重离子束在微生物诱变育种及生物能源开发中的应用

张燕玉

张燕玉ZHANGYan-yu曰郭海燕GUOHai-yan曰崔莉CUILi（宁夏启元药业有限公司，银川750101）（NingxiaQiyuanPharmaceuticalCo.，Ltd.，Yinchuan750101，China）

摘要院本文对重离子束在微生物诱变育种和生物能源开发利用中的应用原理、优势、成果等方面进行了研究分析。

Abstract:Thisarticlestudiestheprinciple,advantagesandachievementsoftheapplicationofheavyionbeaminmicrobialmutationbreedingandbioenergydevelopment.

关键词院重离子束；微生物；诱变育种；生物能源

Keywords:heavyionbeam；microbes；mutationbreeding；biologicalenergy

中图分类号院Q939.9文献标识码院A文章编号院1006-4311（2014）02-0296-020

引言为了让重离子束在微生物诱变育种和生物能源开发中得到更加广泛和有效的利用，近年来众多的科学家在这方面作出了努力，对其在物理学以及生物学的应用当中所表现出的特点进行了广泛的研究分析。重离子束按照其能量的高低以及最终对生物体系所引起的作用，大致有三种基本过程，即表现为三重效应。作为一种新的辐射源，重离子束的地位是十分独特的。重离子束有众多的优势，大大优于常规的辐射能源。其优势的具体表现是LET大、RBE高、氧效应小等许多方面。重离子束还能够用在诱变育种之上，重离子束特别是低能碳、氮离子束对植物种子和微生物方面具有很大的影响，它会使得微生物和植物种子的致突变作用变强。将重离子束运用到微生物诱变育种和生物能源的开发中来具有很大的经济效益以及社会效益。

1重离子束的理论基础如果重离子的能量高于0.1MeV/u的时候，在此时它通过介质之时就会使得介质的核外电子发生碰撞阻止，并且会在单位路程上发生能量损失。而影响这个能量损失率的因素主要有三个，分别是离子能量、介质材料性质、离子有效电荷数。重离子之所以在诱变育种中具有很大的优势，主要是由其特性决定的。首先重离子的传能线密度比X、酌射线要大很多，所以它比两种射线对生物介质作用到的部位损伤程度更加严重，或者导致细胞致死，或者是突变率高，而且已经造成的这个程度的损伤是不容易修复的。这些特性都决定了重离子的使用不仅突变率高，而且突变体的稳定性非常好，育种周期也要短得多。所以为了达到最终的诱变育种目的，可以选择使用份量小一些的重离子。当能量在0.1MeV/u之下的时候，重离子在通过介子的时候，就会相应的造成介子内众多的原子位移，因为已经发生了位移，所以原本的分子组分与结构就已经发生了变化，而物质缺陷也因此形成。这样的反应对于中、高能离子也不例外，因为就算最后被阻止了，但在这之前中、高能离子也必然会经历以上那种能量低于0.1MeV/u的情况，所以最后它们依然会具备低能甚至超低能的特性。除了以上的能量转移之外，电荷交换以及质量沉积也是会发生的。而在进行生物分子改造的时候，就可以充分利用这一特性。因为重离子的LET是根据它的行程而发生变化的，则当多电荷离子射入介质之后，可以依据以下的Bethe-Bloch公式进行描述：

在开始的一段路程之上能量损失值基本是保持不变的，而造成这样的结果主要有两个因素：第一，因为重离子的能量是在一直损失当中，所以速度会渐渐减慢。第二，在其路程中因为会获得电子，所以电荷数也会慢慢变小。随着离子在不断的前进中，速度逐渐变小，有效的电荷数却不会继续有变化，当离子的能量最终耗尽的时候，这个射程就会突然停止。在停止之前会产生一个Bragg峰（能量损失峰）。而这个Bragg峰形成会导致LET在前进的路程当中有极长一段会表现出相对较小的特征，最后又突然加大。因为能量沉积空间分辨高的这个特性，导致生物系统中只有局部地区会受到严重的影响，而其他地区相对影响就小很多。根据以上的种种特性可以看出，重离子束在生物体系当中的运用，可以得到更多的突变体，最终让突变率得到提高。而且因为局部受损的位置是可以选择和调控的，所以在利用重离子的时候就可以采用宏观定点定位的方式进行诱变，最终达到定向育种的目的。

重离子束在辐照生物体系之时，会导致受体的DNA损伤和细胞膜透性以及跨膜电场的改变。而这两个结果又可能会提高外源基因导入率以及克服转基因沉默并且将表达时间延长，不仅如此还能够转导大片段的DNA甚至全部的DNA。其好处就是有效的简化了原有的步骤，缩短了周期和压缩成本。

2重离子束在微生物诱变育种上的应用2.1离子注入2.1.1抗生素药物在使用离子注入的过程中，通过离子注入的方法将原有的抗生素抗力提高了27.39%，其具体的过程是先选用了30keV，然后在剂量之上通过考量决定采用1.0伊1015-5.0伊1016ions/cm2的N+离子注入庆大霉素，在成熟的孢子产生之后又从中选择高产的抗生素突变菌株，最后进行摇瓶发酵发现原有的抗力显著提高。在红霉素产生菌上通过离子注入之后产量也显著提高，在原有的基础之上提高了20%。首先选择利用的是40-60keV，通过研究考虑之后剂量选择采用1伊1011-5伊1014ions/cm2的N+离子注入红霉素产生菌，然后再选择其中高产的突变菌株，通过摇瓶发酵之后发现产量大大提高。

2.1.2酶制剂通过离子注入米曲霉WJ0521使得产酶水平在原有基础之上大大提高，甚至高达77.5%。具体的过程是先经过了N+离子注入米曲霉WJ0521，然后从中选出两株高产菌株M60-5-13和M80-10-7，择选的标准是因为这两株氨肽酶的活力比之前提高了30%。接下来又进行了多次的传代实验，证实了这两菌株遗传的稳定性优良，最后通过将M80-10-7的发酵条件进行了初步优化，最终使得产酶水平大大提高。

2.2微波微波作为一种高频电磁波，能够通过对水、核酸、脂肪等的极性分子快速的震动，再由震动引起摩擦，然后可以对氢键以及范德华力、疏水键产生作用。通过这个原理可以利用微波让单孢子悬液内的DNA分子之间产生剧烈的摩擦，孢子内部的DNA分子，也就是氢键和碱基堆积化学力受损，从而使得DNA的结构发生了变化，最终产生遗传变异。利用微波辐照诱变阿维拉霉素，研究所得最后的产量结果比之前提高119.4%。利用微波进行了诱变之后，阿维拉霉素就产生了菌SV并从中得到一株阿维拉霉素突变菌株SV-15，其产量达到了21.5mg/L。

3重离子束在生物能源开发中的应用目前通过对生物能源的开发所得到的新型二次能源主要形式有两种，即生物柴油和燃料乙醇。首先在生物柴油这方面，主要就是以重离子辐照微生物诱变育种的技术作为依托，并且通过HIRFL的利用而产生的重离子束在产能微生物菌种方面的改良工作，通过这种方式对那些油脂含量高以及原料的利用广泛的产油菌株进行选择，最后用在微生物油脂生产之上并通过转酯化的方式来进行生产生物柴油工作的探索。其次是燃料乙醇产业，通过重离子束在微生物诱变育种之上的利用，最后培育出一种酒精发酵的新的菌种，而这种新的菌种有两个特性就是耐高温和耐酒精。与此同时通过对甜高粱做了品种方面的改良，从中选择最优良的四个品种，在含糖量方面在以前的基础之上大大提高，超过了24%。并且将培育出来的新的菌种利用到甜高粱的榨汁中，从很大程度上减少了发酵时间。

这个技术不仅达到了提高设备的利用率，从而减少了能源浪费，而且极大的减少了成本投入。

4结语通过重离子束在微生物诱变育种以及生物能源开发中的运用，可见重离子束具有许多独特的优越性，决定了以后在这方面的研究还应该加大力度，扩大其优越性，推动微生物诱变育种和生物能源的发展。

参考文献院[1]张建华,王乃彦,张丰收,王广甫.离子注入诱变微生物应用与研究进展[J].北京师范大学学报(自然科学版),2011,03:262-267.[2]张楠,张昺林,王婉如,徐俊泉,张东明,薛林贵.重离子诱变选育聚茁-羟基丁酸酯高产菌株研究[J].中国农业科技导报,2012,02:95-100.[3]赵晓彬.截短侧耳素高产菌株重离子诱变及高通量筛选[D].兰州理工大学,2012.[4]石坡.离子注入D-核糖产生菌的诱变效应及作用机理研究[D].河北师范大学,2013.[5]解继红,包金刚,徐柱,杨凯,尹军.离子束对生物体的作用原理及应用[J].基因组学与应用生物学,2010,04:761-767.作者简介院张燕玉（1975-），女，宁夏吴忠人，研究方向为菌种选育。