用于測(cè)定谷物中蛋白質(zhì)含量及深度分布的核分析方法研究.pdf

1、蛋白質(zhì)是極其復(fù)雜的含氮有機(jī)化合物，是體現(xiàn)生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)，一切生命活動(dòng)均與蛋白質(zhì)密切相關(guān)。蛋白質(zhì)供給狀況，直接關(guān)系到人們的身體素質(zhì)和智力水平，同時(shí)也是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科學(xué)文化發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。保證蛋白質(zhì)供應(yīng)量、提高優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)供給水平是我國(guó)食品計(jì)劃的主要任務(wù)之一，而目前大多數(shù)動(dòng)物蛋白的獲得，是以消耗植物蛋白為基礎(chǔ)，因此，提高植物蛋白的產(chǎn)量是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。開發(fā)培育高蛋白質(zhì)含量、高蛋白質(zhì)質(zhì)量谷物品種，保證單位面積上蛋白質(zhì)收獲量的提高，

2、是最具應(yīng)用前景的方法之一。隨著我國(guó)人口不斷增加、人民生活水平的進(jìn)一步提高，一方面要求消費(fèi)更多糧食；而另一方面，耕地面積和水資源逐年減少的趨勢(shì)又不可逆轉(zhuǎn)，在此情況下高蛋白質(zhì)含量、高蛋白質(zhì)質(zhì)量谷物品種的成功培育又具有特別的重要性，它通過(guò)提高糧食的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值從而提高其使用價(jià)值，其意義與提高產(chǎn)量相同。 提高蛋白質(zhì)含量、改善其蛋白質(zhì)質(zhì)量一直是谷物育種的一個(gè)重要方向，在這一工作中，不管是對(duì)親本的選擇，還是對(duì)遺傳源的確定，其第一步總是對(duì)種子中蛋

3、白質(zhì)含量的測(cè)定。因此研究建立適合于谷物蛋白育種工作需要的蛋白質(zhì)含量分析檢測(cè)方法具有重要意義。 在大規(guī)模的谷物蛋白質(zhì)選種培育工作中，匯集了來(lái)自國(guó)內(nèi)外的各種育種材料，為了從中分離出有用的雜交組合或遺傳變異體，需要分析的樣品數(shù)量成千上萬(wàn)：而在育種的早期，樣品的種子量極為有限，育種學(xué)家可以分離出來(lái)用于分析的種子只有幾粒；同時(shí)由于谷物種子中蛋白質(zhì)含量實(shí)際存在的極大的易變性，因此對(duì)種子中蛋白質(zhì)含量的測(cè)定及篩選方法有其相應(yīng)要求：其一是快速、價(jià)

4、廉，以滿足對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)樣品分析的需要；其二是能對(duì)小量樣品進(jìn)行分析，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)幾粒種子樣品的分析；其三最好能識(shí)別基因型，從而在選種培育的早期排除由非遺傳因素造成的高蛋白含量的種子，減少育種學(xué)家的工作量，提高選種效率。在眾多的谷物蛋白含量測(cè)定方法中，基于<'14>N(d，p)<'15>N核反應(yīng)的瞬發(fā)質(zhì)子測(cè)量法由于其自身特點(diǎn)，可以很好滿足谷物蛋白育種工作的需要，而四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所擁有1.2M回旋加速器，具有開展用核反應(yīng)方法分析谷物

5、蛋白質(zhì)含量的設(shè)備條件。因此我們利用其產(chǎn)生的13.6MeV氘束，開展了"用于測(cè)定谷物中蛋白質(zhì)含量及深度分布的核分析方法研究"工作。在谷物種子中主要是碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)四種元素，其中氮元素的數(shù)目正比于種子內(nèi)蛋白質(zhì)含量，而碳元素的數(shù)目可用來(lái)標(biāo)記種子中干物質(zhì)的多少；因此蛋白質(zhì)含量的測(cè)定實(shí)際上便轉(zhuǎn)化為氮元素含量的測(cè)定，而氮、碳元素比則可以很好表征谷物種子中蛋白質(zhì)含量高低。當(dāng)用回旋加速器產(chǎn)生的13.6MeV的氘(d)束照射谷物樣

6、品時(shí)，氘與樣品中碳、氧、氮元素發(fā)生氘一質(zhì)子(d，p)核反應(yīng)，由于<'14>N(d，p)<'15>N核反應(yīng)有更高的Q值，因此其產(chǎn)生的出射質(zhì)子能量更高，因而存在一個(gè)質(zhì)子能量范圍，不帶入<'12>C(d，p)<'13>C、<'16>O(d，p)<'17>O反應(yīng)產(chǎn)物的貢獻(xiàn)，通過(guò)對(duì)來(lái)自于<'14>N(d，p)<'15>N反應(yīng)出射質(zhì)子的甄別記錄，可求得樣品中氮元素的含量；而由于帶電粒子(入射氘和反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子)在物質(zhì)中的能量損失，因此不同深度發(fā)生的

7、<'14>N(d，p)<'15>N核反應(yīng)產(chǎn)生的出射質(zhì)子能量不同，記錄的質(zhì)子能量和離樣品表面的距離之間存在有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而利用測(cè)得的出射質(zhì)子能譜可以分析得到氮在樣品中的深度分布。 本文基于核反應(yīng)分析的基本原理，通過(guò)對(duì)谷物樣品元素組成以及13.6 MeV氘束與這些元素發(fā)生的核反應(yīng)物理特性的分析，闡明了對(duì)蛋白質(zhì)含量均勻分布的谷物樣品的最佳測(cè)量條件，對(duì)影響種子中蛋白質(zhì)含量深度分布測(cè)定的相關(guān)因素進(jìn)行了分析計(jì)算。根據(jù)選種工作的實(shí)際需要，

8、建立了相關(guān)設(shè)備。 以耐輻射、易于較正且長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的的CsI(T1)晶體作為探測(cè)器，建立了可長(zhǎng)期使用的多角(120°、150°、165°)多路CsI(T1)探測(cè)器分析系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)氮、碳元素比的測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)含量均勻分布的谷物樣品中蛋白質(zhì)含量的快速甄別；采用谷物中蛋白質(zhì)含量測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法--K氏法對(duì)測(cè)量結(jié)果的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)標(biāo)定出了氮、碳元素比與蛋白質(zhì)含量間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；而利用<'12>C(d,p)、<'16>O(d,p

9、)核反應(yīng)微分截面的特點(diǎn)，建立了對(duì)樣品中水分含量的同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；利用建立的多角多路CsI(T1)探測(cè)器分析系統(tǒng)對(duì)小麥、水稻、油菜樣品的氮、碳元素比進(jìn)行了測(cè)定分析；同時(shí)在0.6—5MeV質(zhì)子能區(qū)，對(duì)ST1422塑料閃爍體光輸出隨質(zhì)子能量的非線性變化關(guān)系進(jìn)行了測(cè)定，以便于用ST1422塑料閃爍體(發(fā)光衰減時(shí)間小于1ns)探測(cè)器替代CsI(T1)探測(cè)器時(shí)對(duì)測(cè)得質(zhì)子能譜形狀的分析。采用多角多路探測(cè)器系統(tǒng)，每個(gè)角度的探測(cè)器功能單一，易于標(biāo)定；而同一

10、角度環(huán)形設(shè)置多路探測(cè)器，可以進(jìn)一步提高樣品分析速度；在分析過(guò)程中由于只需記錄探測(cè)器系統(tǒng)的定標(biāo)器計(jì)數(shù)，因而數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)分析測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化，在350nA氘束流強(qiáng)照射下，5秒種便可完成對(duì)一個(gè)谷物樣品的分析，很好滿足了谷物蛋白育種工作中對(duì)分析速度的需求，而幾粒種子(甚至單粒)的樣品量都可采用該方法進(jìn)行分析。 采用靈敏層厚度為3mm的鋰漂移金硅面壘型半導(dǎo)體探測(cè)器，研究建立了對(duì)谷物種子中氮元素含量深度分布進(jìn)行測(cè)定的能譜分析系統(tǒng)；

11、采用α放射源對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器進(jìn)行了能量刻度；采用13.6MeV氘束照射蜜胺(C<,3>H<,6>N<,6>)薄靶，研究確定了可用于深度分布測(cè)量的質(zhì)子能區(qū)范圍，并對(duì)來(lái)自于氮的出射質(zhì)子的能量分辨進(jìn)行了測(cè)定。對(duì)記錄能譜中質(zhì)子能量(即道數(shù))與氮深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了將測(cè)得的質(zhì)子能譜道數(shù)轉(zhuǎn)換為其對(duì)應(yīng)的氮元素深度；而采用氮元素含量均勻分布的厚標(biāo)準(zhǔn)樣品靶，對(duì)其在13．6MeV氘束照射下的出射質(zhì)子譜進(jìn)行測(cè)定，以其為標(biāo)準(zhǔn)歸一消除<'14>N(

12、d，p)<'15>N核反應(yīng)微分截面隨能量變化的影響，得到種子樣品中氮元素的深度分布。采用建立的半導(dǎo)體能譜分析系統(tǒng)對(duì)小麥種子中氮元素含量深度分布進(jìn)行了測(cè)定，其有效分析深度可達(dá)300μm，而深度分辨約25μm，完全可以將小麥的不同層次結(jié)構(gòu)區(qū)分開，因而可用于谷物穎果發(fā)育過(guò)程中不同形態(tài)部分氮元素(蛋白質(zhì))的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律研究、種子中蛋白質(zhì)分布與品種遺傳相關(guān)性、環(huán)境因素對(duì)不同形態(tài)部分蛋白質(zhì)含量的影響研究等工作，并進(jìn)而建立對(duì)基因型高蛋白種子的識(shí)別篩選