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 ۴-۱). 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، ۹۷۵/۹۹ درصد اتم‎هاي طبيعي از نوع ‎O16 مي‎باشند. در حالي كه انواع ‎O17 و ‎O18 به ترتيب ۰۳۷/۰ درصد و ۲۰۴/۰ 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 ‎۰A 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 ۵۷۲۰ سال است. فرض مي‎شود كه كربن پرتوزا براي تشكيل ۲CO با اكسيژن ايجاد واكنش مي‎كند و اين ۲CO14 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 ۲CO 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،
‎۰A = 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 ۵۷۲۰ سال در نظر گرفته مي‎شود (۵۷۲۰ = ‎ ).
‎e = پاية لگاريتم طبيعي (۷۱۸۲۸/۲)
‎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 ۱۰ شمارش در دقيقه به ازاء هر گرم چوب داشته باشيم، سن اين تكه چوب به صورت زير قابل محاسبه است.
از آنجايي كه تعداد ۱۵ واپاشي در دقيقه بر گرم براي ‎C14 به طور ثابت موجود مي‎باشد، طبق فرمول فوق‎الذكر خواهيم داشت:

t = سال ۳۳۵۶
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 ۷۰ 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 ۱۹۰۱ 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:
۱- صفت مورد نظر در ژرم پلاسم گياه مربوطه در بانك ژن موجود نباشد و حتي در طبيعت بين خويشاوندان وحشي نيز مشاهده نگردد.
۲- 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.

۳- 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.
۴- زماني كه رقم مورد نظر براي اصلاح داراي ژنوتيپ منحصر به فردي است كه نبايد به وسيلة تلاقي شكسته شود.
۵- زماني كه دستيابي به صفتي جديد، مدنظر باشد. مثل تنوع رنگ در گل‎هاي زينتي و يا حالت خاصي از گياه.
۶- زماني كه امكانات اجراي يك پروژة اصلاح به روش موتاسيون مهيا باشد.
۷- 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 ۰۰۱/۰ تا ۱۰ نانومتر و طول موج نور ماوراء بنفش ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ 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 ‎- ۶۰ و سزيم ‎- ۱۳۷ 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 ۲۵۰۰ الي ۲۹۰۰ 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 ۱۹۶۵ 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 ۱۹۶۳ 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 ۱M نيز باقي ماند. در اين آ‌زمايش ميزان دز دريافتي براي هر بذر ۴۰-۵/۲ بوده است و اين در حالي است كه ميزان ۵۰LD براي هر بذر ۱۵-۱۰ 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 ۳/۱۴ روز و ‎S35 معادل ۸۷ روز مي‎باشد، كاوايي در آزمايشات خود در گياهان برنج نسل ۱M كه بذور آنها آغشته به راديو ايزوتوپ‎ها شده بود، همچنان راديواكتيويته را مشاهده نمود (در مرحله پنجه‎زني).
ماتسومورا (۱۹۶۲) 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 ۵/۲ كيلوراد بود. استين و اسپارو

(۱۹۶۶) 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 ۲/۰ تا ۳/۰ 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 ۶۰ 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 ۱۴-۱۲ درصد رطوبت هستند را براي مدت ۴ هفته در دماي ۲۰-۱۵ 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 (۱۰۰۰ 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 ۱۲-۸ ساعت در دماي ۳۰ درجه سانتي‎گراد و يا به مدت ۳۵-۲۰ ساعت در دماي ۲۰ 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 ۱M 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 ۱M 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 (۱۹۶۱) بهترين و مهم‎ترين اثر قابل بررسي، كاهش رشد و يا مرگ موجود زنده تحت تأثير موتاژن‎ها مي‎باشد.