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1、第八章 核素示踪技术在农业研 究中的应用 n19世纪90年代发现了天然放射铀，揭开了原子 能时代的序幕。随之开展了原子能的开发、利用 研究，使核素示踪技术迅猛形成了一门重要的技 术学科，广泛应用到国民经济的各个领域。核素 示踪技术在生物和农业科学中的应用已成为土壤 肥料、植物营养、植物保护、动物繁殖与疾病诊 断、生物技术学领域等进行深入研究的先进技术 。取得了令人瞩目的重大成就和社会经济效益。 第一节 核素示踪技术在土壤肥 料中的应用n利用核素示踪技术对土壤、植物营养问题研究是 土壤农化研究中的重要手段。我国自五十年代开 始已将核素示踪技术应用于土壤肥料研究中，以 32P、3H、15N、35S
2、等示踪原子研究不同土壤类 型中常量元素和微量元素的利用率及在土壤中移 动、积累及地下水资源动态。研究阐明了对肥料 的吸收利用、土壤中残留、最佳肥料配方、施肥 最佳时期和施肥量等，为合理施肥提供了重要依 据，为土壤肥料研究发挥了重要作用。 n一. 土壤有效养分的测定n常用的土壤有效养分含量测定方法主要有化学提 取速测方法、阳离子交换树脂方法、生物方法和 同位素示踪方法。由于通过同位素示踪方法，阐 明了每年施入土壤中的氮肥有近一半左右挥发和 流失，由此引发了对提高肥料利用率的重视和氮 素循环及环境污染等问题的研究。同位素示踪法 因方法简便、灵敏度高为土壤农业化学研究开拓 了新途径、新手段，被广泛用
3、于土壤有效养分的 测定。 n(一) 测定土壤有效磷的“A”值法n(二) 测定土壤有效磷的“x” 值法n(三) 土壤阳离子交换量的计算二、 肥料利用率的测定n测定肥料利用率的方法n1. 差值法n2. 同位素示踪法：三、 提高土壤肥料利用率的研究n提高土壤肥力水平，增施肥料是作物生产中重要的物质投入。但是 ，只一味提高肥料的施入量，一方面会提高作物的经济成本，另一 方面对生态环境和农产品品质也有不良效应。因此，提高肥料利用 率就成为人们亟待解决的问题。肥料利用率的高低受很多因素影响 ，但归结起来，主要是作物条件、土壤种类、肥料品种和施肥方法 等方面相互作用的结果。例如对喜硫作物，如油莱、豆科、薯类
4、和 百合类作物，对这些作物施用硫肥增产效果显著；石灰性或碱性土 壤上的氨挥发比酸性土壤上严重得多；还有人对滇池流域农田土壤 氮流失情况作了研究，发现不同N肥品种对农田N的去向与利用率的 影响不同，作物(水稻)对尿素的吸收利用率高于碳铵，施用碳铵的 径流与渗漏损失大于尿素；合理的基肥比例及追肥次数，适当的种 植密度及适量的N、P、K肥配合既可提高白菜产量，又可降低径流中 N的流失量。 n(一) 氮肥利用率的研究n(二) 钾肥利用率的研究n(三) 微量元素肥料的研究第一节 核技术在植物保护研 究中的应用n植物是人类赖以生存的物质资源和环境资源。人 类为了生存，有义务保护植物，不管是野生植物 还是栽
5、培植物。但是由于人类对自然无止境的索 取，工业的发展，尤其是化学工业对环境的污染 ，严重破坏了植物的生存环境，致使粮食问题和 环境问题日趋严峻。无论在哪一个国家，植物的 健康都转而影响到人类健康，因此人类对植物的 保护越来越受到重视，研究手段也愈加先进。其 中同位素示踪技术在植物保护领域研究的运用， 显示了该技术的独特作用，使其成为植物保护研 究中不可缺少的重要手段之一，取得了显著的成 绩。 一. 在昆虫学研究中的应用n随着对生态和环境重要认识的逐步加深和 植物保护的进展，在昆虫学研究领域，国 内外广泛的利用核技术研究辐射昆虫不育 、病虫害防治、昆虫生理学、昆虫生态学 及昆虫分子生物学中基因探
6、针等。 n(一) 植物害虫防治的研究n1. 标记昆虫的方法n在昆虫学研究中常用的放射性核素有3H、14C、32P、40K、35S、45Ca 、125I、60Co、65Zn、226Ra、36Cl，常用的稳定性核素有151Eu（铕 ）与191Ir（铱）。用放射性同位素标记昆虫有多种方法，主要有如下几种： n 喂饲法：n 喷洒法：n 注射法：n 浸清法：n 插入法：n 间接标记法：2、辐射昆虫不育、害虫防治研究 n辐射主要从生殖系统、消化系统，循环系统对害 虫生理造成影响，从而阻止卵的孵化，幼虫的发 育，化蛹及成虫羽化成种群或使种群不能繁育， 达到防治害虫，保护植物的目的。由于采用辐射 昆虫不育技术
7、防治害虫具有不污染环境、对人、 畜和天敌无害，防治效果持久，专一性强，并可 使植物生态系统保持良性循环等优点，我国自60 年代初开始，对农作物、蔬菜及森林等病虫害进 行不同程度的研究，同时，关于辐射不育机理的 研究也随着新学科的诞生和渗透取得了快速发展 。 二、在昆虫生态学研究中的应用 n昆虫生态特性的研究为有效防治农作物害 虫提供依据。而对昆虫的生长发育、食物 习性、迁移、寄生性和捕食性天敌的关系 等问题的研究中，应用同位素示踪技术具 有方便，直观，有效等优势。 n1. 昆虫的飞迁规律的研究：n将标记昆虫大量释放野外，经一定时间后，定点 、定期收集昆虫进行放射性测量。故可根据昆虫 体内有无放
8、射性及其强度明确害虫飞迁距离、方 向、速率及其活动范围等问题。美国JenKing曾 用放射性同位素标记10种果树害虫，研究了昆虫 的飞迁规律，如昆虫寿命、飞迁距离等，作了比 较全面的研究。由此可见，利用放射性核素标记 地下害虫及蜂、蚁等以便研究其活动和分布规律 ，这是一种很有效的并具有发展前途的方法。 n2. 昆虫越冬场所及活动规律的研究：n此类研究以放射r射线的放射性同位标记昆虫，将60Co针 胶粘在昆虫表体或插入昆虫体内，将标记昆虫释放后， 定点、定期可借助探测仪器在野外跟踪研究昆虫的活动 规律、休眠或避热的栖息场所。n用放射性标记昆虫有造成环境污染的问题。近年来发展 的可活化示踪法，其原
9、理是将某些可活化元素饲喂昆虫 后释放，在各实验点收集昆虫，将其用中子或带电粒子 进行活化，使其发生核反应，产生强放射性核素，根据 放射性核素的寿命、射线的能量、活度等明确昆虫的活 动规律，发源地等问题。这一方法为研究昆虫生态学和 生物学问题，减少环境污染开辟了一条新途径。 n(三) 昆虫毒理学的研究n同位素示踪技术为可用于研究杀虫剂对昆虫的穿 透力、在昆虫体内的分布、作用部位与代谢及杀 虫剂在植物体内（尤其在谷物中）的残留、杀虫 剂对人畜的毒理作用等。应用乙酰-1-14C胆碱， 研究有机磷农药对胆酯酶的抑制为研究有机磷农 药的毒理提供依据。通过研究，明确了DDT作用 的部位是昆虫的周缘神经；而
10、六六六的作用部位 是昆虫的中枢神经；明确了DDT的穿透、分布及 代谢规律。n(四) 昆虫生理生化的研究n将同位素示踪技术引入到昆虫生理生化问题的研 究始于60年代，研究范围也很广泛，涉及到昆虫 营养、代谢、呼吸及激素等生理生化问题。用14C -甘氨酸Na2H32PO4标记家蚕，研究了家蚕的物质代 谢，证实了甘氨酸对于丝蛋白的合成有显著的作 用；用3H标记的性引诱剂将其靠近雄虫，经过一 定时间后，剪下雄虫触角，经分析检测，其结果 表明：持有雄虫触角的电泳带上可以测到放射性 ，从而为研究性诱剂的感受机制提供了可靠手段 。n(五) 昆虫分子生物学的研究n同位素技术在生物学发展中曾做出了重大贡献，基因
11、探针，核酸的 标记及序列分析均离不开同位素示踪技术。按标记物性质，基因探 针的标记方法可分为同位素标记和非同位素标记两大类。常用的同 位素有32P、35S、3H等，如用32P标记的核苷酸化合物为-32P-dCTP或 -32P-ATP；在原位（in situ）杂交中，则需用35S或3H标记核苷酸 化合物。由于32P比活性高、放射性强，易于检测，故在分子生物学 研究中最为重要。同位素标记法又分为切口平移（nick translation）法、随机引物法（random priming）、PCR合成法、 末端标记法、RNA标记法和免疫探针标记法。免疫探针用125I进行标 记。基因探针在昆虫分子生物学研
12、究中应用于：1.昆虫基因克隆的 筛选；2.昆虫基因的定位；3.昆虫基因表达；4.在昆虫系统进化中 的应用；5.在昆虫分子生态学研究中的应用。李振刚、周从照于 1997年首次报道了Antheraes yamamai丝素基因在家蚕Bombyx mori 中的成功表达。 二、 在植物病害研究方面的应用 n(一) 病原生物标记n植物的病原生物包括真菌、细菌、线虫、 病毒等。应用同位素示踪技术研究病原菌 的侵染途径，寄主与病原菌的相互关系， 需对病原菌进行放射性同位素标记，使其 体内带有放射性。由于研究目的不同和各 种病原菌本身的特性互异，因而采用不同 的标记方法。标记病原生物常用下列几种 方法： n1
13、、 用放射性培养基标记病原生物n2、 用放射性寄主标记病原生物n3、 用放射性真菌标记病原线虫体n4、 用放射性细菌标记噬菌体n5、 用放射性病植物体标记传播病毒的昆 虫n(二)、 标记病原生物的应用n放射性核素标记的病原生物在植物病害方 面研究中的应用范围非常广泛，如病原生 物和寄主的相互关系、病害感染组织的物 质代谢、植物病原菌的生命过程中的生理 生化等问题。 n1、 病害的侵染规律的研究n根据放射性同位素标记病原生物的生长发 育规律，可为研究病害的侵染途径制定防 治措施提供有效手段和科学依据。因此， 此方法倍受病理学家的重视和广泛应用。 目前，对土传、虫传的病害应用放射性核 素进行研究较
14、为广泛，而对气流、雨水传 播的病害，由于标记菌量大、范围广、人 为控制条件较困难，故应用较少。 n（1） 应用于土壤传播的病害：n土壤传播的病害主要有某些真菌和线虫，还有少 数病毒引起的病害。如棉花立枯病，小麦花叶病 毒。 n（2） 应用于昆虫传播的病害：n将标记有病毒的昆虫用毛笔轻轻的转移到叶片上 ，使带有放射性病毒的昆虫在刺吸寄主植物的组 织时，将体内标记病毒传入植物体内，使植物发 病，其体内含有放射性病毒。要了解病毒在寄主 体内的分布去向及昆虫媒介的传毒效果，常用放 射性自显影法进行检测。 n（3） 应用于种子传播的病毒：n标记菌侵入种子的方法有浸种法和花期接 种法。浸种法是将标记菌液浸
15、没被接种的 作物种子，一般浸种24小时，为了加速和 增加病菌液附着种子表面的量，最好接上 真空泵减压抽气接种，可提高接种效率。 此方法可用于阐明种子带菌后在植株体内 的分布和转移情况。 n2、 植物病理生理问题的研究n将标记标记 病原生物接种后使寄主发发病，然后观观察 症状出现现后的核素积积累情况，或用标记标记 化合物 （32P-KH2PO3、32P-H3PO3、14C-葡萄糖、14C-蔗糖 等）引入植物体，分析患病部位及其周围组织围组织 的 代谢谢活动动情况，还还可根据研究目的用放射性层层 析等生化方法，检测检测 代谢谢物质质（有机酸、氨基 酸、糖等），从生理生化基本资资料进进一步分析植 物
16、病害的发发病机制。 n3、 植物抗病机制的研究n 利用标记的寄主作物接菌致病后，通过自显影 或制样测放射性强度，分析发病部位和健康组织 的代谢活动情况，可了解病菌在寄主体内的分布 密集状况、病菌分布量及寄主部位。n如有人用32P示踪剂和14C-蔗糖（0.05ci/ml溶液 ）引入菜豆体内，对其各部位进行放射性测量， 结果表明植株发病部位的放射性明显强于健全组 织。因此，放射性同位素示踪法为作物病害抗性 研究提供了有效手段。 n4、 DNA探针技术用于细菌和病毒的诊断 ：n 目前，在植物病原细菌检定方面已研制出 针对植物病害检测的细菌DNA探针，如番茄 溃疡病毒、马铃薯腐病菌、菜豆枯萎病菌 、水稻白叶枯病菌。这种检测方法，灵敏 度高、特异性强，能把植病细菌鉴定到各 自的种或致病变型，甚至能鉴定株系。n三、 在农药研究中的应用n为经济、有效、科学合理地使用农药，提 高防治病害和虫害的效果，减少农药对作 物、食品和环
