同位素示蹤技術在農業(yè)科學中的應用

1、第五章 同位素示蹤技術在農業(yè)科學中的應用,一．同位素示蹤技術在土壤與植物營養(yǎng)研究中的應用二．同位素示蹤技術在植物保護研究中的應用三．同位素示蹤技術在作物生理生化研究中的應用四．同位素示蹤技術在生物技術中的應用,一．同位素示蹤技術在土壤與植物營養(yǎng)研究中的應用,利用示蹤技術對土壤、植物營養(yǎng)問題研究是土壤農化研究中的重要手段。主要研究內容： 1）肥料的吸收利用率 2）土壤中殘留

2、 3）最佳肥料配方 4）施最佳時期 5）施肥量 6）土壤中有效養(yǎng)分，等等,（一）土壤有效養(yǎng)分的測定,土壤中有效養(yǎng)分含量的高低是土壤肥力的基本指標之一，也是指導科學合理施肥的重要依據(jù)。,常用的土壤有效養(yǎng)分含量測定方法主要有化學提取速測法、陽離子交換樹脂法、生物方法和同位素示蹤法。,1 測定土壤有效磷的“A ”值法,1954年美國科學家Fried 和Dean，提出了測定土壤中有效

3、養(yǎng)分的“A”值概念，可用以下公式表示：,A：土壤中有效養(yǎng)分含量B：施用肥料（標準）的數(shù)量Y：植物從已知肥料（標準）吸收的有效養(yǎng)分的百分率,以植物養(yǎng)分磷為例，植物從標記肥料中吸收有效磷的百分率Y的計算：,假定示蹤肥料的比活度為Sf,植物樣品的比活度為Sp，土壤有效磷含量為A，作為標準的標記源（肥料）為B，則A值法的公式為：,例題,為研究揚州沙壤土中有效磷的含量，設計了一示蹤試驗，在一盆缽中施入5g 比活度為1.85M Bq/g的磷肥，

4、同時播種玉米，14天后取玉米植株，烘干，取樣2g，測定其磷含量為2.5mg，放射性活度為500Bq，計算該土壤中有效磷含量。,解：1）由題意得Sf＝1.85M/g，B＝5g 2）植株中磷的比活度 Sp＝500*2*103/2.5=0.4M/g3）土壤有效磷含量,2 土壤陽離子交換量的計算,土壤陽離子交換量就是土壤表面吸附的各種交換性鹽基和交換性酸的總量。它與土壤保持有效養(yǎng)分的能力密切相關，因而測定土壤陽離子交換量有重要意義

5、。,乙酸鍶（89Sr）法 [教材P202］,（二）肥料利用率的測定,肥料利用率是指作物對肥料中有效養(yǎng)分被當季作物吸收利用的百分數(shù)，是肥料有效性的一個直接指標。,同位素示蹤法可直接測定植物對肥料養(yǎng)分的利用率。,常規(guī)方法為差值法。,同位素示蹤法測定肥料利用率公式：,對磷而言：,植物從肥料中吸收磷的總量＝植物全磷?植物吸收肥料中磷的百分數(shù),（三）提高土壤肥料利用率的測定,1氮肥利用率的研究,我國氮肥利用率一直低于世界水平，而長期的低利用率造成

6、對環(huán)境的浸染也逐漸凸現(xiàn)出來。氮肥損失主要通過淋溶、徑流和氣態(tài)氮逸出三種途徑。15N在研究農田中氮肥的動向發(fā)揮著重要作用。,3鉀肥利用率的研究,２磷肥利用率的研究,磷肥與氮肥及鉀肥相比，其利用率要低得多。這主要是由于土壤中的磷易被固定，移動性差。主要包括三種形態(tài)：速效磷、緩效磷和固定態(tài)磷。,由于鉀沒有合適的放射性同位素，常用同族元素86Rb（銣）代替鉀來研究鉀肥肥效。,二．同位素示蹤技術在植物保護研究中的應用,（一）在昆蟲學研究中的應用

7、,1 害蟲防治研究,標記昆蟲的方法： 1）飼喂法； 2）噴灑法； 3）注射法； 4）浸漬法； 5）插入法； 6）間接標記法,,輻射昆蟲不育防治害蟲,優(yōu)點：不污染環(huán)境；對人、畜和天敵無害；防治效果持久；專一性強；使植物生態(tài)系統(tǒng)保持良性循環(huán)。,2 昆蟲生態(tài)學研究,昆蟲生態(tài)特性的研究可為有效防治農作物害蟲提供依據(jù)。 包括昆

8、蟲的生長發(fā)育、食物習性、遷移、寄生性和捕食天敵的關系等。應用同位素示蹤技術具有方便、直觀、有效等優(yōu)點。,主要研究方向,昆蟲遷飛規(guī)律,昆蟲越冬場所及活動規(guī)律,,3 昆蟲毒理學研究,利用同位素研究殺蟲劑對昆蟲的穿透力、在昆蟲體內的分布、作用部位與代謝及殺蟲劑在植物體內的殘留、殺蟲劑對人畜的毒理作用等。,Welling 等（1972）將35S和3H雙標記的有機磷農藥馬拉松引入抗性家蠅與非抗性家蠅，根據(jù)所形成的放射性產物研究了其在昆蟲體內的可能

9、代謝降解路線。,4 昆蟲生理生化的研究,研究內容主要包括：昆蟲營養(yǎng)、代謝、呼吸及激素等生理生化過程。,有人用14C-甘氨酸標記家蠶，研究了家蠶的物質同代謝，證實了甘氨酸對于絲蛋白的合成有顯著的作用。,（二）在植物病害研究方面的應用,1 病原生物標記,標記方法：1）用放射性培養(yǎng)基標記病原生物2）用放射性寄主標記病原生物3）用放射性真菌標記線蟲體4）用放射性細菌標記噬菌體5）用放射性病植物體標記傳播病毒的昆蟲,2 標記病原生物的

10、應用,1）病害浸染規(guī)律的研究2）植物病理生理問題的研究3）植物抗病機制的研究4）DNA探針技術用于細菌和病毒的診斷研究,（三）在農藥研究中的應用,1 農藥在作物中的殘留、代謝及安全施用的研究,農藥的不合理使用造成了嚴重的環(huán)境污染。因而測定農藥在環(huán)境中的殘留、污染途徑和循環(huán)規(guī)律，以及農藥在生物間的運轉關系和生物富集，制定農藥安全使用技術，減少環(huán)境污染，是農業(yè)環(huán)保中的重要課題,1）研究農藥在作物上殘留和消失動態(tài)2）農藥在作物體內吸收

11、和運轉的研究,2　農藥在土壤中的殘留、遷移和降解的研究,為防治害蟲和雜草農藥直接或間接進入土壤，殘留在土壤中的農藥不僅直接影響土壤微生物的活動、繁殖、代謝，而且還可通過淋溶、遷移、轉化，給環(huán)境生物會帶來各種不良影響。弄清農藥在土壤中的吸附積累、殘留和分解動態(tài)，對保護人類生存環(huán)境意義重大。,1）土壤中農藥殘留的研究2）農藥在土壤中的吸附和遷移研究3）農藥在土壤中降解的研究,三．同位素示蹤技術在植物生理生化研究中的應用,植物的生長發(fā)育及

12、產量的形成，主要取決于將環(huán)境中的光能、二氧化碳、水和其他養(yǎng)分合成有機物的能力及其轉變?yōu)橛薪?jīng)濟價值的終產物的效率。而決定這一效率的營養(yǎng)代謝過程，主要有：光合作用，同化物的運輸，分配與積累，土壤養(yǎng)分的吸收和利用。同位素示蹤技術對于闡明這些代謝過程起著重要的作用。,（一）植物營養(yǎng)物質的吸收、運轉和分配的研究,1研究植物體內物質運轉的方法1）環(huán)割法，適合于木本植物2）隔離法3）蚜蟲吻刺法,如物質的運輸方向研究,作物多探頭活體測量儀,2　物

13、質運輸速度,3　物質代謝研究,氮、磷營養(yǎng)元素既是構成生命篺基礎的重要元素，又是生命活動中催化、調節(jié)、供能等物質的主要組成之一。,1）氮的代謝研究氮是植物生命的基礎元素，它是構成蛋白質、氨基酸的主要成分。土壤中氮的吸收利用與轉化、大氣中氮的固定轉化，等等。,2）磷的代謝磷是植物體內核酸、核蛋白、磷脂、植素和多種酶類的組成成分，是植物體內物質代謝與能量代謝的調節(jié)劑。,（二）用14C研究高等植物的光合作用,生物界中的碳水化合物都來源于植物

14、或光合細菌的光合作用，它們利用光能將CO2和水同化合成葡萄糖。,葉片簡易光合標記,圖11-2 水稻葉片活體14C光合標記裝置,1光合速率的測定和光呼吸的檢出,Rubisco酶活性的測定,2　光合產物的轉移、分布,不同時期葉片光合產物的去向、比例。,（三）植物根系發(fā)育和吸收作用,植物生長發(fā)育要通過根系從土壤中吸收水分和營養(yǎng)物質，并合成多種有機物質。根系的結構、特性和生理活動以及所處土壤環(huán)境決定著植物從土壤吸收水分、養(yǎng)分及有機物質合成，從而

15、影響作物的產量，根系吸收營養(yǎng)物質是一個極為復雜的過程。同位素示蹤技術為研究根系發(fā)育，根的吸收作用提供了有利條件。,1　根系吸收作用的研究,1）根系吸收活力的測定2）根系不同部位吸收能力的研究,2　根系的發(fā)育動態(tài)和吸收中心分布,1）根系發(fā)育動態(tài)測定2）根系吸收中心的測定,四．同位素示蹤技術在生物技術中的應用,生物技術（Biotechnology）又稱生物工程，是當今世界新技術革命的支柱之一。同位素示蹤技術作為一種重要的研究手段，對生物

16、技術的發(fā)展起著巨大的推動作用。,1952年，Hershey 和Chase利用同位素示蹤技術證明了遺傳物質是核酸而非蛋白質。　1958年Meselson和Stahl用同位素(15N)實驗證明了DNA的半保留復制方式?！?0種編碼氨基酸的遺傳密碼的解讀也是通過該技術完成的。,米西爾遜-斯塔爾的半保留復制實驗 Meselson-Stahl experiment,（一）核酸分子雜交,1　斑點雜交,2　原位雜交,3　Southern 印跡雜交