低能离子注入植物种子中浓度—深度分布的研究
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摘要
自1986年余增亮等人率先开展重离子注入水稻诱变育种研究以来，离子束生物技术在植物、微生物诱变育种方面的研究已经取得应用性成果，并且带来了很好的经济效益。但离子束注入生物材料相互作用机制的研究仍然不明了，尚需进一步的研究。而要解决这种机理性问题，首先需要知道注入离子的准确位置或分布情况。
本文就是针对离子注入植物种子中分布情况展开研究的。全文共分四章。第一章介绍了离子束生物技术目前国内外研究的现状、离子束注入生物材料相互作用机制研究进展、离子束生物技术对农作物、微生物等诱变育种的研究及离子束生物效应等。由于植物种子内的特殊结构可能会加大离子注入植物种子的穿透深度，那么本文也对植物种子的结构进行了简要的叙述。第二章依据生物体中存在空隙或微小孔洞，提出一个简化模型。这些微小的孔洞具有一定的长度和宽度，不同生物体微孔的长、宽各异。在本文中把这些微孔或洞近似为圆柱体并命名为沟道，当离子注入生物体中时这些微孔或洞就会形成沟道，这提供了一个便于计算也较接近客观实际的生物靶模型。第三章考虑到沟道对投影射程的影响，本文利用LSS理论(由Lindhard,scharff及schiott三人确立的注入离子在固体中分布理论)对200key的V~+注入花生种子中的投影射程进行了计算，同时用统计的方法对注入花生中V~+的浓度分布进行了数学拟合。第四章对理论结果进行总结，导出离子在花生中的平均投影射程为5.30μm，这与陆挺、王超等人的实验结果相差不大，而且发现注入的V~+在花生中浓度—深度分布近似遵循冈伯尔分布。
Since Yu. Z. L et al initially developed a study on mutation breeding of heavy ionimplanted in rice in the 1986, Ion Beam Biotechnology has already made importantachievementes and brought better economic profits. But the mechanism of interaction ofions implanted in bio-materials is still not well known. It should be further studied. Atfirst, the distribution and precise location of ions implanted into bio-material should bediscussed.
In this paper the study of distribution of ion beams implanted in plant seeds wasdeveloped. The thesis includes four chapters. The chapter one summarized the presentstatus of domestic and foreign studies on the ion-beam-engineering, the progress ofinteractive mechanism of ions implanted in bio-materials and the study of mutationbreeding of Ion Beam Bio-technology in crop seeds and microbes. Since the specialstructure of plant seeds could make the penetration depth much larger as ion beamsimplanted, we gave a brief introduction on the structure of plant seeds in this chapter.
In chapter two, based on the fact that the plant seeds have many small gaps or holes,we proposed a simplified model. Many small holes have different length and width,they are not homogeneous in biological samples. They were thought of cylinders, namedchannels, in this paper. These small holes could cause channel phenomenon, enlargingpenetration range of low energy ion beam implantated into plant seeds.
In chapter three, considering the implantation depth influenced by channels, wecalculated the implantation depth by use of LSS theory. AssumingV~+ implanted inpeanut seed embryoes with 200kev, the projective penetration depth was calculated. Theconcentration distribution of V~+ implanted in peanut embryoes was fitted with statisticalmodels.
In chapter four, the calculation results are outlined. We obtained the averagepenetration depth 5.32μm for V~+ implantation into peanut seed embryoes, in consistentwith experimental data. Simultaneously we found that the concentration distribution of V~+ions in seed embryoes approximately obeys Gumbel distribution.
本文就是针对离子注入植物种子中分布情况展开研究的。全文共分四章。第一章介绍了离子束生物技术目前国内外研究的现状、离子束注入生物材料相互作用机制研究进展、离子束生物技术对农作物、微生物等诱变育种的研究及离子束生物效应等。由于植物种子内的特殊结构可能会加大离子注入植物种子的穿透深度，那么本文也对植物种子的结构进行了简要的叙述。第二章依据生物体中存在空隙或微小孔洞，提出一个简化模型。这些微小的孔洞具有一定的长度和宽度，不同生物体微孔的长、宽各异。在本文中把这些微孔或洞近似为圆柱体并命名为沟道，当离子注入生物体中时这些微孔或洞就会形成沟道，这提供了一个便于计算也较接近客观实际的生物靶模型。第三章考虑到沟道对投影射程的影响，本文利用LSS理论(由Lindhard,scharff及schiott三人确立的注入离子在固体中分布理论)对200key的V~+注入花生种子中的投影射程进行了计算，同时用统计的方法对注入花生中V~+的浓度分布进行了数学拟合。第四章对理论结果进行总结，导出离子在花生中的平均投影射程为5.30μm，这与陆挺、王超等人的实验结果相差不大，而且发现注入的V~+在花生中浓度—深度分布近似遵循冈伯尔分布。
Since Yu. Z. L et al initially developed a study on mutation breeding of heavy ionimplanted in rice in the 1986, Ion Beam Biotechnology has already made importantachievementes and brought better economic profits. But the mechanism of interaction ofions implanted in bio-materials is still not well known. It should be further studied. Atfirst, the distribution and precise location of ions implanted into bio-material should bediscussed.
In this paper the study of distribution of ion beams implanted in plant seeds wasdeveloped. The thesis includes four chapters. The chapter one summarized the presentstatus of domestic and foreign studies on the ion-beam-engineering, the progress ofinteractive mechanism of ions implanted in bio-materials and the study of mutationbreeding of Ion Beam Bio-technology in crop seeds and microbes. Since the specialstructure of plant seeds could make the penetration depth much larger as ion beamsimplanted, we gave a brief introduction on the structure of plant seeds in this chapter.
In chapter two, based on the fact that the plant seeds have many small gaps or holes,we proposed a simplified model. Many small holes have different length and width,they are not homogeneous in biological samples. They were thought of cylinders, namedchannels, in this paper. These small holes could cause channel phenomenon, enlargingpenetration range of low energy ion beam implantated into plant seeds.
In chapter three, considering the implantation depth influenced by channels, wecalculated the implantation depth by use of LSS theory. AssumingV~+ implanted inpeanut seed embryoes with 200kev, the projective penetration depth was calculated. Theconcentration distribution of V~+ implanted in peanut embryoes was fitted with statisticalmodels.
In chapter four, the calculation results are outlined. We obtained the averagepenetration depth 5.32μm for V~+ implantation into peanut seed embryoes, in consistentwith experimental data. Simultaneously we found that the concentration distribution of V~+ions in seed embryoes approximately obeys Gumbel distribution.
引文
[1] 宋道君，姚建铭，邵春林，余增亮．离子注入微生物产生“马鞍型”存活曲线的可能作用机制．核技术，1999，22(3)：129～132
[2] 宋道君，王纪，姚建铭，余增亮．离子注入对耐辐射微球菌存活及生物量的影响．激光生物学报，1999，8(1)：19～21
[3] 王燕，王卫东，秦广雍，霍裕平．氮离子注入对拟南芥的生理影响初步研究．华北农学报，2004，19(1)：82～85
[4] 袁海涛，胡焕林，胡纯栋．离子束生物工程学装置现状和发展．真空，2000，(4)：13～16
[5] 左方梅，翟衡．低能离子束在生物学领域的应用．山东农业大学学报，2003，31(3)：451～454
[6] 顾英．离子束放疗技术的新进展．中国医疗器械信息，2004，10(6)：45～46
[7] Smith H H. Reletive biological effectiveness of different types of ionizing. Rad Res, Repplement, 1967,7:190～195
[8] 唐掌雄，刘志芳，邵俊明，龚胤昕．离子辐射育种研究进展．核农学报，2005，19(4)：312～316
[9] Yany T C, Tobias C A.Potential use of heavy-ion radiation in crop improvement. Gamma Field Symposia, Japan, 1979,18:141～151
[10] Watanabe H. Feasibility of ion beams on plant breed. The 23rd Japan Conference on Radiation and Radiotopes proceedings, Tykyo International Exhibition Center, 1998,12:8～10
[11] 袁成凌，余增亮．低能离子束在生物技术中的应用研究．中国生物工程杂志，2003，23(4)：57～61
[12] Yu Z L, Shao C L. Dose effect of the tyrosine implantated by a low energy N~+ ion beam. Radiat Phys Chem, 1994,43(4):349～351
[13] Huang W D, Yu Z L, Zhang Y H.a study of threonine irradiated by Kev ion. NuclInstr Meth Phys Res, 1998,134:202～208
[14] 杜严华，丘冠英，黄晟海．低能离子对DNA单链断裂的定量测量及注量效应曲线的分析．科学通报，1999，44(1)：56～61
[15] 虞龙，余增亮．离子束生物工程及其应用研究．中国兽药杂志，2001，35(1)：55～59
[16] 宋云，张怀渝，畅志坚．离子束用于诱变育种的研究进展．分子植物育种，2004，2(2)：301～305
[17] 李永红．离子束的生物效应及诱变机理研究进展．河南农业大学学报，2002，36(2)：159～163
[18] 宋道军，余增亮．离子束生物工程学．中国科学基金，2001，2：102～105
[19] 余增亮．离子束生物技术引论．合肥：安徽科技出版社，1998：52～54
[20] 陆挺，周宏余．离子注入植物引起生物效应的机理．北京师范大学学报，1996，32(2)：227～229
[21] 韩建伟，余增亮．低能离子对番茄果皮刻蚀穿透的研究．生物物理学报，1998，14(4)：757～761
[22] Wang X F, Zhou H Y. Penetration depth and concentration distribution for implanted heavy ions with low energys in plant seeds by SEM and EDS. Nucl Sci & Tech, 2001, 12(1): 22～26
[23] 浙江农业大学种子教研组．植物种子学．杭州，浙江人民出版社 1961，7～40
[24] 卫增泉，魏宝文．重离子束在医学治疗中的应用．物理学和高新技术，2001，30(8)：485～495
[25] 王相勤，姚建铭．低能离子注入固态甲酸钠的质量沉积效应．物理化学学报，1998，14(8)：715～718
[26] 韩建伟，余增亮．key离子辐照丙氨酸的剂量效应研究．生物物理学报，1998，14(2)：341～345
[27] 陆挺，谢立青，朱凤绥等．离子注入植物种子的生物学效应研究．核技术，1994，17(7)：443～448
[28] 虞龙，张宁．离子注入微生物诱变育种的研究与应用进展．微生学杂志，2005，25(2)：80～83
[29] 陈宇，林柞鑫，张峰等．离子注入微生物的生物效应研究．中国抗生素杂志，1998，23(6)：415～419．
[30] Song Daojun, Yu Xun, Yu Zengliang. Study on the Direct and Indirect Action of N~+ Implantation on D radiodurans and E. coli.Technology Letters,1999,1:47～50
[31] 赵洪英，李彦，裴鸿娇等．N~+离子束注入庆大霉素产生菌诱变效应研究．天津理工学院学报，2001，17(1)：14～17
[32] 王纪，蒋海波，姚建铭．离子注入麦角甾醇酵母选育及发酵工艺．微生物学杂志，1998，18(4)：25～28．
[33] 陈祖华，叶晴，尹光琳．离子注入热带假丝酵母对长链二元酸产量的影．微生物学通报，2000，27(3)：174～177．
[34] 付烈振，丘冠英，杜海彪．低能重离子对T1噬菌体和T1dsDNA的影响及与紫外线效应的比较．安徽农业大学学报，1994，21(3)：275～281．
[35] 尧俊英，李景原，李清禄．低能离子束接到转基因技术．生物学通报，2006，41(1)：24～25
[36] 袁世斌，卫增泉．重离子注入生物药物分子的质量沉积研究技术．原子核物理评论，2001，18(1)：56～59
[37] 浙江农业大学种子教研组．植物种子学．杭州，浙江人民出版社 1961，7～40
[38] 邵春林，余增亮．离子注入固态5’-dTM的释磷释碱基研究．安徽农业大学学报，1994，21(3)：336～341
[39] 舒世珍，王彩莲，陈秋芳等．离子注入甜菊种子生物学效应的研究．中国糖料，1998，17(1)：14～17
[40] 余增亮，邱励件俭，霍裕平．离子注入生物学效应及育种研究进展．安徽农学院学报，1991，18(4)：251～257
[41] 余增亮．离子束与生命科学——一个新研究领域．物理，1997，26(6)：333～338
[42] 卫增泉，韩光武，马受武，等．低能离子注入麦胚引起深层细胞损伤的一种可能机制．核技术，1995，18(2)：90～93
[43] 陆挺等．低能离子注入植物种子的深度分布及生物效应机理研究．物理学报，2005，54(10)：4822～4826
[44] 周宏余等．低能离子束在植物干种子的深度浓度分布研究的进展．第三次全国离子束工程学大会及第一次国际学术研讨会论文集．乌鲁木齐，2002，34～37
[45] 朱光华，周宏余等．低能离子注入植物种子的深度浓度分布测定．第三次全国离子束工程学大会及第一次国际学术研讨会论文集．乌鲁木齐，2002，38～40
[46] 王林香，王世亨．用M—C方法计算低能V~+注入花生种子的深度—浓度分布．新疆大学学报，2005，22(2)：172～177
[47] 杨惠玲，范兆田，骆建敏，王世亨．低能Ti~+离子注入植物种子深度—浓度分布的初步研究．新疆大学学报，2004，21(2)：150～154
[48] 汪新福，陆挺，周宏余等．低能V~+注入花生种子的深度研究．原子能科学技术，2002，36(6)：531～534
[49] 王超，陆挺，汪新福，周宏余，朱光华．低能钒离子注入花生种子的深度分布．生物物理学报，2001，17(2)：351～355
[50] 吕晓桂，罗辽复．低能离子束在植物种粒和微生物中的穿透深度．生物物理学，，20061，22(1)：57～61
[51] 罗晋升．离子注入物理．上海：上海科技出版社，1984：11～42
[52] 陆挺．低能离子注入引起的植物种子微结构的变化．物理，2002，31(9)：555～557
[53] 陆挺，汪新福，周宏余，朱光华，丁晓纪．植物种子微孔结构的正电子淹没研究．核技术，2003，26(2)：129～131
[54] 陆挺．低能V~+离子注入花生种子引起生物体的微结构变化及其机理．北京师范大学学报，2000，36(6)：788～790
[55] 徐亚东，李少霖，孙旭秋．数学辞海第四卷．北京：中国科学技术出版社，2002：323～332
[56] S．K阿罗拉．豆类的化学和生物化学．高健译．北京：科学出版社，1987：98～105
[2] 宋道君，王纪，姚建铭，余增亮．离子注入对耐辐射微球菌存活及生物量的影响．激光生物学报，1999，8(1)：19～21
[3] 王燕，王卫东，秦广雍，霍裕平．氮离子注入对拟南芥的生理影响初步研究．华北农学报，2004，19(1)：82～85
[4] 袁海涛，胡焕林，胡纯栋．离子束生物工程学装置现状和发展．真空，2000，(4)：13～16
[5] 左方梅，翟衡．低能离子束在生物学领域的应用．山东农业大学学报，2003，31(3)：451～454
[6] 顾英．离子束放疗技术的新进展．中国医疗器械信息，2004，10(6)：45～46
[7] Smith H H. Reletive biological effectiveness of different types of ionizing. Rad Res, Repplement, 1967,7:190～195
[8] 唐掌雄，刘志芳，邵俊明，龚胤昕．离子辐射育种研究进展．核农学报，2005，19(4)：312～316
[9] Yany T C, Tobias C A.Potential use of heavy-ion radiation in crop improvement. Gamma Field Symposia, Japan, 1979,18:141～151
[10] Watanabe H. Feasibility of ion beams on plant breed. The 23rd Japan Conference on Radiation and Radiotopes proceedings, Tykyo International Exhibition Center, 1998,12:8～10
[11] 袁成凌，余增亮．低能离子束在生物技术中的应用研究．中国生物工程杂志，2003，23(4)：57～61
[12] Yu Z L, Shao C L. Dose effect of the tyrosine implantated by a low energy N~+ ion beam. Radiat Phys Chem, 1994,43(4):349～351
[13] Huang W D, Yu Z L, Zhang Y H.a study of threonine irradiated by Kev ion. NuclInstr Meth Phys Res, 1998,134:202～208
[14] 杜严华，丘冠英，黄晟海．低能离子对DNA单链断裂的定量测量及注量效应曲线的分析．科学通报，1999，44(1)：56～61
[15] 虞龙，余增亮．离子束生物工程及其应用研究．中国兽药杂志，2001，35(1)：55～59
[16] 宋云，张怀渝，畅志坚．离子束用于诱变育种的研究进展．分子植物育种，2004，2(2)：301～305
[17] 李永红．离子束的生物效应及诱变机理研究进展．河南农业大学学报，2002，36(2)：159～163
[18] 宋道军，余增亮．离子束生物工程学．中国科学基金，2001，2：102～105
[19] 余增亮．离子束生物技术引论．合肥：安徽科技出版社，1998：52～54
[20] 陆挺，周宏余．离子注入植物引起生物效应的机理．北京师范大学学报，1996，32(2)：227～229
[21] 韩建伟，余增亮．低能离子对番茄果皮刻蚀穿透的研究．生物物理学报，1998，14(4)：757～761
[22] Wang X F, Zhou H Y. Penetration depth and concentration distribution for implanted heavy ions with low energys in plant seeds by SEM and EDS. Nucl Sci & Tech, 2001, 12(1): 22～26
[23] 浙江农业大学种子教研组．植物种子学．杭州，浙江人民出版社 1961，7～40
[24] 卫增泉，魏宝文．重离子束在医学治疗中的应用．物理学和高新技术，2001，30(8)：485～495
[25] 王相勤，姚建铭．低能离子注入固态甲酸钠的质量沉积效应．物理化学学报，1998，14(8)：715～718
[26] 韩建伟，余增亮．key离子辐照丙氨酸的剂量效应研究．生物物理学报，1998，14(2)：341～345
[27] 陆挺，谢立青，朱凤绥等．离子注入植物种子的生物学效应研究．核技术，1994，17(7)：443～448
[28] 虞龙，张宁．离子注入微生物诱变育种的研究与应用进展．微生学杂志，2005，25(2)：80～83
[29] 陈宇，林柞鑫，张峰等．离子注入微生物的生物效应研究．中国抗生素杂志，1998，23(6)：415～419．
[30] Song Daojun, Yu Xun, Yu Zengliang. Study on the Direct and Indirect Action of N~+ Implantation on D radiodurans and E. coli.Technology Letters,1999,1:47～50
[31] 赵洪英，李彦，裴鸿娇等．N~+离子束注入庆大霉素产生菌诱变效应研究．天津理工学院学报，2001，17(1)：14～17
[32] 王纪，蒋海波，姚建铭．离子注入麦角甾醇酵母选育及发酵工艺．微生物学杂志，1998，18(4)：25～28．
[33] 陈祖华，叶晴，尹光琳．离子注入热带假丝酵母对长链二元酸产量的影．微生物学通报，2000，27(3)：174～177．
[34] 付烈振，丘冠英，杜海彪．低能重离子对T1噬菌体和T1dsDNA的影响及与紫外线效应的比较．安徽农业大学学报，1994，21(3)：275～281．
[35] 尧俊英，李景原，李清禄．低能离子束接到转基因技术．生物学通报，2006，41(1)：24～25
[36] 袁世斌，卫增泉．重离子注入生物药物分子的质量沉积研究技术．原子核物理评论，2001，18(1)：56～59
[37] 浙江农业大学种子教研组．植物种子学．杭州，浙江人民出版社 1961，7～40
[38] 邵春林，余增亮．离子注入固态5’-dTM的释磷释碱基研究．安徽农业大学学报，1994，21(3)：336～341
[39] 舒世珍，王彩莲，陈秋芳等．离子注入甜菊种子生物学效应的研究．中国糖料，1998，17(1)：14～17
[40] 余增亮，邱励件俭，霍裕平．离子注入生物学效应及育种研究进展．安徽农学院学报，1991，18(4)：251～257
[41] 余增亮．离子束与生命科学——一个新研究领域．物理，1997，26(6)：333～338
[42] 卫增泉，韩光武，马受武，等．低能离子注入麦胚引起深层细胞损伤的一种可能机制．核技术，1995，18(2)：90～93
[43] 陆挺等．低能离子注入植物种子的深度分布及生物效应机理研究．物理学报，2005，54(10)：4822～4826
[44] 周宏余等．低能离子束在植物干种子的深度浓度分布研究的进展．第三次全国离子束工程学大会及第一次国际学术研讨会论文集．乌鲁木齐，2002，34～37
[45] 朱光华，周宏余等．低能离子注入植物种子的深度浓度分布测定．第三次全国离子束工程学大会及第一次国际学术研讨会论文集．乌鲁木齐，2002，38～40
[46] 王林香，王世亨．用M—C方法计算低能V~+注入花生种子的深度—浓度分布．新疆大学学报，2005，22(2)：172～177
[47] 杨惠玲，范兆田，骆建敏，王世亨．低能Ti~+离子注入植物种子深度—浓度分布的初步研究．新疆大学学报，2004，21(2)：150～154
[48] 汪新福，陆挺，周宏余等．低能V~+注入花生种子的深度研究．原子能科学技术，2002，36(6)：531～534
[49] 王超，陆挺，汪新福，周宏余，朱光华．低能钒离子注入花生种子的深度分布．生物物理学报，2001，17(2)：351～355
[50] 吕晓桂，罗辽复．低能离子束在植物种粒和微生物中的穿透深度．生物物理学，，20061，22(1)：57～61
[51] 罗晋升．离子注入物理．上海：上海科技出版社，1984：11～42
[52] 陆挺．低能离子注入引起的植物种子微结构的变化．物理，2002，31(9)：555～557
[53] 陆挺，汪新福，周宏余，朱光华，丁晓纪．植物种子微孔结构的正电子淹没研究．核技术，2003，26(2)：129～131
[54] 陆挺．低能V~+离子注入花生种子引起生物体的微结构变化及其机理．北京师范大学学报，2000，36(6)：788～790
[55] 徐亚东，李少霖，孙旭秋．数学辞海第四卷．北京：中国科学技术出版社，2002：323～332
[56] S．K阿罗拉．豆类的化学和生物化学．高健译．北京：科学出版社，1987：98～105