chǎn)生有機(jī)酸以供土壤微生物生長(zhǎng)，有利于土壤微生物在沙地中固氮、解磷、解鉀，為植物提供充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，該技術(shù)經(jīng)國(guó)家863課題“離子束植被改良與新材料聯(lián)用固沙技術(shù)”實(shí)際應(yīng)用，效果良好。此外，在生命起源和人類(lèi)健康領(lǐng)域也有一定研究，作為目前最先進(jìn)的癌癥治療手段，離子束技術(shù)具有正常組織損傷小、靶區(qū)腫瘤細(xì)胞殺滅徹底、定位精確、毒副作用小等特點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)特別是深部腫瘤治療方面已得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)也成為繼美、日、德之后，第四個(gè)將重離子束技術(shù)應(yīng)用于腫瘤治療的國(guó)家。

5結(jié)語(yǔ)

離子束生物工程技術(shù)作為一門(mén)起源于我國(guó)的交叉學(xué)科，以其誘變變異頻率高、生理?yè)p傷輕、突變譜廣、存活率高、技術(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為生物培養(yǎng)與改良的重要手段之一，為生物遺傳改良和基因工程開(kāi)辟了新路徑。本文分別就近年來(lái)離子束生物工程技術(shù)在植物遺傳育種、微生物品種改良、介導(dǎo)轉(zhuǎn)基因以及環(huán)境治理、生命起源和人類(lèi)健康等方面的應(yīng)用進(jìn)展和一些階段性成果進(jìn)行了闡述，并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，將有助于加深人們對(duì)離子束生物工程技術(shù)的了解和關(guān)注。

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作者:張明 周靜波 單位:安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院