自从地球上的生命诞生以来，生物的多样性一直在不断进化，从而达到了现有的复杂性。在自然界，来自宇宙、太阳甚至地球本身的电离辐射促进了生物变异。大多数突变不能存活，但在极少数情况下，有益的突变不仅能产生新物种，还能使新物种在野生环境中存活并茁壮成长。正是因为遗传和变异，生物体才能繁殖和进化。
根据联合国粮食及农业组织和国际原子能机构(粮农组织/原子能机构)的数据库，到2019年，通过诱变育种方法获得了3200多个新作物品种，其中约80%是通过物理诱变获得的。亚洲国家更喜欢用这种技术来改良植物品种，如中国、日本、印度等。截至2018年8月，我国已有1033个植物突变品种通过诱变技术直接或间接育成并获得批准，居世界首位，创造了巨大的社会和经济效益。接下来将介绍辐射育种和高能重离子束诱变育种的研究进展。
植物的基本单位，生物，是惊人的！将无序物质转化为有序结构的能力是独一无二的。通过显微镜，我们可以看到在隆冬时节圆形的球挤在一起。他们非常可爱。这些是——细胞的基本生命单位。每个有机体都是由细胞组成的。每个细胞就像一个微型工厂。成千上万的化学反应在精确控制下发生。细胞工厂有多大？它们大多数在10-30微米之间，但是它们之间的差别非常大。最小的独立活细胞是支原体，直径约为0.1微米。卵细胞是非常大的细胞。例如，鸵鸟卵细胞可以长到25厘米，这是我们所知道的最大的细胞。
细胞工厂分为两种类型:植物工厂和动物工厂。这篇文章的重点是工厂，工厂外面有一层坚硬的装甲——细胞壁。没有它，工厂会倒塌成绿色的废墟。盔甲内部是一层柔软的细胞膜，它定义了细胞的边界，在细胞内外产生和维持完全不同的电环境，并控制各种有机分子的进出。没有它，工厂的正常生产将陷入混乱，因为无法区分外面的和里面的。氨基酸、蛋白质、糖、核酸等各种有机分子的一群杂乱的成员混合在一起，就像一个嘈杂的市场。
遗传学和变异利用电子显微镜，我们可以在更小的范围内了解基因世界。众所周知，地球上的生命和无数与我们共存的生物是由化学“公式”(基因组)决定的。每种生物的“分子式”以化学信息的形式存在于称为脱氧核糖核酸和核糖核酸的螺旋分子中。在活细胞中，遗传信息以双链DNA的形式储存。病毒基因组非常特殊和多样。它们可以是双链或单链核酸、脱氧核糖核酸或核糖核酸。脱氧核糖核酸和核糖核酸是由核苷酸单体组成的聚合分子，它们分别由4种核苷酸结构单元组成。注:2020年将对世界产生重大影响的新型冠状病毒(2019-nCoV)是一种单链核糖核酸病毒。
什么是核苷酸？每个核苷酸由3个化学基团组成，即碱基、戊糖和磷酸基团。碱基包括2个嘌呤碱基和3个嘧啶碱基。脱氧核糖核酸含有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。核糖核酸也含有α、β和β，但是尿嘧啶取代了胸腺嘧啶。
1869年，瑞士生物学家约翰·腓特烈·米舍尔首次发现了脱氧核糖核酸。米舍尔通过化学实验证明，脱氧核糖核酸是酸性的，富含磷，单个脱氧核糖核酸分子非常大。DNA的双螺旋结构如此神奇，在上个世纪的前50年，没有人知道它的具体结构。直到1953年，沃森和克里克才发现DNA是双螺旋结构，这也是20世纪生物学上最重要的突破。
生物通过各种繁殖方法繁殖。单细胞生物通过细胞分裂自我繁殖，而多细胞生物可分为无性繁殖和有性繁殖。无论哪种繁殖方式，它都保证了世代之间生命的延续，使“儿孙”和“父母”相似。这种代际相似现象就是“遗传”。遗传是遗传信息代代相传的现象。相同的物种只能产生相同的物种。所谓“种瓜得豆”。
脱氧核糖核酸是一种非常长的分子，很容易经常被破坏。通常，细胞工厂里有一个诊所，医生会派“酶”去修理它。DNA的复制和修复非常重要，因为个体生物体的生存取决于基因组的稳定性。然而，并非所有的错误都可以正确修复。如果错误被修复，细胞仍然可以存活。这叫做“突变”。如果突变发生在生殖细胞中，它们可以在受精后一代一代地传递突变信息。变异创造了生物学的新特征。
事实上，自然界所有生物都在变异，当然频率很低。当环境发生巨大变化时，原始的DNA蓝图所携带的信息无法满足生物体的生存需求，一些基因变异可以促使生物体度过难关，通过自然选择生存下来，这也是变异的奇迹。
电离辐射和非电离辐射除可见光外，大部分辐射都是看不见或摸不着的。太神奇了。它可以在一眨眼的时间里传输信息(无线电波)，在几分钟内烧开水(微波)，杀死病原微生物(紫外线)，杀死肿瘤细胞(放射疗法)，并产生新的作物品种(突变育种)。这些过程都涉及到与生物体的相互作用，并且可以从根本上归因于辐射和物质之间的能量相互转移。辐射通常分为两类:电离辐射和非电离辐射。电离辐射可以使物质分子电离，也就是说，将原子的电子敲除以产生正负离子的过程。非电离辐射只能导致分子振动、旋转或改变电子能级的状态。一般来说，如果你想杀死细胞或诱导细胞突变，必须使用电离辐射。
辐射如何与生物体相互作用电离辐射直接或间接与细胞工厂的不同成员相互作用。让我们以辐射对DNA分子的攻击为例:直接作用是指辐射直接破坏DNA分子上原子或分子之间的化学键；间接作用是指辐射首先与环境中的水分子相互作用，产生自由基，然后与脱氧核糖核酸分子上的化学基团相互作用，破坏脱氧核糖核酸链。有些变化可以由“酶医生”来修复，而有些则不能修复。
为什么在细胞的这么多成员中，DNA是最重要的靶分子？有机体的新陈代谢是一个动态的过程。当糖、蛋白质和脂质分子暴露在电离辐射下时，它们的性质会发生变化。其中一些会被机体的免疫系统识别，而另一部分会被自身的酶降解。一段时间后，改变的分子将从有机体中被去除。
然而，如果携带遗传信息的DNA分子在受到攻击后不能正常修复，它将在其序列中产生不同的变化(即突变)，因此基因的表达将受到干扰，蛋白质的表达将相应地受到影响。因此，生物体会表现出不同于正常生物体的表型变化。其中一些可以通过繁殖传给下一代。经过几代人的继承，新品种诞生了。如果你把时间放得很长，新的物种就会诞生。
高能重离子束辐射诱变育种的历史可以追溯到1927年。穆勒用x光处理果蝇精子，证明x光可以诱导突变，并显著提高突变率。同时，刘易斯·约翰·斯塔德勒用x射线和γ射线处理大麦和玉米种子，得到了类似的结果。这项研究发表在国际知名期刊《科学》和《PNAS》上。
重离子是指原子数大于2的各种原子的离子。大型粒子加速器可以用一定的能量将重离子加速成重离子束。重离子束已成功应用于核物理、核天体物理、材料物理、碳离子癌症治疗、重离子束育种、空间生物学等方面的研究。
高能重离子束诱变育种，即对植物或微生物进行高能重离子束辐射处理，关键靶分子的DNA被单链、双链和DNA簇破坏，错误的修复导致生物组织个体基因型的遗传变化，最终形成新的植物品种/微生物菌株。不同于传统的辐射，如X射线或γ射线(稀疏电离辐射)，重离子束是密集的电离辐射，可对基因组DNA分子造成局部和复杂的损伤。相应的DNA损伤修复机制与传统的辐射非常不同，并且由此产生的变异也是独特的。
接下来，我们将通过比较“漫画”来介绍高能重离子束诱变的育种原理:
以总能量为960兆电子伏的高能碳离子“兵团”辐射诱变植物种子为例。挥舞大刀(带能量)，碳离子勇敢地穿过细胞，进入细胞核，与DNA分子的原子相互作用，直接切断化学键或与细胞的水分子相互作用，生成——个自由基，“新兵”。老兵和新兵当啷一声切断了细胞蓝图的染色体。OMG，产生各种形式和不同部位的骨折。植物细胞内的特定“酶医生”很快就开始修复。一些骨折得到了很好的治疗，可以连接起来。有些是无法治愈的。许多“酶医生”在有限的时间内咨询，查阅资料或根据经验。咨询的结果是:要么死马当活马医，然后错误的修复就诞生了。不要小看这个小错误，它可能会导致一个大错误，使植物无法回到原来的位置。如果错误继续下去，活着是好事。然后突变细胞诞生了。通过细胞分裂和增殖，大家齐心协力，一群变异细胞出现了。最终，这些突变形成了一个“小社会”。每个人互相支持，互相享受，一起成长为一个完整的植物。最后，一个新的突变体诞生了。这些突变体可能比原始品种(株高的变化)、晚婚晚育/早婚早育(成熟期的变化)高/低，并能繁殖更多的后代(产量)等。它们是人类在实验室和农场里精心挑选的。优秀的材料被发现并成为新的品种，为了人类的利益，这些材料将被投放市场。
与低能离子辐射注入诱变(能量仅为几百千电子伏)相比，高能重离子束(能量为几百兆电子伏至十亿电子伏)具有诱变效果好、穿透力强、处理样品(种子、根、茎、组培苗、组织等)丰富的特点。)，可在大气中处理，处理时间短等。并已被越来越多的国内用户所认可。
世界著名的重离子束辐射育种装置位于日本。有4台加速器可以产生中高能重离子束用于辐射诱变育种研究。它们是:1)日本物理化学研究所(RIKEN)的Renko加速器系统；2)QST量子科学技术研究开发所NIRS国家放射医学研究所千叶重离子医用加速器；3)QST量子科学技术研究开发所高崎量子应用研究所高崎高崎高级辐射应用离子加速器；4)窄湾能源研究中心的多用途同步加速器和串列加速器。
日本成立了一个专门的离子束育种协会，共同促进这项技术在基础和应用研究中的应用，并获得了大量新的植物品种。此外，韩国、印度等国家正在积极建设中高能重离子加速器装置，开展诱变育种。
中国科学院现代物理研究所兰州重离子研究中心是中国唯一能够提供中高能重离子束的科学仪器。重离子束育种经常使用
高能重离子束诱变育种成果日本量子科学技术研究开发所(QST)和日本物理化学研究所(RIKEN)利用高能重离子束诱变育种技术获得了40多种植物突变材料或新品种，如拟南芥、水稻、小麦、仙客来、矮牵牛、菊花、马鞭草等。以花卉为例，获得了樱花、康乃馨、菊花等新品种，创造了显著的经济效益。
依靠我国唯一能提供高能重离子束的加速器HIRFL装置，中国科学院现代物理研究所联合获得了水稻、小麦、向日葵、甜高粱、白露草、天竺葵、莲藕、紫花苜蓿、当归、拟南芥等多种植物的突变群体或新品种。一些新品种被广泛推广种植，给当地发展带来了巨大的社会效益和经济效益。如下所示:
1)小麦:2003年成功育成“龙符2号”小麦新品种，推广面积200多万亩。“龙符2号”是我国通过高能重离子束诱变育种技术获得的第一个植物新品种。
2)水稻:中国科学院现代物理研究所和中国科学院东北地理与农业生态研究所密切合作，利用重离子束辐射技术，筛选出生育期、株高、穗型、粒型和粒重不同的突变株系，为东北地区创造了大量宝贵的粳稻资源。东北粳稻新品种“东稻122”将于2019年育成。此外，“东稻275”和“东稻812”已进入区域试验，并将在未来几年继续获得新品种。
3)油葵:经过多年的田间种植和筛选，2019年采用重离子束辐射诱变技术结合杂交育种方法育成新品种“金葵1号”。它具有增产增油的特点，并具有良好的抗病性。
4)甜高粱:2013年，利用重离子束辐射诱变技术，经过多年田间筛选，获得早熟高糖甜高粱新品种“金甜1号”。与对照相比，其生长期缩短了20天。
5)花卉:2012年开发了具有观赏价值的彩叶新品种“冬花夏草”。它的叶子颜色随着温度的变化而变化，可以人工控制。树叶在冬天是粉红色的，在夏天是绿色的，因此得名“冬花夏草”。
6)中药:2009年至2013年，现代物理研究所与定西市抗旱农业中心合作，培育出当归“明桂3号”、党参“党微2号”、“党微3号”、黄芪“祁龙1号”、“祁龙3号”等高产、抗病、综合农艺性状优良的中药新品种。其中，“明归3号”是我国第一个重离子束辐射培育的中草药新品种，并已通过甘肃省科技厅组织的成果鉴定。
展望20年的发展，高能重离子束诱变育种获得了大量农作物和观赏植物新品种，也创造了丰富的突变体资源和育种材料。
2018年，粮农组织/原子能机构举行了一次关于植物诱变和生物技术育种的国际会议。中日学者向来自世界80多个国家的400多名学者介绍了高能重离子束诱变育种的进展，受到了极大的关注。与传统的物理和化学诱变相比，该方法仍是一项新技术。粮农组织/原子能机构的专家认为，有必要举办一个关于高能离子束诱变育种的特别论坛，讨论如何促进这项技术在世界上的进一步发展和应用。
然而，当前全球气候和环境变化、人口增长等诸多因素给农业发展带来了巨大挑战。在育种过程中，由于人工选择的集中取向，作物的遗传多样性降低，遗传基础狭窄，难以应对突发的生物和非生物胁迫。
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