CN105638452B - 一种育种装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种育种装置，包括一个可密封的环境腔体，所述环境腔体的上盖为厚度小于500纳米的超薄窗体，所述超薄窗体对高能粒子束透明；所述环境腔体内设置有对高能粒子束透明的培养介质；所述高能粒子束的辐照定位精度在纳米或者微米级别；将待育种生物体的组织或者具有遗传特性的物质置于环境腔体内，通过高能粒子束对生物体组织的特定位点进行辐照，实现纳米或者微米级别的特定位点辐照育种。本发明发挥现代高能粒子束的高空间分辨率和定位精度，实现对生物体组织的特定位点进行辐照；结合使用环境腔体的真空隔绝性，可以保留生物体的生物活性。两者结合可以极大提高辐照育种的成功率和效率。

Description

一种育种装置及其方法

技术领域

本发明属于现代育种学的技术领域，具体设计一种育种装置及其方法。

相关背景

辐照育种是一种被研究比较久的育种方法。其主要原理是利用高能粒子对生物的可再生组织、种子或者孢子、遗传物质等等进行辐照。通过控制高能粒子的种类，能量，剂量等参数获得不同辐照改性的遗传体，之后经过进一步培养和优选这些遗传体得到改良的物种。长期以来，辐照育种普遍使用整个的完整的生物体进行研究，比如使用作物种子、细菌个体、活的动物或者动物受精卵等等。众所周知，作物种子和细菌个体等生物体包含有复杂的结构组成，比如作物种植除了含有胚芽组织以外还有胚芽、种皮、胚根等结构，而上述的每种结构中又含有植物细胞的各个部分，并且这各个部分中均含有影响作物遗传的成分；又比如细菌个体中可能包含有细胞质、细胞膜、线粒体、细胞核等多种结构，同样的，这些结构中也均含有影响作物遗传的成分。所以，使用传统的辐照育种技术，虽然可以通过改变多种辐照参数(高能粒子的种类，能量，剂量等参数)来获得优选的遗传后代，但是无法做到精准的控制辐照育种。特别地，传统方法比较难以准确的解释辐照育种的原理，具有很多的经验成分。因此，传统育种方式实际上限制了辐照育种方法的广泛、有效和高效的应用。

现有的研究表明，辐照育种可能是由于高能粒子作用于生物的特定部位而产生的诱导变异作用，也有可能是若干特定部位协同产生变异的结果。然而，目前对这两方面的结论均缺少直接的证据。如果能够在非常小的尺度上对生物的特定部位进行辐照诱导，则有可能解决这一科学难题。同时，实现对局域小尺度部位的辐照诱导有可能准确把握育种的机理，提高辐照育种重复性，从而极大提高育种的效率。

随着技术的发展，目前，人们已经可以获得粒子束能量、种类、束斑大小可控的高能粒子束。粒子束也应用到不同的技术领域。可控粒子束的优点在于可以实现对特定的小区域目标位点进行辐照加工，其加工精度高，剂量可控，能量可控。虽然如此，由于常规环境条件对高能粒子具有强烈的耗损，要获得高效的加工效果通常需要真空的环境条件，以减小空气分子对高能粒子的散射和消耗作用。但是，由于一般生物体无法在真空环境中生存，一些生物活性物质也不能长时间耐受真空环境，因此，需要使用特定的装置和技术来实现这一途径。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种育种装置及其方法，发挥现代高能粒子束的高空间分辨率和定位精度，实现对生物体组织的特定位点进行辐照；结合使用环境腔体的真空隔绝性，可以保留生物体的生物活性。两者结合可以极大提高辐照育种的成功率和效率。

本发明的技术方案是：一种育种装置，包括一个可密封的环境腔体，所述环境腔体的上盖为厚度小于500纳米的超薄窗体，所述超薄窗体对高能粒子束透明；所述环境腔体内设置有对高能粒子束透明的培养介质,环境腔体的内腔高度小于5微米；所述高能粒子束的辐照定位精度在纳米或者微米级别；将待育种生物体的组织置于环境腔体内通过高能粒子束对生物体组织的特定位点进行辐照，实现纳米或者微米级别的特定位点辐照育种。

进一步的，所述环境腔体内设置有微流控结构，待育种生物体的组织通过微流控结构进行固定，在环境腔体中有液体流动时候固定不漂移；其中，所述待育种生物体是具有遗传功能的生物体或者具有遗传特性的物质。如果使用环境腔体中使用微流控结构，则生物体可以通过外部流到输送并定位到墙体内的特定位置。

进一步的，所述高能粒子束为具有电子显微成像功能的高能粒子束、或者是不具有电子显微成像功能的电子束，带电粒子束，X-射线，伽马射线，贝塔射线；当采用具有电子显微成像功能的高能粒子束时，首先通过自身的电子显微成像功能寻找生物体组织的特定位点，再进行辐照；当采用不具有电子显微成像功能的高能粒子束时，需要配置有辅助成像的电子束或者离子束,首先使用电子束或者离子束进行成像观察，选择生物体组织的特定位点，然后使用高能粒子束进行辐照。

进一步的，所述环境腔体的下盖为厚度小于500纳米的超薄窗体，所述超薄窗体对高能粒子束透明。同时，所述超薄窗体的厚度应该足够厚，可以在辐照环境中可以抵御腔内外的压强差，不发生破裂。(通常厚度取大于50纳米)

进一步的，所述超薄窗体的材料为硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅或者石墨烯。

进一步的，所述对高能粒子束透明的培养介质为水溶液、加有琼脂的水溶液或者是加有淀粉的水溶液。

进一步的，所述环境腔体的侧壁设置有可开关的进口和出口。

本发明还提供一种育种方法，具体步骤如下：

步骤一、从初始生物体中取下待育种生物体的组织或者使用具有遗传功能的物质；

步骤二、将生物体组织置入环境腔体，在环境腔体内加入对高能粒子束透明的培养介质，将环境腔体密封；

步骤三、将密封好的环境腔体置入真空腔；

步骤四、利用粒子束的成像功能寻找和定位生物体组织以及生物体组织上需要辐照的特定位置并记录其位置；

步骤五、利用高能粒子束对生物体组织的特定位点进行辐照，期间控制辐照的剂量、高能粒子束的能量；

步骤六、取出辐照后的生物体组织；

步骤七、将辐照后的生物体组织进行培养获得新的生物体。

进一步的，步骤二、将环境腔体密封，之后打开进口和出口，自进口处输入生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质，至生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质充满整个环境腔体后，关闭进口和出口；或者，将生物体组织和培养介质置入环境腔体后再将其密封；或者，当生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质充满整个环境腔体后，继续通过进口和出口对环境腔体内的培养介质进行循环供给和更新。使得更换生物体组织辐照更方便，提高育种效率。

进一步的，所述生物体组织的个数为一个或者两个以上；对于两个以上的生物体组织，采用一个高能粒子束分时间段对多个生物体组织的特定位点单独进行辐照，或者采用多个高能粒子束同时对多个生物体组织的特定位点分别进行辐照。多个同时进行，减少更换次数，提高育种效率。

本发明的有益效果是：本发明主要是发挥现代高能粒子束的高空间分辨率和定位精度，实现对生物体组织的特定位点进行辐照；结合使用环境腔体的真空隔绝性，可以保留生物体的生物活性。两者结合可以极大提高辐照育种的成功率和效率。

与传统方法相比，本发明所述的辐照育种方法能够做到精准的控制辐照育种，准确的解释辐照育种的原理。不需要具有很多的经验成分，能够广泛、有效和高效的应用。

本发明所述的辐照育种方法在非常小的尺度上对生物的特定部位进行辐照诱导，能够准确的确定该辐照育种是由于高能粒子作用于生物的特定部位而产生的诱导变异作用，还是若干特定部位协同产生变异的结果。能够准确把握育种的机理，提高辐照育种的重复性，从而极大提高育种的效率。

附图说明

图1为本发明的典型原理图。

图2为带进出口的环境腔体。

图3为多个生物体组织放置于环境腔体内的结构示意图。

图中：A为初始生物体，B为生物体中取下的组织，C和D为生物组织内不同部位的待辐照位点，E为环境腔体的上下盖，F为环境腔体的腔壁，G为放入环境腔体的培养介质，用于维持生物组织的活性或者增强辐照效果，H为高真空腔体，K为高能粒子束，L为辐照处理后的生物组织体，M为辐照处理后的位点，N为经过培养后的新生物体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种育种装置，包括一个可密封的环境腔体，所述环境腔体的上盖和下盖E均为厚度小于500纳米的超薄窗体，所述超薄窗体对高能粒子束透明，材料为硅、二氧化硅、氮化硅或者石墨烯。所述环境腔体内设置有对高能粒子束透明的培养介质，培养介质为水溶液、加有琼脂的水溶液或者是加有淀粉的水溶液。环境腔体的内腔高度小于5微米。所述高能粒子束是具有电子显微成像功能的高能粒子束、或者是不具有电子显微成像功能的电子束，带电粒子束，X-射线，伽马射线，贝塔射线；当采用具有电子显微成像功能的高能粒子束时，首先通过自身的电子显微成像功能寻找生物体组织的特定位点，再进行辐照；当采用不具有电子显微成像功能的高能粒子束时，需要配置有辅助成像的电子束或者离子束,首先使用电子束或者离子束进行成像观察，选择生物体组织的特定位点，然后使用高能粒子束进行辐照。辐照定位精度在纳米或者微米级别；将待育种生物体的组织置于环境腔体内，通过高能粒子束对生物体组织的特定位点进行辐照，实现纳米或者微米级别的特定位点辐照育种。

作为优选的实施方式，所述环境腔体内设置有微流控结构，待育种生物体的组织通过微流控结构进行固定，在环境腔体中有液体流动时候固定不漂移；其中，所述待育种生物体是具有遗传功能的生物体或者具有遗传特性的物质。

利用该育种装置实现的一种育种方法，具体步骤如下：

步骤一、从初始生物体中取下待育种生物体的组织或者使用具有遗传功能的物质；

步骤二、将生物体组织置入环境腔体，在环境腔体内加入对高能粒子束透明的培养介质，将环境腔体密封；

步骤三、将密封好的环境腔体置入真空腔；

步骤四、利用粒子束的成像功能寻找和定位生物体组织以及生物体组织上需要辐照的特定位置并记录其位置；

步骤五、利用高能粒子束对生物体组织的特定位点进行辐照，期间控制辐照的剂量、高能粒子束的能量；

步骤六、取出辐照后的生物体组织；

步骤七、将辐照后的生物体组织进行培养获得新的生物体。

如图1所示，作为优选的实施方式，所述环境腔体的侧壁设置有可开关的进口和出口。则步骤二修改为、将环境腔体密封，之后打开进口和出口，自进口处输入生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质，至生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质充满整个环境腔体后，关闭进口和出口；或者，将生物体组织和培养介质置入环境腔体后再将其密封；或者，当生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质充满整个环境腔体后，继续通过进口和出口对环境腔体内的培养介质进行循环供给和更新。使得更换生物体组织辐照更方便，提高育种效率。

如图3所示，当生物体组织每次辐照的个数为两个以上时，采用一个高能粒子束分时间段对多个生物体组织的特定位点单独进行辐照，或者采用多个高能粒子束同时对多个生物体组织的特定位点分别进行辐照。

本发明主要是发挥现代高能粒子束的高空间分辨率和定位精度，实现对生物体组织的特定位点进行辐照；结合使用环境腔体的真空隔绝性，可以保留生物体的生物活性。两者结合可以极大提高辐照育种的可控性和效率。并有可能发现之前方法不能培育出的新品种。(现有的育种方式主要依靠经验摸索，多种尝试，具体的微观机理不明确导致其实用性和推广型具有一定的困难。这一方法可以在了解其育种规律和原因的基础上极大提高其可控性。)

与传统方法相比，本发明所述的辐照育种方法能够做到精准的控制辐照育种，准确的解释辐照育种的原理。不需要具有很多的经验成分，能够广泛、有效和高效的应用。

本发明所述的辐照育种方法在非常小的尺度上对生物的特定部位进行辐照诱导，能够准确的确定该辐照育种是由于高能粒子作用于生物的特定部位而产生的诱导变异作用，还是若干特定部位协同产生变异的结果。能够准确把握育种的机理，提高辐照育种的重复性，从而极大提高育种的效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种育种装置，其特征在于，包括一个可密封的环境腔体，所述环境腔体的上盖为厚度小于500纳米的超薄窗体，所述超薄窗体对高能粒子束透明；所述环境腔体内设置有对高能粒子束透明的培养介质,环境腔体的内腔高度小于5微米；所述环境腔体内设置有微流控结构，待育种生物体的组织通过微流控结构进行固定，在环境腔体中有液体流动时候固定不漂移；其中，所述待育种生物体是具有遗传功能的生物体或者具有遗传特性的物质；所述环境腔体的侧壁设置有可开关的进口和出口；所述高能粒子束的辐照定位精度在纳米或者微米级别；将待育种生物体的组织置于环境腔体内通过高能粒子束对生物体组织的特定位点进行辐照，实现纳米或者微米级别的特定位点辐照育种。

2.根据权利要求1所述的一种育种装置，其特征在于，所述高能粒子束为具有电子显微成像功能的高能粒子束、或者是不具有电子显微成像功能的电子束，带电粒子束，X-射线，伽马射线，贝塔射线；当采用具有电子显微成像功能的高能粒子束时，首先通过自身的电子显微成像功能寻找生物体组织的特定位点，再进行辐照；当采用不具有电子显微成像功能的高能粒子束时，需要配置有辅助成像的电子束或者离子束,首先使用电子束或者离子束进行成像观察，选择生物体组织的特定位点，然后使用高能粒子束进行辐照。

3.根据权利要求1所述的一种育种装置，其特征在于，所述环境腔体的下盖为厚度小于500纳米的超薄窗体，所述超薄窗体对高能粒子束透明。

4.根据权利要求1或3所述的一种育种装置，其特征在于，所述超薄窗体的材料为硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅或者石墨烯。

5.根据权利要求1所述的一种育种装置，其特征在于，所述对高能粒子束透明的培养介质为水溶液、加有琼脂的水溶液或者是加有淀粉的水溶液。

6.利用权利要求1-5任一权利要求所述的一种育种装置实现的一种育种方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、从初始生物体中取下待育种生物体的组织或者使用具有遗传功能的物质；

步骤二、将生物体组织置入环境腔体，在环境腔体内加入对高能粒子束透明的培养介质，将环境腔体密封；

步骤三、将密封好的环境腔体置入真空腔；

步骤四、利用粒子束的成像功能寻找和定位生物体组织以及生物体组织上需要辐照的特定位置并记录其位置；

步骤五、利用高能粒子束对生物体组织的特定位点进行辐照，期间控制辐照的剂量、高能粒子束的能量；

步骤六、取出辐照后的生物体组织；

步骤七、将辐照后的生物体组织进行培养获得新的生物体。

7.根据权利要求6所述的一种育种方法，其特征在于，步骤二、将环境腔体密封，之后打开进口和出口，自进口处输入生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质，至生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质充满整个环境腔体后，关闭进口和出口；或者，将生物体组织和培养介质置入环境腔体后再将其密封；或者，当生物体组织和对高能粒子束透明的培养介质充满整个环境腔体后，继续通过进口和出口对环境腔体内的培养介质进行循环供给和更新。

8.根据权利要求7所述的一种育种方法，其特征在于，所述生物体组织的个数为一个或者两个以上；对于两个以上的生物体组织，采用一个高能粒子束分时间段对多个生物体组织的特定位点单独进行辐照，或者采用多个高能粒子束同时对多个生物体组织的特定位点分别进行辐照。