離子束生物工程技術(shù)的應用進展

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了離子束生物工程技術(shù)的應用進展范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

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

關鍵詞: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)過高能加速器作用后所獲得的放射線。離子束與生命物質(zhì)之間建立的關系可追溯到上世紀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，在短時間內(nèi)育成幾個新品種，讓人們開始認識到離子束在生物學領域的巨大前景。與傳統(tǒng)誘變源相比，離子束具有高傳能線密度、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、動量傳遞、質(zhì)量沉積和電荷交換等生物效應，從而引起基因突變。作為一門交叉學科，離子束生物工程技術(shù)已越來越受到國內(nèi)外專家關注，我國作為其自主知識產(chǎn)權(quán)擁有國，也在相關領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)在我國的應用與研究進展進行回顧與展望，以期為今后的進一步發(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)應用的最早領域，相較于傳統(tǒng)誘變方法，利用離子注入方法進行植物誘變育種，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，已成為我國植物品種改良有效手段之一。從上世紀80年代起，安徽省農(nóng)科院水稻所、浙江農(nóng)業(yè)大學等機構(gòu)即先后開展這方面的研究，并先后成功選育S9042、早秈14、D9055、早秈903等多個水稻新品種，經(jīng)大規(guī)模推廣應用，效果顯著。用16O8+輻照春小麥風干種子，成功育成我國第一例重離子束輻照小麥新品種“隴輻2號”［1］。將經(jīng)低能Ar+和N+注入的番茄種子進行培育，其果實的營養(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、花序直徑和種子產(chǎn)量明顯增加［3］。將N+誘變后的茶樹為原料進行選育繁殖，成功選育“茶農(nóng)8號”、“茶農(nóng)1號”新品種［4］。對雞冠花離子注入處理，其M1代生長發(fā)育時期有效提前，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越多，其方法也越來越成熟。

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)生誘變效應以來，我國在微生物品種改良領域取得了豐碩成果，在生產(chǎn)實踐中也得到廣泛應用。運用離子注入技術(shù)進行微生物誘變育種，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+對紅曲霉M14進行誘變后，其誘變菌株發(fā)酵產(chǎn)物中洛伐他汀含量相對出發(fā)菌株提高70%，具有一定的應用價值［8］。采用N+注入對出發(fā)菌株米根霉PW352進行誘變改良，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，為我國食品加工、藥物、能源等行業(yè)提供了越來越多的新菌種，并順利實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，開創(chuàng)了我國微生物育種應用的嶄新局面。

3在介導轉(zhuǎn)基因方面

相比電激法、基因槍法等傳統(tǒng)方法，使用離子束注入進行介導基因轉(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行操作;由于刻蝕作用產(chǎn)生的微孔，可為外源基因進入細胞內(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，對帶負電荷的外源基因產(chǎn)生吸引;離子束注入時造成的微孔內(nèi)部分染色體損傷，可為外源基因進入受體細胞后進行整合重組提供便利。我國自1989年首次證實離子束可用于基因工程以來，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導入彩棉墾綠一號中，使受體后代變異頻率有效增加，受體彩棉抗病性顯著增強［14］。通過低能Ar+和N+注入介導，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+介導技術(shù)，將藍麻黃基因組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，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］。作為近年來發(fā)展的生物工程技術(shù)，離子束介導轉(zhuǎn)基因法的應用對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展起到了重要的推動作用。

4在其它研究領域方面

由于離子束注入時需要短暫真空、低溫環(huán)境，使大多數(shù)動物受體無法耐受，所以相比較在植物、微生物改良方面的快速發(fā)展，離子注入在動物方面的研究一直進展緩慢，目前只集中在家蠶與果蠅等動物。在環(huán)境保護和治理領域應用則逐漸增多，目前主要應用在污水處理、土地荒漠化治理等方面。通過離子束注入誘變，對活性污泥進行輻照，可有效降解污水中的有機廢物;利用離子束改良，可促使植物根系產(chǎn)生有機酸以供土壤微生物生長，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養(yǎng)物質(zhì)，該技術(shù)經(jīng)國家863課題“離子束植被改良與新材料聯(lián)用固沙技術(shù)”實際應用，效果良好。此外，在生命起源和人類健康領域也有一定研究，作為目前最先進的癌癥治療手段，離子束技術(shù)具有正常組織損傷小、靶區(qū)腫瘤細胞殺滅徹底、定位精確、毒副作用小等特點，在臨床醫(yī)學特別是深部腫瘤治療方面已得到廣泛應用。我國也成為繼美、日、德之后，第四個將重離子束技術(shù)應用于腫瘤治療的國家。

5結(jié)語

離子束生物工程技術(shù)作為一門起源于我國的交叉學科，以其誘變變異頻率高、生理損傷輕、突變譜廣、存活率高、技術(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點，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辟了新路徑。本文分別就近年來離子束生物工程技術(shù)在植物遺傳育種、微生物品種改良、介導轉(zhuǎn)基因以及環(huán)境治理、生命起源和人類健康等方面的應用進展和一些階段性成果進行了闡述，并對其未來的應用前景進行了展望，將有助于加深人們對離子束生物工程技術(shù)的了解和關注。

參考文獻:

［1］趙連芝，王浩瀚．重離子輻照選育春小麥新品種初探［J］．西北農(nóng)業(yè)學報，2006，15(03):17—19．

［2］段紅英，李新偉，等．低能離子束對番茄果實品質(zhì)的影響［J］．貴州農(nóng)業(yè)科學，2014，42(08):168—171．

［3］李姝汶，王曉軍．12C6+高能重離子輻照大蔥損傷及其分子生物學效應［J］．原子核物理評論，2010，27(03):328—334．

［4］王朝霞，李葉云．N+離子注入對茶樹生化成分的影響研究［J］．中國茶葉加工，2006(02):36—38．

［5］何志美，郭軍戰(zhàn)．離子注入誘變雞冠花M1代形態(tài)變異的研究［J］．北方園藝，2010(10):155—158．

［6］耿金鵬，李多芳．重離子輻射玉米自交系田間性狀的統(tǒng)計分析［J］．玉米科學，2013，21(02):66—70．

［7］LiH，MaX，etal．Enhancementofsophorolipidpro-ductionofwickerhamielladomerciqiaevar．sophorolipidCGMCC1576bylow－energyionbeamimplantation［J］．ApplBiochemBiotech，2012，167(3):510—523．

［8］李闊闊，王鈺．高產(chǎn)洛伐他汀紅曲霉氮離子束誘變育種［J］．食品與發(fā)酵工業(yè)，2016，42(4):98—102．

［9］YANGYingge，F(xiàn)ANYonghong，etal．OptimizationofL(+)－LacticAcidProductionfromXylosewithRhi-zopusOryzaeMutantRLC41－6BreedingbyLow－En-ergyIonImplantation［J］．PlasmaScienceandTechnol-ogy，2007，9(5):638—642．

［10］劉勝男，王亞洲，等．γ－亞麻酸產(chǎn)生菌的低能離子束誘變選育［J］．河南科技大學學報:自然科學版，2015，36(3):76—80．

［11］LUDong，WANGYing，LIUQingfang，etal．ImprovedEthanolFermentationofaYeastMutantbyC－12IonBeamIrradiation［J］．NuclearTechniques，2010，33(05):350—353．

［12］梅建鳳，唐中秀．低能N+離子注入誘變選育瓊膠酶高產(chǎn)菌株［J］．浙江工業(yè)大學學報，2013，41(01):53—64．

［13］韓利濤，谷運紅．離子束介導小麥變異材料貯藏蛋白及農(nóng)藝品質(zhì)性狀分析［J］．種子，2016，35(12):12－17．

［14］蔡劍輝，李冠．Ar+離子束介導白棉全DNA轉(zhuǎn)化彩棉中酚類物質(zhì)的研究［J］．種子(Seed)，2005，24(03):22—24．

［15］金湘，毛培宏．離子注入介導甘草基因組DNA轉(zhuǎn)化酵母菌［A］．藥用植物化學與中藥有效成分分析研討會論文集(上)，2008:36—39．

［16］MaoPH，LouK，JinX．TotalDNAofChineseephed-ratransferredtoyeastbyionbeam:China，No．200610011402［P］．2007．

［17］呂杰，金湘．氮離子注入介導麻黃基因組DNA轉(zhuǎn)化酵母菌［J］．中草藥，2008，39(08):1227—1331.

作者:張明 周靜波 單位:安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院