植物基因工程 緒論課件

1、植物基因工程第一章 緒 論第一節(jié) 基因工程的概念第二節(jié) 基因工程的誕生和發(fā)展第三節(jié) 基因工程的研究內(nèi)容第四節(jié) 基因工程的應(yīng)用第五節(jié) 基因工程的發(fā)展前景第六節(jié) 植物基因工程進(jìn)展和存在的問題第一節(jié) 基因工程的概念基因（Gene）： DNA分子中含有特定遺傳信息的一段核苷酸序列總稱，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位?；蚬こ?genetic engineering) ：是指將生物的某個基因通過基因載體運(yùn)送到另一種生物的活細(xì)胞中，并使之無性繁殖和行使正常功能，從而創(chuàng)造生物新品種或新物種的遺傳學(xué)技術(shù)。也稱基因操作(gene manipulation)、DNA 重組技術(shù)(DNA recombination tec

2、hnology) ，基因工程最突出的優(yōu)點(diǎn) 就是打破了常規(guī)育種難以突破的物種之間界限，可使原核生物與真核生物之間、動物與植物之間、甚至人與其他生物之間的遺傳信息進(jìn)行重組和轉(zhuǎn)移。 縮短了新物種出現(xiàn)的時間?；蚬こ桃话悴僮鞑襟E4.從大量的細(xì)胞繁殖群體中，篩選出獲得了重組DNA分子的受體細(xì)胞,并篩選出已經(jīng)得到擴(kuò)增的目的基因。5. 將目的基因克隆到表達(dá)載體上，導(dǎo)入寄主細(xì)胞，使之在新的遺傳背景下實(shí)現(xiàn)功能表達(dá)，研究核酸序列與蛋白質(zhì)功能之間的關(guān)系。植物基因工程：是指植物學(xué)領(lǐng)域的基因工程，就是利用基因工程技術(shù)，將基因?qū)胫参锘蚪M內(nèi)，改變植物的某些遺傳特性，培育具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病毒、抗蟲、抗寒、抗旱、抗?jié)?、?/p>

3、鹽堿、抗除草劑等特性的作物新品種。第二節(jié) 基因工程的誕生和發(fā)展一、基因工程誕生的理論基礎(chǔ) （一）理論上的三大發(fā)現(xiàn) 1.DNA是生物的遺傳物質(zhì) 2. DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和半保留復(fù)制機(jī)制 3.遺傳密碼的破譯和遺傳信息傳遞方式（二）技術(shù)上的三大發(fā)明 1.限制性核酸內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)與DNA切割 2.DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)與DNA片段的連接 3.基因工程載體的研究與應(yīng)用 (1)DNA是遺傳物質(zhì)Avery實(shí)驗(yàn) Griffith實(shí)驗(yàn)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)1944年，美國微生物學(xué)家O.T.Avery首次證實(shí)遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)是DNA，基因位于DNA上。噬菌體轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)1952年Alfred Hershy和Marsha Ch

4、ase分別用放射性同位素標(biāo)記噬菌體進(jìn)一步證明遺傳物質(zhì)是DNA1966年Nireberg等破譯了全部64個遺傳密碼3.遺傳密碼的破譯和遺傳信息傳遞方式的確定DNAmRNAProteintranscriptiontranslation1957年Crick又提出了遺傳信息傳遞的“中心法則” (central dogma)，揭示了遺傳信息的流向和表達(dá)問題。2.DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)與DNA片段的連接 1967年世界上5個實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r發(fā)現(xiàn)DNA連接酶； 1970年Khorana實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)T4 DNA連接酶。 3.基因工程載體的研究與應(yīng)用 1972年前后使用小分子量的細(xì)菌質(zhì)粒和噬菌體作載體。 在細(xì)菌細(xì)胞里的

5、大量擴(kuò)增。二、基因工程的誕生 (一）Berg的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn) 1972年美國斯坦福大學(xué)Berg博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組用EcoRI在體外對猿猴病毒SV40的DNA和噬菌體DNA分別酶切，然后用T4 DNA連接酶將兩種酶切片段連接，結(jié)果獲得了SV40和噬菌體DNA的重組DNA分子，成功完成了世界上第一次DNA體外重組實(shí)驗(yàn)，并因此與Gilbert、Sanger分享1980年度諾貝爾化學(xué)獎。 phage DNASV40 DNADNA ligaseSticky endThe two fragments stick together by base pairing Recombinant DNAEcoRI reco

6、gnition sites EcoRI cuts DNA into fragments 1972年第一個DNA重組分子產(chǎn)生 (二） Boyer-Cohen實(shí)驗(yàn) 1973年，Cohen等人將編碼Kan抗性基因質(zhì)粒R6-5和編碼Tet抗性基因質(zhì)粒pSC101混合后，加入EcoRI進(jìn)行酶切，用T4 DNA連接酶連接成重組DNA分子，最后轉(zhuǎn)化大腸桿菌，結(jié)果某些轉(zhuǎn)化菌落表現(xiàn)出既抗Kan又抗Tet的雙重抗性特性。從這種雙抗性轉(zhuǎn)化菌落的大腸桿菌中分離出的重組質(zhì)粒DNA帶有完整pSC101分子和一個來自R6-5質(zhì)粒編碼Kan抗性基因DNA片段。 后來又把非洲爪蟾核糖體基因片斷同pSC101質(zhì)粒重組，轉(zhuǎn)化大腸桿

7、菌，并在菌體內(nèi)成功轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA。這是第一次成功的基因克隆實(shí)驗(yàn)。Boyer-Cohen實(shí)驗(yàn) Stanley Cohen 1986 Nobel生理或醫(yī)學(xué)獎Herb BoyerR6-5TetKan三、基因工程的發(fā)展 第一代基因工程第二代基因工程第三代基因工程第四代基因工程基因工程基礎(chǔ)研究的主要內(nèi)容（一）克隆載體研究 基因工程的發(fā)展是與克隆載體構(gòu)建密切相關(guān)的； 以構(gòu)建克隆載體的材料分為：質(zhì)粒載體系統(tǒng)、病毒載體系統(tǒng)等以及載體的用途分為：通用克隆載體、大片段DNA克隆載體、表達(dá)克隆載體等（二）受體系統(tǒng)的研究 基因工程的受體細(xì)胞與載體是一個系統(tǒng)的兩個方面。受體是克隆載體的宿主，是外源目的基因復(fù)制和表

8、達(dá)的場所。 受體：單細(xì)胞、組織、器官和個體均可以作為受體。 原核生物受體：E.coli 真核生物受體: 酵母是單細(xì)胞真核生物受體 植物受體：愈傷組織、細(xì)胞和原生質(zhì)，部分組織和器官； 動物受體：生殖細(xì)胞和早期胚胎細(xì)胞作為基因工程受體； 人的體細(xì)胞也可以作為基因工程受體?；蚬こ袒A(chǔ)研究的主要內(nèi)容基因工程基礎(chǔ)研究的主要內(nèi)容（四）基因工程新技術(shù)的研究 外源基因?qū)爰夹g(shù)基因檢測技術(shù)基因測序技術(shù)基因表達(dá)分析技術(shù)基因工程應(yīng)用研究的主要內(nèi)容（一）基因工程藥物研究 先確定對某種疾病有預(yù)防和治療作用的蛋白質(zhì)，然后將控制該蛋白質(zhì)合成過程的基因取出來，經(jīng)過一系列基因操作，最后將該基因放入可以大量生產(chǎn)的受體細(xì)胞中去，

9、這些受體細(xì)胞包括細(xì)菌、酵母菌、動物或動物細(xì)胞、植物或植物細(xì)胞，在受體細(xì)胞不斷繁殖過程中，大規(guī)模生產(chǎn)具有預(yù)防和治療這些疾病的蛋白質(zhì)，即基因疫苗或藥物?；蚬こ虘?yīng)用研究的主要內(nèi)容（二）基因治療研究基因治療：將外源正?；?qū)氚屑?xì)胞，取代突變基因，補(bǔ)充缺失基因或關(guān)閉異?；?，達(dá)到從根本上治療疾病的目的。 基因治療是21世紀(jì)的一大熱點(diǎn)領(lǐng)域；被認(rèn)為是征服腫瘤、心血管疾病、糖尿病尤其是遺傳性疾病最有希望的手段。 通過研究“基因敲除”的耗子將幫助研究人類的癌癥、糖尿病和高血壓等慢性疾病與遺傳的關(guān)系。 在猴子的未受精卵中加入附加基因，并利用它成功培育出健康活潑的小猴“安迪”。通過對“安迪”的研究我們可以簡單地

10、引進(jìn)如老年性癡呆病的基因、帕金森病基因等，加快針對這類疾病疫苗的開發(fā)研究。 （三）轉(zhuǎn)基因植物研究 （三）轉(zhuǎn)基因植物研究 無冰晶細(xì)菌幫助草莓抗霜凍（三）轉(zhuǎn)基因植物研究 轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒轉(zhuǎn)魚抗寒基因的番茄轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯不會引起過敏的轉(zhuǎn)基因大豆生長快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚(中國)（四）轉(zhuǎn)基因動物研究 （四）轉(zhuǎn)基因動物研究 乳汁中含有人生長激素的 轉(zhuǎn)基因牛(阿根廷)第四節(jié) 基因工程的應(yīng)用一、生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究中的應(yīng)用二、農(nóng)林牧漁業(yè)中的應(yīng)用三、工業(yè)中的應(yīng)用四、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用二、基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用（1） 增加農(nóng)作物產(chǎn)品的營養(yǎng)價值（2） 提高農(nóng)作物抗逆性能（3） 提高光合作用

11、效率（4） 生物固氮的基因工程（5） 增加植物次生代謝產(chǎn)物產(chǎn)率（6） 培育畜牧業(yè)新品種三、工業(yè)中的應(yīng)用釀酒工業(yè) 食品工業(yè) 化學(xué)與能源工業(yè)環(huán)境工程酶制劑工業(yè)三、工業(yè)中的應(yīng)用三、工業(yè)中的應(yīng)用 基因工程做成的“超級細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。通常一種細(xì)菌只能分解石油中的一種烴類，用基因工程培育成功的“超級細(xì)菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)。三、工業(yè)中的應(yīng)用 基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等污染。 1t水中只有10個病毒也能被DNA探針檢測出來三、工業(yè)中的應(yīng)用 利用基因工程培育的“指示生物”能十分靈敏地反映

12、環(huán)境污染的情況，卻不易因環(huán)境污染而大量死亡，甚至還可以吸收和轉(zhuǎn)化污染物。胰島素100kg胰腺4-5g胰島素2000L培養(yǎng)液 100g胰島素！四、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 基因工程藥品 生長激素 治療侏儒癥的唯一方法，是向人體注射生長激素。而生長激素的獲得很困難。以前要獲得生長激素，需解剖尸體，從大腦的底部摘取垂體，并從中提取生長激素。 現(xiàn)可利用基因工程方法，將人的生長激素基因?qū)氪竽c桿菌中，使其生產(chǎn)生長激素。人們從 450 L大腸桿菌培養(yǎng)液中提取的生長激素，相當(dāng)于6萬具尸體的全部產(chǎn)量。 四、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用干擾素治療病毒感染簡直是“萬能靈藥”！過去從人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍貴”程度自不用多說

13、。 人造血液、白細(xì)胞介素、乙肝疫苗等通過基因工程實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，均為解除人類的病苦，提高人類的健康水平發(fā)揮了重大的作用。人造血液及其生產(chǎn)基因工程藥品 干擾素四、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用產(chǎn)品時間國家用途上市時間國家人生長激素釋放抑制素(SRM)1977日本巨人癥人胰島素1978美國糖尿病1982歐洲人生長激素（HGH）1979美國侏儒癥1985美國人-干擾素（IFN）1980美國病毒1985歐洲乙肝疫苗（HBsAgV）1983美國乙肝1986歐洲人白細(xì)胞介素1984美國腫瘤1989歐洲人促紅細(xì)胞生成素（EPO）日本貧血1988歐洲人粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)白血病1991美國人組織纖溶酶原激活劑（t-PA）血栓癥1987 美國主要基因工程藥品的研制、開發(fā)、上市時間四、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用基因工程疫苗的研制與生產(chǎn) 基因診斷 基因治療 第五節(jié) 基因工程的發(fā)展前景一、基因工程與醫(yī)藥衛(wèi)生 （1）生產(chǎn)基因工程藥品 （2）用于基因診斷與治療二、基因工程在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用（1）生物固氮（2）木質(zhì)素或纖維素利用（3）改良和培育農(nóng)作物和家畜、家禽新品種三、基因工程與工業(yè)生產(chǎn)基因本身也是一個產(chǎn)業(yè) 1.Rockfeller 大學(xué)將人肥胖基因出售0.2億美元（1995年3月） 2.Amgen公司將FKBP神經(jīng)免疫因子配體轉(zhuǎn)讓達(dá)3.29億美元（1997年） 3.Millennium公司以4.65億美元向Ba