核农学

核技术与农学结合的交叉学科

核农学（nuclear agronomy）是由核科学技术与农学相结合而形成的新型交叉学科。它为揭示或阐明农业生产活动的机理提供了科学基础，是农业现代化的重要标志之一。大体上包括辐照育种、农用同位素示踪和核分析技术、食物辐照储藏和保鲜、病虫害防治等几个方面。

学科简介

核农学是研究核素、核射线等有关核技术在农业科学研究和农业生产中的应用及其基础理论的一门学科，是介于核科学与农业科学之间的一门新型交叉学科。主要研究领域是辐射遗传和育种学、放射生物学、辐照保藏技术、示踪原子应用等，其应用领域不断扩大，并已取得显著成绩。我国核农学的创始人是徐冠仁博士。

在辐射育种方面，中国在这一领域居世界领先地位。应用辐射方法已培育出500多个植物良种，建立了完整的辐射育种程序。发展趋势是扩大应用领域，加强定向诱发突变，提高诱变率和辐射育种基础理论研究。

辐照保藏技术具有节约能源，卫生安全，保持食品原来的色、香、味和改善品质等特点，应用越来越广泛，技术也日趋成熟。

同位素示踪技术在农业上的应用，解决了农业生产中的土壤、肥料、植物保护、动植物营养代谢及放射免疫等技术关键问题。对揭示农牧渔业生产规律，改进传统栽培养殖技术，具有重要作用。

昆虫辐射不育技术是现代生物防治虫害的一项新技术，是目前可以灭绝某一虫种的有效手段，将加强其应用基础及技术研究。

生物的辐射刺激增产已在蚕豆和渔业生产中获得成效。放射生物学和辐射遗传学也在农业科研及生产中起积极的作用。

核农学包括辐照育种、农用同位素示踪和核分析技术、食物辐照储藏和保鲜、病虫害防治等几个方面。

辐照育种

利用核辐射提高农作物育种质量和产量的方法。自1927年开始研究辐照育种以来，获得了不少优良品种。种子繁殖作物系指用辐射诱发植物种子基因突变培育的植物，如水稻、小麦等；无性繁殖作物系指将植物细胞、胚芽和组织进行试管离体培养，并结合辐照处理培育而成的植物，如观赏花卉、香蕉等。中国在种子繁殖作物的辐照育种方面居国际领先地位，但在无性繁殖方面离国际先进水平还有很大差距。

辐照育种相对于传统育种的优点是突变率比自然变异率高100—1,000倍，方法简便，且育种周期短。由于利用中子、离子束、γ射线等辐射源，可引起生物体遗传器官的某些变异，如染色体或核酸分子的某种断裂，有可能使原品系遗传中的某些不良基因丢失，并保持原初的优良基因，从而达到高产、早熟、增强抗病能力、改善营养品质的目的。也可能通过改变作物的孕性，使自交不孕植株变为自交可孕的变异植株。中国在粮食等种子繁殖作物的辐照育种方面已取得重大进展，培育出的大面积推广的作物良种约占全世界的1/3，每年由辐照育种技术增产的粮食约达4×1010千克以上。用辐照技术已培育的良种有水稻“原丰早”、小麦“山农辐63”、玉米“鲁原单4号”、大豆“铁丰18号”、高粱“晋杂1号”、花生“粤油1号”、棉花“鲁棉1号”等。

辐照育种领域的重点研究方向有：

①新型辐射源的应用。传统的γ源正让位于快中子、离子束（包括重离子束）、等离子体等。国际原子能机构与世界粮农组织合作，制订了“利用中子辐照育种”的国际合作计划。中国亦利用中子培育出了一批推广前景诱人的新品种。如水稻的广和亲系“02,428号”、“中包2－6号”、“中窄4号”、“红早”、“中科1号”等；小麦品系的“N77－15－1－1号”、“81－3号”、“中红1号”等。中国等少数国家的科研人员还开展了离子束辐照育种的研究，这种方法表现出生理损伤小、突变率高、突变谱广、突变体稳定等特点，具有诱人的应用前景。

②联合使用多种辐射。由经典的单一辐射方法育种，正在往多种辐射联合使用过渡。近期用中子和离子束联合辐照培育的品种越来越多，由于中子和离子束在生物体内有很强的电离效应，可使辐照诱发的核过程多样化。国际上还兴起了用辐射与化学诱变剂相结合的育种方法。

③定向辐照育种。随着遗传工程、分子生物学等学科的迅速发展，辐照育种正从随机型走向定向型。如利用不同的辐照技术，有的提高粮食的含氮量（氨基酸含量），有的增进农作物的抗环境变化能力或抗病虫害能力，有的缩短观赏花卉的培育期或提高观赏价值等。

④辐射生物学的基础研究。有目的地选择电离辐射，掌握合适的辐照物理参数及生物环境条件，定向切割基因及拼接基因，研究辐射对染色体、DNA、基因和酶等的作用机理。

⑤微离子束技术的研究与应用。

示踪和核分析

同位素示踪和核分析

在新型农用生长素、作物的营养与代谢、栽培技术及养殖技术的改进、农业生态学、土壤改良、生物固氮、防治病虫害等方面已发挥了积极作用。

①微肥和微施。已知农作物从耕作土壤中摄取植物生长、开花、结子所必须的微量元素，由此导致土壤中生物所需微量元素的匮乏。另一方面，由于大量施用化肥，元素的拮抗效应也导致微量元素有效含量亏损，其后果是农作物产量下降或其品质恶化。迄今已发现有Zn、Cu、Fe、Mn、Co、Se、Cr、Mo、V、Ti等微量元素在植物代谢过程中具有重要的生理作用，能增加植物体内叶绿素的含量，提高光合作用效率和促进光合产物的运转，有利于增加作物的结实率和干物重。在这类研究中，已广泛应用中子活化分析技术、质子激发X荧光分析技术、同位素示踪技术等，提供了大量关于农作物生长环境的微量元素背景值、微量元素在作物中的分布、吸收、蓄积、迁移等新陈代谢规律，以及分子生物学水平上微量元素的生物效应等科学信息。

②光合作用与生物固氮机理的研究。利用14C和15N同位素示踪技术揭示农业科学中这两种最重要的基本作用的机理。光合作用是生物体内实现物质及能量转化的机制，而生物固氮作用则是利用微生物固氮酶将空气中的氮直接且高效地转化为植物可利用氮的过程。用同位素示踪技术研究光合作用始于20世纪50年代，并借此项核技术提出了著名的卡尔文循环，以解释光合作用的机理。现已发展到用14C标记的14CO2研究作物各部位的光合强度、环境因素（光谱特征及光入射方向、温度、水分、二氧化碳浓度）对光合作用的影响，以及测定绿色器官的光合强度及其对农作物产量的贡献。此外，还利用同位素示踪研究田间作物光能吸收率和作物生理状态，从而在植物整体和群体水平上揭示作物利用光能的规律，实现农作物的高产优质。在生物固氮方面，可利用15N同位素示踪技术鉴定固氮菌种、测量固氮量、研究固氮规律及其机理。

③植物营养代谢及肥效研究。利用同位素示踪和核分析技术，可揭示营养成分的吸收、运输、分布、再利用等植物生命活动的基本代谢作用，从而改进栽培技术，提高肥料利用率。利用14C同位素示踪技术已发现植物根系能从土壤中吸收二氧化碳，这一发现不仅具有重大的理论价值，而且对有机肥料的施用具有指导意义。利用同位素示踪技术已发现尿素在水田一次全层基施，可提高氮肥利用率10%—20%，而在水稻田施用磷矿粉，肥效很低，利用率只有0.1%—0.2%。同位素示踪试验还证实，有的植物的叶面和根部一样，也能吸收营养成分，这为改进施肥方式提供了科学依据。

④农业生物工程。可用同位素示踪技术标记生物体的各种分子组分，如蛋白质、氨基酸、醣类、酯类、核苷、激素、DNA和RNA等，甚至可标记染色体、细胞、抗体、病毒、噬菌体和微生物等，所以在农业生物工程中有广泛用途。可用于基体的表达、分离、剪切、重组和转运等，培育出具有优良基因的突变体，改造植物品系，发展优良性状，消除劣质因素。借助于同位素示踪技术的基因工程，还用于畜牧业、养殖业、林业等领域。

辐照储藏和保鲜

系用核辐射杀死食物中的病菌和害虫以达到保鲜储藏的方法。与常用的传统方法（高温蒸煮、冷冻、干燥、腌制和熏制、真空保存等）相比，具有以下特点：

①节约能源。据国际原子能机构统计，每吨冷藏食品能耗为3×108焦耳，巴斯德氏消毒加热法为8×108焦耳，而辐照法仅为270焦耳。

②穿透力强。核辐射具有较强的穿透力，以60Co的γ射线为例，其在水中的半减弱层为11厘米，因而可深入到食品内部，杀死隐藏很深的病菌和害虫，从而可达到长期保存的目的。

③安全卫生。食物辐照不需化学添加剂，不存在化学法带来的残留毒性，也不会产生感生放射性，不污染环境。国际原子能机构和世界卫生组织指出，食品辐照不是一种添加剂，而是一种物理学加工方法。任何食品当其总体平均吸收剂量不超过10千戈瑞时没有毒理学危险，不要求做毒理学试验，同时在营养学和微生物学上也是安全的。这一结论已为世界食品法规委员会认可。

④具有保鲜能力。常规方法保存后的食品，已丧失其原有的色香味，而辐照方法属于冷加工，在食品辐照过程中一般温升很小。根据吸收剂量及食品的热容量可以推算出，对大多数蔬菜、水果保鲜所需剂量为0.1—1千戈瑞时，温升不超过1℃。

病虫害防治

昆虫辐射不育是一种利用核辐射防治病虫害的有效技术。其原理是，在核辐射作用下，昆虫会丧失繁衍能力。与传统技术相比，辐射不育技术有下列特点：

①无农药污染，有利于环境保护；

②杀虫选择性强，不会在杀灭害虫的同时，殃及其他有益生物或害虫的天敌；

③不会像农药易使害虫产生抗药性；

④防治效果持久。国际原子能机构和全世界几十个国家已对上百种害虫进行了辐射不育研究，主要害虫为螺旋蝇、采蝇、果蝇、棉红铃虫、苹果蠹蛾、黄螟、玉米螟与小菜蛾等，取得了显著的经济效益与社会效益。昆虫辐射不育技术还有可能应用到对人类有害的昆虫（如家蚊）的防治计划，为消灭这类害虫传染的疟疾、脑炎等作出贡献。

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