用于測定谷物中蛋白質含量及深度分布的核分析方法研究.pdf

1、蛋白質是極其復雜的含氮有機化合物，是體現生命現象的物質基礎，一切生命活動均與蛋白質密切相關。蛋白質供給狀況，直接關系到人們的身體素質和智力水平，同時也是衡量一個國家經濟和科學文化發(fā)達程度的重要標志。保證蛋白質供應量、提高優(yōu)質蛋白質供給水平是我國食品計劃的主要任務之一，而目前大多數動物蛋白的獲得，是以消耗植物蛋白為基礎，因此，提高植物蛋白的產量是解決問題的關鍵。開發(fā)培育高蛋白質含量、高蛋白質質量谷物品種，保證單位面積上蛋白質收獲量的提高，

2、是最具應用前景的方法之一。隨著我國人口不斷增加、人民生活水平的進一步提高，一方面要求消費更多糧食；而另一方面，耕地面積和水資源逐年減少的趨勢又不可逆轉，在此情況下高蛋白質含量、高蛋白質質量谷物品種的成功培育又具有特別的重要性，它通過提高糧食的營養(yǎng)價值從而提高其使用價值，其意義與提高產量相同。 提高蛋白質含量、改善其蛋白質質量一直是谷物育種的一個重要方向，在這一工作中，不管是對親本的選擇，還是對遺傳源的確定，其第一步總是對種子中蛋

3、白質含量的測定。因此研究建立適合于谷物蛋白育種工作需要的蛋白質含量分析檢測方法具有重要意義。 在大規(guī)模的谷物蛋白質選種培育工作中，匯集了來自國內外的各種育種材料，為了從中分離出有用的雜交組合或遺傳變異體，需要分析的樣品數量成千上萬：而在育種的早期，樣品的種子量極為有限，育種學家可以分離出來用于分析的種子只有幾粒；同時由于谷物種子中蛋白質含量實際存在的極大的易變性，因此對種子中蛋白質含量的測定及篩選方法有其相應要求：其一是快速、價

4、廉，以滿足對成千上萬個樣品分析的需要；其二是能對小量樣品進行分析，即能實現對幾粒種子樣品的分析；其三最好能識別基因型，從而在選種培育的早期排除由非遺傳因素造成的高蛋白含量的種子，減少育種學家的工作量，提高選種效率。在眾多的谷物蛋白含量測定方法中，基于<'14>N(d，p)<'15>N核反應的瞬發(fā)質子測量法由于其自身特點，可以很好滿足谷物蛋白育種工作的需要，而四川大學原子核科學技術研究所擁有1.2M回旋加速器，具有開展用核反應方法分析谷物

5、蛋白質含量的設備條件。因此我們利用其產生的13.6MeV氘束，開展了"用于測定谷物中蛋白質含量及深度分布的核分析方法研究"工作。在谷物種子中主要是碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)四種元素，其中氮元素的數目正比于種子內蛋白質含量，而碳元素的數目可用來標記種子中干物質的多少；因此蛋白質含量的測定實際上便轉化為氮元素含量的測定，而氮、碳元素比則可以很好表征谷物種子中蛋白質含量高低。當用回旋加速器產生的13.6MeV的氘(d)束照射谷物樣

6、品時，氘與樣品中碳、氧、氮元素發(fā)生氘一質子(d，p)核反應，由于<'14>N(d，p)<'15>N核反應有更高的Q值，因此其產生的出射質子能量更高，因而存在一個質子能量范圍，不帶入<'12>C(d，p)<'13>C、<'16>O(d，p)<'17>O反應產物的貢獻，通過對來自于<'14>N(d，p)<'15>N反應出射質子的甄別記錄，可求得樣品中氮元素的含量；而由于帶電粒子(入射氘和反應產生的質子)在物質中的能量損失，因此不同深度發(fā)生的

7、<'14>N(d，p)<'15>N核反應產生的出射質子能量不同，記錄的質子能量和離樣品表面的距離之間存在有單值對應關系，因而利用測得的出射質子能譜可以分析得到氮在樣品中的深度分布。 本文基于核反應分析的基本原理，通過對谷物樣品元素組成以及13.6 MeV氘束與這些元素發(fā)生的核反應物理特性的分析，闡明了對蛋白質含量均勻分布的谷物樣品的最佳測量條件，對影響種子中蛋白質含量深度分布測定的相關因素進行了分析計算。根據選種工作的實際需要，

8、建立了相關設備。 以耐輻射、易于較正且長期穩(wěn)定性好的的CsI(T1)晶體作為探測器，建立了可長期使用的多角(120°、150°、165°)多路CsI(T1)探測器分析系統(tǒng)，通過對氮、碳元素比的測定，實現了對蛋白質含量均勻分布的谷物樣品中蛋白質含量的快速甄別；采用谷物中蛋白質含量測定的標準方法--K氏法對測量結果的正確性進行了驗證，同時標定出了氮、碳元素比與蛋白質含量間的轉換關系；而利用<'12>C(d,p)、<'16>O(d,p

9、)核反應微分截面的特點，建立了對樣品中水分含量的同步監(jiān)測系統(tǒng)；利用建立的多角多路CsI(T1)探測器分析系統(tǒng)對小麥、水稻、油菜樣品的氮、碳元素比進行了測定分析；同時在0.6—5MeV質子能區(qū)，對ST1422塑料閃爍體光輸出隨質子能量的非線性變化關系進行了測定，以便于用ST1422塑料閃爍體(發(fā)光衰減時間小于1ns)探測器替代CsI(T1)探測器時對測得質子能譜形狀的分析。采用多角多路探測器系統(tǒng)，每個角度的探測器功能單一，易于標定；而同一

10、角度環(huán)形設置多路探測器，可以進一步提高樣品分析速度；在分析過程中由于只需記錄探測器系統(tǒng)的定標器計數，因而數據處理簡單，易于實現分析測試過程的自動化，在350nA氘束流強照射下，5秒種便可完成對一個谷物樣品的分析，很好滿足了谷物蛋白育種工作中對分析速度的需求，而幾粒種子(甚至單粒)的樣品量都可采用該方法進行分析。 采用靈敏層厚度為3mm的鋰漂移金硅面壘型半導體探測器，研究建立了對谷物種子中氮元素含量深度分布進行測定的能譜分析系統(tǒng)；

11、采用α放射源對半導體探測器進行了能量刻度；采用13.6MeV氘束照射蜜胺(C<,3>H<,6>N<,6>)薄靶，研究確定了可用于深度分布測量的質子能區(qū)范圍，并對來自于氮的出射質子的能量分辨進行了測定。對記錄能譜中質子能量(即道數)與氮深度的對應關系進行了實驗標定，實現了將測得的質子能譜道數轉換為其對應的氮元素深度；而采用氮元素含量均勻分布的厚標準樣品靶，對其在13．6MeV氘束照射下的出射質子譜進行測定，以其為標準歸一消除<'14>N(

12、d，p)<'15>N核反應微分截面隨能量變化的影響，得到種子樣品中氮元素的深度分布。采用建立的半導體能譜分析系統(tǒng)對小麥種子中氮元素含量深度分布進行了測定，其有效分析深度可達300μm，而深度分辨約25μm，完全可以將小麥的不同層次結構區(qū)分開，因而可用于谷物穎果發(fā)育過程中不同形態(tài)部分氮元素(蛋白質)的存儲轉運規(guī)律研究、種子中蛋白質分布與品種遺傳相關性、環(huán)境因素對不同形態(tài)部分蛋白質含量的影響研究等工作，并進而建立對基因型高蛋白種子的識別篩選