核農學

核農學（nuclear agronomy）是由核科學技術與農學相結合而形成的新型交叉學科。它為揭示或闡明農業生產活動的機理提供了科學基礎，是 農業現代化的重要標誌之一。大體上包括輻照育種、農用同位素示蹤和核分析技術、食物輻照儲藏和保鮮、病蟲害防治等幾個方面。

基本介紹

• 中文名：核農學
• 外文名：nuclear agronomy
• 創始人：徐冠仁博士
• 研究領域：輻射遺傳和育種學
• 特徵：核技術與農學結合的交叉學科 

學科簡介

核農學是研究核素、核射線等有關核技術在農業科學研究和農業生產中的套用及其基礎理論的一門學科，是介於核科學與農業科學之間的一門新型交叉學科。主要研究領域是輻射遺傳和育種學、放射生物學、輻照保藏技術、示蹤原子套用等，其套用領域不斷擴大，並已取得顯著成績。我國核農學的創始人是徐冠仁博士。

在輻射育種方面，中國在這一領域居世界領先地位。套用輻射方法已培育出500多個植物良種，建立了完整的輻射育種程式。發展趨勢是擴大套用領域，加強定向誘發突變，提高誘變率和輻射育種基礎理論研究。

輻照保藏技術具有節約能源，衛生安全，保持食品原來的色、香、味和改善品質等特點，套用越來越廣泛，技術也日趨成熟。

同位素示蹤技術在農業上的套用，解決了農業生產中的土壤、肥料、植物保護、動植物營養代謝及放射免疫等技術關鍵問題。對揭示農牧漁業生產規律，改進傳統栽培養殖技術，具有重要作用。

昆蟲輻射不育技術是現代生物防治蟲害的一項新技術，是目前可以滅絕某一蟲種的有效手段，將加強其套用基礎及技術研究。

生物的輻射刺激增產已在蠶豆和漁業生產中獲得成效。放射生物學和輻射遺傳學也在農業科研及生產中起積極的作用。

核農學包括輻照育種、農用同位素示蹤和核分析技術、食物輻照儲藏和保鮮、病蟲害防治等幾個方面。

輻照育種

利用核輻射提高農作物育種質量和產量的方法。自1927年開始研究輻照育種以來，獲得了不少優良品種。種子繁殖作物系指用輻射誘發植物種子基因突變培育的植物，如水稻、小麥等；無性繁殖作物系指將植物細胞、胚芽和組織進行試管離體培養，並結合輻照處理培育而成的植物，如觀賞花卉、香蕉等。中國在種子繁殖作物的輻照育種方面居國際領先地位，但在無性繁殖方面離國際先進水平還有很大差距。

輻照育種相對於傳統育種的優點是突變率比自然變異率高100—1,000倍，方法簡便，且育種周期短。由於利用中子、離子束、γ射線等輻射源，可引起生物體遺傳器官的某些變異，如染色體或核酸分子的某種斷裂，有可能使原品系遺傳中的某些不良基因丟失，並保持原初的優良基因，從而達到高產、早熟、增強抗病能力、改善營養品質的目的。也可能通過改變作物的孕性，使自交不孕植株變為自交可孕的變異植株。中國在糧食等種子繁殖作物的輻照育種方面已取得重大進展，培育出的大面積推廣的作物良種約占全世界的1/3，每年由輻照育種技術增產的糧食約達4×10¹⁰千克以上。用輻照技術已培育的良種有水稻“原豐早”、小麥“山農輻63”、玉米“魯原單4號”、大豆“鐵豐18號”、高粱“晉雜1號”、花生“粵油1號”、棉花“魯棉1號”等。

輻照育種領域的重點研究方向有：

①新型輻射源的套用。傳統的γ源正讓位於快中子、離子束（包括重離子束）、電漿等。國際原子能機構與世界糧農組織合作，制訂了“利用中子輻照育種”的國際合作計畫。中國亦利用中子培育出了一批推廣前景誘人的新品種。如水稻的廣和親系“02,428號”、“中包2－6號”、“中窄4號”、“紅早”、“中科1號”等；小麥品系的“N77－15－1－1號”、“81－3號”、“中紅1號”等。中國等少數國家的科研人員還開展了離子束輻照育種的研究，這種方法表現出生理損傷小、突變率高、突變譜廣、突變體穩定等特點，具有誘人的套用前景。

②聯合使用多種輻射。由經典的單一輻射方法育種，正在往多種輻射聯合使用過渡。近期用中子和離子束聯合輻照培育的品種越來越多，由於中子和離子束在生物體內有很強的電離效應，可使輻照誘發的核過程多樣化。國際上還興起了用輻射與化學誘變劑相結合的育種方法。

③定向輻照育種。隨著遺傳工程、分子生物學等學科的迅速發展，輻照育種正從隨機型走向定向型。如利用不同的輻照技術，有的提高糧食的含氮量（胺基酸含量），有的增進農作物的抗環境變化能力或抗病蟲害能力，有的縮短觀賞花卉的培育期或提高觀賞價值等。

④輻射生物學的基礎研究。有目的地選擇電離輻射，掌握合適的輻照物理參數及生物環境條件，定向切割基因及拼接基因，研究輻射對染色體、DNA、基因和酶等的作用機理。

⑤微離子束技術的研究與套用。

同位素示蹤和核分析

在新型農用生長素、作物的營養與代謝、栽培技術及養殖技術的改進、農業生態學、土壤改良、生物固氮、防治病蟲害等方面已發揮了積極作用。

①微肥和微施。已知農作物從耕作土壤中攝取植物生長、開花、結子所必須的微量元素，由此導致土壤中生物所需微量元素的匱乏。另一方面，由於大量施用化肥，元素的拮抗效應也導致微量元素有效含量虧損，其後果是農作物產量下降或其品質惡化。迄今已發現有Zn、Cu、Fe、Mn、Co、Se、Cr、Mo、V、Ti等微量元素在植物代謝過程中具有重要的生理作用，能增加植物體內葉綠素的含量，提高光合作用效率和促進光合產物的運轉，有利於增加作物的結實率和乾物重。在這類研究中，已廣泛套用中子活化分析技術、質子激發X螢光分析技術、同位素示蹤技術等，提供了大量關於農作物生長環境的微量元素背景值、微量元素在作物中的分布、吸收、蓄積、遷移等新陳代謝規律，以及分子生物學水平上微量元素的生物效應等科學信息。

②光合作用與生物固氮機理的研究。利用¹⁴C和¹⁵N同位素示蹤技術揭示農業科學中這兩種最重要的基本作用的機理。光合作用是生物體內實現物質及能量轉化的機制，而生物固氮作用則是利用微生物固氮酶將空氣中的氮直接且高效地轉化為植物可利用氮的過程。用同位素示蹤技術研究光合作用始於20世紀50年代，並藉此項核技術提出了著名的卡爾文循環，以解釋光合作用的機理。現已發展到用¹⁴C標記的¹⁴CO₂研究作物各部位的光合強度、環境因素（光譜特徵及光入射方向、溫度、水分、二氧化碳濃度）對光合作用的影響，以及測定綠色器官的光合強度及其對農作物產量的貢獻。此外，還利用同位素示蹤研究田間作物光能吸收率和作物生理狀態，從而在植物整體和群體水平上揭示作物利用光能的規律，實現農作物的高產優質。在生物固氮方面，可利用¹⁵N同位素示蹤技術鑑定固氮菌種、測量固氮量、研究固氮規律及其機理。

③植物營養代謝及肥效研究。利用同位素示蹤和核分析技術，可揭示營養成分的吸收、運輸、分布、再利用等植物生命活動的基本代謝作用，從而改進栽培技術，提高肥料利用率。利用¹⁴C同位素示蹤技術已發現植物根系能從土壤中吸收二氧化碳，這一發現不僅具有重大的理論價值，而且對有機肥料的施用具有指導意義。利用同位素示蹤技術已發現尿素在水田一次全層基施，可提高氮肥利用率10%—20%，而在水稻田施用磷礦粉，肥效很低，利用率只有0.1%—0.2%。同位素示蹤試驗還證實，有的植物的葉面和根部一樣，也能吸收營養成分，這為改進施肥方式提供了科學依據。

④農業生物工程。可用同位素示蹤技術標記生物體的各種分子組分，如蛋白質、胺基酸、醣類、酯類、核苷、激素、DNA和RNA等，甚至可標記染色體、細胞、抗體、病毒、噬菌體和微生物等，所以在農業生物工程中有廣泛用途。可用於基體的表達、分離、剪下、重組和轉運等，培育出具有優良基因的突變體，改造植物品系，發展優良性狀，消除劣質因素。藉助於同位素示蹤技術的基因工程，還用於畜牧業、養殖業、林業等領域。

輻照儲藏和保鮮

系用核輻射殺死食物中的病菌和害蟲以達到保鮮儲藏的方法。與常用的傳統方法（高溫蒸煮、冷凍、乾燥、醃製和熏制、真空保存等）相比，具有以下特點：

①節約能源。據國際原子能機構統計，每噸冷藏食品能耗為3×10⁸焦耳，巴斯德氏消毒加熱法為8×10⁸焦耳，而輻照法僅為270焦耳。

②穿透力強。核輻射具有較強的穿透力，以⁶⁰Co的γ射線為例，其在水中的半減弱層為11厘米，因而可深入到食品內部，殺死隱藏很深的病菌和害蟲，從而可達到長期保存的目的。

③安全衛生。食物輻照不需化學添加劑，不存在化學法帶來的殘留毒性，也不會產生感生放射性，不污染環境。國際原子能機構和世界衛生組織指出，食品輻照不是一種添加劑，而是一種物理學加工方法。任何食品當其總體平均吸收劑量不超過10千戈瑞時沒有毒理學危險，不要求做毒理學試驗，同時在營養學和微生物學上也是安全的。這一結論已為世界食品法規委員會認可。

④具有保鮮能力。常規方法保存後的食品，已喪失其原有的色香味，而輻照方法屬於冷加工，在食品輻照過程中一般溫升很小。根據吸收劑量及食品的熱容量可以推算出，對大多數蔬菜、水果保鮮所需劑量為0.1—1千戈瑞時，溫升不超過1℃。

病蟲害防治

昆蟲輻射不育是一種利用核輻射防治病蟲害的有效技術。其原理是，在核輻射作用下，昆蟲會喪失繁衍能力。與傳統技術相比，輻射不育技術有下列特點：

①無農藥污染，有利於環境保護；

②殺蟲選擇性強，不會在殺滅害蟲的同時，殃及其他有益生物或害蟲的天敵；

③不會像農藥易使害蟲產生抗藥性；

④防治效果持久。國際原子能機構和全世界幾十個國家已對上百種害蟲進行了輻射不育研究，主要害蟲為螺旋蠅、采蠅、果蠅、棉紅鈴蟲、蘋果蠹蛾、黃螟、玉米螟與小菜蛾等，取得了顯著的經濟效益與社會效益。昆蟲輻射不育技術還有可能套用到對人類有害的昆蟲（如家蚊）的防治計畫，為消滅這類害蟲傳染的瘧疾、腦炎等作出貢獻。