同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用

1、第五章 同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用,一．同位素示蹤技術(shù)在土壤與植物營養(yǎng)研究中的應(yīng)用二．同位素示蹤技術(shù)在植物保護(hù)研究中的應(yīng)用三．同位素示蹤技術(shù)在作物生理生化研究中的應(yīng)用四．同位素示蹤技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用,一．同位素示蹤技術(shù)在土壤與植物營養(yǎng)研究中的應(yīng)用,利用示蹤技術(shù)對土壤、植物營養(yǎng)問題研究是土壤農(nóng)化研究中的重要手段。主要研究內(nèi)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(biāo)之一，也是指導(dǎo)科學(xué)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(xué)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)）的數(shù)量Y：植物從已知肥料（標(biāo)準(zhǔn)）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(biāo)記肥料中吸收有效磷的百分率Y的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)記源（肥料）為B，則A值法的公式為：,例題,為研究揚(yáng)州沙壤土中有效磷的含量，設(shè)計(jì)了一示蹤試驗(yàn)，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(jì)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(jì)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(guān)，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(dāng)季作物吸收利用的百分?jǐn)?shù)，是肥料有效性的一個直接指標(biāo)。,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?jǐn)?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(nóng)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(shù)在植物保護(hù)研究中的應(yīng)用,（一）在昆蟲學(xué)研究中的應(yīng)用

7、,1 害蟲防治研究,標(biāo)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(biāo)記法,,輻射昆蟲不育防治害蟲,優(yōu)點(diǎn)：不污染環(huán)境；對人、畜和天敵無害；防治效果持久；專一性強(qiáng)；使植物生態(tài)系統(tǒng)保持良性循環(huán)。,2 昆蟲生態(tài)學(xué)研究,昆蟲生態(tài)特性的研究可為有效防治農(nóng)作物害蟲提供依據(jù)。 包括昆

8、蟲的生長發(fā)育、食物習(xí)性、遷移、寄生性和捕食天敵的關(guān)系等。應(yīng)用同位素示蹤技術(shù)具有方便、直觀、有效等優(yōu)點(diǎn)。,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(xué)研究,利用同位素研究殺蟲劑對昆蟲的穿透力、在昆蟲體內(nèi)的分布、作用部位與代謝及殺蟲劑在植物體內(nèi)的殘留、殺蟲劑對人畜的毒理作用等。,Welling 等（1972）將35S和3H雙標(biāo)記的有機(jī)磷農(nóng)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(chǎn)物研究了其在昆蟲體內(nèi)的可能

9、代謝降解路線。,4 昆蟲生理生化的研究,研究內(nèi)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(biāo)記家蠶，研究了家蠶的物質(zhì)同代謝，證實(shí)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(yīng)用,1 病原生物標(biāo)記,標(biāo)記方法：1）用放射性培養(yǎng)基標(biāo)記病原生物2）用放射性寄主標(biāo)記病原生物3）用放射性真菌標(biāo)記線蟲體4）用放射性細(xì)菌標(biāo)記噬菌體5）用放射性病植物體標(biāo)記傳播病毒的昆蟲,2 標(biāo)記病原生物的

10、應(yīng)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(jī)制的研究4）DNA探針技術(shù)用于細(xì)菌和病毒的診斷研究,（三）在農(nóng)藥研究中的應(yīng)用,1 農(nóng)藥在作物中的殘留、代謝及安全施用的研究,農(nóng)藥的不合理使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因而測定農(nóng)藥在環(huán)境中的殘留、污染途徑和循環(huán)規(guī)律，以及農(nóng)藥在生物間的運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系和生物富集，制定農(nóng)藥安全使用技術(shù)，減少環(huán)境污染，是農(nóng)業(yè)環(huán)保中的重要課題,1）研究農(nóng)藥在作物上殘留和消失動態(tài)2）農(nóng)藥在作物體內(nèi)吸收

11、和運(yùn)轉(zhuǎn)的研究,2　農(nóng)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(nóng)藥直接或間接進(jìn)入土壤，殘留在土壤中的農(nóng)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(zhuǎn)化，給環(huán)境生物會帶來各種不良影響。弄清農(nóng)藥在土壤中的吸附積累、殘留和分解動態(tài)，對保護(hù)人類生存環(huán)境意義重大。,1）土壤中農(nóng)藥殘留的研究2）農(nóng)藥在土壤中的吸附和遷移研究3）農(nóng)藥在土壤中降解的研究,三．同位素示蹤技術(shù)在植物生理生化研究中的應(yīng)用,植物的生長發(fā)育及

12、產(chǎn)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(jī)物的能力及其轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪?jīng)濟(jì)價(jià)值的終產(chǎn)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(yùn)輸，分配與積累，土壤養(yǎng)分的吸收和利用。同位素示蹤技術(shù)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(zhì)的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和分配的研究,1研究植物體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhì)的運(yùn)輸方向研究,作物多探頭活體測量儀,2　物

13、質(zhì)運(yùn)輸速度,3　物質(zhì)代謝研究,氮、磷營養(yǎng)元素既是構(gòu)成生命篺基礎(chǔ)的重要元素，又是生命活動中催化、調(diào)節(jié)、供能等物質(zhì)的主要組成之一。,1）氮的代謝研究氮是植物生命的基礎(chǔ)元素，它是構(gòu)成蛋白質(zhì)、氨基酸的主要成分。土壤中氮的吸收利用與轉(zhuǎn)化、大氣中氮的固定轉(zhuǎn)化，等等。,2）磷的代謝磷是植物體內(nèi)核酸、核蛋白、磷脂、植素和多種酶類的組成成分，是植物體內(nèi)物質(zhì)代謝與能量代謝的調(diào)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(xì)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(biāo)記,圖11-2 水稻葉片活體14C光合標(biāo)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(chǎn)物的轉(zhuǎn)移、分布,不同時期葉片光合產(chǎn)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(zhì)，并合成多種有機(jī)物質(zhì)。根系的結(jié)構(gòu)、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(jī)物質(zhì)合成，從而

15、影響作物的產(chǎn)量，根系吸收營養(yǎng)物質(zhì)是一個極為復(fù)雜的過程。同位素示蹤技術(shù)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(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用,生物技術(shù)（Biotechnology）又稱生物工程，是當(dāng)今世界新技術(shù)革命的支柱之一。同位素示蹤技術(shù)作為一種重要的研究手段，對生物

16、技術(shù)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(shù)證明了遺傳物質(zhì)是核酸而非蛋白質(zhì)?！?958年Meselson和Stahl用同位素(15N)實(shí)驗(yàn)證明了DNA的半保留復(fù)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(shù)完成的。,米西爾遜-斯塔爾的半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn) Meselson-Stahl experiment,（一）核酸分子雜交,1　斑點(diǎn)雜交,2　原位雜交,3　Southern 印跡雜交