现代生物技术与都市农业.doc

现代生物技术与都市农业编者按现代生物技术是当今发展迅速、应用领域广阔的高新技术。近年来，农作物转基因技术、细胞工程技术、分子标记技术、植物基因组学、动物克隆技术等农业生物技术领域都取得了重要进展，生物技术产业化开发速度日益加快，生物技术正在与许多其他学科融合并带动相关学科的发展。高新技术的应用是都市农业的重要特征之一。现代生物技术在都市农业的发展中，具有重要的推动作用。 一、现代生物技术与都市农业的关系1、生物技术概述生物技术是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段，按照的预先设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需的产品。它包括运用现代生物学理论与科学技术改造生物的遗传物质，培育出人们需要的生物新品种；大规模利用现代生物体系，制备生物产品；模拟生物体系，生产人类需要的特定产品。用现代生物技术育种，可以打破物种界限进行基因交流，扩大有利基因的来源，而且可以定向改良生物。用生物技术生产产品是以生物为原料，因而其原料具有再生性，而利用生物系统生产产品所产生的污染物很少，对环境的破坏性很小或几乎没有，一些重组微生物还可以消除环境中的污染物。生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程和分子标记技术，是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一。它包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎生物科学所有的次级学科，又结合了化学、数学、微电子技术、计算机科学等基础学科，是一门多学科互相渗透的综合性学科。现代生物技术服务于人类健康、农业、食品工业、能源、环境保护及材料多个领域。农业生物技术快速发展，转基因植物和动物取得重大突破，并产生巨大经济和社会效益。现代生物技术的应用将为人类生活提供多方面的便利，如有效地提高作物的产量，获得具有抗虫、抗真菌、抗病毒、抗逆境等优良性状的农作物新品种；选育具有更多优良性状的动物品种；更加准确地诊断、预防和治疗疾病；开发可以生产药物和食品的新型微生物；高效地从环境中清除污染物和废弃物；开发可再生的生物能源等。2、都市农业概述都市农业是指大中城市及周边地区，充分利用城市提供的科技成果及现代化设备进行生产，并紧密服务于城市的现代化农业。都市型现代农业是与都市定位相和，以都市发展需求为导向，以现代科学技术和生产设备为支撑，以现代产业体系和经营模式为载体，以现代新型农民为主体，在科学发展观的指导下，将生产、生活、生态、示范等多种功能融为一体的现代化农业生产系统。都市型现代农业的发展以农业和农村产业为基础，以城市资本、信息、人才、科技和市场等优势为依托，具备服务城市的功能，具备较高的现代化生产水平和可持续发展的农业生产及运行体系，高科技、生态及观光与休闲的突出特征。3、现代生物技术与都市农业的关系高新技术是都市农业的重要特征之一，而生物技术是当今发展最迅速、应用领域最广泛的高新技术。以DNA重组技术为核心的现代生物技术在农业、医药卫生、食品工业、环境保护等方面都有着广阔的应用前景。近年来，农作物转基因技术、细胞工程技术、分子标记技术、植物基因组学、动物克隆技术等农业生物技术领域都取得了重要进展，生物技术产业化开发速度日益加快，生物技术正在与许多其他学科技术融合并带动相关学科的发展。都市农业以高科技为支撑，为现代科学技术在农业上的应用提供试验推广的平台，显著提高科学技术在农业生产中的贡献率。现代生物技术作为新的农业科技革命的“推进器”，正在悄然拓展和创新农业的功能，进而为国民经济持续健康发展提供持久而强劲的动力。中国政府非常重视农业生物技术的发展，在“十一五”规划的生物技术战略中，将主要农作物的生物技术作为重要内容，目前涉及相关技术的研究机构已超过200家，研发人员超过40000人。农业生物技术正在成为农业竞争的焦点和核心，中国已经确定生物良种（包括农作物和畜禽水产良种）、农业生物制品、动物疫苗和药物、农业生物制造、生物质能源和生物修复与生物环保六大重点。二、基因工程与都市农业1、基因工程概述基因工程是指按照人们科研或生产需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质，在体外切割，拼接形成重组DNA，再将重组的DNA导入受体细胞中，进行复制和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物新性状，并使之传给生物的下一代。主要包括原核生物基因工程、植物基因工程、动物基因工程。基因工程包括目的基因的分离或制备、重组DNA和导入与表达三个基本过程。其主要内容是从供体细胞中分离出基因组DNA、用DNA连接酶将含有外源基因的DNA片断接到载体上形成DNA重组分子、重组分子导入受体细胞中、培养转化以扩增DNA重组分子或使其3到受体细胞的基因组中、筛选和鉴定转化细胞等。2、基因工程与都市型农作物遗传改良自1983年首次获得转基因烟草、马铃薯以来，国际上植物基因工程的研究和开发进展十分迅速，目前获得转基因植株的植物已达100种以上。基因工程在植物遗传改良中的应用主要体现在抗病毒、抗细菌和真菌、抗虫、抗除草剂、品质改良抗盐碱、抗旱、抗寒及固氮育种等方面。发展现代都市农业对农作物品种提出了更高的要求，都市型农作物遗传改良的目标是多方面的，较重要的目标包括提高农作物产量，改进农产品的品质，延长作物果实的贮藏期，改变花卉色泽和形状，培育抗病虫等抗逆作物。现代都市农业生产中遇到的许多问题用传统农业技术已经很难解决，基因工程在现代都市农业生产中具有广阔的应用前景。以转基因技术为代表的基因工程技术在育种上的应用，突破了种间的生殖隔离，扩大了种质资源的范围。基因工程育种具有很强的目的性，可以实现对农作物的定向改良，使传统育种方式发生了质的变化。这些巨大的变化带动了相关产业及其服务业发展，培育了新的以育种为核心的籽种研发产业。3、基因工程与都市观赏动植物育种近年来转基因动物研究取得了较大进展，利用转基因技术改良动物的性状是都市观赏动物育种的有效途径。而在观赏植物方面，近年来，采用基因技术进行花卉品种遗传改良，为观赏植物引入新的基因，创造了大量的观赏植物新种质。4、基因工程与都市食品加工业转基因食品系指利用基因工程技术改变基因组构成的动物、植物和微生物生产的食品和食品添加剂。目前，基因工程在改进食品原料的品质、改善果蔬采收后的贮藏保鲜性能、开发新型功能性食品等方面已经得到广泛应用。当然，转基因食品商业化过程中的安全性、转基因DNA的移动性、对其他农业措施的后效应以及公众的接受性等问题值得理解和重视。5、基因工程与都市环境修复生物修复技术是利用生物，特别是微生物将土壤、地下水或江海湖泊中污染物现场降解或转化为无害物质的工程技术系统。生物修复被认为是现代生物技术的核心内容，其目的是将有机污染物降低到低于检测限或低于环保部门规定的限度。采用转基因技术培育的基因工程菌在环境修复中具有重要作用。三、细胞工程与都市农业1、细胞工程概述细胞工程是应用细胞生物学和分子生物学方法，借助工程学的试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性和生物学特性，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术的学科。目前，细胞工程得到了广泛应用，如植物的组织培养快速繁殖、花药及花粉培养、植物胚胎培养、植物茎尖培养脱毒、细胞突变体的筛选、植物细胞培养与次生代谢产物生产、原生质体培养与融合、人工种子、动物细胞培养、干细胞工程及核移植与克隆技术等都是细胞工程应用范畴。2、细胞工程与都市农作物籽种产业科技创新是现代都市农业发展的强大动力，籽种产业是现代都市农业发展的核心。以细胞培养和体细胞融合技术为代表的细胞工程技术的的应用，缩短了育种周期，加快了优良农作物品种的推广速度。细胞工程在都市农作物籽种产业发展的作用主要体现在植物单倍体育种、原生质体融合育种、细胞突变体筛选等方面。3、细胞工程与都市型动植物生产细胞工程在都市动植物生产上的应用，主要体现在植物组培快繁和脱毒、动物胚胎工程和动物克隆技术等面。四、酶工程与都市农业1、酶工程概述酶工程即利用酶的催化作用，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需的产品。酶工程是现代酶学理论与化学技术的交叉技术，主要研究酶的生产、纯化、固定化技术、酶分子结构的修饰和改造以及在食品工业、轻工业、农业和医学等领域的应用，其应用范围包括对生物宝库中存在天然酶的开发和生产、自然酶的分离纯化及鉴定技术、酶的固定化技术、酶反应器的研制和应用、与其他生物技术领域的交叉和渗透等方面。生物酶工程是酶学和以DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物，相对化学酶工程来说亦可称为高级酶工程。2、酶工程与都市农产品加工业在都市农产品加工业中，果蔬贮藏加工、肉类加工和饲料加工等方面酶得到了广泛应用。五、发酵工程与都市农业1、发酵工程概述发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等。发酵分为以微生物细胞为产物的发酵、微生物酶发酵、微生物代谢产物发酵、微生物的生物转化和微生物特殊机能的利用等几种类型。2、发酵工程与都市农产品加工通过发酵工程使一些传统的发酵产品，在产量和质量上得到明显的提高。酒精饮料、蔬菜发酵、谷类食品发酵、豆类食品发酵以及单细胞蛋白的生产等都离不开发酵工程。3、微生物发酵工程与都市生态环境保护微生物通过自身的代谢活动，可以改变其赖以寄生的各种物质的化学性质，依靠基因工程、细胞融合等高新技术研制的“工程菌”、“超级菌”能够高效率的分解有机污染。微生物在空气和污水的净化、固体垃圾处理、环境污染的预防、生物合成可降解塑料以及造纸工业中的生物制浆和生物漂白等方面有着广泛的应用。4、微生物发酵工程与都市生物能源开发生物技术，一方面能提高不可再生能源的开采率；另一方面能开发更多可再生能源，为新能源的开发利用开辟了新途径。采用微生物发酵工程技术能将农副产品和农业废弃物转化为生物能源，如乙醇、沼气、氢等能源。六、蛋白质工程与都市农业1、蛋白质工程概述蛋白质工程是以蛋白质结构与功能关系的知识为基础，通过周密的分子设计，把蛋白质改造为合乎人类需要的新的突变蛋白质。蛋白质工程根据分子设计的方案，通过对天然蛋白质进行改造，它的产品已不再是天然的蛋白质，而是经过改造的，更加符合人类所需要的新的蛋白质。蛋白质工程的主要内容有蛋白质结构分析、蛋白质结构与功能的设计和预测、蛋白质的改造。2、蛋白质工程与都市农业生产中的植物保护随着蛋白质工程技术的发展和农业生产对新型环保生物农药的需求，近年来，有关激发植物免疫抗病和促进增产作用的微生物蛋白农药的研究，引起国内外的广泛关注。蛋白质农药主要是由微生物产生的，对多种农作物具有生物活性的蛋白质激发子类药物。采用蛋白质保护剂和蛋白质稳定剂，较好地解决了天然蛋白在田间应用所遇到的实际问题。随着可持续农业的不断发展以及化学农药抗性和污染问题的日益严重，生物农药越来越受到重视，特别是在有机蔬菜和果品生产中将发挥重要的作用，具有良好的市场竞争能力和非常广阔的市场前景。七、分子标记技术与都市农业1、分子标记技术概述分子标记技术是一类基于DNA变异的分子标记，直接以DNA的形式表现，具有很大的优势，变异十分丰富，分子的标记数量几乎是无限的，因而可以提供完整的遗传信息。分子标记是继形态标记、细胞标记和生化标记之后发展起来的一种新的遗传标记形式。2、分子标记技术辅助都市型农作物育种分子标记技术的出现与发展与植物的遗传改良密切相关，DNA分子标记的应用极大地推动了植物遗传改良研究工作的发展，通过DNA分子标记已建立了接近饱和的高密度分子遗传图谱，标记了许多重要基因，用图位克隆方法获得了许多重要的抗病及农艺性状的基因，使之成为植物遗传改良研究中有效的研究方法和辅助育种的手段。分子标记应用的普及将会使植物育种工作中的选择方法由表型选择方法过渡到DNA水平的直接选择，分子标记的辅助选择技术的应用也将使植物的遗传改良工作目的性更强、速度更快、效果更好。八、生物芯片技术与都市农业1、生物芯片技术概述生物芯片技术是近年来兴起的一项综合性的高新生物技术，利用微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术综合为一体，使样品检测、分析或成连续化、集成化、微型化。具体说，生物芯片主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片主要特点是高通量、微型化和自动化，以芯片被固定的生命物质来分类可以分为基因芯片（DNA芯片）、蛋白质芯片和细胞微阵列芯片。2、生物芯片技术在都市农产品安全检验中的应用生物芯片技术的高通量、高灵敏和高特异性，正好能满足食品安全检测的需求。目前国内外已经开发了不少用于食源性致病菌检测的芯片。随着基因工程技术的迅速发展，转基因产品的安全性成为人们关注的焦点，基因芯片具有高通量可并行检测的优点，仅一个实验就能筛选出大量的各种转基因食品，被认为是最具潜力的检测手段之一。生物芯片技术在都市农产品安全检验中的应用在保障食品安全方面将发挥重要作用，将会产生巨大的社会效益和经济效益，并有着广泛的经济、社会及科研前景。九、都市农业中的生物技术安全1、生物技术安全概述生物技术的应用，一方面可以造福人类；另一方面也可能带来潜在的负面影响，如果对此缺乏认识，也可能会造成不良后果。尤其是转基因食品的安全性和转基因植物的