引子
自从地球上诞生生命以来，生物的多样性在持续不断的进化，从而达到现有的复杂性。自然界，来自宇宙、太阳甚至是地球本身的电离辐射促使生物进行变异。大多数突变无法存活，但在极少数情况下，有益突变不仅能够产生新的物种，还能使新物种在野生环境下生存并茁壮生长。正是由于遗传与变异，生物才得以繁衍和进化。
根据联合国粮农组织和国际原子能机构（FAO/IAEA）的数据库，截止2019年，有超过3200种作物新品种是由诱变育种方法获得的，其中80%左右是由物理诱变获得。亚洲国家更喜欢使用该技术对植物进行品种改良，例如中国、日本、印度等。截止2018年8月，我国利用诱变技术直接或间接育成和审定了1033个植物突变品种，位列全球第一位，创造了巨大的社会经济效益。下文将就辐射育种及高能重离子束诱变育种研究进展予以介绍。
植物的基本组成单元
生物非常奇妙！可以将无序的各种物质转变为有序的结构，这个能力是独一无二的。通过显微镜，我们可以看到一个个圆卜隆冬的小球挤在一起，长的很是可爱。这些是生命的基本单位——细胞。每种生物都是由细胞组成，每个细胞就像一个微型工厂，成千上万的化学反应在精确的控制下发生。细胞工厂有多大呢？大多数介于10-30微米之间，但是彼此间的差异很大。最小的独立生存的细胞是支原体，直径约0.1微米。卵细胞是非常大的细胞，例如鸵鸟的卵细胞可以达到25厘米长，是我们已知的最大细胞。
细胞工厂分为两种，植物工厂和动物工厂。这里重点介绍植物工厂，它最外面有一层坚硬的铠甲——细胞壁，如果没有它，工厂将坍塌为绿色的废墟。铠甲内侧是一层柔软的细胞膜，它确定了细胞的边界，产生和维持细胞内外截然不同的电环境，控制各种有机分子的进进出出。没有它，工厂的正常生产将陷入混乱，因为分不清哪些是外面的人，哪些是里面的人，一群零乱的氨基酸、蛋白质、糖类、核酸等各种有机分子成员，混合在一起，像个吵闹的集市。
图1.植物细胞结构
遗传与变异
使用电子显微镜，我们可以了解更小尺度的基因世界。众所周知，地球上的生命，与我们共存的无数生物，都是由化学“配方”（基因组）决定。每一种生物的“配方”，以化学信息的形式存在，这些信息存在于被称为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的螺旋分子中。活细胞中，遗传信息是以双链DNA的方式储存；病毒的基因组比较特殊，各式各样，可以为双链或者单链核酸，可以是DNA也可以是RNA。DNA和RNA是由核苷酸单体组成的聚合分子，分别由4种核苷酸结构单元组成。注：2020年给全球带来重大影响的新型冠状病毒（2019-nCoV）即属于单链RNA病毒。
核苷酸又是什么呢？每个核苷酸由3个化学基团组成，分别为：碱基、五碳糖和磷酸基团。碱基又包括2种嘌呤碱和3种嘧啶碱。DNA中包含腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。RNA中也包含A、G、C，但是由尿嘧啶（U）取代了胸腺嘧啶（T）。
DNA最早由瑞士生物学家Johann Friedrich Miescher于1869年发现，Miescher通过化学实验证明DNA是酸性的，富含磷，单个DNA分子很大。DNA双螺旋结构是如此神奇，上世纪前50年无人知晓它的具体结构，直至1953年，Watson和Crick发现DNA是双螺旋结构，这也是20世纪生物学上最重要的突破。
图2.细胞、染色体、DNA和基因示意图
生物通过各种生殖方式来繁衍后代。单细胞生物通过细胞分裂来繁殖自己，多细胞生物则可分为无性生殖和有性生殖两种。无论哪一种生殖方式，都保证了生命在世代间的连续，并让“儿孙”与“父母”相似，这种世代间相似的现象就是“遗传”。遗传是遗传信息世代传递的现象，同一物种只能繁衍出同种生物，所谓“种瓜得瓜，种豆得豆”。
DNA是非常长的分子，易被频繁的损坏，通常情况下，细胞工厂里有医务室，会派出“酶”医生来修复。DNA的复制和修复非常重要，因为生物个体的生存有赖于基因组的稳定。但是，并非所有的错误都能被正确修复，如果修复错了，细胞仍然能生存下来，这就是“变异”。如果变异发生在生殖细胞，经过受精，它们可以一代一代的传递变异信息。变异创造了生物新的特征。
实际上自然界中任何生物都在发生变异，当然频率很低。当环境发生剧烈变化时，原来的DNA蓝图携带的信息无法满足生物生存需要，而某些遗传变异可以促进该生物度过难关，被自然选择活了下来，这也是变异的奇妙之处。
电离辐射与非电离辐射
除可见光外，大部分辐射都看不见、摸不着，很神奇。它可以在眨眼间将信息传递出去（无线电波），可以在几分钟内将水烧开（微波），可以*死病原微生物（紫外线），可以*死肿瘤细胞（放射治疗），还可以给产生新的作物品种（突变育种）。这些过程都涉及与生物相互作用，从根本上可以归因于辐射与物质之间能量的相互传递。通常将辐射分成两类：电离辐射和非电离辐射。电离辐射，可以使物质分子发生电离，也就是将原子的电子击出，产生正负离子对的过程。非电离辐射，仅能引起分子的振动、转动或电子能级状态的改变。如果想*死细胞或者引发细胞变异，通常来说，必须使用电离辐射。
图3.不同类型的辐射
辐射与生物体如何作用
电离辐射是通过直接或者间接作用与细胞工厂里的各个成员实现相互作用。这里以辐射攻击DNA分子为例：直接作用指辐射直接将DNA分子上的原子或者分子之间的化学键打断，间接作用指辐射先与环境中的水分子相互作用，产生自由基（OH•），自由基再与DNA分子上的化学基团相互作用，进而让DNA链发生断裂，一部分改变可以被“酶医生”修复，另一部分则无法修复。
细胞内这么多成员中，为什么说DNA是最重要的目标分子呢？生物体的新陈代谢是个动态过程，糖、蛋白、脂类分子受到电离辐射作用后，性质发生改变，一部分会被生物体的免疫系统识别，另一部分可以被自身的各类酶降解掉，一段时间后，被改变的分子在生物体内会被清除干净。
然而，携带遗传信息的DNA分子，如果它遭受攻击后无法正常修复，将在序列上产生与之前不相同的变化（即突变），这样基因的表达受到干扰，蛋白质的表达相应受到影响。因此，生物体将呈现出与正常不一样的表型变化，其中一部分可以通过生殖遗传到下一代，经过多代遗传，新的品种诞生了。如果将时间放的很长很长，新物种也会诞生的。
图4.辐射与DNA分子相互作用
高能重离子束诱变育种
关于辐射诱变育种的历史，可以追溯到1927年，Muller用X射线处理果蝇精子，证明X射线可以诱发突变，显著地提高突变率。同一时期，Lewis John Stadler用X射线和γ射线处理大麦和玉米种子，得到了相似的结果，研究发表在国际知名期刊Science和PNAS上。
图5.Lewis John Stadler及其发表在Science上的X射线辐射诱变大麦研究成果
重离子指原子序数大于2的各种原子的离子。利用大型粒子加速器，可以将重离子加速成具有一定能量的重离子束。重离子束已经成功应用原子核物理、核天体物理、材料物理、碳离子治癌、重离子束育种、空间生物学等方面的研究。
图6.重离子与其他辐射比较示意图
高能重离子束诱变育种，即植物或微生物等经高能重离子束辐射处理，关键靶分子DNA受到单链、双链及DNA团簇损伤，错误修复导致生物组织在个体基因型上发生可遗传变化，最终形成植物新品种/微生物新菌种。不同于传统辐射，如X射线或者γ射线等（属稀疏电离辐射），重离子束属致密电离辐射，能够造成基因组DNA分子的局部、复杂损伤，相应的DNA损伤修复机制与传统辐射有很大的不同，因而造成的变异也有其独特性。
下面我们以比较“卡通”的方式来介绍高能重离子束诱变育种原理：
以总能量为960 MeV的高能碳离子“兵团”辐射诱变植物种子为例。挥舞着大刀（带有能量）的碳离子前仆后继的穿过细胞，来到细胞核里，与DNA分子的原子相互作用，直接将化学键砍断，或者与细胞的水分子相互作用，产生“新兵”——自由基，新旧士兵们将细胞蓝图染色体哗啦啦砍断，OMG，各种不同形式、不同部位的断裂产生了。植物细胞内部特定的“酶医生”赶紧过来修复，有些断裂好治疗，连接上即可；有些则无法治愈，众多“酶医生”在有限的时间内会诊，查阅资料或者依据经验，商议的结果是：或者来个死马当活马医吧，于是错误的修复诞生。不要小看这小小的错误，它可能酿成弥天大错，让植物无法再恢复到原初，错就错下去吧，活着就好，于是突变的细胞诞生了。通过细胞分裂增殖，大伙众志成城，出现了一群变异细胞，最终这些变异的形成了“小社会”，大家彼此扶持，其乐融融，共同发育成完整的植株，最终新的突变体诞生了。这些突变体可能比原来的品种个头高/低（株高变化）、晚婚晚育/早婚早育（成熟期变化）、能繁育更多的后代（产量）等等，被人类在实验室里、在农场里精挑细选，出类拔萃的材料被找到，成为新的品种，推向市场，为人类造福。
与低能离子辐射注入诱变（能量仅为数百keV）相比，高能重离子束（能量为数百MeV至GeV）具有诱变效果好、穿透力强、处理样品丰富（种子、根、茎、组培苗、组织等）、可在大气中处理、处理时间短等特点，得到全国越来越多用户的认可。
全球著名的重离子束辐射育种装置
在日本，有4台加速器可以产生中高能重离子束，从而用于辐射诱变育种研究，分别为：1）日本理化所（RIKEN）的仁科加速器系统；2）量子科学技术研究开发机构（QST）的国立放射线医学综合研究所（NIRS）的千叶重离子医学加速器（HIMAC）；3）量子科学技术研究开发机构（QST）高崎量子应用研究所的高崎（TIRRI）的高崎先进辐射应用离子加速器（TIARA)；4）若狭湾能量研究中心的多用途同步和串列加速器（W-MAST）。
日本成立了专门的离子束育种协会，共同推进该技术在基础及应用研究上的应用，获得了大量植物新品种。此外，韩国、印度等国都在积极建设中高能重离子加速器装置开展诱变育种。
图7.日本重离子加速器研究装置
中国科学院近代物理研究所的兰州重离子研究装置（HIRFL）是国内唯一能够提供中高能重离子束的大科学装置。重离子束育种常采用单核能为80MeV/u的碳离子辐射各种植物材料，种子、枝条、叶片、根、块茎、组织、悬浮细胞等等，获得具有优质性状的突变材料或新品种。
图8.兰州重离子研究装置（HIRFL）
高能重离子束诱变育种成果
日本量子科学技术研究开发机构（QST）和日本理化所（RIKEN）应用高能重离子束诱变育种技术获得了40余个植物突变材料或新品种，例如拟南芥、水稻、小麦、仙客来、矮牵牛、菊花、马鞭草等。以花卉为例，获得了樱花、康乃馨、菊花等新品种，创造了显著的经济效益。
图9.重离子束诱变获得的康乃馨花色及花型突变体（Vital Ion series）
图10 。重离子束诱变获得的菊花花色及花型突变体（YM为对照，其余为突变体）
依托我国唯一可提供高能重离子束的加速器HIRFL装置，中科院近代物理研究所联合多家科研单位获取了水稻、小麦、向日葵、甜高粱、白花紫露草、天竺葵、百脉根、苜蓿、当归、拟南芥等多种植物的突变群体或新品种。部分新品种已被大面积推广种植，为地方发展带来了巨大的社会经济效益。如下所示：
1）小麦：2003年成功培育出“陇辐2号”小麦新品种，推广面积超过200万亩。“陇辐2号”是我国首个应用高能重离子束诱变育种技术获得植物新品种。
图11.小麦新品种“陇辐2号”田间示范种植
2）水稻：中科院近代物理研究所与中科院东北地理与农业生态研究所紧密合作，利用重离子束辐射技术筛选出在生育期、株高、穗型、粒型、粒重等方面发生变异的突变株，创制出大量有价值的东北粳稻资源。2019年育出东北粳稻新品种“东稻122”；此外，“东稻275”、“东稻812”进入区域试验，未来几年将持续获得新品种。
图12.重离子束辐射诱变获得东北粳稻新品种“东稻122”
3）油用向日葵（油葵）：采用重离子束辐射诱变技术结合杂交育种方法，经过多年田间种植筛选，2019年育出新品种“近葵1号”，具有增产、增油的特性，并且具有良好抗病性。
图13.碳离子束辐射诱变获得油葵新品种“近葵1号”
4）甜高粱：2013年采用重离子束辐射诱变技术，经过多年田间筛选，获得了早熟、高糖的甜高粱新品种“近甜1号”，其与对照相比生育期缩短20天。
图14.碳离子束辐射诱变甜高粱新品种“近甜1号”
5）花卉：2012年育出具有观赏价值的彩叶新品种“冬花夏草”，其叶片颜色随温度变化而改变，并且可人为控制。叶片冬天呈粉色，夏天呈绿色，故名“冬花夏草”。
图15.白花紫露草新品种“冬花夏草” （A，对照；B，“冬花夏草”，叶片粉色（7℃）；C，“冬花夏草”，叶片绿色（25℃））
6）中药材：2009-2013年近代物理所与定西市旱农中心合作，培育出当归“岷归3号”、党参“渭党2号”和“渭党3号”、黄芪“陇芪1号”和“陇芪3号”等中药材新品种，具有高产、抗病、综合农艺性状优良的特点。其中“岷归3号”是我国首个利用重离子束辐射选育的中药材新品种，通过了甘肃省科技厅组织的成果鉴定。
图16.黄芪、党参、当归新品种规范化种植
展望
经过二十年的发展，高能重离子束诱变育种获得了大量农作物及观赏植物新品种，同时创造了丰富的突变体资源和育种材料。
2018年，FAO/IAEA召开了国际植物诱变与生物技术育种大会，中日学者就高能重离子束诱变育种进展向来自全球80余个国家的400余位学者进行介绍，得到极大的关注。与传统理化因素诱变相比，该方法尚属于新兴的技术。FAO/IAEA专家认为，有必要在就高能离子束诱变育种举办一个专门论坛，探讨如何推动该技术在全球的进一步发展和应用。
然而，当前全球气候环境变化、人口增长等诸多因素为农业发展带来巨大挑战。在育种过程中，由于人工选择的方向性较为集中，导致作物遗传多样性降低，遗传基础狭窄，从而难以应对突如其来的生物和非生物胁迫。
未来，中科院近代物理研究所将联合国内合作单位，应用多学科交叉优势，采用先进的高能重离子束诱变育种技术，拓展作物遗传多样性，创新种质资源，更好地服务于我国乃至全球绿色农业、生态农业的发展。
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来源：中国科学院近代物理研究所
