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转基因技术必威体育精装版进展 离子束介导转基因技术的研究及应用进展 离子束介导转基因技术的研究与进展 苏波 都娟陈云司艳红1 1 1 １ 宋铮2 王伯楠 田保明1 1 * (1. 郑州大学生物工程系，郑州 450001；2.河南省标准研究院，河南郑州 450002)) 摘要：初步论述了离子束介导转基因技术的基本原理、方法及其技术特点，在目的基因、基因组DNA转基因等方面的应用，对其研究现状、存在的问题等方面进行了评述，并对离子束介导转基因技术的应用前景进行了展望。 关键词：离子束；转基因技术；介导；遗传转化 1986 年，中国科学院等离子体物理研究所余增亮等人发现了离子注入对生物的诱变效应，证实了质量(粒子)沉积生物效应的存在[1]，开辟了低能离子与生物体相互作用的新的研究方向，建立了质量、能量、电荷三因子作用机制体系 ，填补了重离子生物学研究的一段空白。作为一门新兴的边缘交叉学科，其涉及的领域包括物理、化学、生物等。余增亮等[2] 在研究低能离子束与细胞表面相互作用的过程中， 发现离子束对细胞壁的刻蚀作用， 在1989年提出离子束介导转基因的设想。在此基础上，在世界上率先开始离子柬介导外源基因转移的研究[3]。经过 20 余年的努力，在诱变育种、植物转基因、生命起源和进化以及环境辐射与人类健康等方面取得了一些重要的阶段性研究成果，开辟了具有重要理论意义和应用价值的研究方向。 1. 离子束介导转基因的技术原理和特点 遗传转化是基因工程的一个重要研究方向，已经应用于植物转基因的方法包括农杆菌介导转化法、基因枪法、花粉管通道法等 10 种以上，这些方法各有优缺点。为了使转化技术更加完善和成熟，科学家们一直在不断探索，寻求方便、高效的转化方法。植物细胞表面存在细胞壁，是外源基因转移的天然屏障。所有的转基因方法都是通过打破这一屏障，或以易于外源基因导入的细胞或组织 (如原生质体、萌发胚、子房和幼穗等)作为受体而实现的。离子束介导转基因技术，是1989年由中国科学院等离子体物理研究所余增亮研究员首先提出来的。它是继农杆菌转导法、电击法、基因枪法、显微注射法、激光穿孔法和超声波法之后研究成功的一种新的物理转基因方法。 1.1离子束介导转基因的技术原理 随着对离子注入生物学效应的深入研究，人们发现注入离子与生物体存在着 4 个原初过程即能量的沉积、动量的传递、离子的注入和电荷的交换[4]，这些过程差不多在 10 -9～10 - 19s 同时发生，难以各自独立区分。 当具有一定能量的离子束作用于生物体表面时，能量沉积引起靶物质化学键的断裂，一部分离子能量转移为靶原子的动量，引起表面二次离子发射，即所谓的离子溅射。另一方面，由于生物体是电的不良导体，在离子径迹路线上荷能粒子和靶原子之间电荷的转移交换，瞬间电荷的积累在库仑斥力作用下一起库仑爆炸，产生电子溅射。离子束的溅射好比一把手术刀，对生物体进行细微的加工，对生物体表面层层剥离，使原来不通的通道在一定距离内联通，后来的离子就可以穿过一定的距离落在预定的距离上。外源 DNA 正是通过此通道进入生物体的。 1 由于生物体大多数带电负性，若注入离子为荷电正离子则可与生物体表面产生电荷交换。从而降低细胞的电负性，极大减小了对溶液中带负电性外源 DNA的静电斥力，增加了外源基因导入的几率。同时，由于生物材料的不良电导性，注入离子在刻蚀通道内壁及底部积累少量正电荷 ,形成正电荷微区域，对外源DNA 产生静电引力，有利于吸收带负电的外源 DNA沿刻蚀产生的微通道进入细胞。这是其它物理转基因方法所不具备的优点。 注入离子于生物靶分子发生原子碰撞、 级联碰撞和溅射，能量沉积到一定距离便急剧释放，形成一个相对电离度很高的电离峰即 Brag 峰[5]。通过对峰值的控制可以切割、钝化微通道底部部分染色体，从而诱导和激发细胞对 DNA 的修复和重接作用，增加进入的外源DNA 插入并整合到宿主染色体的机会，从而提高转化率。 从以上论述可以得出，离子束介导转基因的基本原理是利用离子束对植物细胞的刻蚀作用，造成受体细胞表面的损伤和穿孔，从而引起细胞膜透性和跨膜电场的改变，将外源基因引入生物细胞。具体表现在以下3个方面： (1) 一定能量和剂量的离子束对植物细胞壁的溅射作用破坏细胞壁和细胞膜的结构，结果在局部产生刻蚀和穿孔，为外源遗传物质进入细胞提供微通道。 (2)用于注入的荷电正离子降低了细胞表面的负电性(沉积作用) ，从而减弱了对带负电的外源 DNA的静电斥力 ，从而促进了外源 DAN的吸附和进入。 (3) 离子束的直接和间接作用打断细胞内的染色体 DNA结构 ，有利于外源遗传物质整合到受体基因组中。这就是离子束介导转基因原理的3个方面，即通道作用、吸引作用和整合作用。 1.2离子束介导转基因的技术特点