浅谈激光技术在生物育种中的应用

小议激光处理对植物种子的作用一、前言激光育种是诱变育种的一个分支,我国的激光育种开始于1972年,已经取得了令人瞩目的成绩。

通过激光育种可以提高种子的活力、促进生长发育、提高产量等,适当剂量的激光辐射可以提高种子的萌发率,提高酶的活性、叶绿素的含量以及植物的抗逆性。

二、常用植物育种的激光种类及特性我国用于植物育种的激光种类很多,其中最经常用到的是He-Ne激光处理和CO2激光处理。

He-Ne激光处理的工作物质是He气和Ne气,其输出功率与放电毛细管长度有关。

He-Ne激光由于方向性好(发散角达1毫弧度以下),单色性好(带宽可小于20周),输出功率和波长能控制地很稳定,因此常用来作为处理植物种子的手段,但是He-Ne激光的缺点是功率小。

CO2激光处理的工作物质是CO2气体分子作为工作物质,产生红外激光,CO2激光和He-Ne激光相比,优点是功率大。

三、激光处理对植物种子产生的效应激光处理植物种子,会对植物种子的性能及其萌发的植物体产生各种各样的影响。

下面通过具有代表的两种激光类型论述对植物种子所产生的效应。

1、He一Ne激光处理油松种子对发芽率影响油松是我国飞播造林的主要树种之一,但是由于油松种子皮厚且坚硬,表皮致密,水分和空气都不易透过,从而影响种子的呼吸,酶活性等变化,导致发芽期长,发芽率低,严重的影响造林和育苗的质量。

在对播种前的油松种子进行激光处理时,要选取颗粒大小均匀、种粒饱满的种子,用低浓度的KMNO溶液侵泡几分钟后,再用清水洗,捞出晾干,再用He—Ne激光器进行处理。

下面是激光处理油松种子对发芽率影响的试验结果: 发芽率(%)随时间(d)变化(表1) He一Ne激光处理油松种子对发芽率影响用He一Ne激光处理后的油松种子比对照组提前2~3天发芽,且发芽率提高~20%。

在激光功率相同的条件下,作用时间不同时,发芽率不尽一致。

在作用功率大小不同时、发芽率也不同,说明He一Ne激光处理油松种子的发芽率与激光功率、作用时间存在某一最佳对应关系,作用功率较大,作用时间较短,发芽效果越好。

激光在农业物理中的应用激光是一种新型光源激光是受基辅设官放大产生的，一种单色性方向性和相关性都很好的强光光束，激光器是20世纪，的重大发明之一，是人造光源的一次革命，自1960年美国的蔓美发明了第一台红宝石激光器以来，在激光产生短短的几十年时间里，无论是激光理论还是，激光技术激光的应用等方面都取得了非徒飞猛进的发展机关已经在工业国防应学，等领域越来越，多的应用近十年来激光在农业中的应用也取得了可喜的成果。

它具有定向发光，亮度极高，颜色极纯，能量密度极大等特点。

激光加工技术在农业的作用大概有目前以下几种：1.激光技术在种方面的应用激光诱发育与突变育种，工作来自20世纪70年代初在我国起步以来，无论是粮食作物、经济作物、领域还是在水生水长，以及微生物领域都取得了丰硕的成果仅从错误方面到1995年就已经育成，四十二个新品种应用激光波长从远红外到可见光到紫外等。

激光处理种种子诱发突变作用，与一般射线并无本质的区别。

都是通过引起染色体结构的起病和遗传物质分子的改变，最后导致其性状和特性发生变异，再通过细胞分裂遗传给后代，经过人为的选择和培育而易成新品种。

应用激光与植物培养的相结合，培养新的植株，创造有益于人类的新品种。

例如科学家用4D个白鹤玉米种子,用二氧化碳氧体激光器,输出为波长10.6微米的不可见远红外激光,能量密度约为150焦尔/厘米“,照射种子处理,比对照发芽时间约提前10小时,秆高增加1.5尺,茎粗,6级风不易刮倒。

13棵玉米中,有4棵是双棒,产量比对照多6.6斤,增产20形左右。

此外，对良种消毒等也是激光新型的利用。

2.激光技术对农作物生长的影响激光促进作物生长发育提高产量和品质，经激光照射的植物种子由于种皮和内部细胞的透性增加，使水解酶的活性增高，从而加速了种子萌发过程的内部生理生化性质的改变，自己的细胞的活跃生长，提高走种子的代谢能力。

处理过的种子播种后一般表现为，出苗早出苗率高，幼苗根系发达，叶绿素含量高，光合作用强。

激光技术在生物科学中的应用在当今科技飞速发展的时代，激光技术以其独特的性质和优势，在生物科学领域中发挥着日益重要的作用。

从细胞层面的研究到生物组织的成像，从基因治疗到医疗诊断与治疗，激光技术正不断为生物科学带来创新和突破。

激光，全称为“受激辐射光放大”，具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等显著特点。

这些特性使得激光能够在生物科学研究中实现精确的操作和测量。

在细胞生物学研究中，激光技术的应用为我们打开了一扇深入了解细胞内部结构和功能的窗户。

例如，激光共聚焦显微镜就是一种基于激光技术的重要工具。

它利用激光作为光源，通过逐点扫描样品，能够获得高分辨率、清晰的三维细胞图像。

研究人员可以借此观察细胞内细胞器的分布、蛋白质的定位以及细胞骨架的动态变化等。

此外，激光捕获显微切割技术也是一项令人瞩目的应用。

在复杂的组织样本中，研究人员常常需要分离出特定类型的细胞进行进一步分析。

激光捕获显微切割技术可以利用激光的能量，精确地选择并切割出目标细胞，而不损伤周围的细胞。

这对于研究疾病发生过程中特定细胞的变化，如肿瘤细胞与正常细胞的差异，具有重要意义。

在基因治疗方面，激光技术也展现出了巨大的潜力。

光遗传学技术就是其中的一个典型例子。

通过基因工程手段，将对光敏感的蛋白质基因导入到细胞中，然后利用特定波长的激光照射来激活或抑制这些细胞的活动。

这为治疗神经系统疾病，如帕金森病、癫痫等，提供了新的思路和方法。

激光技术在医疗诊断领域同样发挥着关键作用。

激光荧光光谱技术可以检测生物体内微量物质的含量和分布。

例如，通过检测血液中某些特定蛋白质的荧光信号，能够早期诊断某些疾病。

在医疗治疗方面，激光手术已经成为一种常见且有效的治疗手段。

激光近视手术就是广为人知的应用之一。

通过精确控制激光的能量和作用时间，可以重塑角膜的形状，从而矫正近视。

此外，激光在肿瘤治疗中也有应用。

激光可以精确地破坏肿瘤组织，同时减少对周围正常组织的损伤。

然而，激光技术在生物科学中的应用也并非一帆风顺，还面临着一些挑战和限制。

激光与生物组织的相互作用原理及应用激光与生物组织的相互作用是指激光能量与生物体内的组织相互作用的过程。

激光通过选择性地被吸收或穿透生物组织，从而对组织产生一系列的生物学效应。

其作用原理与激光的特性以及生物组织的光学特性密切相关。

激光在与生物组织相互作用时，主要表现出以下几种相互作用方式：1.吸收：激光能量被生物组织吸收，产生热效应。

组织中的色素如黑色素、血红蛋白等，可以吸收激光的能量并转化为热能，从而使组织发生损伤。

2.穿透：激光能量可以穿透生物组织，造成组织的光损伤。

不同波长的激光在组织中的穿透能力不同，通常红外激光能够深入组织更远，而紫外激光则能够较浅层地穿透组织。

3.散射：激光在组织中发生散射，形成了照明效应。

散射使光线的传播路径变得随机，使组织内部的分子与激光发生更多的相互作用，从而影响光照射的深度和效果。

激光与生物组织的相互作用在医学和生物科学的许多领域中有广泛的应用：1.医学领域：激光在医学领域中被广泛用于诊断和治疗。

例如，激光可以用于照射血管、肿瘤和其他异常组织，达到止血、切割、烧灼等治疗的效果。

同时，激光还可以用于眼科手术、皮肤整形等领域。

2.生物科学研究：激光在生物科学研究中也有重要应用。

例如，激光可以用于显微镜成像，通过激光的荧光激发和发射，实现对生物组织或细胞的高分辨率成像。

此外，激光还可以用于高通量测序技术、单细胞分析等前沿研究领域。

3.激光切割和焊接：激光切割和焊接技术在工业领域有重要应用。

激光切割能够实现高精度、高效率的金属和非金属材料的切割；激光焊接则可以实现无接触、高质量的焊接，广泛应用于汽车、航空航天等工业部门。

总之，激光与生物组织的相互作用原理决定了其在医学、生物科学和工业等领域的广泛应用。

随着技术的不断进步，激光在生物组织中的应用前景将会更加广阔。

激光在农作物遗传育种上的应用
一、激光在农作物突变育种中的应用
1. 激光诱导突变技术：利用激光辐射作用，使DNA链断裂、交换、缺失、添加等突变，从而创造新的生物体。

对于农作物育种来说，这种技术具有很大的潜力，可以大大缩短育种周期，提高育种效率。

2. 激光选择技术：通过选择具有特定生理或形态特征的突变体，筛选出适宜于生产的优良品种。

比传统的选择技术更加快速、准确。

二、激光在农作物基因编辑中的应用
1. 基因克隆技术：利用激光在细胞膜上产生微小孔，将外源DNA导入细胞内，实现外源基因的克隆。

可以将优良品种的基因导入到其他农作物中，从而创造出更加优良的品种。

2. 基因靶向修饰技术：通过利用激光产生的微小孔，导入基因修饰工具（如CRISPR-Cas9系统），实现对目标基因的精准编辑。

可以针对一些顽固性病害、耐旱耐盐等特质进行基因编辑，创造更加适应复杂环境的优良品种。

三、激光在农作物生长调控中的应用
1. 光合作用的调控：激光可以用作光源，辐射在农作物上可以促进光合作用的进行，提高光合效率，从而促进农作物的生长发育。

2. 全光谱光照技术：利用激光发光的特定波长，对农作物进行全光谱照射，可以调节植物的生长周期和形态特征，如促进开花、增加果实大小等。

四、激光在农作物营养品质改良中的应用
1. 成分检测技术：利用激光的光谱测量特性，能够快速精准地检测农产品中各种成分、营养含量等信息，可以为农作物的营养品质检测提供更加合理的标准。

2. 保鲜技术：激光可以利用其消毒杀菌的特性，延长农产品的保鲜期限，减少农产品的损失。

同时，利用激光的干燥技术和微波技术，可以保持农产品的口感和营养品质。

激光诱变技术在生物育种中的应用摘要阐述了激光诱变技术的机理,介绍了激光诱变技术在农业育种、微生物育种和其他生物育种方面的应用成果,提出了激光诱变技术在生物育种应用中存在的问题并展望其发展方向。

随着激光诱变技术的发展,在激光生物工程技术(激光微束技术、激光细胞融合技术、激光导入外源基因等方面)基础上诱变育种工作提高到一个新的阶段激光微束技术是利用激光亮度高、光谱纯、可调谐、发散角小等固有特点,将激光束用光学系统聚焦形成非常细的光束,光斑直径小到甚至10-7m,并使之在细胞内聚焦而不破坏细胞膜,对细胞核和细胞器进行操作(如去掉细胞壁,进行细胞融台、切割染色体等)。

这种技术可应用于高等植物特别是农作物、植物染色体工程、基因定位及植物染色体片断DNA 的微克隆。

关键词激光诱变;机理;生物育种0引言激光诱变作为物理诱变的一种方式,其生物学效应直接来源于其产生的光、电、热、压力和磁效应的综合作用。

上述效应累积,使细胞DNA分子吸收、聚积能量并进行能量再分配,使细胞DNA处于一种易于突变的状态,继而发生一系列的诸如断联等物理和化学变化，键、聚合、交导致DNA分子结构的改变即DNA 分子的损伤和突变,最终引起突变株生物学属性变化[1]。

如果是控制某种代谢途径的酶系基因水平上的改变,则有可能增加某一特定代谢产物的积累[2]。

相对于传统的紫外诱变手段,激光诱变具有高效、稳定、高选择性、回复突变率低、定向变异率高、辐射损伤轻、当代变异、无污染等优点,并且激光还可促使作物增产、提高植物的光合效率、根尖有丝分裂频率等生物效应发生,而逐渐受到研究人员的关注。

激光对生物体作用的研究已有40多年的历史,随着科学技术的发展和研究水平的深入,激光诱变技术在植物及微生物诱变育种,品种改良的生产实践中得到了广泛推广和应用。

激光诱变技术在生物育种中使用的激光器种类繁多,波长从红外到紫外,几乎每一个波段的激光都有效果。

激光诱变育种常用的激光器及使用的频率详其中以CO2和He-Ne激光器最为常用光育种[3]。

激光在现代农业及生物科学中的应用1 激光在农业中的应用近年来，激光技术在现代农业及生物科学领域发挥着重要作用，与其他技术形成了一种有效的组合，实现了农业和食物、能源、环境和其他实用科技的深度融合。

激光在农业应用领域的更新发展，极大的提升了农业的生产效率。

比如，精准激光熔炼技术可以更有效地优化农场设施和繁殖场的运行，使其可以更好地应对不可预测的天气和节假日的影响，从而实现更加稳定和可靠的农业管理。

而在现代农业领域，激光还用于精确定位和遥控操作农业机械，比如畜牧和植物栽培。

随着移动终端的不断普及，激光可以在任何时间、任何地点对农业信息进行实时采集和管理，使农民可以通过移动终端进行大量的农业管理和活动。

此外，激光还可以用于实验室在多种植物基因转录、培养、杂交和基因组分析等生物科学研究中，所获得的可完整利用，从而及时、快速、准确地提升农作物产量，提高农产品质量。

2 激光在生物科学中的应用目前，激光技术已在全球多个生物药学方向得到了广泛的应用。

在药物研发中，激光技术可以用于细胞核与细胞组织分析，包括细胞形状、细胞运动及调节等，从而更加清晰和准确的了解健康和疾病的形成机制，并提出科学的治疗方案，或根据不同需要，调整药物剂量和替代品来获取最佳效果。

此外，人力基因组研究、植物基因测序等也需要激光技术来实现准确检测，以找出疾病的基因标记和相关基因位点。

再通过激光熔炼处理，可以调整和改变生物科学检测仪器的结构与特性，以及传感器的敏感度，从而提供更有利的结果。

总之，激光技术在现代农业及生物科学中的应用，为现代机器人、自动化实验室、农产品检测等诸多研究提供了有效便捷的服务，它们的发展潜力巨大，对未来的农业科技发展具有重要意义。

微生物诱变育种的方法摘要:介绍了几种常用的物理诱变和化学诱变育种方法的原理、特点以及成功案例等,为微生物诱变育种提供了一个总体的方法框架。

关键词:诱变; 微生物育种微生物与酿造工业、食品工业、生物制品工业等的关系非常密切，其菌株的优良与否直接关系到多种工业产品的好坏，甚至影响人们的日常生活质量，所以选育优质、高产的微生物菌株十分重要。

微生物育种的目的就是要把生物合成的代谢途径朝人们所希望的方向加以引导，或者促使细胞内发生基因的重新组合优化遗传性状，人为地使某些代谢产物过量积累，获得所需要的高产、优质和低耗的菌种。

作为育种途径之一的诱变育种一直被广泛应用。

目前，国内微生物育种界主要采用的仍是常规的物理及化学因子等诱变方法。

1 物理诱变1.1紫外照射紫外线照射是常用的物理诱变方法之一，是诱发微生物突变的一种非常有用的工具。

DNA和RNA的嘌呤和嘧啶最大的吸收峰260nm，因此在260nm的紫外辐射是最有效的致死剂。

紫外辐射的作用已有多种解释，但比较确定的作用是使DNA分子形成嘧啶二聚体[1]。

二聚体的形成会阻碍碱基间正常配对，所以可能导致突变甚至死亡[2]。

马晓燕[3]等以紫外诱变原生质选育法筛选发酵乳清高产酒精菌株马克斯克鲁维酵母菌株ZR-20，比优化前的酒精产率提高10.5%，较出发菌株提高了68%。

顾蕾[4]等通过紫外诱变红酵母ns-1原生质体，获得类胡萝卜素产量明显提高的突变株，其生物量、色素产量分别为6.15g/L、6.41mg/L，分别比原始菌株提高了67.6%、54.1%。

紫外照射诱变操作简单，经济实惠，一般实验室条件都可以达到，且出现正突变的几率较高，酵母菌株的诱变大多采用这种方法。

1.2电离辐射γ-射线是电离生物学上应用最广泛的电离射线之一，具有很高的能量，能产生电离作用，可直接或间接地改变DNA结构。

其直接效应是可以氧化脱氧核糖的碱基，或者脱氧核糖的化学键和糖-磷酸相连接的化学键。

激光技术在农业中的应用前景在当今科技飞速发展的时代，激光技术已不再局限于工业、医疗和通信等领域，其在农业中的应用也逐渐崭露头角，并展现出广阔的发展前景。

农业作为人类生存的基础产业，一直在不断寻求创新和改进的方法，以提高生产效率、保障农产品质量和可持续发展。

激光技术的引入，为农业带来了新的机遇和突破。

激光技术在农业种植方面的应用具有显著的优势。

在种子处理环节，激光辐照可以提高种子的发芽率和活力。

通过精确控制激光的能量和波长，能够刺激种子内部的生理生化反应，打破种子的休眠状态，促进种子的萌发。

这意味着在播种相同数量种子的情况下，可以获得更多健康、茁壮的幼苗，为后续的生长和丰收奠定良好的基础。

在作物生长过程中，激光技术还可以用于精准除草。

传统的除草方式往往依赖化学除草剂，不仅可能对环境造成污染，还可能影响作物的生长。

而激光除草则能够实现高度的精准性，只针对杂草进行照射，利用激光的高能量瞬间破坏杂草的细胞结构，使其死亡。

这种方式不仅减少了化学药剂的使用，降低了农业生产成本，还有利于保护生态环境和农产品的安全。

激光技术在农业灌溉方面也发挥着重要作用。

通过激光测量技术，可以精确地获取农田的地形、土壤湿度和作物需水信息。

基于这些数据，能够实现智能化的精准灌溉，确保水资源得到合理利用，避免浪费。

在水资源日益紧张的今天，这对于保障农业生产的可持续发展具有重要意义。

在农产品检测和质量控制方面，激光技术同样表现出色。

激光光谱分析技术能够快速、无损地检测农产品中的营养成分、农药残留和重金属含量等指标。

与传统的检测方法相比，激光检测具有更高的灵敏度和准确性，能够在短时间内对大量的农产品进行检测，为市场监管和消费者的食品安全提供有力保障。

此外，激光技术在农业机械的制造和改进方面也具有重要价值。

利用激光切割和焊接技术，可以制造出更加精密、耐用的农业机械零部件，提高农业机械的性能和可靠性。

同时，激光标记技术可以为农业机械和农产品提供清晰、持久的标识，便于追溯和管理。

激光在农业领域的应用1、引言激光是由激光发射器发射出来的一种与自然光不同的特殊单色光,具有亮度高,定向性强和极好的单色性等优点。

自其在60年代问世以来,在自然科学领域内大显身手,在生产上己得到广泛应用,也成为发展现代化农业的一项高新技术,并取得显著效果，在诱变育种、增强种子活力、促进生长发育、提高产量和品质、平地整地、提高节水灌溉能力、防治病虫害等方面发挥着越来越重要的作用。

2、激光在农业领域的一些典型应用2.1 激光诱变育种从20世纪60年代开始，美国、前苏联、澳大利亚、加拿大等国就已将激光用于诱变育种。

我国激光育种始于1972年，并在粮食作物、经济作物乃至微生物育种、牲畜育种、鱼类育种领域取得显著成果，取得了良好的经济效益和社会效益。

应用育种的激光器波长从远红外1 18．8um，10．6 um，到可见光694．3nm，632．8nm，530nm，441． 6nm，到紫外337．1nm，265nm等；常用的激光器有CO2、He-Ne、N2、钕玻璃、红宝石、Ar 、YAG等，其中以C02和He-Ne 激光最为普遍。

图一激光育种农作物图二激光育种鱼类2.2 提高种子活力低剂量激光能使机体当代产生光化学效应，DNA酶系统活性提高，有丝分裂加快，核仁、器官活化，可使种子发芽率提高、出苗加快、苗期生长旺盛、植株矮化、分蘖增加、提早开花和成熟、增加产量。

报道较早的是美国和加拿大，用红宝石激光处理蚕豆、萝卜、紫花、苜蓿和南瓜种子．提高种子发芽率及发芽势。

我国在20世纪70年代初开始研究，现已在水稻、小麦、大麦、棉花、高粱、玉米、大豆、甜菜、蕃茄、黄瓜、青椒、马铃薯及甜橙等方面取得成果。

激光促长的主要途径有照射种子、照射植株和照射灌溉水，国内目前主要是照射种子。

长期实践表明，低剂量激光照射不仅在提高种子活力方面有短生物效应，而且对秧苗的生长和发育有长期的生物效应。

图三“激光种子”2.3 激光平地整地激光平地整地技术是利用激光独有特性，将激光束作为控制手段，控制液压平地机具的升降高度。