06 生命科學(xué)與農(nóng)業(yè)

1、1第六章生命科學(xué)與農(nóng)業(yè)2一、 糧食危機(jī)挑戰(zhàn)社會(huì)文明 “民以食為天，食以糧為先” 糧食安全是國(guó)際社會(huì)永恒關(guān)注的焦點(diǎn)之一。 能源危機(jī)、人口增長(zhǎng)、環(huán)境污染嚴(yán)重和自然災(zāi)害等一系列復(fù)雜問(wèn)題的負(fù)面影響波及到全球各個(gè)角落。3（一）糧食安全的概念（一）糧食安全的概念 1996年11月，第二次世界糧食大會(huì)通過(guò)的羅馬宣言和行動(dòng)計(jì)劃，又對(duì)“糧食安全”的作了表述： “只有所有人在任何時(shí)候都有能夠在物質(zhì)上和經(jīng)濟(jì)上獲得足夠、安全和富有營(yíng)養(yǎng)的糧食，來(lái)滿足其積極和健康生活膳食需要和食物喜好時(shí)，才實(shí)現(xiàn)了糧食安全?！?（二）糧食安全的含義（二）糧食安全的含義 1、要有效供給 (有充足的糧食)； 2、是要有效需求 (有充分獲得糧食

2、的能力)； 3、是要保證此二者的可靠性。 已被聯(lián)合國(guó)、世界銀行等多個(gè)國(guó)際機(jī)構(gòu)和、科研人員所普遍認(rèn)同和采用。5糧食安全的本質(zhì) 糧食安全是指一個(gè)國(guó)家滿足糧食需求以及抵御可能出現(xiàn)的各種不測(cè)事件的能力。 決定性因素是糧食生產(chǎn)及消費(fèi)的能力和水平，同時(shí)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及外貿(mào)狀況有著密切的聯(lián)系。 6（三）糧食安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)：（三）糧食安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)： FAO給出的糧食安全衡量標(biāo)準(zhǔn)： 是糧食生產(chǎn)上的安全，國(guó)家糧食的自給率必須達(dá)到95%以上； 是糧食消費(fèi)上的安全，年人均糧食達(dá)400公斤以上（500公斤）； 是糧食儲(chǔ)備或糧食庫(kù)存應(yīng)該達(dá)到本年度糧食消費(fèi)的18%，而14%是警戒線，低于14%為糧食緊急狀態(tài)。7（四）

3、中國(guó)糧食安全的（四）中國(guó)糧食安全的5個(gè)主要指標(biāo)：個(gè)主要指標(biāo)： 糧食庫(kù)存安全系數(shù)： 穩(wěn)定在2025%左右為宜。糧食年末庫(kù)存量保持在10001250億公斤； 糧食產(chǎn)量波動(dòng)系數(shù)： 糧食產(chǎn)量年波動(dòng)幅度應(yīng)穩(wěn)定在2%左右。糧食常年生產(chǎn)能力應(yīng)該保證在4850億公斤以上； 糧食外貿(mào)依存系數(shù)： 保持在5%左右，可在適度范圍內(nèi)提高；8（四）中國(guó)的糧食安全5個(gè)主要指標(biāo)： 人均年糧食占有量： 保持在385400公斤（低于FAO的標(biāo)準(zhǔn)）。 研究表明，人均糧食370公斤就能夠基本滿足目前的食品消費(fèi)需要。但是FAO認(rèn)為，隨著居民收入增加和糧食貿(mào)易進(jìn)一步發(fā)展，20062015年全球人均糧食消費(fèi)量將繼續(xù)提高。因此，人均400公

4、斤僅可以作為國(guó)家調(diào)控糧食安全的基本參考線； 貧困人口糧食安全的最低要求：保證溫飽（人體最低熱量攝入標(biāo)準(zhǔn)為每人每天2100大卡，其中糧食每人每年220公斤）。 9（五）我國(guó)糧食和食品安全面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)（五）我國(guó)糧食和食品安全面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)消費(fèi)需求呈剛性增長(zhǎng)耕地?cái)?shù)量逐年減少水資源短缺矛盾凸現(xiàn)供需區(qū)域性矛盾突出品種結(jié)構(gòu)性矛盾加劇種糧比較效益偏低全球糧食供求偏緊10二、糧食安全呼喚農(nóng)業(yè)革命 1、人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)的三大發(fā)展階段： 2、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)甚至后現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 3、生態(tài)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn) 111、人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)的三大發(fā)展階段： 第一個(gè)階段是原始農(nóng)業(yè)階段，持續(xù)了大約7000年，是刀耕火種的原始操作，主要

5、是熟荒、撂荒，基本只有種和收兩個(gè)環(huán)節(jié)。 特點(diǎn)在于只取不給，土地營(yíng)養(yǎng)平衡完全靠自然植被的自我恢復(fù)； 121、人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)的三大發(fā)展階段： 第二個(gè)階段是自給自足的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段。 持續(xù)了近3000年，主要是以人力、畜力為動(dòng)力，以人糞尿、動(dòng)物糞便、綠肥等有機(jī)肥為土地提供營(yíng)養(yǎng)；采用間作、輪作、套作等方式來(lái)充分利用土地資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 注意到了保持地力常新和順應(yīng)自然規(guī)律、天時(shí)地利來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 但是由于以人畜力為主，勞動(dòng)生產(chǎn)低效；對(duì)自然的依附狀態(tài)不能得到改善；難以在較大規(guī)模上合理充分利用自然資源以及進(jìn)行林、牧、農(nóng)、漁的綜合生產(chǎn)。 131、人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)的三大發(fā)展階段： 第三個(gè)階段是19世紀(jì)40年代開始的

6、集約化生產(chǎn)。 歷時(shí)約150多年至今，鼎盛于20世紀(jì)60年代。 其特點(diǎn)是以機(jī)械化、水利化、化學(xué)化和電氣化來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；直接和間接依賴石化能源；農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率大大提高；土地生產(chǎn)率和農(nóng)產(chǎn)品商品率提高（在美國(guó)，1的人種糧）。 問(wèn)題在于：高輸入、高能耗，加劇世界能源危機(jī)；機(jī)械化耕作與不合理的種植導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤流失；化肥和農(nóng)藥用量上升，但大部分進(jìn)入了環(huán)境，引起嚴(yán)重環(huán)境污染；單一種植使生態(tài)失衡，引發(fā)大規(guī)模病蟲害；人工創(chuàng)造的高產(chǎn)品種廣泛取代了各地農(nóng)畜品種的多樣性，使后者的基因快速滅絕。 142、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 內(nèi)涵是以統(tǒng)籌城鄉(xiāng)社會(huì)發(fā)展為基本前提，以“以工哺農(nóng)”的制度變革為保障，以市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)為基本動(dòng)力，用: 現(xiàn)代

7、工業(yè)裝備農(nóng)業(yè)、 現(xiàn)代科技改造農(nóng)業(yè)、 現(xiàn)代管理方法管理農(nóng)業(yè)、 健全的社會(huì)化服務(wù)體系服務(wù)農(nóng)業(yè)， 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)技術(shù)升級(jí)、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和制度變遷，使農(nóng)業(yè)成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)部門的一個(gè)重要組成部分和支撐農(nóng)村社會(huì)繁榮穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。 15現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的區(qū)別： 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是以現(xiàn)代科技為支撐的創(chuàng)新農(nóng)業(yè)，廣泛采用以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的工具和方法，并隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷改造升級(jí)，同時(shí)農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展也促使農(nóng)業(yè)管理體制、經(jīng)營(yíng)機(jī)制、生產(chǎn)方式、營(yíng)銷方式等不斷創(chuàng)新。徹底改變了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)農(nóng)業(yè)技術(shù)長(zhǎng)期停滯不變的局面。 163、生態(tài)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn) 生態(tài)農(nóng)業(yè)是指在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展原則下，總結(jié)吸收各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的成功經(jīng)驗(yàn)，

8、按生態(tài)學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，應(yīng)用系統(tǒng)工程方法建立和發(fā)展起來(lái)的農(nóng)業(yè)體系。 17生態(tài)農(nóng)業(yè)一般具有8個(gè)原則： 戰(zhàn)略性：戰(zhàn)略性：用農(nóng)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光來(lái)制定自己的生態(tài)農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略； 地域性：地域性：按照自己的地域特色和特有農(nóng)業(yè)品種來(lái)設(shè)計(jì)能發(fā)揮當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式； 多樣性：多樣性：注重品種和栽種的多樣性，利于物質(zhì)和能量的充分利用和減少病蟲害； 整體性：整體性：注重農(nóng)、林、牧、副、漁、工、商、運(yùn)輸?shù)确矫嬲w發(fā)展；18生態(tài)農(nóng)業(yè)一般具有8個(gè)原則： 協(xié)調(diào)性：協(xié)調(diào)性：注重林、田、水、草等與經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、生態(tài)環(huán)境有機(jī)配合； 層次性：層次性：利用生物界的食物鏈關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，由此獲得多方面收益； 高效性：高效性：重

9、視提高植物中儲(chǔ)存的太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換率，充分合理利用其它自然資源； 持續(xù)性：持續(xù)性：重視保護(hù)資源和合理利用資源，提高資源利用率，使資源利用具有持久性。 19三色生態(tài)農(nóng)業(yè) 綠色農(nóng)業(yè)綠色農(nóng)業(yè) 是指?jìng)鹘y(tǒng)的種植業(yè)，以水、土和陽(yáng)光為基礎(chǔ)。 綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向是利用生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)和可持續(xù)發(fā)展技術(shù)發(fā)展生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效的物質(zhì)能量循環(huán)和生產(chǎn)資料的加工和轉(zhuǎn)換，保持環(huán)境、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。20三色生態(tài)農(nóng)業(yè) 藍(lán)色農(nóng)業(yè)藍(lán)色農(nóng)業(yè) 以海洋為基礎(chǔ)，是對(duì)海洋和浮游生物等資源進(jìn)行綜合利用的特色農(nóng)業(yè)，重點(diǎn)就是海洋和海水的養(yǎng)殖業(yè)。 海洋資源是世界上最豐富的資源，積極開發(fā)利用海洋資源將是保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的重要舉措。 海洋占地球表面的71

10、，是地球巨大的生物資源寶庫(kù)。人們已不懷疑，蔚藍(lán)無(wú)際的海洋將是21世紀(jì)人類的第二糧倉(cāng)。 中國(guó)有18000多km大陸海岸線，近海水深在200m以內(nèi)的大陸架至少有約1.47億hm，超過(guò)陸地耕地總面積。21三色生態(tài)農(nóng)業(yè) 白色農(nóng)業(yè)白色農(nóng)業(yè) 是指微生物農(nóng)業(yè)以及酶工程等等，是以基因工程等高科技發(fā)展微生物的資源工程農(nóng)業(yè)。 它通過(guò)優(yōu)化配置微生物資源，利用微生物堅(jiān)韌的繁殖生產(chǎn)能力，在工廠化條件下生產(chǎn)植物、動(dòng)物所必需的營(yíng)養(yǎng)品和保健品。 因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程非常嚴(yán)格，分子操作常在白色的小試管中而且操作者穿著白色的衣服，所以形象地稱之為“白色農(nóng)業(yè)”。 224、雜交稻或是解決糧食危機(jī)關(guān)鍵 雜交優(yōu)勢(shì)利用是選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種的最有效

11、最成熟的方法之一，它在未來(lái)選育新品種工作中仍將起重要作用。 雜交優(yōu)勢(shì)的利用最為成功的是中國(guó)的雜交稻。雜雜交水稻交水稻70年代育成并應(yīng)用于生產(chǎn)以來(lái)，種植面積年代育成并應(yīng)用于生產(chǎn)以來(lái)，種植面積逐年擴(kuò)大，產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)。種植面積發(fā)展到逐年擴(kuò)大，產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)。種植面積發(fā)展到3億億多畝，平均畝產(chǎn)多畝，平均畝產(chǎn)500公斤以上，最高畝產(chǎn)達(dá)公斤以上，最高畝產(chǎn)達(dá)1000公斤。公斤。 23農(nóng)業(yè)的出路何在？ 鄧小平同志明確指出：“將來(lái)農(nóng)業(yè)問(wèn)題的出路，最終要由生物工程來(lái)解決，要靠尖端技術(shù)”。 錢學(xué)森院士提出：“21世紀(jì)30年代，人類社會(huì)將進(jìn)入第六次產(chǎn)業(yè)革命，即現(xiàn)代生物科學(xué)技術(shù)革命，主戰(zhàn)場(chǎng)在大農(nóng)業(yè)”； 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者美藉

12、華人科學(xué)家李遠(yuǎn)哲說(shuō)：“人類經(jīng)歷了工業(yè)化和信息化兩次產(chǎn)業(yè)革命之后，下個(gè)世紀(jì)的科技增長(zhǎng)點(diǎn)應(yīng)是生物技術(shù)”。24三、分子育種武裝現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 雜交育種已經(jīng)給農(nóng)業(yè)帶來(lái)了巨大的革命，下一場(chǎng)革命就進(jìn)入分子水平了。 目前最新的育種技術(shù)是有“白色革命”之稱的分子育種技術(shù)。 植物分子育種技術(shù)為物種間和屬間甚至科間遠(yuǎn)緣遺傳物質(zhì)的導(dǎo)入和交換，進(jìn)而為快速培育高產(chǎn)、多抗和優(yōu)質(zhì)的新品種提供有效的育種途徑。 251、分子育種 廣義的分子育種 外源外源DNA導(dǎo)入植物的技術(shù)：導(dǎo)入植物的技術(shù)：即將帶有目的性狀的基因的供體總DNA片段導(dǎo)人植物，篩選獲得目的性狀表達(dá)的后代，培育新品種； 植物基因工程技術(shù)：植物基因工程技術(shù)：即將目的基因分離

13、出來(lái)，在體外構(gòu)建重組分子再導(dǎo)人植物細(xì)胞，然后通過(guò)離體培養(yǎng)并篩選獲得目的基因表達(dá)的植株，培育新品種。 狹義的分子育種指的是第一個(gè)層次。26降低植物油中的飽和脂肪酸的含量 增加3-酮酯酰ACP合成酶的水平，因?yàn)檫@種酶是植物脂肪酸合成過(guò)程中的一種極其重要的關(guān)鍵酶，它負(fù)責(zé)不飽和脂肪酸的形成； 減少酯-ACP-硫酯酶的活性，這種酶是植物脂肪酸合成過(guò)程中的另一種極其重要的關(guān)鍵酶，它負(fù)責(zé)飽和脂肪酸的形成； 增加具有把飽和脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙柡椭舅峁δ艿哪そY(jié)合脫飽和酶水平。 27植物抗病蟲害基因工程 殺蟲結(jié)晶蛋白（殺蟲結(jié)晶蛋白（Bt）基因）基因 作用原理：作用原理： 蘇云金桿菌（革蘭氏陰性菌）形成芽孢，產(chǎn)生伴孢

14、晶體獲取Bt基因基因操作，轉(zhuǎn)移到受體植物轉(zhuǎn)基因植物中Bt基因表達(dá)，產(chǎn)生殺蟲結(jié)晶蛋白昆蟲食用，殺蟲蛋白進(jìn)入昆蟲消化道殺蟲蛋白經(jīng)過(guò)多步驟活化，成為毒性多肽分子，這種分子不會(huì)受到其他蛋白酶（如胰蛋白酶）等的破壞與腸道上皮細(xì)胞的特異性結(jié)合蛋白結(jié)合合于細(xì)胞膜上細(xì)胞膜產(chǎn)生孔道滲透平衡被破壞、細(xì)胞破裂昆蟲逐漸停止進(jìn)食最終導(dǎo)致死亡。 28植物抗病蟲害基因工程 蛋白酶抑制劑基因蛋白酶抑制劑基因 蛋白酶抑制劑與昆蟲消化道內(nèi)的蛋白消化酶相接合，形成酶-抑制劑復(fù)合物，從而阻斷或減弱昆蟲自身的蛋白酶對(duì)于蛋白質(zhì)的水解作用，導(dǎo)致昆蟲吸收的蛋白質(zhì)不能被正常消化，同時(shí)使昆蟲產(chǎn)生厭食反應(yīng)。 對(duì)于人畜，蛋白抑制劑在胃中的酸性條件下

15、，被胃中的胃蛋白酶分解，所以這類轉(zhuǎn)基因植物對(duì)于人畜是無(wú)害的。這類抗蟲基因已經(jīng)被轉(zhuǎn)到水稻、油菜、白薯、蘋果、楊樹等植物。 29 植物凝集素基因植物凝集素基因 植物凝集素的抗蟲原理在于：當(dāng)被昆蟲取食后，外源凝集素在昆蟲的消化道中與腸道圍食膜上的糖蛋白結(jié)合，從而影響營(yíng)養(yǎng)的吸收。同時(shí)外源凝集素還可能在昆蟲的消化道內(nèi)誘發(fā)病灶，促進(jìn)消化道中細(xì)菌的繁殖。這些作用對(duì)害蟲都起到危害作用，從而達(dá)到殺蟲目的。 已成功的導(dǎo)入煙草和萵苣。 植物抗病蟲害基因工程30植物抗病蟲害基因工程 殺菌肽基因殺菌肽基因 最初的殺菌肽是從天蠶中分離出來(lái)的一種抗菌化合物，一般是堿性蛋白，可以在原核生物細(xì)胞膜上形成巨大的時(shí)間性和電壓依賴性

16、的離子通道，致使細(xì)胞內(nèi)外滲透壓改變，細(xì)胞內(nèi)容物尤其是鉀離子大量滲出，細(xì)菌因此死亡。31植物抗除草劑基因工程 通過(guò)基因工程的方法，把對(duì)除草劑的抗性或耐性引入到栽培種中。 利用這個(gè)基因，已經(jīng)獲得了耐除草劑的轉(zhuǎn)基因煙草、轉(zhuǎn)基因馬鈴薯、轉(zhuǎn)基因番茄等。 32抗凍蛋白基因 抗凍蛋白（antifreeze protein，AFP）是指具有降低冰點(diǎn)和減少冰晶生長(zhǎng)速度的蛋白質(zhì)，抗凍蛋白基因可以作為轉(zhuǎn)基因植物的目的基因。 抗凍效果較好的有北美黃蓋鰈AFP、海渡鴨AFP、大洋條鱈AFP。把這些基因改裝后，轉(zhuǎn)入番茄，獲得了抗凍性之后，可以大大地延長(zhǎng)番茄的保鮮期和儲(chǔ)藏期。 33改變過(guò)時(shí)成熟期的基因工程 利用基因工程還可

17、以改變?cè)S多重要經(jīng)濟(jì)作物如番茄、香蕉、草莓、柑橘、葡萄、蘋果、菠蘿、西瓜等的成熟期，從而推后或提前上市。 在成熟過(guò)程中，乙烯是非常重要的。 乙烯形成的過(guò)程中有一個(gè)重要的酶就是乙烯形成酶（EFE），利用基因技術(shù)，將這個(gè)酶活性抑制或者是將乙烯形成酶基因的表達(dá)抑制，就可以達(dá)到預(yù)期的目的，使果實(shí)成熟延遲。通過(guò)這樣的基因工程我們就可能吃到熟而不敗的瓜果了。 34植物基因工程植物基因工程35轉(zhuǎn)基因植物361983年培植基因移植作物成功世界上第一種基因移植作物是一種含有抗生素藥類抗體的煙草，1983年得以培植出來(lái)37 1994年，美國(guó)政府批準(zhǔn)了他們研制成功抗干旱、早熟、保鮮的轉(zhuǎn)基因番茄商品化之后，我國(guó)也相繼成

18、功培育出優(yōu)良品種的轉(zhuǎn)基因番茄，以滿足人們的需求。轉(zhuǎn)基因番茄轉(zhuǎn)基因番茄38轉(zhuǎn)基因甜椒轉(zhuǎn)基因甜椒 甜椒在栽培的過(guò)程中，容易受病毒的感染。我國(guó)科學(xué)工作者，采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，培育出抗病毒的甜椒。39轉(zhuǎn)基因油菜轉(zhuǎn)基因油菜油菜是人們食用油的主要來(lái)源之一。一般油菜籽的含油量約為40左右。通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，培育出來(lái)的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油的純度質(zhì)量更好。40轉(zhuǎn)基因玉米轉(zhuǎn)基因玉米 玉米是主要糧食之一，又可以提煉油脂，也可以用作食品和工業(yè)的原料以及作飼料，渾身是寶。人們稱它是含金的植物。如今培育出轉(zhuǎn)基因玉米，品質(zhì)更好，產(chǎn)量更高41轉(zhuǎn)基因牽?；ㄞD(zhuǎn)基因牽牛花 我國(guó)科學(xué)工作者，用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，可以轉(zhuǎn)變矮牽牛

19、花的花色，使矮牽牛花的花色更加豐富多彩。42轉(zhuǎn)基因小麥轉(zhuǎn)基因小麥 從植物體中分離出從植物體中分離出合成賴氨酸的基因，合成賴氨酸的基因，把這基因轉(zhuǎn)入小麥把這基因轉(zhuǎn)入小麥植株中，培育出轉(zhuǎn)植株中，培育出轉(zhuǎn)基因小麥。用這種基因小麥。用這種轉(zhuǎn)基因小麥制造出轉(zhuǎn)基因小麥制造出來(lái)的面粉，更適合來(lái)的面粉，更適合用來(lái)烤面包，而且用來(lái)烤面包，而且面粉中賴氨酸含量面粉中賴氨酸含量高，這種面包的營(yíng)高，這種面包的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高養(yǎng)價(jià)值高43植物基因工程的發(fā)展現(xiàn)狀植物基因工程的發(fā)展現(xiàn)狀植物基因工程方法植物基因工程方法轉(zhuǎn)化子細(xì)胞的篩選轉(zhuǎn)化子細(xì)胞的篩選轉(zhuǎn)化體的鑒定與證明轉(zhuǎn)化體的鑒定與證明植物基因工程研究的應(yīng)用和展望植物基因工程研究的

20、應(yīng)用和展望44植物基因工程的概念 植物基因工程是以植物為受體的一種基因操作，即以分子生物學(xué)為理論基礎(chǔ)，采用基因克隆、遺傳轉(zhuǎn)化（根癌農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒介導(dǎo) 法、基因槍法、原生質(zhì)體介導(dǎo)，法等），以及細(xì)胞、組織培養(yǎng)技術(shù)將外源基因轉(zhuǎn)移并整合到受體植物的基因組中并使其在后代植株中得以正確表達(dá)和穩(wěn)定遺傳，從而使受體獲得新性狀的技術(shù)體系。45轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用前景和理論意義 改變它們的遺傳特性，使植物免受病蟲的危害，或獲得抗除草劑的特性，或改變種子種淀粉、蛋白質(zhì)的含量和組成、或改變花的形狀和顏色，或改變植物的育性和不親合性以及改變植物的抗逆性等。 轉(zhuǎn)基因植物可作為一種生物反應(yīng)器，生產(chǎn)藥用蛋白和植物次生代謝產(chǎn)物，或

21、生產(chǎn)某些有機(jī)化合物。 轉(zhuǎn)基因植物為人們研究某一基因功能及其在生長(zhǎng)發(fā)育中的作用提供了強(qiáng)有力的工具。46國(guó)際轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀 在1996年2004年間，全球轉(zhuǎn)基因植物的生產(chǎn)和利用超出了當(dāng)初預(yù)料，基因作物種植面積增長(zhǎng)了近48倍， 從1996年的170萬(wàn)公頃增加到2004年的8100萬(wàn)公頃。 在2004年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積仍有66%在工業(yè)化國(guó)家，但發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)基因作物的種植面積已逐年增加。47國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀 在某些領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。 2004年全國(guó)轉(zhuǎn)基因作物種植面積為370萬(wàn)公頃，成為繼美國(guó)、阿根廷、加拿大、巴西之后的轉(zhuǎn)基因植物種植第五大國(guó)。48二 、植物基因工程方法原生質(zhì)體介導(dǎo)法

22、基因槍法根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)法49 一 原生質(zhì)體介導(dǎo)法 概念：以原生質(zhì)體為受體，借助于特定的化學(xué)或物理手段將外源直接導(dǎo)入植物細(xì)胞的方法。 主要方法主要方法: 1) PEG介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化 2) 脂質(zhì)體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化脂質(zhì)體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化 3) 電激法電激法 4) 激光導(dǎo)入法激光導(dǎo)入法 5) 顯微注射法顯微注射法501 PEG介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化 原理：利用化學(xué)試劑，如聚乙二醇（PEG）聚乙烯醇(細(xì)胞促融劑)等，誘導(dǎo)原生質(zhì)體攝取外源DNA分子， 進(jìn)入原生質(zhì)體的外源DNA分子就有可能通過(guò)某種機(jī)制整合到基因組中，完成遺傳轉(zhuǎn)化過(guò)程。 案例：轉(zhuǎn)基因煙草512 脂質(zhì)體介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 原理：利用脂類化學(xué)物質(zhì)包裹

23、外源DNA成球體, 通過(guò)植物原生質(zhì)體的吞噬或融合作用把包含外源DNA的脂質(zhì)體轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞。 特點(diǎn)：轉(zhuǎn)化率高; 操作繁瑣; 技術(shù)性高。523 電激法介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)化 原理：利用高壓電脈沖作用，在原生質(zhì)體膜上“電激穿孔“，形成可逆的瞬間通道,從而促進(jìn)外源DNA進(jìn)入原生質(zhì)體。 特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)化率高； 操作簡(jiǎn)便 ； 容易造成原生質(zhì)體損傷。53顯微注射介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化原理：利用顯微注射儀將外源DNA直接注入受體的細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核，從而實(shí)現(xiàn)外源基因的轉(zhuǎn)移。優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化率高；純物理方法，適用于各種植物和材料，無(wú)局限性；對(duì)受體細(xì)胞無(wú)毒害，有利于轉(zhuǎn)化細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育；培養(yǎng)過(guò)程無(wú)需特殊選擇系統(tǒng)。54激光微束介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化

24、原理：將激光引入光學(xué)顯微鏡聚焦成微米級(jí)的微束 照射培養(yǎng)細(xì)胞，在細(xì)胞膜上形成能自我愈合的小孔，使加入細(xì)胞培養(yǎng)基里的外源DNA流入細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)移。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便； 工作效率高； 無(wú)宿主限制，適應(yīng)于各種動(dòng)植物； 對(duì)受體細(xì)胞生命活動(dòng)影響?。?受體的類型廣泛； 用于細(xì)胞器的基因轉(zhuǎn)化55二 基因槍法（微彈轟擊法） 工作原理：將外源DNA包被在微小的金粒或鎢粒表面，然后在高壓的作用下將微粒高速射入受體細(xì)胞或組織，微粒上的外源DNA進(jìn)入細(xì)胞后，整合到植物染色體上并得到表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)外源基因的轉(zhuǎn)化。 動(dòng)力類型：火藥爆炸力； 高壓氣體； 高壓放電56操作步驟 （1）制備DNA微彈； （2）準(zhǔn)備靶外植體材料；

25、 （3） DNA微彈轟擊； （4） 培養(yǎng)轟擊后的外植體57 轉(zhuǎn)化率影響因素 金屬微粒 金粉顆粒較鎢粒性質(zhì)優(yōu)良,但是價(jià)格昂貴. DNA沉淀輔助劑 這些化合物對(duì)DNA在微粒上的黏附有重要作用,但對(duì)植物受體細(xì)胞也產(chǎn)生一定的傷害. DNA純度及濃度 微彈速度 植物材料內(nèi)在因素 58三、根癌桿菌介導(dǎo)法 根癌農(nóng)桿菌廣泛侵染雙子葉植物和裸子植物。 根據(jù)根癌農(nóng)桿菌誘導(dǎo)植物形成的根瘤中冠癭堿的不同可將根癌農(nóng)桿菌分為章魚堿型、胭脂堿型、農(nóng)桿菌素堿和農(nóng)桿堿型4種類型。 在根癌農(nóng)桿菌內(nèi)有一個(gè)大的致瘤質(zhì)粒，簡(jiǎn)稱Ti質(zhì)粒。59冠癭瘤 植物與人一樣，可以產(chǎn)生各種各樣的瘤和癌。其中一類瘤被叫作癭，癭的種類很多。引起癭的因素有

26、：受傷、昆蟲、病毒、細(xì)菌和特定的基因組織表達(dá)等。人們最感興趣的癭是冠癭瘤。 1.1.1冠癭瘤的起因：由根癌農(nóng)桿菌對(duì)植物的侵染而引起。 1.1.2冠癭瘤的侵染過(guò)程 細(xì)菌通過(guò)傷口進(jìn)入植物，在基因水平上轉(zhuǎn)化植物。細(xì)菌DNA中的編碼基因在植物細(xì)胞中表達(dá)，刺激植物細(xì)胞不受控制的分裂，形成瘤。60冠癭瘤上： 電鏡下的根癌農(nóng)桿菌下： 冠癭瘤61冠癭瘤的一般生物學(xué)特性 45殺死侵染植物的根癌農(nóng)桿菌，植物組織仍然能形成癌。把瘤組織培養(yǎng)在不加生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素的培養(yǎng)基上，能夠無(wú)限止的分裂和生長(zhǎng)。 根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞的能力是因?yàn)樗幸粋€(gè)叫作Ti（tumor-inducing）的質(zhì)粒（Ti plasmid）。6

27、2Ti質(zhì)粒 Ti質(zhì)粒是根癌農(nóng)桿菌染色體外的遺傳物質(zhì)，為雙股共價(jià)閉合環(huán)狀DNA分子，其分子量為95156 106D，約有200kb。63Ti質(zhì)粒 Ti質(zhì)粒是植物基因工程的一種天然載體，但野生型Ti質(zhì)粒直接作為植物基因工程載體存在著許多障礙： （1） 質(zhì)粒過(guò)大，造作困難 （2）大型的Ti質(zhì)粒有多個(gè)酶切位點(diǎn) （3）植物激素類的影響 （4）Ti質(zhì)粒中存在不起作用的序列 （5）Ti質(zhì)粒的局限性 因此，必須對(duì)野生型的Ti 質(zhì)粒進(jìn)行改造后才能作為轉(zhuǎn)基因植物的載體。64基因槍法與根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)發(fā)的比較 (1) 基因槍法: 多拷貝整合概率高，外源基因默表達(dá)。 農(nóng)桿菌介導(dǎo): 低拷貝整合（多為單拷貝整合）轉(zhuǎn)化效率較

28、高。(2）基因槍法:純物理轉(zhuǎn)化，不存在物種的限制。 農(nóng)桿菌介導(dǎo):存在宿主范圍的局限性。（3）基因槍法適于以細(xì)胞器為轉(zhuǎn)化目標(biāo)的轉(zhuǎn)基因研究。65三、 轉(zhuǎn)化子細(xì)胞的篩選 當(dāng)采用某種轉(zhuǎn)基因方法處理外植體后，通常外植當(dāng)采用某種轉(zhuǎn)基因方法處理外植體后，通常外植體中僅僅只有幾個(gè)少數(shù)細(xì)胞獲得轉(zhuǎn)化，只有采取體中僅僅只有幾個(gè)少數(shù)細(xì)胞獲得轉(zhuǎn)化，只有采取有效的轉(zhuǎn)化方法，才能提高準(zhǔn)確地選擇到轉(zhuǎn)化細(xì)有效的轉(zhuǎn)化方法，才能提高準(zhǔn)確地選擇到轉(zhuǎn)化細(xì)胞。胞。 一般情況下，轉(zhuǎn)化載體上除了帶有目的基因外，一般情況下，轉(zhuǎn)化載體上除了帶有目的基因外，大多還攜帶選擇基因，以供轉(zhuǎn)化細(xì)胞篩選使用。大多還攜帶選擇基因，以供轉(zhuǎn)化細(xì)胞篩選使用。轉(zhuǎn)化篩

29、選細(xì)胞的方法主要有兩種：轉(zhuǎn)化篩選細(xì)胞的方法主要有兩種：66選擇基因的特點(diǎn)選擇基因的特點(diǎn) 一是根據(jù)選擇基因的特點(diǎn)在篩選選擇培養(yǎng)基中加一是根據(jù)選擇基因的特點(diǎn)在篩選選擇培養(yǎng)基中加入能抑制非轉(zhuǎn)化細(xì)胞生長(zhǎng)的有毒物質(zhì)入能抑制非轉(zhuǎn)化細(xì)胞生長(zhǎng)的有毒物質(zhì). 如抗生素、除草劑等，選擇基因通常為一種解毒基因，可如抗生素、除草劑等，選擇基因通常為一種解毒基因，可以解除培養(yǎng)基中有害物質(zhì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用，這樣只以解除培養(yǎng)基中有害物質(zhì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用，這樣只有轉(zhuǎn)化細(xì)胞才能生長(zhǎng)繁殖；有轉(zhuǎn)化細(xì)胞才能生長(zhǎng)繁殖； 另一種方式是，受體細(xì)胞為營(yíng)養(yǎng)缺陷型細(xì)胞，在另一種方式是，受體細(xì)胞為營(yíng)養(yǎng)缺陷型細(xì)胞，在選擇性培養(yǎng)基中不能生殖，而

30、選擇培養(yǎng)基可以補(bǔ)選擇性培養(yǎng)基中不能生殖，而選擇培養(yǎng)基可以補(bǔ)償這種缺陷，使轉(zhuǎn)化細(xì)胞在選擇性培養(yǎng)基上正常償這種缺陷，使轉(zhuǎn)化細(xì)胞在選擇性培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng)。生長(zhǎng)。67一、植物基因工程中的選擇基因一、植物基因工程中的選擇基因 植物基因工程中的基因主要是一類編碼可使抗生素或除草劑失活的蛋白酶基因。 最常用的有： 新霉素抗性基因（neor）、 慶大霉素抗性基因（gentr）、 潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶（HTP）基因（hpt ） 膦絲菌素乙酰轉(zhuǎn)移酶基因（bar）等。68二、報(bào)告基因二、報(bào)告基因 報(bào)告基因是指其編碼產(chǎn)物能夠被快速測(cè)定、常用于判斷外源基因是夠成功地導(dǎo)入體細(xì)胞，是否啟動(dòng)表達(dá)的一類特殊用途的基因。 它應(yīng)用不依

31、賴于外界選擇壓力的存在，這一點(diǎn)也是它與選擇基因的區(qū)別之處。69理想報(bào)告基因的基本要求 1、受體細(xì)胞不存在相應(yīng)的內(nèi)源等位基因的活性。 2、它的產(chǎn)物是唯一的，且不會(huì)損害受體細(xì)胞。 3、具有快速、廉價(jià)、靈敏、定量和可重復(fù)性的檢測(cè)特性。70目前最常用的報(bào)告基因 -葡萄糖苷酸酶基因（gus）氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶基因熒光素酶基因71四、轉(zhuǎn)化體的鑒定和證實(shí)72轉(zhuǎn)化體的鑒定和證實(shí)的必要性 為了驗(yàn)證外源基因整合到染色體。 常采用PCR技術(shù)、 Southern雜交技術(shù). 為了驗(yàn)證外源基因是否表達(dá)。 常采用RT-PCR技術(shù)、Northern雜交技術(shù)、Western雜交技術(shù)。73PCR檢驗(yàn)外源基因的整和 在轉(zhuǎn)基因個(gè)體的檢測(cè)中,通過(guò)設(shè)計(jì)外源基因兩端的特異引物,采用PCR基因可以使外源基因得