我國離子束生物工程技術(shù)的應(yīng)用與研究進展

張 明 ，周靜波

(安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 院辦，安徽 合肥 230031)

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(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，在短時間內(nèi)育成幾個新品種，讓人們開始認(rèn)識到離子束在生物學(xué)領(lǐng)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(yīng)，從而引起基因突變。作為一門交叉學(xué)科，離子束生物工程技術(shù)已越來越受到國內(nèi)外專家關(guān)注，我國作為其自主知識產(chǎn)權(quán)擁有國，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)在我國的應(yīng)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(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(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(yīng)用，效果顯著。用16O8+輻照春小麥風(fēng)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(yīng)以來，我國在微生物品種改良領(lǐng)域取得了豐碩成果，在生產(chǎn)實踐中也得到廣泛應(yīng)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(yīng)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(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(dǎo)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(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(lǐng)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(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(yīng)用，效果良好。此外，在生命起源和人類健康領(lǐng)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(xué)特別是深部腫瘤治療方面已得到廣泛應(yīng)用。我國也成為繼美、日、德之后，第四個將重離子束技術(shù)應(yīng)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(xué)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(dǎo)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(yīng)用進展和一些階段性成果進行了闡述，并對其未來的應(yīng)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(guān)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(xué)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(xué),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(xué)效應(yīng)[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(xué),2013,21(02):66—70.

[7] Li H, Ma X, et al. Enhancement of sophorolipid production ofwickerhamielladomerciqiaevar.sophorolipidCGMCC 1576 by low-energy ion beam implantation[J]. Appl Biochem Biotech, 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] YANG Yingge, FAN Yonghong,etal. Optimization of L(+)-Lactic Acid Production from Xylose with Rhizopus Oryzae Mutant RLC41-6 Breeding by Low-Energy Ion Implantation[J].Plasma Science and Technology,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(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,36(3):76—80.

[11] LU Dong,WANG Ying,LIU Qingfang,etal. Improved Ethanol Fermentation of a Yeast Mutant by C-12 Ion Beam Irradiation [J]. Nuclear Techniques,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(xué)學(xué)報,2013,41(01):53—64.

[13] 韓利濤,谷運紅.離子束介導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)甘草基因組DNA轉(zhuǎn)化酵母菌[A].藥用植物化學(xué)與中藥有效成分分析研討會論文集(上),2008:36—39.

[16] Mao P H, Lou K, Jin X. Total DNA of Chinese ephedra transferred to yeast by ion beam: China, No.200610011402[P]. 2007.

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