重离子诱变微生物育种的研究进展

汶 瑛,于 雪, 吴玉洁, 张 威, 陈 拓, 刘光琇*

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院 沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院西北生态环境资源研究院 甘肃省极端环境微生物资源与工程重点实验室，甘肃 兰州 730000)

重离子束即原子序数大于2且原子核外围电子剥离或部分剥离形成具有能量的带电离子束，一般都指正离子[1]。20世纪以来，重离子诱变因具有突变率高、突变谱广[2]、无毒无害等优点，已经广泛应用于生物育种、疾病诊断和治疗[3-4]。重离子束和X射线、γ射线等辐射诱变手段均属于物理诱变。与传统诱变方式不同，重离子具有较高的传能线密度(Linear energy transfer, LET)，离子穿透径迹上有较大的能量沉积[5]，从而具有更高的相对生物学效应(relative biological effectiveness, RBE)。重离子辐照对细胞的直接刻蚀作用会造成碱基替换[6]、DNA链断裂[7-9]，引发染色体畸变，如染色体缺失或重排[10]，包括双着丝粒、无着丝粒、易位和缺失突变[11-12]，阻碍DNA复制，从而改变生物细胞的遗传特性。近年来，科研人员发现LET值可能是影响重离子诱变效果的关键因素[11,13-16]。随着LET值的增加，DNA单链断裂(single-strand breaks, SSBs)[17]、双链断裂(Double-strand breaks, DSBs)会增多，DNA损伤的复杂性增加[18]。低线性能量转移辐射造成的DSBs可以被快速修复，但由高LET辐射诱导细胞出现的DNA团簇损伤(Clustered DNA damage)[19]比单个DNA损伤修复更困难或无法修复。因此，高LET的重离子束诱导细胞产生修复困难的DNA损伤使其在生物育种上具有明显的优势。研究表明，相比于X射线、γ射线和电子、重离子在植物中诱发突变的效率高10倍以上[20]。……