بخشی از مقاله
نقش و كاربرد انرژي هسته اي در كشاورزي
تحقيقات كشاورزي
تزايد روزافزون جمعيت و كمبود مواد غذايي در دنيا موجب توجه دانشمندان به ازدياد محصولات كشاورزي و همچنين بهبود كيفيت آنها گرديده است. در اين راستا مواد راديواكتيو به كمك بررسيهاي كشاورزي شتافت و انقلاب عظيمي در كشاورزي به وجود آورد به طوري كه عناصر راديواكتيو يا نشاندار در اكثر رشتههاي كشاورزي از جمله مديريت آب و خاك و تغذيه گياهي، اصلاح نباتات و ژنتيك، دامپروري، كنترل آفات، صنايع غذايي و محيط زيست مورد استفاده قرار گرفتهاند.
نيل به سوي كشاورزي پايدار بستگي به تعامل بين مواد غذايي خاك و منابع آبي موجود جهت توليد عملكرد مناسب دارد. در اين خصوص با استفاده از ايزوتوپها ميتوان ميزان مطلوب كاربرد كودهاي شيميايي، بهترين زمان مصرف آنها، مكان و مقدار آنها در خاك، بررسي فعاليت ميكروارگانيسمهاي خاكزي و همچنين نحوة انتقال عناصر غذايي در خاك و گياه را بررسي نمود.
استفاده از روش ايجاد موتاسيون به منظور تنوع بخشيدن به محتويات ژنتيكي با هدف ارتقاء صفات كمي و كيفي در گياهان زراعي مورد توجه خاص قرار گرفته است. از طرف ديگر با توجه به اينكه مصرف مواد شيميايي به منظور حفظ و نگهداري مواد غذايي نه تنها براي مصرفكنندگان بلكه براي محيط زيست مضر ميباشد، استفاده از پرتودهي محصولات كشاورزي به عنوان يك روش بيخطر استريليزه كردن در اكثر كشورهاي جهان متداول شده است. در رابطه با كنترل آفات از طريق پرتودهي و عقيم نمودن حشرات نيز گامهاي بسيار مثبتي در نقاط مختلف دنيا برداشته شده است.
مباني فيزيك هستهاي
ايزوتوپها (ويژگيها و كاربرد)
اتمهاي يك عنصر را كه عدد اتمي يكسان و عدد جرمي متفاوت دارند، ايزوتوپهاي آن عنصر مينامند (بارهاي مثبت كه همان تعداد پروتونها ميباشند را عدد اتمي و مجموع تعداد پروتونها و نوترونهاي هستة يك اتم را عدد جرمي آن ميگويند).
ايزوتوپهاي يك عنصر، اتمهايي هستند كه تعداد بارهاي مثبت موجود در هسته و نيز تعداد الكترونهايشان يكسان ولي تعداد نوترونهاي موجود در هستة آنها با هم متفاوت است. اغلب عناصر چند ايزوتوپ دارند و چون ساختار الكتروني ايزوتوپها يكسان است، واكنشهاي شيميايي آنها نيز مشابه ميشود (شكل 4-1). براي تشخيص هويت يك ايزوتوپ، عدد اتمي آن به صورت شاخص در پايين و سمت چپ نماد شيميايي آن، و عدد جرمي يا تعداد كل نوكلئونهاي آن به صورت شاخص در بالاي نماد شيميايي آورده ميشود. براي مثال سه ايزوتوپ اكسين را ميتوان به صورت ، و نشان داد
. اما از آنجا كه عدد اتمي مترادف با نماد شيميايي است معمولاً شاخص پايين حذف ميگردد. بنابراين به عنوان مثال ايزوتوپ اكسيژن به صورت O16 نمايش داده ميشود. بايد توجه داشت كه فراواني همة ايزوتوپها با هم برابر نيست به عنوان مثال در مورد اكسيژن، 975/99 درصد اتمهاي طبيعي از نوع O16 ميباشند. در حالي كه انواع O17 و O18 به ترتيب 037/0 درصد و 204/0 درصد از اكسيژن طبيعي را تشكيل ميدهند. در بين عناصر شيميايي، تعداد محدودي از آنها در مطالعات بيولوژيك مورد استفاده قرار ميگيرند و هر كدام از آنها حداقل داراي دو ايزوتوپ پايدار هستند.
تابش گاما )
پرتوهاي گاما عبارتند از تابشهاي الكترومغناطيسي تك انرژي كه از هستههاي برانگيخته حاصل از تبديل پرتوزا گسيل ميشوند. به عبارت ديگر هرگاه هستهاي به هر علت در حالت تهييج قرار گيرد، انرژي تهييج خود را به صورت فوتون گاما ساطع ميكند. در اغلب واپاشيهاي و ، هستة دختر به حالت تحريك شده قرار ميگيرد كه اين انرژي تحريكي هسته به صورت فوتونهاي گاما از هسته تابش ميشود تا هسته به تراز انرژي پايينتر يا پايدار برگردد. نمايش عمومي توليد گاما را ميتوان به صورت نشان داد. مانند:
اكتيويتة ويژه
يكي از مشخصههاي مهم راديو ايزوتوپها، اكتيويتة ويژة آنها يعني ميزان اكتيويته در هر گرم از عنصر يا ماده است كه برحسب واحدهاي مختلفي از جمله بكرل بر گرم (Bq/g)، ميكروكوري بر گرم ، واپاشي بر ميليگرم در ثانيه (dps/mg) و يا واپاشي بر ميليگرم در دقيقه (dpm/mg) بيان ميشود.
نيمه عمر
مدت زمان لازم براي كاهش هر ايزوتوپ پرتوزا به نصف مقدار اوليهاش، معياري از سرعت تبديل آن ايزوتوپ پرتوزا به ايزوتوپي ديگر است. اين دورة زماني را نيمه عمر مينامند و براي هر ايزوتوپ خاصيتي تغييرناپذير ميباشد. نيمه عمر ايزوتوپهاي پرتوزاي مختلف از چند ثانيه تا چند ميليارد سال متغير است.
بنابراين با توجه به مفهوم نيمه عمر مشخص ميشود كه پس از گذشت n نيمه عمر از يك ايزوتوپ پرتوزا، كسر باقي مانده آن عبارت است از: كه در اين فرمول 0A اكتيويتة اوليه و A اكتيويتة برجاي مانده پس از n نيمه عمر است.
كاربرد راديو ايزوتوپها
براي سهولت بيشتر ميتوان كاربرد راديو ايزوتوپها را به چند بخش اصلي تقسيم كرد كه عبارتند از:
الف) تحت تابش قرار دادن يك مادة هدف به منظور ايجاد تغييراتي در خواص فيزيكي، شيميايي يا بيولوژيكي آن كه اين تغييرات ممكن است خاصيت يا سودمندي مادة هدف را تقويت كنند و يا آن را از بين ببرند.
ب) تزريق مقدار اندك راديوايزوتوپ به مواد به منظور رديابي آنها در يك فرايند خاص كه به عنوان مثال ميتوان به مطالعات مربوط به فرسايش و رديابي جريان آب به منظور پيدا كردن منابع آب اشاره نمود.
ج) چشمههاي ثابت پرتو را به عنوان سنجشگر يا وسيلة اندازهگيري براي بعضي كميتها مورد استفاده قرار ميدهند. مثلاً در اندازهگيري ضخامت، چگالي و بازرسي پرتونگاري ميتوان از راديوايزوتوپها استفاده كرد.
د) چشمههاي ثابت پرتو را براي توليد قدرت، گرما يا روشنايي نيز مورد استفاده قرار ميدهند.
عمرسنجي با C14
بمباران زمين به وسيلة پرتوهاي كيهاني يك منبع ثابت نوتروني در جو توليد ميكند. اين نوترونها با نيتروژن موجود در جو واكنش انجام داده و توليد C14، H3 و احتمالاً مقدار كمي He4 با Be11 مينمايند. C14 و H3 پرتوزا هستند و نيمه عمر C14 برابر با 5720 سال است. فرض ميشود كه كربن پرتوزا براي تشكيل 2CO با اكسيژن ايجاد واكنش ميكند و اين 2CO14 با دياكسيد كربن جو مخلوط ميشود. بنابراين ميتوان گفت كه جذب نوترونهاي حاصل از پرتوهاي كيهاني معادل با توليد دياكسيد كربن پرتوزاي مخلوط با دياكسيد كربن جوي است. چون گياهان از 2CO تغذيه ميكنند و حيوانات نيز آنها را مصرف ميكنند، پس گياهان و حيوانات هم پرتوزا خواهند بود.
نظريهها و آزمايشهاي گوناگون نشان ميدهند كه بين آهنگ واپاشي كربن پرتوزا و آهنگ توليد آن در تمام موجودات زنده تعادل برقرار است. هنگامي كه موجود زنده ميميرد، جذب راديوايزوتوپ متوقف ميشود و C14 پرتوزا در بافتها وا ميپاشد. در نتيجة اين عمل شدت اكتيويتة مادة راديواكتيو به تدريج كاهش مييابد كه اين كاهش متناسب با نيمه عمر راديواكتيو خواهد بود. با استفاده از فرمول زير ميتوان زمان سپري شده از مرگ مواد آلي را تخمين زد.
در اين فرمول،
0A = اكتيويتة اوليه
A = اكتيويتة فعلي
= ضريب تجزيه كه بستگي به نيمه عمر مادة راديواكتيو دارد و عبارت است از:
كه در اين فرمول، نيمه عمر كربن 5720 سال در نظر گرفته ميشود (5720 = ).
e = پاية لگاريتم طبيعي (71828/2)
t = تعداد سالهاي سپري شده از هنگام مرگ (عمر نمونه)
مثال: اگر از يك تكه چوب كه از يك محل قديمي به دست آمده باشد، حدود 10 شمارش در دقيقه به ازاء هر گرم چوب داشته باشيم، سن اين تكه چوب به صورت زير قابل محاسبه است.
از آنجايي كه تعداد 15 واپاشي در دقيقه بر گرم براي C14 به طور ثابت موجود ميباشد، طبق فرمول فوقالذكر خواهيم داشت:
t = سال 3356
اصولاً جداسازي C14 از نمونهها مشكل است چون نمونههاي مورد نظر هزاران سال پس از مرگشان ممكن است دستخوش تغييرات زيادي شده باشند. به همين دليل عمرسنجي با C14 به خودي خود چندان قابل اعتماد نيست.
اثرات بيولوژيكي پرتوها
پرتوها را از نظر اثراتي كه در برخورد با ماده به جاي ميگذارند به دو دسته ميتوان تقسيمبندي نمود كه عبارتند از پرتوهاي غير يونساز و پرتوهاي يونساز.
پرتوهاي غير يونساز عبارتند از نورمرئي، ماوراء بنفش (UV)، مادون قرمز (IR)، ماكروويو، مادون صوت، ليزر و غيره. به دليل دارا بودن اثرات بيولوژيكي متفاوتي كه اين پرتوها دارند، در اين جا از بحث در مورد آنها خودداري ميشود.
پرتوهاي يونساز در اثر برخورد با سلولها، بافتها و مولكولهاي تشكيل دهندة مواد حياتي ارگانهاي بدن باعث ايجاد پديدة يونيزاسيون و تحريك ميشوند كه متعاقب آن ضايعات و آسيبهاي ناشي از آن بروز مينمايند.
انسان هميشه در معرض پرتوهاي ناشي از چشمههاي طبيعي بوده است و اصولاً پرتوهاي تأثيرگذار را ميتوان به دو دسته تقسيم كرد:
الف) پرتوهاي كيهاني كه از فضا به زمين ميرسد.
ب) پرتوهايي كه به وسيلة مواد راديواكتيو در اطراف ما تابش ميشوند.
بنابراين ملاحظه ميشود محصولات تمدن و پيشرفت فنآوري به همراه خود خطراتي را نيز دربردارند. به عبارت ديگر اكثر محصولات يا وسايلي كه فايدهاي ميرسانند، داراي مضراتي نيز ميباشند و استفاده از آنها هنگامي توجيه منطقي دارد كه سود آن بيش از زيان آن باشد. به عنوان مثال انرژي الكتريسيته با وجود مخاطراتي كه دارد به مقدار زياد و در سطح وسيع مورد استفاده قرار ميگيرد.
با توجه به مطالب فوق، هدف ارائه اين مبحث آشنايي دقيق و علمي با اثرات زيانبار پرتوهاي يونساز بر انسان، با در نظر گرفتن كلية محدوديتهاي مطالعات در اين زمينه ميباشد.
سلول زنده و اثرات پرتوها
سلول، واحد ساختماني و واحد كار حياتي موجود زنده است و هر سلول از سلول قبلي به وجود ميآيد.
ساختمان سلول بدن انسان از دو قسمت سيتوپلاسم و هسته تشكيل شده است كه حدود 70 درصد آنها را آب تشكيل ميدهد. رشد طبيعي عمل تقسيم و ترميم جراحات سلولي به وسيلة هسته كنترل ميشود و سيتوپلاسم كه اجزايي نظير ميتوكندري (مركز توليد انرژي)، سانتريولها (اداره تقسيم سلولي)، ليزوزومها (حاوي مواد آنزيمي درون سلول) و غيره ميباشند، اعمال جذب و دفع سلول و ساير اعمال حياتي را انجام ميدهند.
مهمترين عوامل در حساسيت سلول نسبت به پرتو عبارتند از:
الف) قدرت تكثير سلول
ب) مدت زمان مراحل تقسيم سلول
ج) مرحله تقسيم سلول هنگام برخورد پرتو.
از طرف ديگر، در رابطه با اثرات غيرمستقيم پرتوها قابل ذكر است كه اينگونه اثرات عمدتاً از نوع راديوشيمي ميباشند. اين اثر بر روي آب كه مهمترين جزء مادة زنده است ظاهر ميشود به اين ترتيب كه پرتوهايي نظير گاما باعث تغييراتي در مولكولهاي آب به شرح زير ميشود كه در واقع موجب ميشوند راديكالهاي آزاد و فعال كه از نظر شيميايي براي سلولها سمي هستند، توليد گردند.
سپس الكترون توليد شده با يك مولكول آب به صورت زير تركيب ميشود:
مولكول منفي آب نيز بلافاصله تجزيه ميشود:
تشكيل يونهاي H+ و OH- از نظر بيولوژيكي چندان حائز اهميت نيستند زيرا تمامي مايعات بدن به طور طبيعي حاوي مقادير زيادي از هر دو يون مذكور هستند. راديكالهاي آزاد OH با يكديگر تركيب شده و ايجاد پراكسيد هيدروژن با آب اكسيژنه ميكنند كه يك اكسيد كنندة قوي به حساب ميآيد.
اصلاح نباتات از طريق ايجاد موتاسيون
اصلاح نباتات هنر بهبود ژنتيكي گياهان است و هدف كلي آن بهبود خصوصياتي از گياهان است كه در ارزش اقتصادي آنها نقش دارد. تنوع ژنتيكي به منزلة خون زندگي براي فعاليتهاي اصلاح نباتات است و موتاسيون يا جهش اين تنوع ژنتيكي را افزايش ميدهد. موتاسيون، حاصل تغيير ناگهاني در مواد وراثتي سلول ميباشد و از پديدههاي مهم طبيعت زنده محسوب ميشود زيرا منشأ اصلي تنوع در موجودات زنده موتاسيون ميباشد و در واقع مادة اوليه مورد استفاه در انتخاب طبيعي را فراهم ميكند و به اين طريق در تحول موجودات زنده نقش به سزايي دارد به طوري كه بدون آن موجودات زنده قادر به سازش با شرايط اكولوژيكي متفاوت نميشدند و نتيجتاً اين همه تنوع زيستي كه در حال حاضر در طبيعت وجود دارد، امكانپذير نميگرديد.
قدمت موتاسيون را ميتوان معادل قدمت علم ژنتيك دانست زيرا نخستين بار Hugode Vries هلندي در سال 1901 ضمن مطالعات مورفولوژيكي بر روي گياه پامچال (Oenothera lamarkiana) به اين پديده مهم پي برد و ظهور خصوصيات جديد ارثي در اين گياه را موتاسيون ناميد. هرچند كه پيش از نامبرده داروين دريافته بود كه گونهها قابليت جهش يا دگرگوني ناگهاني دارند و به همين نحو لينه نيز متوجه شده بود كه تعدادي از موتاسيونها، سيستم طبقهبندي و نامگذاري را دچار پيچيدگي ميكنند اما در آن زمان ماهيت اين
پيده به درستي درك نشده بود. اما به راستي تعريف اصلي جهش يا موتاسيون چيست؟
تغيير در ساختار ژنتيكي (ژنوتيپ) موجودات زنده اعم از اين كه بروز خارجي (فنوتيپي) پيدا بكند يا نكند، تغيير جهشي يا موتاسيون و محصول چنين جهش و تغييري، جهش يافته يا مونانت خوانده ميشود. واژة موتاسيون از Mutatio (كلمة لاتين) به معناي يك تغيير عمده و اساسي و ناگهاني مشتق شده است. اما تا قبل از آنكه شيوههاي جديدي براي استخراج و جداسازي ژنها به عنوان قطعاتي از DNA به دست آيد، تنها راه درك و فهم وجود ژنها و بررسي و تعيين نقش آنها، مطالعه تنوع ژنتيكي و وراثت بود. با بررسي يك تغيير و تفاوت موروثي كاملاً مشخص در فنوتيپ يك موجود زنده منشأ آن را به يك ژن خاص نسبت ميدادند و آن تغيير را موتاسيون ميخواندند. اگرچه هنوز
مشاهدة تغييرات فنوتيپي مهمترين و ابتداييترين شيوة عملي تشخيص موتاسيون محسوب ميگردد، اما امروزه كاملاً روشن است كه اين تعريف ناقص و نارسا است زيرا بسياري از موتاسيونها به علل مختلف به تغييرات فنوتيپي منجر نميشوند. گاهي نيز آسيب و تغيير در ماده ژنتيكي ممكن است در ژنهايي رخ بدهد كه از حيث اطلاعات ژنتيكي غيرفعال باشند. نظير قطعات صامت در زنجيرة DNA كه اساساً از آنها رونويسي صورت نميگيرد. يا در ژنهايي صورت بگيرد كه از آن نوع ژن به تعداد زياد و
مكرر در DNA وجود دارد. آسيب در اين نوع ژنها نيز اثر فنوتيپي ايجاد نمينمايد. اما به طور كلي آن تغيراتي در ماده ژنتيكي، موتاسيون محسوب ميشوند كه غيرعادي و دائمي باشند. بنابراين با توجه به موارد فوقالذكر و با در نظر گرفتن حداقل شرايط و ويژگيهاي تغييرات موتاسيوني ميتوان گفت كه «موتاسيون فرايند يا پويشي است كه موجب تغيير مجموعة توارثي سلول و نهايتاً ايجاد يك موجود زندهاي با ويژگيهاي جديد ژنتيكي ميگردد يا به عبارت ديگر موتاسيون، يك تغيير قابل وراثت است كه بر كروموزوم اثر دائم ميگذارد و منجر به ايجاد يك موجود جهش يافته يا موتانت ميشود».
برخي از تغييرات وتاسيوني دائمي و برخي نيز موقتي هستند كه به آنها موتاسيون شرطي هم گفته ميشود. يعني تا زماني كه شرايط تغيير موتاسيوني وجود داشته باشد، فنوتيپ موتانت بروز ميكند و باقي ميماند ولي با از بين رفتن شرايط يا علل، فنوتيپ موتانت نيز ناپديد ميگردد كه به عنوان مثال ميتوان به موتانتهاي حساس به درجه حرارت اشاره نمود.
برخي از تغييرات موتاسيوني بر سرنوشت موجود زنده اثر ميگذارند و موجب مرگ موجود ميگردند كه به آنها موتاسيون مهلك گفته ميشود. برخي ديگر از تغييرات موتاسيوني سبب مرگ ژنتيكي موجود يعني توقف توليد مثل يا عقيمي در موجودات بالاتر ميشوند.
اصولاً زماني از اصلاح با روش موتاسيون استفاده ميشود كه:
1- صفت مورد نظر در ژرم پلاسم گياه مربوطه در بانك ژن موجود نباشد و حتي در طبيعت بين خويشاوندان وحشي نيز مشاهده نگردد.
2- صفت مورد نظر در گونههاي خويشاوند موجود باشد اما امكان انتقال آن صفت ميسر نبوده و يا با مشكلات و صرف زمان و هزينههاي سنگين همراه باشد.
3- ژن صفت مربوطه در گونههاي خويشاوند موجود بوده و امكان انتقال آن نيز ميسر باشد ولي آن صفت با ساير صفات نامطلوب تشكيل يك بلوك ژني را داده باشند به طور يكه امكان شكستن آن بسيار مشكل باشد.
4- زماني كه رقم مورد نظر براي اصلاح داراي ژنوتيپ منحصر به فردي است كه نبايد به وسيلة تلاقي شكسته شود.
5- زماني كه دستيابي به صفتي جديد، مدنظر باشد. مثل تنوع رنگ در گلهاي زينتي و يا حالت خاصي از گياه.
6- زماني كه امكانات اجراي يك پروژة اصلاح به روش موتاسيون مهيا باشد.
7- روش بسيار مفيد جهت اهلي كردن گونههاي وحشي است.
انواع موتاسيونها را ميتوان به دو دسته اصلي تقسيم نمود كه عبارتند از:
الف) موتاسيون طبيعي يا خودبهخودي: موتاسيونهاي طبيعي اغلبدر اثر پرتوهاي كيهاني و با فركانس كم در طبيعت به وقوع ميپيوندند. فراواني اين موتاسيونها بسيار كم است به طوري كه تشخيص و پيدا كردن تغييرات مطلوب عموماً مشكل ميباشد و در واقع به صورت يك عامل بازدارنده در برنامههاي اصلاحي ظاهر ميشوند.
ب) موتاسيون القايي: عاملي كه ايجاد موتاسيون مينمايد، موتاژن (جهشزا) ناميده ميشود و به وسيلة اين عامل ميتوان به طور مصنوي موتاسيون القايي را در موجودات ايجاد نمود.
اصولاً موتاژنها به دو دستة اصلي تقسيم ميشوند كه از انواع فيزيكي و شيميايي ميباشند. موتاژنهاي فيزيكي شامل حرارت و به ويژه پرتوها يا تشعشعات ميباشند. مواد شيميايي زيادي نيز به عنوان موتاژن شناخته شدهاند كه براي مثال ميتوان به اسيد نيتروز، اتيل متان سولفونات (EMS)، دي اتيل سولفونات (DES)، هيدرازين هيدرات (HZ)، مالئيك هيدرازين (MH)، هيدروكسيل آمين (HA)، نيتروزومتيل اوره (NMU) و گاز خردل اشاره نمود.
پرتوهاي موتاژنيك
سرگروه موتاژنهاي فيزيكي، پرتوها ميباشند كه شامل پرتوهاي يونيزان (يونساز) و غيريونيزان (غير يونساز) ميباشند. از پرتوهاي يونيزان ميتوان به پرتوهاي ايكس، آلفا، بتا، گاما، پروتونها و نوترونها اشاره نمود. پرتو ماوراء بنفش از گروه غيريونيزان محسوب ميشود.
پرتوهاي ايكس
پرتوهاي ايكس همانند پرتوهاي گاما و نور ماوراء بنفش شامل امواج الكترومغناطيس ميباشند كه البته از نظر طول موج با يكديگر متفاوت هستند به طوري كه طول موج پرتوهاي ايكس و گاما بين 001/0 تا 10 نانومتر و طول موج نور ماوراء بنفش 2000 تا 3000 نانومتر ميباشد.
در دستگاههاي مولد پرتوهاي ايكس، الكترونها توسط يك شتاب دهندة الكتريكي درون محفظة خلاء با موانعي از جنس تنگستن يا موليبدن برخورد ميكنند و در يك لحظه متوقف ميشوند. اصولاً استفاده از دستگاههاي مولد پرتوهاي ايكس با طول موج بلند چندان رايج نيست و معمولاً از دستگاههاي توليد پرتو ايكس با طول موج كوتاه استفاده ميشود زيرا قدرت توليد اين پرتوها با طول موج آنها نسبت معكوس دارد. زماني كه از پرتوهاي ايكس استفاده ميشود بايستي اعداد مربوط به ولتاژ دستگاه (براساس ميليآمپر)، ضخامت و نوع فيلتر، فاصلة تيوپ تا مانع، مقدار و قدرت پرتو يادداشت شود.
پرتوهاي گاما
اصولاً پرتوهاي گاما كه از انواع پرتوهاي الكترومغناطيس ميباشند به دليل دارا بودن طول موج كوتاهتر، داراي انرژي و نفوذپذيري بيشتري نسبت به پرتو ايكس ميباشند. اين پرتو از واكنشهاي هستهاي برخي راديوايزوتوپها يعني كبالت - 60 و سزيم - 137 به دست ميآيد. پرتو مذكور بسيار نافذ و خطرناك ميباشد به طوري كه براي جلوگيري از صدمات آن نياز به استفاده از حفاظهاي غيرقابل نفوذ است. منابع اين پرتو براي پرتودهي بذور به شكل Gamma Cell و براي پرتودهي گياهان در شرايط اتاقكهاي كوچك، گلخانه و يا مزرعه به صورت Gamma Room، Gamma Greenhouse و Gamma Field به كار ميرود.
پرتو ماوراء بنفش
توانايي نفوذ اين نوع پرتو در بافتها اصولاً بسيار كم است و استفاده از آن در گياهان نيز محدود ميباشد و فقط در برخي موارد جهت پرتودهي دانههاي گرده و يا اسپورها به كار ميرود. در تحقيقات مربوط به كشت بافت گياهي و اصلاح نباتات به خصوص زماني كه ژنها به صورت انفرادي مدنظر هستند مورد استفاده قرار ميگيرد. جذب اشعة ماوراء بنفش به مقدار زيادي بستگي به ساختمان مولكولي دارد. اثرات بيولوژيكي اين نوع پرتوها به مقدار زيادي بستگي به طول موج آنها دارد. طول موجهاي بين 2500 الي 2900 نانومتر از نظر بيولوژيكي بسيار مؤثر هستند زيرا در اين محدوده بيشترين ميزان جذب نور توسط اسيدهاي نوكلئيك صورت ميپذيرد.
پرتو بتا حاصل از محلولهاي ايزوتوپي
تأثير ذرههاي بتا (الكترونها) كه از عناصري نظير P32 و S35 توليد ميشوند بر روي بافتها، شبيه به پرتوهاي گاما و ايكس ميباشد ولي اصولاً ميزان نفوذپذيري ذرههاي بتا كمتر از پرتوهاي گاما و ايكس ميباشد.
براي افزايش ميزان نفوذپذيري اين نوع پرتوها ميتوان راديوايزوتوپهاي توليدكنندة بتا را به صورت محلول در اختيار گياهان قرار داد و به اين صورت P32 و S35 ميتوانند به طور مستقيم درون هستة سلول قر ار بگيرند و اثر واقعي خود را بگذارند. در اين رابطه گلوبرچ در سال 1965 اشاره نمود كه طرز عمل و تأثيرگذاري منبع پرتوهاي داخلي با منبع پرتوهاي خارجي تفاوت دارد و از طرف ديگر با توجه به اينكه تفاوت زيادي بين يك سلول با سلول ديگر و يا يك بافت با بافت ديگر وجود دارد بنابراين تعيين دقيق دز دريافتي از منبع پرتو داخلي در نمونههاي گياهي بسيار مشكل است. در آزمايشي كه توسط كاوايي در سال 1963 صورت گرفت بذور برنج در حالت جوانه زده و در حالت خواب درون محلول حاوي P32 به مدت دو هفته قرار داده شدند. بذور در حال جوانهزني و همچنين گياهچههاي در حال رشد توانستند در طي اين مدت P32 را جذب نمايند و حتي مقداري از P32 در گياهان نسل 1M نيز باقي ماند. در اين آزمايش ميزان دز دريافتي براي هر بذر 40-5/2 بوده است و اين در حالي است كه ميزان 50LD براي هر بذر 15-10 بوده است. كاوايي معتقد است كه استفاده از P32 و S35 براي ايجاد موتاسيون بسيار مؤثرتر از پرتوهاي گاما و يا ايكس است.
با توجه به اينكه نيمه عمر P32 معادل 3/14 روز و S35 معادل 87 روز ميباشد، كاوايي در آزمايشات خود در گياهان برنج نسل 1M كه بذور آنها آغشته به راديو ايزوتوپها شده بود، همچنان راديواكتيويته را مشاهده نمود (در مرحله پنجهزني).
ماتسومورا (1962) تعدادي از بذور گياهان جنس Triticum را دو روز پيش از كاشت در محلول P32 و I131 قرار داد تا بدين وسيله تأثير ذرات بتا داخلي را با پرتوهاي گاما حاصل از منبع خارجي مقايسه نمايد. در اين آزمايش تأثير پرتو بتا به ميزان mCi/g2/0-15/0 حاصل از محلول P32 و پرتو بتا به ميزان mCi/g8/0 حاصل از محلول I131 مشابه تأثير پرتو گاما به ميزان 5/2 كيلوراد بود. استين و اسپارو
(1966) به منظور پرتودهي مريستم انتهايي گياه Kalanchoe توسط ذرات بتا از Sr90 و Y90 به عنوان منبع پرتو استفاده كردند. حداكثر انرژي بتا حاصل از Sr90 معادل MeV 546/0 و Y90 معادل MeV 27/2 ميباشد. بنابراين دو عنصر مذكور ميتوانند به عنوان منبع پرتو بتا از نظر افزايش نفوذپذيري به درون بافتها، تأثيرات بيولوژيكي مؤثري داشته باشند.
تأثير عوامل محيطي و بيولوژيكي در واكنش گياهان نسبت به پرتوهاي يونيزان
اصولاً واكنش گونههاي مختلف گياهي به موتاژنهاي فيزيكي (و يا شيميايي) تحت تأثير عوامل محيطي و بيولوژيكي بسيار متنوع قرار دارد كه البته بين اثرات اين عوامل تا حدي همپوشاني نيز وجود دارد. در اين مبحث به برخي از مهمترين اين عوامل اشاره ميشود.
عوامل محيطي
عوامل محيطي عبارتند از اكسيژن، رطوبت بذر، درجه حرارت، شرايط قبل و بعد از تيمار، نوع پرتو يونيزهكننده و ميزان نور.
اكسيژن
اكسيژن بيشتر از عوامل ديگر اهميت دارد به طوري كه اثرات ساير عوامل با آن تداخل دارد. در بررسيهاي مختلف طيف گستردهاي از تأثير اكسيژن در حساسيت گياه نسبت به پرتو به دست آمده است.
رطوبت
حساسيت گياه به پرتو با تغيير رطوبت بذر حتي به ميزان 2/0 تا 3/0 درصد تغيير ميكند و چون براي متخصصين اصلاح نباتات تغيير درصد رطوبت بذر آسانتر از تغيير ميزان اكسيژن ميباشد، استفاده از اين عامل در مقايسه با اكسيژن، متداولتر ميباشد و با اين عمل اثر اكسيژن نيز كاهش مييابد.
درجه حرارت
درجه حرارت سلول گياهي، قبل، طي و بعد از پرتودهي ممكن است بر روي تغييرات ژنتيكي ايجاد شده اثر گذارد. شوك حرارتي حدود 60 درجه سانتيگراد بلافاصله پس از پرتودهي ميتواند آسيب وارده به گياهچه و ناهنجاريهاي كروموزمي در نسل اول را كاهش دهد، بدون آنكه بر ميزان فراواني موتاسيون القايي اثر گذارد.
شرايط قبل و بعد از تيمار
استفاده از مواد شيميايي يا تغيير درجه حرارت باعث تغيير حساسيت گياه به پرتو ميشود. در صورتي كه نخواهيم بذور پرتو داده شده را بلافاصله بكاريم، ميبايست بذوري كه حاوي 14-12 درصد رطوبت هستند را براي مدت 4 هفته در دماي 20-15 درجه سانتيگراد قرار دهيم.
نوع پرتو
انواع پرتوهاي يونيزان در اثرات نسبي بيولوژيك، با يكديگر اختلاف دارند و نوع دز يعني حاد يا مزمن بودن نيز باعث تغيير واكنش موجود نسبت به پرتو ميگردد.
عوامل بيولوژيكي
عوامل بيولوژيكي به دو دسته تقسيم ميشوند. دستة اول شامل عوامل فيزيولوژيكي، مورفولوژي و شيميايي است همچنين دستة دوم شامل عوامل سيتولوژيكي و ژنتيكي ميباشند كه ذيلاً به شرح آنها پرداخته ميشود.
عوامل فيزيولوژيكي، مورفولوژي و شيميايي
اندازه و شكل بذر، پوشش بذر، اندازة جنين، مواد غذايي و شيميايي داخل بذر، تراكم يونهاي ايجاد شده، سن بذر و خواب بذر، جزء اين دسته از عوامل محسوب ميشوند.
اندازه و شكل بذر
اندازه و شكل بذر ميتواند عاملي در تغيير حساسيت به پرتو باشد. به طور مثال در جنس عدس (Lentil) ارقام بذر درشت در مقايسه با ارقام بذر ريز حساسيت بيشتري به پرتو نشان ميدهند ولي در جنس كتان (Lentil) ارقام بذر ريز در مقايسه با ارقام بذر درشت نسبت به پرتو حساستر ميباشند كه احتمالاً اين حساسيت به پرتو بيشتر تحت تأثير اندازة كروموزومها و كمتر تحت تأثير اندازه و شكل بذر ميباشد.
پوشش بذر
در اين مورد موتاژنهاي شيميايي نسبت به موتاژنهاي فيزيكي داراي اهميت بيشتري ميباشند زيرا اين پوشش باعث تغييراتي در نفوذپذيري مواد شيميايي به داخل بذر ميشود.
البته وجود پوشش بذر، حساسيت نسبت به پرتو را نيز تغيير ميدهد و مشاهده شده است كه در بعضي از گياهان بذور داراي پوشش حساسيت كمتري نسبت به زماني كه پوشش آنها برداشته ميشود، دارند.
اندازة جنين
اندازة جنين نيز عامل مهمي در حساسيت به پرتو ميباشد يعني بذوري كه داراي جنين بزرگترين ميباشند، هدفهاي بهتري در پرتوتابي هستند و احتمال برخورد ذرات پرتو به آنها بيشتر است و برعكس جنينهاي كوچكتر نه تنها احتمال برخورد ذرات پرتو به آنها كمتر است بلكه جنين كوچك داراي مواد غذايي بيشتري ميباشد و در نتيجه پرتوها بايد از مواد غذايي بيشتري عبور كنند تا به جنين برسند كه اين امر باعث كاهش حساسيت جنينهاي كوچكتر نسبت به پرتوتابي ميباشد.
مواد غذايي و شيميايي داخل بذر
مواد غذايي و شيميايي درون بذر نيز در ميزان مقاومت يا حساسيت به پرتو مهم ميباشند به طوري كه پرتوتابي آندوسپرم با دزهاي بالاي پرتو گاما (1000 كيلوراد) و سپس پيوند زدن جنين سالم بر روي آن، سبب كاهش رويش در اندام هوايي و سيستم ريشهاي ميشود و حتي بر ميزان بقاء در مزرعه نيز تأثير زيادي ميگذارد و سپس كاهش بسيار شديد آن ميگردد. از طرفي نوع تركيب شيميايي بر نيز بر روي حساسيت به پرتو تأثير ميگذارد. به عنوان مثال مقاومت زياد گياهان روغني در مقابل پرتو ايكس، با مقدار چربي داخل سلول در ارتباط ميباشد. همچنين مشخص گرديده مقدار زياد اسيد اسكوربيك با بالا بودن مقاومت نسبت به پرتو ارتباط دارد. حتي كمبود مواد معدني مختلف باعث تغيير در حساسيت به پرتو در بعضي گياهان ميشود.
تراكم يونهاي ايجاد شده
در كولتيوارهايي كه تراكم يوني يكسان دارند، انتظار ميرود كه در برابر پرتوتابي آسيب مشابه ببينند. در دو كولتيوار حساس و مقاوم گندم تراكم يونهاي ايجاد شده مورد اندازهگيري قرار گرفت و ارتباط ناچيزي بي آسيب بيولوژيك با مقدار يونها به دست آمد. به اين ترتيب به نظر ميرسد كه كوليتوار مقاوم بايد به طريقي در مقايسه با كوليتوار حساس از خود بهبودي نسبي نشان دهد و اين بهبودي ممكن است در اثر پراكندگي يونهاي ايجاد شده در قسمتهاي مختلف ساختمان شيميايي اندامهايي همچون جنين، آندوسپرم و يا پوشش بذر باشد.
سن بذر
سن بذر نيز عاملي در واكنش به پرتو ميباشد. در بذور مسنتر پرتوتابي ميتواند ناهنجاريهاي كروموزمي بيشتري توليد نمايد. حتي تأخير در برداشت نيز ممكن است باعث تغيير واكنش بذور نسبت به تابش پرتو شود. موضوع سن بذر در رابطه با حساسيت نسبت به پرتو، در مورد موتاژنهاي شيميايي نيز صادق است.
خواب بذر
هر تأخيري در جوانه زدن يا به عبارت ديگر خواب بذر (مكانيكي يا شيميايي) باعث افزايش حساسيت به پرتو ميگردد.
اندامها و اجزاء گياهي قابل پرتوتابي
اغلب قسمتهاي مختلف گياه ميتوانند با يكي از روشهاي پرتودهي، تحت تأثير پرتو قرار گيرند ولي به هر حال هميشه سعي بر اين است كه آسانترين روش انتخاب شود. اندامها يا اجزايي از گياهان كه معمولاً ميتوانند مورد پرتوتابي قرار گيرند عبارتند از بذور يا گرده، كل گياه، قلمه حاوي جوانه، غده، پياز، استولون (ساقههاي روي زميني خزنده)، سلولها و بافتهاي گياهي حاصل از كشت بافت (و يا كالوس).
اندامهاي مختلف گياهي، حساسيتهاي متفاوتي نسبت به پرتو از خود نشان ميدهند. عكسالعمل يك سلول نسبت به پرتو به مقدار زيادي بستگي به شرايط فيزيولوژيكي سلول در هنگام پرتوتابي و همچنين شرايط قبل و پس از پرتودهي دارد.
كل گياه
گياهاني كه داراي ابعاد بزرگ هستند و يا به تعداد زياد ميباشند، به راحتي درون گاما - روم و يا گاما - فيلد قابل پرتوتابي هستند. گياهان كوچك جثه و يا گياهاني كه در مرحلة گياهچهاي هستند با استفاده از دستگاههاي توليد پرتو ايكس و يا به كار بردن منبع گاما در شرايط گلخانه و يا اتاقكهاي مخصوص كه حاوي محافظ هستند، قابل پرتوتابي ميباشند. امروزه كمتر از گاما - فيلدها استفاده ميشود زيرا روشهاي بهتر و اقتصاديتر از نظر اصلاح نباتات به خصوص براي گياهاني كه با بذر ازدياد ميشوند ابداع شده است.
بذور
بذور بهترين مواد براي پرتودهي در آزمايشات ايجاد موتاسيون و اصلاح نباتات ميباشند. بذور گياهان را ميتوان در شرايط مختلف فيزيكي محيط مورد پرتودهي قرار داد. به عنوان مثال ميتوان آنها را به صورت خشك شده، يخ زده شده. و يا حتي هنگامي كه درون محلولهاي مختلف هستند تحت تأثير پرتو قرار داد. بذور در حالت خشك از نظر فيزيولوژيكي كمترين فعاليت را دارند بنابراين ميتوان آنها را براي مدت طولاني بدون بروز هرگونه صدمهاي در شرايط وجود اكسيژن و حتي بدون وجود اكسيژن نگهداري كرد. بذور خشك كه داراي خواب بذر هستند به راحتي امكان انتقال به مسافتهاي بسيار دور را دارند. ولي به هر حال براي ايجاد تغييرات ژنتيكي در بذور به دزهاي پرتو بيشتري در مقايسه با ساير اندامهاي گياهي نياز است. در صورتي كه بذور گياهان پيش از پرتودهي درون آب فرو برده شوند، به ميزان پرتو كمتري احتياج است ولي به هر حال پس از جذب آب توسط بذور امكان جوانهزني آنها وجود دارد بنابراين كار كردن با اين نوع بذور براي مراحل بعدي مشكلتر است. در آزمايشي كه فروز - گرتزن و همكاران بر روي جو انجام داند، گزارش نمودند كه قرار دادن بذور اين
گياه درون آب به مدت 12-8 ساعت در دماي 30 درجه سانتيگراد و يا به مدت 35-20 ساعت در دماي 20 درجه سانتيگراد باعث صدمه ديدن بذور گرديد. به طور كلي در اغلب موارد توصيه ميشود براي بذوري كه نياز به خيساندن براي مدت طولاني دارند، دما در محدودة صفر درجةسانتيگراد نگه داشته شود (ولي لازم به ذكر است كه بذر بعضي از گونههاي گياهي تحمل چنين درجه حرارتي را ندارند) كه در اين حالت فراهم كردن اكسيژن به ميزان كافي ضروري است.
ريگز گزارش داد مقاومت بذور ذرات قرار داده شده در آب كه مجدداً خشك شدهاند، نسبت به بذور جو بيشتر است. بنابراين عكسالعملهاي متفاوت بذور گياهان نسبت به قرار داده شدن درون آب به مقدار زيادي بستگي به گونة آنها دارد.
استفاده از پرتوهاي ماوراء بنفش بر روي بذور گياهان از نظر ايجاد تغييرات ژنتيكي چندان موفقيتآميز نبوده است.
دانة گرده
يكي از محاسن بزرگ پرتودهي دانة گرده در مقايسه با پرتودهي بذر يا گياه كامل آن است كه در حالت پرتودهي گياه كامل شيمر توليد ميشود و گياهان توليد شدة 1M از جنين پرتو نديده به وجود ميآيند ولي پرتودهي دانة گرده از اين نظر حائز اهميت ميباشد كه در صورت ايجاد تغييرات ژنتيكي در ريختة ارثي دانة گرده، اين تغييرات توسط آميخته شدن هسته زايشي گرده با سلول تخم در جنين تثبيت شده و سلولهاي اندامهايي كه بعد از رشد جنسي به وجود ميآيند همگي از نظر ريختة ارثي مشابه ميباشند و رقابتي بين سلولها از نظر تغذيه و رشد مشاهده نميگردد.
از معايب پرتودهي دانههاي گرده آن است كه تعداد موتاسيون حاصله بسيار اندك است و همچنين كوتاه بودن زمان زنده بودن دانه گرده يكي از مشكلات ديگر به شمار ميآيد. بنابراين، اين روش براي دانة‌گردة گياهاني كه براي چند ماه ميتوانند زنده بمانند مناسب خواهد بود. از طرف ديگر تحقيقات انجام شده نشان دادهاند كه بهترين قسمت گياه براي پرتودهي با اشعة ماوراء بنفش، دانههاي گرده ميباشد.
مريستمها
آناتومي و قسمتهاي مختلف مريستمهاي جنين، داراي اهميت زيادي براي ايجاد موتاسيون بذر ميباشند زيرا مشخص ميشود كه آيا سلولهاي جهش يافته در حين ايجاد تفرقات از بين خواهند رفت يا اينكه ميتوانند توليد سلولهاي كافي براي بافتهاي جوانهزني بنمايند. ساختمان قسمتهاي مختلف مريستم و تشكيل مريستمهاي جديد در طي تقسيمات سلولي به خصوص در پرتودهي گياهاني كه به صورت غيرجنسي توليدمثل ميكنند حائز اهميت است. در اين رابطه استفاده از كشت بافت كاربرد بسيار جالبي در اصلاح نباتات از طريق موتاسيون را به وجود آورده است.
تأثير موتاژنها بر روي بذور در نسل اول
ايجاد خسارت و كشندگي در گياهان
اصولاً موتاژنهاي فيزيكي و شيميايي ميتوانند سه نوع تأثير جالب از ابعاد ژنتيكي يا اصلاح نباتات داشته باشند كه عبارتند از:
الف) خسارت فيزيولوژيكي (صدمة اوليه)
ب) موتاسيونهاي عاملي (موتاسيونهاي نقطهاي، موتاسيونهاي ژني)
ج) موتاسيونهاي كروموزومي شكستهاي كروموزومي)
موتاسيونهاي كروموزومي و عاملي ممكن است از نسل 1M به ساير نسلها انتقال يابند ولي اثرات فيزيولوژيكي معمولاً به نسل اول منحصر ميباشند. موتاسيونهاي عاملي را نميتوان در نسل اول به وضوح مشاهده نمود مگر آنكه موتاسيون در گامتهاي هاپلوئيد اتفاق افتاده باشد و به طور كلي موتاسيونهاي عاملي و كروموزومي از نظر ايجاد تغييرات در مادة ژنتيكي به خوبي شناخته شدهاند.
تأثيرات فيزيولوژيكي داراي طبيعتهاي بسيار متفاوتي هستند و ميتوان آنها را از طريق بررسي
سيتولوژيكي و همچنين خسارتهاي وارد شده به اندامها و يا عكسالعمل موجود زنده مورد بررسي قرار داد كه در اين خصوص طبق نظر اسپارو (1961) بهترين و مهمترين اثر قابل بررسي، كاهش رشد و يا مرگ موجود زنده تحت تأثير موتاژنها ميباشد.
