JP6991629B1 - 中性子線被照射装置、及び、それを用いた突然変異誘発方法、並びに、密閉容器内に収容された突然変異が誘発された被照射体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中性子線照射装置を用いて、所要時間を低減しながら、大量の作物の種子等の被照射体へ中性子線の照射を可能にして、高効率で被照射体に突然変異を誘発させる方法に使用できる中性子線被照射装置の提供。【解決手段】中性子線照射装置で発生した中性子線を種子等からなる被照射体に照射するのに用いられ、前記被照射体を保持する保持手段を有する中性子線被照射装置１００において、前記保持手段７０は、前記被照射体２０を無作為に３次元的に積層して収容可能な少なくとも１個の密閉容器３０を保持し、この密閉容器内に前記被照射体が３次元的に積層して収容されたときには、重なり合う前記被照射体に連鎖的に中性子線が照射されることを特徴とする中性子線被照射装置。【選択図】 図２

Description

本発明は、中性子線照射装置から植物の種子等に中性子線を照射する際に、植物の種子等を収容する中性子線被照射装置、及びこの中性子線被照射装置を用いて種子等に突然変異を誘発させる突然変異の誘発方法、並びに該方法により作成された被照射体に関する。

農林作物に関する植物に突然変異を誘発する従来方法として、化学薬品処理や放射線照射処理がある。化学薬品処理では、エチルメタンスルホン酸（ＥＭＳ）処理のように、アルキル化剤等の変異原性を有する化学的突然変異誘発物質を使用する。このエチルメタンスルホン酸（ＥＭＳ）処理の場合には、主にＧ：Ｃ→Ａ：Ｔの点変異しか得られず、タンデムに重複した複数遺伝子のノックアウトやプロモーター領域の改変などが難しい。また、エチルメタンスルホン酸（ＥＭＳ）は毒性が強いので、過剰に処理されると、種子が発芽しないことや種子が損傷を受けることがある。

一方、化学薬品を使用しない放射線照射処理では、ガンマ線やエックス線、重イオン線、中性子線等の放射線を植物の種子や胚、植物の全体或いはその一部に照射して突然変異を誘発させる。上記放射線の中で、エックス線やガンマ線は物質透過性が高く、外部からの照射が可能である。

エックス線やガンマ線の処理では、電離作用によりＤＮＡ（ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）に変異を誘発する。低ＬＥＴ（Ｌｉｎｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ：低線ネルギー付与）線であるエックス線やガンマ線による処理は、大量の種子等の被照射体に照射できる利点を持つ反面、広範囲にわたりエネルギーを散発的に付与する低ＬＥＴ線ではＤＮＡ損傷が散発的に生じ、突然変異の幅（スペクトル）が狭くなる。そのため、１０万～１００万分の１程度である自然突然変異率の１０～１００倍程度までにしか、突然変異誘発率を向上させることができず、所望量の突然変異体を得るためには、大量の照射サンプルを必要とし、育種の場所や人力、期間を多大に要する。
放射線の内の重イオン線は、局所的に電離作用を起こす高ＬＥＴ線であり、エックス線やガンマ線と比べて突然変異の幅（スペクトル）が広いうえに、突然変異体に付随する変異が少なく、低線量で照射効果が高い。しかしながら、物質透過性が物質表面から数１０μｍ（マイクロメートル））と非常に短距離であり、多くの種子への照射ができず、所望量の変位体を得るためには依然長い時間を要する。

放射線の内で中性子線は、重イオン線と同様に生物効果が高い高ＬＥＴ線であり、突然変異誘発率が高く照射効果が高いので、突然変異体を効率的に得る有力な手法と考えられている。中性子線を用いた従来技術の例が、特許文献１～２に、中性子線発生装置が特許文献３に記載されている。

例えば特許文献１では、花卉の突然変異体を作出するために、特定の遺伝子型を有する花卉に放射線を照射することが開示されている。この公報では、放射線の種類として、例えばイオンビーム、Ｘ線、ガンマ線、電子線、中性子線などを挙げているが、実施例ではイオンビームについてのみ開示されている。

また、特許文献２には、運動性低下ユーグレナを製造するために、Ｘ線、γ線、中性子線、粒子線、重イオンビーム等を含むエネルギー線等の物理的変異原を用いることが記載されているが、この公報においても具体的な実施例としては、重イオンビームの照射を開示している。なお、特許文献４には、大麦の種子の胚に、深度制御照射装置を用いて照射深度を制御しながら加速器から輸送されたイオンをビームとして照射することが開示されている。また、異常診断に中性子線を利用することが特許文献５に記載されている。

国際公開２００９／１１９９１４号 特開２０１９－８３７４０号公報 特開２０１２－５０６９８号公報 特開平１０－１２７１９５号公報 特開２０１７-９０２００号公報

"Ｊ－ＰＡＲＣ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、大強度陽子加速器施設、［令和３年６月２日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｊ－ｐａｒｃ．ｊｐ／ｃ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞

上述した通り、突然変異を誘発する放射線については、エックス線やガンマ線は物質透過性が高く大量の種子等の被照射体に照射できるが、突然変異の幅が狭く突然変異誘発率が低い、と言う難点がある。また重イオン線は特許文献４に記載のように、エックス線やガンマ線と比べ突然変異の幅は広い。しかしながら、透過距離が物質表面から数１０μｍ（マイクロメートル））と物質透過性が低く、重粒子線を被照射体に照射する場合には、互いに重ならないように照射面に配置する必要があった。そのため、多量の被照射体に重粒子線を照射する場合には、その照射面への配置に手間がかかる上に、深度制御照射装置等の複雑な装置や被照射体を照射経路内で搬送する搬送装置等が必要となっている。

これらに対して、中性子線は重イオン線と同様に生物効果が高い高ＬＥＴ線であり、突然変異誘発率が高く照射効果が高いので、突然変異体を効率的に得る有力な手法と考えられている。しかしながら、中性子線発生装置は巨額な装置であり、難病治療装置等の資金的に余裕のあるまたは他に代替物がない等には使用できるものの、使用頻度が少ないまたは使用期間が短い植物の品種改良のためだけに用いることは、現実的にほぼ不可能であった。つまり、中性子線照射による突然変異を発生させることは、上記特許文献３に記載の装置を用いて上記特許文献１～２に記載のように理論的に実施することは可能であるが、現実的な手法とはみなされておらず、利用できる具体的に実現方法は皆無であった。

本発明は上記従来技術の課題または不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、中性子線照射装置を用いて、所要時間を低減しながら、大量の作物の種子等の被照射体へ中性子線の照射を可能にして、高効率で突然変異を誘発させること及びそれに用いる装置を実現することにある。本発明の他の目的は、上記目的に加え、突然変異を、既知の従来手法程度もしくはそれ以上の割合まで向上させて誘発することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、中性子線照射装置で発生した中性子線を種子等からなる被照射体に照射するのに用いられ、前記被照射体を保持する保持手段を有する中性子線被照射装置において、前記保持手段は、前記被照射体を無作為に３次元的に積層して収容可能な少なくとも１個の密閉容器を保持し、この密閉容器内に前記被照射体が３次元的に積層して収容されたときには、重なり合う前記被照射体にドミノ倒し的に（連鎖的に）中性子線とその２次放射線が照射されることにある。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、中性子線照射装置で発生した中性子線を種子等からなる被照射体に照射するのに用いられ、前記被照射体を保持する保持手段を有する中性子線被照射装置において、前記保持手段は、少なくとも軸方向１端部が開放された複数の筒状部材と、この複数の筒状部材の軸方向両端側を固定支持する１対の板部材を有し、前記被照射体を無作為に３次元的に積層して収容可能な少なくとも１個の密閉容器を前記複数の筒状部材の少なくともいずれかに固定して保持し、前記密閉容器内に前記被照射体が３次元的に積層して収容されたときには、重なり合う前記被照射体に連鎖的に中性子線とその２次放射線が照射されることにある。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、中性子線照射装置で発生した中性子線を種子等からなる被照射体に照射するのに用いられ、前記被照射体を保持する保持手段を有する中性子線被照射装置において、前記保持手段には、少なくとも軸方向１端部が開放された複数のスロットが形成されており、前記被照射体を無作為に３次元的に積層して収容可能な少なくとも１個の密閉容器を前記複数のスロットの少なくともいずれかに固定して保持し、前記密閉容器内に前記被照射体が３次元的に積層して収容されたときには、重なり合う前記被照射体に連鎖的に中性子線とその２次放射線が照射されることにある。

そしてこれら各特徴において、前記保持手段の中央部には中心軸が配設されており、この中心軸を回転駆動する回転駆動手段と、この回転駆動手段を制御する制御手段とを備えることが望ましく、前記密閉容器を前記保持手段の複数位置に保持し、前記制御手段は予め定めた照射パターンに応じて前記回転駆動手段を間欠的に駆動して、中性子線が照射される前記密閉容器を変更することが好ましい。

また上記各特徴において、前記密閉容器に保持される前記被照射体が、植物の種子或いは胚であるか、植物の全体或いはその一部であることが望ましく、前記中性子線照射装置から照射される中性子線が、高エネルギー中性子であるのが好ましく、特に、エネルギー値が０．１～１ＭｅＶ（メガ電子ボルト）より大きい高速中性子で、射線量が１１０Ｇｙ以下であることが望ましい。

また、上記目的を達成する本発明の他の特徴は、中性子線照射装置で発生した中性子を、中性子線被照射装置が備える密閉容器に保持された植物の種子或いは胚からなる被照射体に照射し、前記被照射体のＤＮＡを損傷させて突然変異を誘発する、突然変異誘発方法であって、前記被照射体を無作為に３次元的に積層して収容した密閉容器を、前記中性子線被照射装置内に保持するステップと、前記被照射体に前記中性子線照射装置から中性子線を照射して、重なり合う前記被照射体にドミノ倒し的（連鎖的に）に中性子線とその２次放射線を照射するするステップと、中性子線が照射されて放射化した前記被照射体を冷却するステップと、前記被照射体を前記中性子線被照射装置から取り出すステップと、を含むことにある。

さらに上記目的を達成する本発明の他の特徴は、中性子線照射装置で発生した中性子を、植物の全体或いはその一部からなる被照射体が保持された中性子線被照射装置に照射して突然変異を誘発する、突然変異誘発方法において、少なくとも２個の密閉容器内に、被照射体を無作為に３次元的に積層して収容するステップと、前記中性子線被照射装置が有する複数の筒状部材またはスロットの内の少なくとも２か所に、前記密閉容器を少なくとも１個以上保持するステップと、前記中性子線照射装置から１つの筒状部材またはスロット内の前記密閉容器内の被照射体に、高エネルギー中性子、特に、エネルギー値が０．１～１ＭｅＶより大きい高速中性子の照射線量を１１０Ｇｙ以下に制限して照射して、重なり合う前記被照射体のＤＮＡにドミノ倒し的に（連鎖的に）損傷を与えるステップと、前記中性子線照射装置から異なる筒状部材またはスロット内の前記被照射体に、高エネルギー中性子、特に、エネルギー値が０．１～１ＭｅＶより大きい高速中性子の照射線量を１１０Ｇｙ以下に制限して照射してＤＮＡに損傷を与えるステップと、中性子線を照射した後に、放射化した前記被照射体を冷却するステップと、前記中性子線被照射装置を前記中性子線照射装置から取り出した後に前記被照射体を前記中性子線被照射装置から取り出すステップとを含むことにある。ここで、前記密封容器は、難放射化材料製であることが望ましい。

さらにまた、前記被照射体は密閉容器内に無作為に３次元的に積層された植物の種子または胚、植物の全体或いはその一部であって、上述特徴のいずれかを有する突然変異の誘発方法を用いて、突然変異が誘発されることを特徴とする。

本発明によれば、中性子線被照射装置内に設けた複数の筒状部材（スロット）内に被照射体を３次元的に無作為に装填できるので、高ＬＥＴ線である中性子線が、高い物質透過性と、種子等の被照射体の内部で核反応により２次放射線（α線、陽子線、γ線）を発生してＤＮＡを電離により切断する。これにより、中性子照射装置から出射した中性子線に直接面する位置にある被照射体のみならず、直接面する被照射体に隣接する被照射体やそれらに接触する被照射体へも中性子がドミノ効果的に作用してＤＮＡを変化させることが可能になる。すなわち、容器内に密にまたは３次元的に無作為に装填した大量の被照射体における、突然変異が誘発される個体数を飛躍的に増大できる。また本発明によれば、中性子線の照射量を適正値に制御したので、ＤＮＡの変異を生じさせたい部分以外の、例えば、発芽しない等の生理的異常の発生等に関する部分で、中性子照射による損傷を避けることができ、突然変異の発生個体数を、既知の従来手法とは比較できない程度まで高めて誘発することができる。

本発明に係る中性子線照射装置の概略平面図および模式構成図である。 図１に示した中性子線照射装置に配置される中性子線被照射装置の一実施例の正面断面図および右側面図である。 図２に示した中性子線被照射装置が備える密閉容器とその蓋部材の概略斜視図、および密閉容器に被照射体を充填する様子を示す図である。 中性子線照射の原理を説明する図である。 １ＭＷ級中性子束の試料位置での中性子強度を示す表である。 小松菜の種子における中性子線照射時間と誘発された突然変異の関係を示す表である。 発生した変異（花弁変異、及び、雌蕊異常）を示すスケッチである。 発生した変異（矮性）を示す写真である。 発生した変異（矮性）を示すスケッチである。 本発明に係る中性子線被照射装置の他の実施例の斜視図及び正面断面図である。 中性子線照射により突然変異を誘発する方法を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る中性子線被照射装置１００の一実施例を、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る中性子線被照射装置１００が配置される加速器２００の模式配置図（同図（ａ））およびその模式構成（同図（ｂ））である。図１（ａ）に示す加速器２００は、例えば特許文献５に記載のものと同様の基本構成であり、例えば非特許文献１に記載の大強度陽子加速器施設（Ｊ－ＰＡＲＣ）が所有する加速器である。非特許文献１の記載を参照すると、Ｊ－ＰＡＲＣの加速器２００は、３つの加速器と３つの実験施設からなり、加速器は全長約３３０ｍの常伝導・超伝導線形加速器（Ｌｉｎａｃ（リニアック））、周長３４８．３３３ｍの３ＧｅＶ 陽子シンクロトロン（Ｒａｐｉｄ Ｃｙｃｌｉｎｇ Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ: ＲＣＳ）、周長１,５６７．５ｍの５０ＧｅＶ陽子シンクロトロン（Ｍａｉｎ Ｒｉｎｇ: ＭＲ）で構成されている。加速器２００は期間を区切って利用することが可能であるが、１回の試験または実験に使用できる時間は制限されており、効率的に試験または実験を行う必要がある。

加速器２００から照射される各種粒子線は、真空容器に形成された管路２１２、２１３、２０２およびその分岐管路（取り出し管路）２０４、２１８内を管路の周囲部であって軸方向に間隔を置いて配置された、図示しない超電導磁石等で加速されてビームラインを形成する。分岐管路２１８の端部に複数の中性子線被照射装置１００、４０２、４０４、４０６、４０８が配置されている。管路２０２、２０４等は、中性子線照射時には真空排気されるため、気密な構成となっている。中性子線被照射装置１００、４０２、４０４、４０６、４０８も中性子線照射時には真空環境下にあるので、真空環境で誤作動しないように気密性が求められる。

以下に記載の実施形態においては、中性子線Ｎを発生するように、リニアック２０６と呼ばれる図中左端側の直線型加速器を用いている。リニアック２０６で発生し加速された粒子線は、小型のシンクロトロン（ＲＣＳ）２０８を経て、取り出しビームラインである管路２０４で分岐して物質・生命科学実験設備（ＭＬＦ）２２０内に配置された中性子線被照射装置１００に導かれる。ここで、以下に説明するように、中性子線被照射装置１００よりも取り出しビームラインである管路２０４側には、中性子を発生するためにターゲット（図示せず）が配置されている。

図１（ｂ）に、本実施例で使用した中性子線被照射装置１００を含む加速器２００の模式図（ブロック図）を示す。加速器２００の加速装置であるリニアック２０６は、荷電粒子を加速して荷電粒子線Ｐを照射する。リニアック２０６は直線型加速器であり、荷電粒子（陽子、電子または重粒子であり、本例では負水素イオン）は加速され、荷電粒子線（陽子線、電子線または重粒子線）Ｐを生成する。

加速装置であるリニアック２０６から供給され加速された荷電粒子線Ｐは、上述したように、小加速器であるシンクロトロン２０８を形成する管路２１３を介して物質・生命科学実験設備２２０にタイミング可変にパルス照射される。なお、さらに加速が必要な場合には、大加速器であるシンクロトロン２１０を形成する管路２０２も経由して、物質・生命科学実験設備２２０に導かれる。

物質・生命科学実験設備２２０では、荷電粒子線Ｐから中性子線Ｎを発生させるため、初めに、物質・生命科学実験設備２２０内に配置された槽内のターゲット２２２に荷電粒子線Ｐを導く。ターゲット材料には、質量数の大きな水銀やタンタル、タングステン等と炭素が一般的に使用可能である。本実施例では、水銀をターゲット材料に用いている。水銀ターゲット２２２に荷電粒子線Ｐを照射すると、中性子線Ｎを発生する。発生した中性子線Ｎは、スリット２３２、チョッパ２３４およびフィルタ２３６を経過した後にコリメータ２２６に導かれ、図示しない熱中性子ブロッカー等を経て平行ビームに調整される。平行ビーム化された中性子線Ｎは、試験棟２３０内に設けられたコリメータ２３８、およびスリット２４０を経過して、中性子線被照射装置１００内に固定されて保持された密閉容器３０内の被照射体２０にビーム位置が合わせられて、照射される。

上記中性子照射に用いる中性子線被照射装置１００の一実施例について、図２ないし図５を用いて、説明する。図２は、本発明に係る中性子線被照射装置１００の図であり、図２（ｂ）はその正面図、図２（ａ）はその右側面図である。なお、図２（ａ）の右側面図では、密閉容器３０の軸方向位置を定めるスペーサとしても機能する、位置決め部材３１を取り外した状態で示している。なお、被照射体２０は、本実施例では植物の種子であるが、被照射体は植物の種子に限るものではなく、植物の胚や、植物の全体または一部、或いは酵母や微生物であってもよい。

中性子線被照射装置１００は、中性子線を照射時に被照射体２０を固定保持するための保持手段７０を備える。保持手段７０は１対の板状部材（円板）５０、５０と、各板状部材５０の中心部に形成された穴に嵌合し、板状部材５０、５０間を接続する回動軸（中心軸）１２２を有する。各板状部材５０の外周部近傍には、周方向にほぼ等間隔に複数の穴が形成されており、この穴に１対の板状部材５０、５０間の距離を保持するステー１２４が嵌合している。

板状部材５０の半径方向内側であって周方向にほぼ等間隔に、複数の、本実施例では８個の開口（スロット）４２が形成されている。開口４２には、選択的に筒状部材４０が取り付けられる。筒状部材４０には、被照射体２０を収納可能な、詳細を後述する密閉容器３０が１個または複数個取り付け可能である。

回動軸１２２の両端部には球軸受１２０が取り付けられており、球軸受１２０の外輪側はそれぞれ矩形状の支持板１０２、１０４に保持されている。支持板１０２、１０４はベース板１６０に対して、垂直に固定して取り付けられている。回動軸１２２の軸方向中間部であって１対の板状部材５０、５０の外側には、スペーサ１０６、１０８が取り付けられており、１対の板状部材５０、５０間の距離を一定に保っている。

一方の支持板１０４とスペーサ１０８間には、大歯車１３２が配置されている。大歯車１３２は、モータ１５０のモータ軸１５２に固定して取り付けた小歯車１３４に噛み合うように配置されている。組立時に小歯車１３４を軸方向に移動するために、支持板１０４には歯車進退用の穴１３６が形成されている。

モータ１５０は横軸モータであり、載置板１４４に載置された遮蔽部材１４０、１４２によりその周囲部を覆われている。これにより、中性子線照射によるモータ１５０の損傷を防止する。なお、モータ１５０は、ベルト状のモータ固定具１５６により遮蔽部材１４０に固定されている。モータ１５０への動力を供給するリード線１５４は耐中性子線材料で被覆されており、遮蔽部材１４０、１４２間に形成した開口部１４６から真空環境外に配置した制御装置１１０に導かれている。

載置板１４４の下方には複数の支柱１６２、１６４が配置されており、モータ１５０の高さ、すなわち大歯車１３２、小歯車１３４の噛み合い高さ位置を調整可能になっている。制御装置１１０がモータ１５０を駆動することにより、保持手段７０が回動され、照射位置にある筒状部材４０が、例えば筒状部材４０ａから筒状部材４０ａに対して回転対称に配置された筒状部材４０ｅに変更される。

ここで、上述した保持手段７０を構成する各部品は軸受を除いて、軽量かつ放射化しにくいアルミニウム材料や、中性子などによる核反応を低減する元素あるいは同位体成分で構成された材料の一種である低放射化材料が望ましい。低放射化材料として、バナジウム合金、低放射化フェライト鋼 、炭化ケイ素の繊維とマトリックスからなる炭化ケイ素複合材料（セラミックス複合材料）、酸化物分散強化合金の一種である酸化物分散強化フェライト鋼、ホウ素材などを用いる。

上述材料を用いることで、放射線の半減期を短縮し安全性が向上する。それとともに、被照射体２０や中性子線被照射装置１００を搬出する際に、早期に搬出することが可能になる。なお、アルミニウム自体は放射化しにくいが、アルミニウム板材や棒材はアルミニウム合金材料であるから、少量の安定核種マンガン５５（Ｍｎ５５）を含むので、これらの材料に熱中性子を照射すると、Ｃａｐｔｕｒｅ（キャプチュア）反応によりγ線が放出され、半減期２．６時間の放射性同位体マンガン５６を生成する。したがって、γ線が被照射体２０に２次的に照射される効果も期待できる。

図３に、被照射体２０を収容する密閉容器３０の詳細を示す。図３（ａ）は密閉容器の分解斜視図であり、被照射体２０を一部収容した状態を示す図であり、図３（ｂ）は被照射体２０を密閉容器３０に「密に」もしくは「３次元的に無作為に」積層する一例を示す図である。

密閉容器３０は、被照射体２０を収容する部分である下容器３６とこの下容器３６に嵌合する上蓋３４により構成されている。上ぶた３４を下容器３６に嵌合させた場合に、上ぶた３４と下容器３６の間には実質的に隙間が形成されない、もしくは収容した被照射体２０が漏れ出ない程度の隙間に両者の外径および内径が設定されている。ここで、下容器３６の深さはｈであり、内径はφｄである。したがって、密閉容器３０は、１個の容器当たり、πｄ^２ｈ／４の体積の被照射体２０を収容可能である。

なお、本実施例では密閉容器３０として金属の蓋つき缶を例に説明しているが、密閉容器３０としてはジッパー付きの袋状部材（「ジップロック（登録商標）」）や両端部を封止したプラスチック製チューブ等も使用可能である。被照射体２０が封入されたこれらの「ジップロック（登録商標）」やチューブ製の密閉容器３０を筒状部材４０に直接格納することで、上述金属製の缶型の密閉容器３０と同様の作用・効果が得られる。

密閉容器３０に収容可能な被照射体２０の量を予め計量し、例えば袋８２に入れる。その後、手８４で袋をつまんで傾けて密閉容器３０の下容器３６に注ぎ込む。最後に頂面を手８４で均した後、上蓋３４を下容器３６に嵌める。このようにすることにより、被照射体２０は密閉容器３０内で互いにその一部が他の被照射体２０に接触している。この状態を、「密に」または「３次元的に無作為に」積層すると称する。

換言すれば、被照射体２０を密閉容器３０内に互いに接触してごちゃごちゃに（無秩序に）充填することが、「密に」または「３次元的に無作為に」積層することであり、被照射体２０が物理的に損傷しない範囲で、押し付けて被照射体２０相互の密着度もしくは接触度を高めることも含む概念である。

このように密閉容器３０内に被照射体２０を「密に」または「３次元的に無作為に」積層すると、中性子線が照射された被照射体２０（例えば２０ａとする）では、後述する図４に示すように２次放射線が発生する。この２次放射線は、中性子線が照射された被照射体２０ａに接触する被照射体２０（例えば２０ｂとする）に進入し、その被照射体２０ｂにも突然変異を誘発させる可能性が生じる。この作用が繰り返され、密閉容器３０内に「密に」または「３次元的に無作為に」充填された被照射体２０のすべてに突然変異を誘発させる可能性を生じる。

図４に、突然変異の誘発の原理を示す。図４（ａ）は、本発明に係る中性子線被照射装置１００が備える保持手段７０内に保持された被照射体２０への中性子線の照射モデルである。図４（ｂ）は容器内にある、隣接する被照射体２０間における中性子線照射の効果を説明する模式図であり、図４（ｃ）はさらに微視的に見た、本発明に係る量子線育種モデルを説明する図である。

保持手段７０に形成された複数（本実施例では８個）スロット（４２ａ～４２ｈ）の内の１個のスロット４２ａ内に取り付けられた筒状部材４０には、複数個、本実施例では最大５個の密閉容器３０が筒状部材４０の軸方向に積層されている。各密閉容器３０内には、被照射体２０である植物の種子が「密に」もしくは「３次元的に無作為に」積層されて、充填されている。加速器が備える荷電粒子発生装置２０６ａで発生し加速器で加速された荷電粒子は、ターゲット２２２に照射されて中性子Ｎを発生する。保持手段７０を大歯車１３２、小歯車１３４からなる減速手段を介してモータ１５０で回動し、中性子Ｎの照射位置に筒状部材４０を位置決めする。これにより、中性子が、密閉容器３０内の被照射体２０に照射可能になる。

このように構成した中性子線被照射装置１００の密閉容器３０内では、微視的には図４（ｂ）に示す現象が生じている。すなわち、荷電粒子が照射されたターゲット２２２で発生した中性子Ｎが直接照射される被照射体２０ａでは、中性子Ｎが照射されたことにより核反応し２次放射線（α線、陽子線、γ線）を発生してＤＮＡを電離により切断したりするが、２次放射線と核反応後の中性子Ｎ′（Ｎプライム）が被照射体２０ａに隣り合い接触している被照射体２０ｂまで進入する。被照射体２０ｂでは２次放射線による作用に加えその中性子によりさらに２次放射線が発生する場合がある。この２次放射線と中性子Ｎ″（Ｎダブルプライム）がさらにそれに隣り合い接触している被照射体２０ｃに進入する。

ここで、２次放射線が隣り合う種子に照射されても、中性子線は必ずしも隣り合う種子とは核反応はしない。中性子線が透過する場合もあるし、スキップして当たる場合もある。この現象は確率論的に生じる。つまり、照射された中性子が、あちこちで任意の種子と核反応して２次放射線を出し、その種子や隣り合う種子のＤＮＡ鎖を切断したり損傷したりする。中性子線は、透過性が高いので確率的に任意の種子の構成元素の原子核に当たり、このように、スキップ的ドミノ倒し現象（以下略してドミノ倒しと呼ぶ）を出現させる。
２次放射線と中性子が次々とドミノ倒し的に発生し、隣り合い接触している被照射体２０或いはその透過性により離れた位置にある被照射体２０に進入することで、突然変異の誘発確率を高めている。中性子線Ｎは核反応の度合いにより、ある段階でエネルギーを散逸して消失或いはそのまま種子群を通過していく。

この様子をさらに模式的に、図４（ｃ）に示す。荷電粒子Ｐが照射される標的原子核３００では、多数の原子が規則的に配列されている。この原子配列に加速器で３ＧｅＶまで加速された陽子２９０が例えば水銀ターゲットに照射されると、その中の標的原子核３００は複数種類の二次粒子を発生し、放射する。二次粒子としては、π中間子３０２、中性子３０６、反陽子３０８、Ｋ－中間子３１０があり、同時にミュオン３０４やニュートリノ３１２も発生する。この中で中性子３０６は物質透過性が高く、存続距離も長いので被照射体に照射するのに適している。発生した中性子３０６の強度が１ＭＷにも達する、パルス中性子ビームが得られる。

中性子３０６が、被照射体２０である植物の種子に照射されると、必ずしもすべてがそうなるとは限らないが、確率的に高い割合で植物のＤＮＡが損傷される。例えば、ＤＮＡの２重鎖が切断される。そして、元来のＤＮＡ配列とは異なる配列で切断されたＤＮＡ同士が接続される。その結果、例えば、元来は白い花であったものが、突然変異が誘発されて、例えば大輪のピンク、小輪のピンク、大輪の白い花などに変異される。
ビームパワー能力１ＭＷを有する中性子照射線装置からビームパワーを変化させて中性子を照射した場合における、被照射中性子強度の変化を図５に示す。

被照射強度（エネルギー）の測定位置は、図４で４２ａとして示した試料位置である。ビームパワーと照射時間を変化させることにより、様々な線量の中性子線を被照射体２０に照射することが可能となる。また、熱中性子ブロッカーおよびフィルタを用いることで、種々の熱中性子や高速中性子などの中性子が混在する高エネルギー中性子ではなく、所望の高速中性子のみを被照射体２０に照射することが可能になる。これにより、中性子の種類および照射線量を制御して、突然変異の誘発割合を効率的に高めることができる。

上述のＪ―ＰＡＲＣの加速器を用いて試験した結果の一例を、図６および図７に示す。図６は、小松菜の種子の一定数に対して、中性子線の照射時間を変化させたときに生じた、生物学的突然変異発生の数と割合（％）の変化を示す表である。図７は、試験結果の一例を示す図である。小松菜の種子を約２５０粒ごとに区分けし、照射時間を、５分、１０分、１時間、２時間と変化させた。ここで、ＣＴＲＬ（コントロール）は未照射（照射時間０分）の場合である。主たる変異の種類としては、雌蕊異常、抽苔（とう立ち）異常、花弁変異である。図７に示した各図から上記各変異の発生状況を以下に略述する。

花弁変異は、小松菜の黄色い花弁上に白抜きに斑点状に現れている。図７Ａでは、４枚の花弁のそれぞれの複数個所に全体の数分の一の面積を占めて斑点が出現している。雌蕊異常は、１個の花に通常１個しか発生しない雌蕊が、複数個発生したものである。図７Ａでは、雌蕊の中から雌蕊が出ており、成長の終わりを告げる遺伝子がノックアウトされたことを示している。この変異は、小松菜の生育にはそれほど影響しないが、形態的に明確に区別できる異常である。

図７Ｂは、小松菜の生育に重大な影響を及ぼす矮性を示す写真であり、図７Ｃはその一部のスケッチである。図は中性子線の照射により矮性が付与された小松菜の生育過程を示しており、通常通りに生育した小松菜（ＣＴＲＬ、図７Ｂ中、「ノーマル」と記載された札が立っているもの）が１．６ｍ程度の草丈に対し、照射したもの（図７Ｂ中、「５分」「１０分」「１時間」「２時間」の札が立っているもの、及び、図７Ｃのスケッチ）は草丈が数十センチメートルと小さい。矮性が付与された小松菜では、背丈が低く、葉の色が濃くごわごわと波打っている。

当然のことながら、未照射の種子では、自然発生率を除けば突然変異発生率は０％である。これに対して、照射時間を変化させたときに生じた変異発生率は、花弁変異（白抜きにオレンジの斑点模様）の場合、それぞれ、０％（ＣＴＲＬ）、１０％（照射時間５分）、６％（１０分）、１８％（１時間）、３６％（２時間）であった。ただし、２時間照射した場合には、照射時間が比較的長くより強い線量が照射されたので、３６％の個体で花弁は出来ず、種子が結実していない等の形態異常が出現し、雌蕊の異常が生じた。なお、種子の状態で既に形成されている双葉や根の軟細胞と異なり、花弁や抽苔は細胞分裂により生成されるので、その生物学的変異や異常の発生は、中性子線によりＤＮＡに傷が入った結果生じたものである。

雌蕊の異常（変異）は、それぞれ、５％（ＣＴＲＬ）、１６％（照射時間５分）、６％（１０分）、１９％（１時間）、３６％（２時間）であった。ただし、２時間照射した場合には、線量が強かったため、３６％の個体で花弁ができず、種子が結実しないという雌蕊異常が生じた。雌蕊異常は、ＣＴＲＬの場合でも５％ほど生じているが、１０分照射を除くと、統計的に優位な差が生じている。

抽苔の異常（変異）は、それぞれ、５％（ＣＴＲＬ）、１０％（照射時間５分）、６％（１０分）、４％（１時間）、１７％（２時間）であった。中性子線を２時間照射した場合には、１７％の個体で抽苔せず、花や種子を作ることが出来ない中性子線の暴露量であった。中性子線を、ＣＴＲＬ、１０分、１時間照射した場合でも約５％は抽苔していないが、これは自然界でも普通に起きることである。これらの結果から、中性子線の照射を５分と２時間した場合に、統計的に優位な差が生じている。

すなわち、中性子線の照射による変位発生率は、照射時間５分～２時間の範囲では、６～３６％であり、有用な突然変異を得る確率はそのさらに１０％程度となる、数パーセントであり、オーダーとしては、０．１～１％である。突然変異誘発率が他の放射線であるＸ線やγ線（０．０１％）、重イオン線（０．０１～０．１％）、人工的な放射線照射をしない自然界環境下（０．０００１～０．００１％）と比べて、桁違いに高い。これより、中性子照射は突然変異を誘発させる効果が極めて高いことが知られた。

一方、突然変異が誘発された種子の絶対数に関しては、以下の知見が得られた。中性子線を除いた放射線の内で、照射効果が最も高い重イオン線の場合を比較例として、特許文献４に記載の重粒子線照射の場合を例にとる。重イオン線は中性子線と同様に高ＬＥＴ線であるが、物質透過性が物質表面から数十マイクロメートルと低いので、照射面に配置した表面層の被照射体にしか処理できない。

つまり、照射窓から被照射体まで所定距離（炭素Ｃイオンで１００ｍｍ）離して胚を上方に向けて表面層に配置した上に、深度制御する必要がある。その結果、同時に照射可能な種子の数はセル（容器またはそれに相当するもの）１層分で約１５０粒である。重イオンビームは３セル×１０段で３０セルを被照射装置で照射可能であるから、１５０（粒）×３０=４５００（粒）しか１回の照射で照射できない。

一方、中性子線照射を実施した本発明に係る中性子線被照射装置１００の場合には、各密閉容器３０に約６０００粒（小松菜種子の場合）の被照射体２０を充填でき、各筒状部材４０には５個の密閉容器３０を保持できる。また保持手段７は８個のスロットを有するので、８個の筒状部材４０を保持できる。これより、中性子線被照射装置１００は、６０００粒×５個×８個＝２４００００粒の被照射体２０に１回の試験で中性子を照射可能になる。

重イオン線を照射する場合には、本試験と同程度の規模の装置を用いた場合、重イオン線を照射可能な種子数は、上記したように１回の照射で約４５００粒である。これに対して、本発明の中性子線被照射装置１００を用いると、上記したように、約２４万粒の種子に中性子線を照射可能である。つまり、１回の試験で粒子線を照射可能な種子数の比は、重イオン線と中性子線では約４５００：２４万≒１：５３．３となる。照射源を中性子線とすることで、大量の種子に粒子線を照射できるうえに、中性子線は照射による突然変異の誘発率が、重イオン線に比べて高いので、１回の照射で得られる誘発された突然変異種子数は、重イオン線に比べて飛躍的に向上する。

つまり、重イオン線の突然変異の誘発率が０．０１～０．１％、１回の照射操作で照射される被照射体（種子）数が約４５００に対して、中性子線の突然変異の誘発率が０．１～１％、１回の照射操作で照射される被照射体（種子）数が約２４００００であるから、誘発される突然変異の数は、重イオン線の場合の５未満であるのに対して、中性子線では約２４０～約２４００となる。中性子線を用いると他の手法に比べて、多量の誘発された突然変異種を得ることができ、所望の有用品種を獲得する確率を飛躍的に向上できる。この結果、育種に要する場所や人的資源、期間を低減することができることが確認できた。

図８に本発明に係る中性子線被照射装置の他の例を、図２と同様に正面図（図８（ａ））および右側面図（図８（ｂ））で示す。本中性子線被照射装置１００ｂは、図２に示した中性子線被照射装置１００と保持手段が相違している。保持手段７０ｂでは、円柱状の回動体６０の中心に貫通穴が形成されており、その貫通穴に回動軸１２２が貫挿されている。回動体６０の外周部より半径方向に内側に入った位置には、周方向にほぼ等間隔に複数（本実施例では８個）の止まり穴４４が形成されている。止まり穴４４の開口側は、中性子線Ｎの照射側である。

止まり穴４４の少なくともいずれかに図２に示したと同様の筒状部材４０を取り付ける。筒状部材４０の内部に保持する密閉容器３０は、図２と同じものであり、同様に被照射体２０が「密に」もしくは「３次元的に無作為に」充填されている。筒状部材４０の材料はアルミニウム合金製で軽量化を図っているが、さらなる軽量化を求められる場合には、止まり穴部の周囲付近を肉盗みして軽量化を図る。本実施例の場合には、図２の場合と同様の効果が得られるうえに、部品点数が減少する。

図９に、上記いずれかの実施例に記載した中性子線被照射装置１００を用いて、被照射体２０へ中性子線を照射して突然変異を誘発する方法のフローチャートを示す。初めに、被照射体である植物の種子（被照射体）２０を計量または重量測定したのち、所定量を密閉容器３０に「密に」もしくは「３次元的に無作為に」積層して充填する（ステップＳ９１０）。本実施例ではアルミニウム合金製の密閉容器３０に、容器１個当たり約６０００粒の種子を計量した分だけ入れる。ここで、被照射体２０同士の大多数がほぼ接触する程度の密な状態で密閉容器３０に充填する。被照射体２０は、例えば、植物の種子や胚、植物の全体或いはその一部などである。植物の全体或いはその一部を充てんする場合は、密閉容器３０として、滅菌されたアルミニウム合金製の容器、ガラス製の容器、プラスチック製の容器などが用いられる。

被照射体２０が充填された密閉容器３０を所望個数だけ準備し、筒状部材４０に保持する（ステップＳ９２０）。上記実施例に示した中性子線被照射装置１００では、１つの筒状部材４０当たり最大５個の容器しか入れることができないので、６個以上の場合には複数の筒状部材４０を用いる。なお、図２に示した保持手段７０を用いる場合には、バランスを取る意味で、筒状部材４０は回動軸を中心にして回転対称に偶数個配置するのがよい。
ステップＳ９３０において、照射位置にある筒状部材４０に所定強度の中性子線Ｎを照射する。照射する中性子線は、冷中性子（Ｅ＜０．０２６ｅＶ）、熱中性子（０．００１ ＜Ｅ＜０．０１ｅＶ）、熱外中性子（０．１＜Ｅ ＜１００ｅＶ）、低速中性子（０．１＜Ｅ ＜１０００ｅＶ）、中速中性子（１＜Ｅ ＜５００ｋｅＶ）あるいは高速中性子（０．５＜Ｅ＜２０ＭｅＶ）のいずれか、或いはそれらが混在した中性子である。中性子線の線量は、中性子線のエネルギーと被照射体の照射時間で制御され、０．０１～１１０Ｇｙの範囲に設定される。

照射位置に筒状部材４０が位置していない場合には、モータ１５０を駆動して、密閉容器３０を保持した筒状部材４０を照射位置まで回動する。密閉容器３０に密に充填された種子等の被照射体２０へ中性子線を照射すると、中性子線が生物効果の高い高ＬＥＴ線であるから、中性子線の高い物質透過性及び核反応により、種子等の物質内部で２次粒子線（α線、プロトン線、γ線）が発生する。この２次粒子線はＤＮＡを切断する。被照射体２０に照射することで、ＤＮＡに損傷を与え、高い照射効果と突然変異誘発率を実現する。
ステップＳ９４０において、照射時間が経過したか否かを図示しない制御装置が判定する。照射時間は被照射物の種類や量に応じて予め設定されており、たとえば５ｍｉｎ、１０ｍｉｎ、１Ｈｒ、２Ｈｒ等に設定されている。所定時間が経過していなければ照射を継続し、所定時間を経過しておれば、ステップＳ９５０に進む。

ステップＳ９５０において、中性子線Ｎがまだ照射されていない被照射体２０があるか否かを図示しない制御装置が判定する。中性子線Ｎを未照射の被照射体２０がある場合には、ステップＳ９６０に進む。ステップＳ９６０では、中性子線Ｎが未照射の被照射体２０がある筒状部材４０を、照射位置までモータ１５０が回動する。そしてステップＳ９３０に戻る。

ステップＳ９５０において、照射対象の被照射体２０がすべて照射されていれば、放射化した被照射体２０を含む中性子線被照射装置１００全体を冷却する（ステップＳ９７０）。放射化した被照射体２０を半減期以下であって、中性子線照射装置１０が設置された施設における搬出可能な基準放射線量になるまで、冷却する。

基準放射線量以下まで放射線レベルが低下したら、中性子線被照射装置１００ごと中性子線照射装置１０から取り出し、中性子線被照射装置１００から密閉容器３０を取り出す（ステップＳ９８０）。さらに、密閉容器３０の上蓋３４を開けて被照射体２０を取り出す。

ステップＳ９９０で、取り出された被照射体２０に、突然変異が誘発されているか否かを確認する。なお突然変異が誘発されていることの確認方法には、従来用いられている種々の方法、例えばＤＮＡマーカーやゲノム解析、中性子照射種子の栽培及びその子世代の種子の栽培等を用いる。

以上説明したように、本発明の各実施例によれば、中性子線を被照射体に照射するようにしたので、照射面に面する被照射体だけでなく、照射面には直接は面していないまたは露出していない被照射体へもドミノ効果にＬＥＴ線が照射される。これにより、一度の中性子照射で多量の被照射体に中性子線を照射でき、突然変異の誘発率を飛躍的に高めることができる。また、中性子の照射面が限られていても、被照射体を保持する筒状部材の位置を保持手段の回動により可変にしたので、ほぼ連続的に複数の筒状部材に中性子線を照射でき、各筒状部材内に保持された被照射体に中性子線を確実に照射できる。

また、中性子を用いて突然変異を起こさせる場合には、中性子線が透過性であまり種子にダメージ与えず種子内での核反応でＤＮＡの塩基配列のある領域をまとめて欠失させることができる。そのため、発芽しない等の生理的異常の発生を低く抑え、突然変異を起こしやすい。上記各実施例では、このような中性子線照射の利点を最大限に活用することが可能である。

７：保持手段、１０：中性子線照射装置、２０：被照射体、３１：位置決め部材、３４：上蓋、３６：下容器、４０：筒状部材、４２：開口、４２ａ：スロット、４４：止まり穴、５０：板状部材、５５：安定核種マンガン、５６：放射性同位体マンガン、６０：回動体、７０：保持手段、８２：袋、８４：手、１００、４０２、４０４、４０６、４０８：中性子線被照射装置、１０２、１０４：支持板、１０６、１０８：スペーサ、１１０：制御装置、１２０：球軸受、１２２：回動軸、１２４：ステー、１３２：大歯車、１３４：小歯車、１３６：穴、１４０、１４２：遮蔽部材、１４４：載置板、１４６：開口部、１５０：モータ、１５２：モータ軸、１５４：リード線、１５６：モータ固定具、１６０：ベース板、１６２、１６４：支柱、２００：加速器、２０２、２０４、２１２、２１３、２１８：管路、２０６：リニアック、２０６ａ：荷電粒子発生装置、２０８、２１０：シンクロトロン、２２０：生命科学実験設備、２２２：ターゲット、２２６：コリメータ、２３０：試験棟、２３２：スリット、２３４：チョッパ、２３６：フィルタ、２３８：コリメータ、２４０：スリット、２９０：陽子、３００：標的原子核、３０２：π中間子、３０４：ミュオン、３０６：中性子、３０８：反陽子、３１０：中間子、３１２：ニュートリノ

Claims (10)

1. 中性子線照射装置で発生した中性子線を、植物の種子、植物の胚、植物の全体または一部、酵母、および、微生物からなる群より選択される少なくとも１種からなる被照射体に照射するのに用いられ、前記被照射体を保持する保持手段を有する中性子線被照射装置において、
   前記保持手段は、前記被照射体を無作為に３次元的に積層して収容可能な少なくとも１個の密閉容器を保持し、前記密閉容器内に３次元的に積層して収容された前記被照射体に中性子線が照射され、
   前記中性子線が、エネルギー値が０．１～１ＭｅＶより大きい高速中性子であり、照射線量が１１０Ｇｙ以下であることを特徴とする中性子線被照射装置。
2. 前記保持手段は、少なくとも軸方向１端部が開放された複数の筒状部材と、この複数の筒状部材の軸方向両端側を固定支持する１対の板部材を有し、前記密閉容器の少なくとも１個を前記複数の筒状部材の少なくともいずれかに固定して保持する請求項１に記載の中性子線被照射装置。
3. 前記保持手段には、少なくとも軸方向１端部が開放された複数のスロットが形成されており、前記スロットには、前記筒状部材が取り付け可能である、請求項２に記載の中性子線被照射装置。
4. 前記保持手段の中央部には中心軸が配設されており、この中心軸を回転駆動する回転駆動手段と、この回転駆動手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の中性子線被照射装置。
5. 前記密閉容器を前記保持手段の複数位置に保持し、前記制御手段は予め定めた照射パターンに応じて前記回転駆動手段を間欠的に駆動して、中性子線が照射される前記密閉容器を変更することを特徴とする請求項４に記載の中性子線被照射装置。
6. 前記密閉容器に保持される前記被照射体が、植物の種子或いは胚であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の中性子線被照射装置。
7. 前記密閉容器に保持される前記被照射体が、植物の全体或いはその一部であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の中性子線被照射装置。
8. 前記中性子線照射装置から照射される中性子線が、高エネルギー中性子であることを特徴とする請求項６または７に記載の中性子線被照射装置。
9. 中性子線照射装置で発生した中性子を、中性子線被照射装置が備える密閉容器に保持された、植物の種子、植物の胚、植物の全体または一部、酵母、および、微生物からなる群より選択される少なくとも１種からなる被照射体に照射し、前記被照射体のＤＮＡを損傷させて突然変異を誘発する、突然変異誘発方法であって、
   前記被照射体を無作為に３次元的に積層して収容した前記密閉容器を、前記中性子線被照射装置内に保持するステップと、
   前記被照射体に前記中性子線照射装置から中性子線であって、エネルギー値が０．１～１ＭｅＶより大きい高速中性子であり、照射線量が１１０Ｇｙ以下である中性子線を照射するステップと、
   中性子線が照射されて放射化した前記被照射体を冷却するステップと、
   前記被照射体を前記中性子線被照射装置から取り出すステップと、を含むことを特徴とする前記中性子線被照射装置を用いた、突然変異誘発方法。
10. 植物の種子、植物の胚、植物の全体または一部、酵母、および、微生物からなる群より選択される少なくとも１種からなる被照射体であって、突然変異が誘発されたものと、
    前記突然変異が誘発された被照射体が、無作為に３次元的に積層して収容された密閉容器と、
    を含む、前記密閉容器内に収容された前記突然変異が誘発された被照射体、を製造するための、密閉容器内に収容された突然変異が誘発された被照射体の製造方法であって、
    請求項９に記載の突然変異誘発方法によって、前記被照射体の突然変異を誘発して、前記密閉容器内に収容された突然変異が誘発された被照射体を得ることを含む、密閉容器内に収容された突然変異が誘発された被照射体の製造方法。

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