多年来，由低能加速器产生的能量仅为keV量级的离子注入技术一直只应用在金属材料的改性上。20世纪80年代后期，由中国学者开创的低能离子束生物学效应及诱变育种的理论及应用研究突破了这个局限。通过近十多年国内外多个实验室的研究，低能离子生物学作用的研究及应用取得了很大的进展。包括我们实验室在内的很多研究表明：10—100keV的低能离子（e．g．N，C，Ar ions）可以引起质粒DNA、氨基酸、病毒、微生物、细胞及作物种子的广泛生物学效应。然而对于引起这种效应的原初物理过程和生物学机制仍了解甚少。因此开展重离子引起生物学损伤的分子事件，特别是DNA分子和基因水平的研究显然具有重要意义。 本文以质粒、噬菌体为实验材料，主要研究30keV的N+、C+引起的DNA分子损伤（单双链断裂）和它诱发基因突变的特点和规律。获得以下主要结果： 一：DIA链断裂测定 1．能量为30keV N+照射干燥的质粒DNA能有效的产生单链断裂（SSB）和双链断裂（DSB），有趣的是两种断裂的产额比，即DSB／SSB为6：1，说明双链断裂是低能离子引发DNA链断裂的主要形式。这一结果是首次报道，而以往文献报道的常规电离辐射所致DNA链断裂的情况则是DSB产率小于甚至远小于SSB的产率。 2．我们采用酶切后线性化的质粒（这样只有DSB能被随后的电泳检测出来）的照射实验结果更加特异的证实了上述的结果。发现，随着剂量的升高，全长质粒的量越来越少，并有DNA碎片产生，提示产生了大量的DSB和多重DSB（multiple double strand break）。 3．对两种质粒（超螺旋和线性）的剂量效应曲线的分析后发现在低剂量下（10’。一10’Zions/c衬），两者都呈线性下降。根据辐射生物学的靶理论，这表明低能离子束与DNA作用产生链断裂是单粒子事件（而不是多离子事件）所致。换句话说，一个断裂是由单个离子引起的。通过我们的理论计算也得到，每一个N十至少产生1.4个DSB。由此我们推测:低能重离子与DNA的作用是以簇损伤（c luster damage）为主要特征。 4.另一个显著的现象是总有一部分DNA分子不能接受到离子的作用，即使提高离子束的剂量（到10’4ions/c时）也无济于事，当通过降低铺在铝箔上的DNA的量来减小样品厚度后，仍有一定量的DNA被屏蔽 （shield）而不受损伤。提示低剂量下30keV的N+对干燥DNA的有效作用深度是非常有限的（几十纳米），这比若干植物材料上所得到的作用深度小得多。这可能与我们所用干燥DNA样品的特定结构与分子构象及辐射剂量较小有关。 5.研究和比较了三种能量N+（30、100、200keV）对质粒DNA的辐照结果后，我们发现，随着能量的增加，离子的有效作用深度增加，表现为被屏蔽的DNA量减少;结果也表明随能量的升高，单个离子的作用效率减弱，即单个离子产生链断裂的能力变弱。 以上结果表明:能量仅为keV水平的重离子对DNA分子的损伤作用，不是象过去认为的“没有作用”或“作用极小”，而是具有相当强的作用。可以推测，这与低能重离子能量沉积的局域性和DNA损伤的成簇性有关。二:LacZ基因突变 由于DNA是各种电离辐射生物学作用的关键靶分子，通常将辐射所致染色体畸变、基因突变、细胞癌变及细胞死亡均归因于未被修复或未被正确修复的DNA损伤。本研究采用M 13RF噬菌体DNA作为研究对象，测定其LacZ基因在30keV的C十作用后的突变发生及突变谱的特点。对106个突变体（包括92个诱发突变和14个自发突变）的Lacz基因的序列分析表明: 1.低能C十能有效地诱发M13RF噬菌体DNA上lacZ基因的突变，诱发突变率（在所用剂量范围内）与自发突变相比平均提高4.9倍。突变类型以单碱基的突变为主，占%.8%。 2.C十辐射诱导的突变与常规电离辐射如Y或X射线的诱变谱既有相似之处又相异性。其相似之处为:（l）以单碱基突变为主（96.8%）;（2）单碱基突变中又以碱基替换为主（56.4%）;（3）在碱基替换中又以G/C发生率最大。 3.同常规电离辐射诱变的一个明显的区别是，C+辐射诱导的单碱基缺失的比例很高（41.5%）。这种高频率的单碱基缺失在以往Y或X射线诱发突变谱中很少见到，这可能是由于低能重离子所致DNA损伤，尤其是碱基损伤类型及分布与Y或X射线辐射不同引起的。 4.30kevc十引起基因突变的另一个特点是，突变位点分布的非随机J性。在我们所研究的LacZ基因区，有5个高频突变位点，在整个92个突变体的94个突变位点上发生突变的次数高达6一16次。 综上所述，本文通过对低能重离子引起DNA链断裂和诱发基因突变谱的研究，首次得到双链断裂的产额高于单链断裂，说明同常规辐射相比，这种能量的离子可以有效的引起DNA的簇损伤;首次得到30keVC+诱导基因的突变谱，发现高频单碱基缺失是低能重离子诱发基因突变的重要特点之一。