第1章物理诱变
1.1辐射种类
本章是主要基于1977年出版的《突变育种手册（第二版）》中有关辐射诱变章节的更新版。物理诱变剂是指所有的核辐射和放射性源，包括非电离辐射——紫外线和若干不同类型的电离辐射，即X射线和Y射线、a粒子和P粒子、质子和中子。本章概述了植物突变育种中使用的主要物理诱变剂，涵盖了它们的物理特性、作用方式和共性原理，以及如何将其应用于植物诱变等。
有若干种电离辐射可用于诱发植物突变。这些电离辐射的共同特征是释放电离能量。但是，它们彼此之间也存在一些差异，具体表现在释放的能量大小、穿透力强弱及对操作人员的危险程度等方面（表1.1和图1.1）。
1.1.1X射线
众所周知，X射线源于核外电子，而非原子核的能量。与Y射线和紫外线（ultraviolet，UV）—样，X射线是以量子形式发射的电磁辐射，它们的差异在于波长。y射线和X射线波长为0.001～10nm，而UV为2000～3000nm。在X射线辐射仪中，电子在高真空中被电场加速，然后通过轰击靶物质如钨、金或钼屏障等而突然停止，进而导致辐射的发射（图1.2a，图1.2b）对于诱发突变，通常优选短波长的硬X射线，因为其穿透力大于具有更长波长的软X射线。X射线辐射仪（恒定电位的机器除外）所发射的最短波长与X射线管的峰值工作电压（kVp）相关，峰值工作电压越高，波长越短。在发射产生硬X射线时，通常使用特定的滤波器，如0.5mm的铝质滤波器，以吸收不需要的软辐射。峰值工作电压和电流、滤波器的厚度和种类、X射线管与靶物质的距离、剂量和剂量率都会影响结果，因此每次都应该记录下来（Mehta and Parker，2011）。
1.1.2y射线
一般来说，由原子的不稳定原子核衰变所发射的Y射线具有较短的波长，因此每个光子具有比X射线更多的能量。与X射线形成对比，单能高能Y射线通常是从放射性同位素获得的。Y射线辐射设备可以通过与X射线机类似的方式用于急性或半急性辐射。伽马室室）是诱发植物突变的最常用的辐射装置。截至2004年，全世界约有200个伽马室在使用（IAEA，2004）。y射线源对长时间处理更具显著优势，因为它可以置于可控装置内（图1.3a，图1.3b）、温室里（图1.4a，图1.4b）或大田中，以便植物在不同时间和不同发育阶段接受辐射处理。
同位素钴-60（60Co）和铯-137（137Cs）是Y射线的主要来源。除天然放射性同位素外，还可使用回旋加速器产生人造Y射线（IAEA，2004）。许多装置都使用137Cs，因为其半衰期为30.17年，比MCo的半衰期（5.26年）长得多。需要注意的是，出于安全目的，必须将这两种放射性同位素始终屏蔽在铅容器中。IAEA于2016年出版的安全手册《电离辐射防护和辐射源安全的国际基本安全标准》（International Safety Standards for Protection Against Ionizing Sources or Basic Safety Standard）介绍了安全使用丫源的详细信息。
1.1.3紫外线
紫外线（UV）是一种常用的非电离辐射（如汞杀菌灯释放的253.7nm射线），因其经常用于植物突变的诱发，特别是用在花粉粒、细胞和植物组织培养物的诱变中，故本节将对其展开讨论。UV辐射通常分为三类：UV-A、UV-B和UV-C。它们在紫外光谱中的波长范围分别为UV-A区320～390nm、UV-B区280～320nm、UV-C区100～280nm。
UV在组织中的穿透深度有限，其用途仅限于处理敏感的材料，通常为单个细胞或单层组织，如孢子、悬浮细胞培养物和花粉粒。然而，随着细胞和组织培养物在植物突变育种中的应用越来越多，UV作为诱变剂的使用也越来越多，特别是在寻找单个突变基因时（参见第8章）。单色（或接近单色）的UV-C对光合作用、暗呼吸和蒸腾作用都有明确的生物学效应（Castronuovo et al.，2014），因此可以使用它对实验结果进行定量评估。
对UV的早期研究集中在DNA损伤、DNA修复和花粉辐射上。以UV对玉米花粉的辐射研究为例，经UV辐射处理后转座因子（transposable element，TE）被重新激活，从而发生间接基因突变（Jardim et al.，2015）。紫外线仪的介绍和用UV处理植物材料的步骤参见Mba等（2012，2013）的论文。UV-B对包括质体结构（主要是类囊体膜）在内的植物细胞的表面或近表面区域都具有强烈的损伤效应，进而对光合作用产生很大影响（Kovacs and Keresztes，2002）。
1.1.4a粒子
a粒子在结构上与氦原子的原子核等同，是从原子序数大于82的放射性核素（如镭和钚）中发射出来的（L’Annunziata，2016）。食入或吸入a粒子对人体具有潜在的健康危害。但a粒子的组织穿透力低，如仅能穿过表皮，这使它们在诱发植物突变中的效率很低（vanHarten，1998）。
1.1.5P粒子
P粒子在放射性衰变过程中从原子核发射出去（L’Annunziata，2016），能有效诱发突变。尽管P粒子比X射线或Y射线的穿透力低，但P粒子（如来自3H、32P和35S的P粒子）在靶组织中产生的效果类似于X射线或Y射线。P粒子穿透力低的难题可以通过将放射性同位素放入溶液处理目标植物材料加以解决。如此，32P或35S可直接掺入细胞核中并诱发突变，如在水稻和棉花中观察到的那样（Mba et al.，2012）。由于组织间及细胞间的差异性，很难确定内部P粒子的确切剂量，因此其在突变育种中的使用受到了限制。Kharkwal等（2004）报道了一个使用32P溶液诱发水稻种子突变的成功例子。
1.1.6加速器粒子
Amaldi（2000）列出了全球约1.5万种不同类型的粒子加速器，如科克罗夫特-沃尔顿（Cockroft-Walton）加速器和范德格鲁夫（Van de Gruff）加速器、电子感应加速器、回旋加速器、同步回旋加速器、同步加速器和直线加速器。通常，它们用于加速质子、氘核和电子。粒子加速器产生荷能离子束和电子束，它们具有包括诱发植物突变等各种用途。近来，利用聚焦离子束的粒子诱发X射线发射（particle induced X-ray emission，micro-PIXE）已被应用于植物突变研究（参见下文“离子束辐射”有关章节）。
1.1.7中子
据Byrne（2013）研究报道，Pauli（1930）首次提出原子核内存在中子，为了更好地理解原子核内相互关系，除了质子和电子，还应该有中性粒子，他将其称为“中子”。中子仅在原子核内是稳定的，一旦离开原子核，中子就会衰变，平均寿命约为15min，衰变同时释放出各种动能。表1.2呈现的是按照释放能量的大小划分的不同中子种类。超热中子（0.4～100eV）和快中子（200keV至10MeV）是目前最常用于植物突变诱发的种类。
