基本介紹
- 中文名：核技術農業套用
- 外文名：Nuclear technology agriculture
- 定義：農學與核科學結合起來的新興學科
- 目的：促進農業的現代化
- 套用於：1955年
- 作者：李國柱//陳光
- 出版時間：2005年09月01日
- 出版社：中國林業
- ISBN：7503840153
- 包裝：平裝
- 開本：16 開
- 頁數：249 頁
主要內容,輻射育種,輻射不育治蟲,輻射食品保藏,同位素示蹤法,放射性同位素示蹤,穩定性同位素示蹤,
主要內容
至今全國各省、市、自治區和少數地區的農業科研單位已廣泛開展這方面的研究，並取得了顯著成績。主要包括下列內容。
輻射育種
即利用γ、X、β射線或中子流等高能量的電離輻射處理植物的器官，使細胞內產生不同類型的電離作用,進而誘發產生可遺傳的突變,從中選擇和培育符合生產需要的新品種。輻射育種與常規育種比較，其主要特點為：①變異率高。一般可達1/30，比自然突變高100倍以上,甚至可達1000倍。②變異範圍廣。誘變產生的變異類型常超出一般，甚至會產生自然界中未曾出現的或罕見的新類型。其中有的具有利用價值，已為作物提早成熟、植株矮化、增強抗病性、提高蛋白質、糖分臘協、澱粉的含量等創造了豐富的育種原始材料和基因資源。③變異穩定快。由輻射處理產生的變異,一般經3代即可基本穩定,而有性雜交大多要經4～6代才能穩定。
輻射處理的方法分外照射和內照射兩種。外照射是指被照射的種子或植株所受的輻射來自外部某一輻射源；方法簡便、安全，可以大量處理。內照射是將輻射源引入被照射種子或植物某器官內部，常見的有放射性同位素浸種、放射性同位素注射（在莖、枝條、芽或子房部位施用放射性同位素肥料供植物吸收）以及向植物供給14CO2、使之通過光合作用同化到代謝產物中去誘發突變等。輻射處理的材料包括種子、花粉、子房、營養器官和整體植株。此外，還可照射愈傷組織，用於輻射誘變與組織培養相結合的研究領域（見誘變育種）。
輻射不育治蟲
原理是通驗悼坑過對防治對象(雄蟲)某個蟲態的輻照處理，使其生殖細胞的染色體發生斷裂、易位，造成不對稱組合，導致顯性致死；而受照射的體細胞基本上不受損傷。由於輻照後的昆蟲仍能保持正常的生命活動和尋找配偶，將經過輻照處理的不育昆蟲在蟲害地區連續大量釋放，就可使其同正常昆蟲進行交配而不產生後代。經過幾代之後，自然種群因不育而數量減少，以致有可能完全消滅這一地區的蟲種。此法不會造成環境污染，對人、畜和天敵無害，防效持久，專一性強，對消滅螟蟲、棉鈴蟲等鑽進植物體內隱蔽、藥劑和天敵很難觸及的害蟲效果尤佳。γ射線、X射線、β射線及中子束都可用於照射，而以60Co放射源的γ射線最簡便有效。但用高劑量輻照造成的不育昆蟲因無法和自然種群爭奪配偶，因而影響滅蟲效果。近年來，改用亞不育或半不育劑量處乃屑套理的害蟲，可提高受照射昆蟲競爭配偶的能力，通過遺傳將輻射導致的細胞染色體易位變化傳遞給下一代，使95%以上的下一代害蟲喪失生育力。如玉米螟雄蟲經過這樣的處理後，其子代可比親代更為不育。此法雖不能在當代根除害蟲，但可減少不育蟲的釋放量，使防治成本降低。因而在成蟲期不危害作物的條件下釋放半不育（其子代完全不育）雄蟲，一般可比釋放完全不育的雄蟲取得更好的效果。
世界上約有 1/3的國家對上百種昆蟲從事輻射不育的研究，已知有30多種害蟲進入了中間試驗或套用階段。螺旋蠅、地中海果蠅、紅鈴蟲等一些重要害蟲用不育方法防治，都取得了重大成果。
輻射食品保藏
即通過輻照抑制食用產品器官的新陳代謝和生長發育，同時殺滅害蟲和致病微生物，以改進食品品質，減少貯運損失，延長貯存期和貨架陳放期。用於這一目的的輻照源一般包括 60Co、137Cs的γ射線源、X光機發出的X射線、電子加速器發出的小於或等於10MEV的電子射線等。滲斷漏臘輻照前處理是輻照食品的重船朽船妹要環節，經常採用的手段包括:嚴格控制食品收穫、加工的條件,以降低害蟲和微生物對食品的污染基數;通過適當加熱,以鈍化生物酶的活性；通過低溫暫存和絕氧控制食品代謝的速度，以防止氧化；以及添加抗氧劑、保水劑、輻射增效劑等。 輻照劑量按輻照的不同目的可分為3類:低劑量用於抑制產品器官的代謝和殺蟲， 劑量範圍在0.1兆拉德以內；中劑量用於針對性、選擇性的殺蟲、滅菌和改進品質,劑量範圍在0.1～1兆拉德;高劑量用於徹底殺蟲、滅菌和長期保存食品，劑量範圍在1～6兆拉德。多數情況下，劑量率在10～10000千拉德/小時範圍以內時,輻照劑量率變化說影己對食品輻照效果的影響不顯著。長期的生物試驗結愉端舉果證明，輻照食品是衛生和安全的，不會使食品產生感生放射性；射線殺蟲、滅菌還能減輕甚至消除病原體及其產生的毒素，而不會產生病原體及其毒素。人食用輻射食品後無不良反應。 放射免疫分析 是一項微量分析技術。1959年由美國科學家耶洛與貝松提出。在畜牧、獸醫上現已成為家畜生理和獸醫臨床研究的重要手段，常用以進行激素檢測和細菌、病毒、抗體、維生素、藥物、酶等微量物質的定量測定；在植物病理研究等方面也有套用。其基本原理是用放射性同位素標記的抗原與限量特異抗體發生反應，形成標記抗原-抗體複合物。 這是一種可逆反應。在抗體濃度較低時，此複合物是可溶的。如向此反應系統中加入性質相同的非標記抗原，則將以同樣方式與抗體發生反應，即在數量上與標記抗原發生競爭。反應系統中非標記抗原的量愈多，同標記抗原相結合的抗體就愈少。放射免疫分析就是利用這種競爭性反應。實驗中將一系列不同濃度的非標記抗原加至含有一定量特異抗體和標記抗原的混合液中，反應後，用快速分離技術使結合的標記抗原和未結合的標記抗原分離，進行放射性測定，即可繪製出劑量 -反應標準曲線。按同樣程式對待測樣本進行測量，將所得結果與標準曲線對照，便可求得樣本中抗原的含量。此法的優點是特異性強，靈敏度、準確度和精確度高，樣本用量少，操作程式便於標準化，放射性物質不引入體內因而比較安全。 同位素示蹤法 是利用放射性或穩定性同位素標記的元素或化合物參加到化學或生物研究過程中跟蹤某個過程的方法。其特點是：①靈敏度高。一般最精確的化學分析很少能測到10-12克,同位素示蹤則可檢測出10-14～10-18克的微量物質，這對於動、植物體內痕量元素和激素代謝等的研究十分重要。②操作手續簡便。只測定試驗樣品中的放射性強度，不受其他非放射性元素的干擾，因而可以減少繁雜的提取、純化、分離等化學分析的操作程式。③可區分試驗體系中原有的分子和新加入的分子。如用放射性同位素32P示蹤方法研究作物對磷的吸收，可以區分出植株中來自土壤和來自肥料的磷。④可以在正常生理條件下進行試驗。如用常規方法研究家畜營養代謝往往要引入比正常生理劑量大得多的藥理劑量，而使用同位素示蹤劑只要微量就可達到目的，因而可避免對正常生理的干擾和破壞。⑤可以準確定位。用放射性自顯影術可以確定放射性示蹤劑在組織或器官中的位置和分布；而用顯微自顯影或電鏡自顯影，則可進行細胞甚至亞細胞水平的定位觀察。
同位素示蹤法
同位素示蹤法在農業中的套用可分為下列兩類。
放射性同位素示蹤
又分為3種類型:①利用同一元素的同位素化學性質相同的示蹤試驗。這類試驗所採用的放射性示蹤劑和研究對象二者的化學性質以及試驗過程中所經歷的化學和生物學反應都相同，如用放射性32P標記的過磷酸鈣去追蹤作物對磷肥吸收的研究就屬此類。②利用放射性示蹤劑和被研究對象完全物理混合的試驗。二者的重量比在整個試驗過程中保持不變。如在農藥溶液中加入一定量可溶解於農藥的短半衰期的放射性同位素，可用以測定飛機噴灑農藥的分布範圍。③利用放射性作標記的示蹤試驗。這類試驗要求示蹤劑在試驗過程中牢固地和被追蹤物結合在一起。如將放射性131I或60Co附加（通過餵食、噴灑、沾著等方法）在昆蟲身上後釋放，再在不同的時間和地點捕捉昆蟲並檢測其放射性，便可得知其遷飛的速度和分布範圍。
穩定性同位素示蹤
穩定性同位素是天然存在的不能探測到放射性的同位素。用以作為農業科學研究的示蹤劑，具有下列優點：①沒有放射性，適用於生物有機體的研究；②標記物的合成和處理較簡單，同位素不會衰變，實驗不受時間限制；③農業科學研究中最常用的穩定性同位素如13C、15N、18O等都無毒性,且是有機體的組成元素,氮和氧沒有較長半衰期的放射性同位素,因而15N、18O是農學研究中唯一適用的示蹤元素；④用質譜技術測定“同位素比值”，要比放射性示蹤測定方便。基於這些優點，穩定性同位素示蹤法已日益成為農學研究不可缺少的手段。如土壤科學中用以研究氮素轉化、肥料氮在土壤中的移動和固定、氮的循環以及氮的利用和損失；生理研究中用以揭示植物蛋白質的形成過程、生物固氮和動物的氮代謝；生物工程中通過13C、15N等同位素標記核酸、核苷酸或核苷進行追蹤,用以揭示DNA的重組和複製過程等。此外,還可利用13C、15N標記農藥,研究其在作物和土壤中的殘留和降解產物，利用18O研究土壤水分以及利用10B研究植物對微量元素硼的需要等。
放射自顯影術是定位地記錄放射性物質在動、植物體內分布的方法。攝取了放射性物質的動、植物標本的表面，在與感光乳膠相接觸後，感受了放射性的乳膠經顯影加工，就能反映放射性在體內分布的影象。由於乳膠中的鹵化銀顆粒極其細小，且每一顆粒都獨立地與放射性物質相作用，故影象能在細胞水平上（光學顯微自顯影）和亞細胞水平上(電子顯微自顯影)上反映，十分精確。此法常用於研究植物營養元素在土壤中的擴散和移動以及在土壤-根系界面上的積聚擴散方式,營養元素被植物吸收運轉和代謝的過程，間、混種作物根系分布的圖式、吸收作用的特點和排斥機制等。此外，由於放射自顯影的直觀顯著特點，還特別適於研究作物對農藥的吸收以及農藥在植物體內的運轉、分布和殘留，研究病菌、害蟲和作物的關係以及植物的抗性機制。在遺傳工程中還可用此法直觀地測定攝取異屬 DNA片段並重組到細胞染色體的條件。在畜牧、獸醫上,可用45Ca的放射自顯影查明骨骼的生長過程，用131I和125I放射自顯影研究甲狀腺的碘代謝規律。
世界上約有 1/3的國家對上百種昆蟲從事輻射不育的研究，已知有30多種害蟲進入了中間試驗或套用階段。螺旋蠅、地中海果蠅、紅鈴蟲等一些重要害蟲用不育方法防治，都取得了重大成果。
輻射食品保藏
即通過輻照抑制食用產品器官的新陳代謝和生長發育，同時殺滅害蟲和致病微生物，以改進食品品質，減少貯運損失，延長貯存期和貨架陳放期。用於這一目的的輻照源一般包括 60Co、137Cs的γ射線源、X光機發出的X射線、電子加速器發出的小於或等於10MEV的電子射線等。輻照前處理是輻照食品的重要環節，經常採用的手段包括:嚴格控制食品收穫、加工的條件,以降低害蟲和微生物對食品的污染基數;通過適當加熱,以鈍化生物酶的活性；通過低溫暫存和絕氧控制食品代謝的速度，以防止氧化；以及添加抗氧劑、保水劑、輻射增效劑等。 輻照劑量按輻照的不同目的可分為3類:低劑量用於抑制產品器官的代謝和殺蟲， 劑量範圍在0.1兆拉德以內；中劑量用於針對性、選擇性的殺蟲、滅菌和改進品質,劑量範圍在0.1～1兆拉德;高劑量用於徹底殺蟲、滅菌和長期保存食品，劑量範圍在1～6兆拉德。多數情況下，劑量率在10～10000千拉德/小時範圍以內時,輻照劑量率變化對食品輻照效果的影響不顯著。長期的生物試驗結果證明，輻照食品是衛生和安全的，不會使食品產生感生放射性；射線殺蟲、滅菌還能減輕甚至消除病原體及其產生的毒素，而不會產生病原體及其毒素。人食用輻射食品後無不良反應。 放射免疫分析 是一項微量分析技術。1959年由美國科學家耶洛與貝松提出。在畜牧、獸醫上現已成為家畜生理和獸醫臨床研究的重要手段，常用以進行激素檢測和細菌、病毒、抗體、維生素、藥物、酶等微量物質的定量測定；在植物病理研究等方面也有套用。其基本原理是用放射性同位素標記的抗原與限量特異抗體發生反應，形成標記抗原-抗體複合物。 這是一種可逆反應。在抗體濃度較低時，此複合物是可溶的。如向此反應系統中加入性質相同的非標記抗原，則將以同樣方式與抗體發生反應，即在數量上與標記抗原發生競爭。反應系統中非標記抗原的量愈多，同標記抗原相結合的抗體就愈少。放射免疫分析就是利用這種競爭性反應。實驗中將一系列不同濃度的非標記抗原加至含有一定量特異抗體和標記抗原的混合液中，反應後，用快速分離技術使結合的標記抗原和未結合的標記抗原分離，進行放射性測定，即可繪製出劑量 -反應標準曲線。按同樣程式對待測樣本進行測量，將所得結果與標準曲線對照，便可求得樣本中抗原的含量。此法的優點是特異性強，靈敏度、準確度和精確度高，樣本用量少，操作程式便於標準化，放射性物質不引入體內因而比較安全。 同位素示蹤法 是利用放射性或穩定性同位素標記的元素或化合物參加到化學或生物研究過程中跟蹤某個過程的方法。其特點是：①靈敏度高。一般最精確的化學分析很少能測到10-12克,同位素示蹤則可檢測出10-14～10-18克的微量物質，這對於動、植物體內痕量元素和激素代謝等的研究十分重要。②操作手續簡便。只測定試驗樣品中的放射性強度，不受其他非放射性元素的干擾，因而可以減少繁雜的提取、純化、分離等化學分析的操作程式。③可區分試驗體系中原有的分子和新加入的分子。如用放射性同位素32P示蹤方法研究作物對磷的吸收，可以區分出植株中來自土壤和來自肥料的磷。④可以在正常生理條件下進行試驗。如用常規方法研究家畜營養代謝往往要引入比正常生理劑量大得多的藥理劑量，而使用同位素示蹤劑只要微量就可達到目的，因而可避免對正常生理的干擾和破壞。⑤可以準確定位。用放射性自顯影術可以確定放射性示蹤劑在組織或器官中的位置和分布；而用顯微自顯影或電鏡自顯影，則可進行細胞甚至亞細胞水平的定位觀察。
同位素示蹤法
同位素示蹤法在農業中的套用可分為下列兩類。
放射性同位素示蹤
又分為3種類型:①利用同一元素的同位素化學性質相同的示蹤試驗。這類試驗所採用的放射性示蹤劑和研究對象二者的化學性質以及試驗過程中所經歷的化學和生物學反應都相同，如用放射性32P標記的過磷酸鈣去追蹤作物對磷肥吸收的研究就屬此類。②利用放射性示蹤劑和被研究對象完全物理混合的試驗。二者的重量比在整個試驗過程中保持不變。如在農藥溶液中加入一定量可溶解於農藥的短半衰期的放射性同位素，可用以測定飛機噴灑農藥的分布範圍。③利用放射性作標記的示蹤試驗。這類試驗要求示蹤劑在試驗過程中牢固地和被追蹤物結合在一起。如將放射性131I或60Co附加（通過餵食、噴灑、沾著等方法）在昆蟲身上後釋放，再在不同的時間和地點捕捉昆蟲並檢測其放射性，便可得知其遷飛的速度和分布範圍。
穩定性同位素示蹤
穩定性同位素是天然存在的不能探測到放射性的同位素。用以作為農業科學研究的示蹤劑，具有下列優點：①沒有放射性，適用於生物有機體的研究；②標記物的合成和處理較簡單，同位素不會衰變，實驗不受時間限制；③農業科學研究中最常用的穩定性同位素如13C、15N、18O等都無毒性,且是有機體的組成元素,氮和氧沒有較長半衰期的放射性同位素,因而15N、18O是農學研究中唯一適用的示蹤元素；④用質譜技術測定“同位素比值”，要比放射性示蹤測定方便。基於這些優點，穩定性同位素示蹤法已日益成為農學研究不可缺少的手段。如土壤科學中用以研究氮素轉化、肥料氮在土壤中的移動和固定、氮的循環以及氮的利用和損失；生理研究中用以揭示植物蛋白質的形成過程、生物固氮和動物的氮代謝；生物工程中通過13C、15N等同位素標記核酸、核苷酸或核苷進行追蹤,用以揭示DNA的重組和複製過程等。此外,還可利用13C、15N標記農藥,研究其在作物和土壤中的殘留和降解產物，利用18O研究土壤水分以及利用10B研究植物對微量元素硼的需要等。
放射自顯影術是定位地記錄放射性物質在動、植物體內分布的方法。攝取了放射性物質的動、植物標本的表面，在與感光乳膠相接觸後，感受了放射性的乳膠經顯影加工，就能反映放射性在體內分布的影象。由於乳膠中的鹵化銀顆粒極其細小，且每一顆粒都獨立地與放射性物質相作用，故影象能在細胞水平上（光學顯微自顯影）和亞細胞水平上(電子顯微自顯影)上反映，十分精確。此法常用於研究植物營養元素在土壤中的擴散和移動以及在土壤-根系界面上的積聚擴散方式,營養元素被植物吸收運轉和代謝的過程，間、混種作物根系分布的圖式、吸收作用的特點和排斥機制等。此外，由於放射自顯影的直觀顯著特點，還特別適於研究作物對農藥的吸收以及農藥在植物體內的運轉、分布和殘留，研究病菌、害蟲和作物的關係以及植物的抗性機制。在遺傳工程中還可用此法直觀地測定攝取異屬 DNA片段並重組到細胞染色體的條件。在畜牧、獸醫上,可用45Ca的放射自顯影查明骨骼的生長過程，用131I和125I放射自顯影研究甲狀腺的碘代謝規律。
