生物技术在园林植物上的应用

1、生物技术在园林植物上的应用摘要:利用生物技术可分离出一生物的某一基因,然后转移到另一生物体内,同一基因在这里自我复制,从而产生更强壮、更适应环境的新品种。一批抗虫、抗病、耐除草剂和高产优质的园林植物新品种培育成功。植物生物技术不仅从根本上改变了传统园林植物的培育和种植,也为园林技术产业带来了新一轮的革命。关键词:园林植物;生物技术;基因引言植物生物技术字70年代被提出以来对遗传学及细胞生物学产生了重大的影响。在现代生物技术在园林植物上的应用也十分广泛。本文主要介绍了:植物基因工程、植物组织的超低温保存、植物细胞的大量培养、改良植物的离体技术、经济植物快速繁殖等现代园林身无技术。并对生物技术在园

2、林植物上应用的现状及未来发展做了简要介绍。1、植物生物技术的定义与内容20一30年前,人类由于恰当地利用了某些基因,成功地进行了较大的种子革命。近年来,国外称这一门学问为植物生物技术(PLANTBIOTECHNOLOGY。在70年代中后期所提出的一个新的概念和名词,这一事实本身就反映了遗传学及细胞学及细胞生物学取得了巨大的进展和崭新的成就,同时也反映了人类在改造生物有机体本性方面已开始取得并将要取得更大的主动权,可以预期遗传工程的发展正孕育着一场相当深刻的新的育种革命。1而植物生物技术的发展将给园林植物(广义的的改良以巨大的推动力。遗传工程学最少具有以下5个特点:过去往往从整体水平,主要通过杂

3、交育种来改良品种,现代遗传工程则深入到细胞水平(包括细胞核,细胞器,特别是从基因水平来改造生物的本性;过去的遗传育种技术,盲目性很大,方向性不定,应用遗传工程技术才能使人类长期幻想的目的定向改造生物有机体的目标得以逐步地实现。遗传育种的研究越是接近分子水平,对生物体的改造就越是接近定向性;遗传工程大大地扩大了育种范围,打破了种与种之间杂交的障碍;现在提出的遗传工程学(特别是其中的基因工程,是在细胞遗传学、细胞生物学、尤其是分子遗传学(分子生物学最活跃的核心发展到今天阶段提出来的。近代遗传工程学的发展是以一系列的重要高级的技术发展为基础的。 22、植物生物技术在植物方面的应用2.1经济植物快速繁

4、殖快速繁殖也叫微繁殖。它是用组织和细胞培养方法在试管中使植物大量增殖,然后移人温室或田间,生产出大量苗木来满足市场的需求。这种高效率、大规模生产苗木的产业叫做植物工业。目前全世界植物工厂的年产值估计已达数十亿美元,经营的主要品种是花卉和果树林木,例如兰花、草薄、石刁柏、唐葺蒲、菊花、非洲紫罗兰、玫瑰、马铃薯、桃树、按树、荔枝等。在美国仅兰花工厂就有约十家,年产值数干美元。我国虽然尚未建立大规模的植物快速繁殖工厂,但已在许多经济植物上开展小规模的生产性试验。3市场上出售的试管苗木已有非洲紫罗兰、大花营草、月季、三倍体西瓜、黑穗醋栗、文竹等许多种。实验室研究更加活跃,在最近五年中我国植物学研究者大

5、约在200余种植物上得到了再生植株,其中包括三十余种观赏植物和近五十种果树林木。这种状况表明,我国在这方面有良好的技术基础,再加上我国拥有极其丰富的植物资源,可以想见,在我国植物生物技术首先转化为产业的第一个领域预计就是经济植物的快速繁殖。42.2快速繁殖的三种途径(l不定芽。其方法是将植物的幼芽、生长点或叶片的外植体种植在含有低浓度生长素和较高浓度的6一苯基嗦岭或激动素的培养基上,使离体芽增殖更多的不定芽,或者使叶片细胞直接产生不定芽。目前在非洲紫罗兰、无籽西瓜、兰花、黑穗醋栗等绝大多数工厂化生产的植物上都是采取这种方式。其优点是能够保持原种特性,繁殖系数较高。如用生长点培养,然后诱导不定芽

6、或采用简单的试管芽扦插增殖,还可以去除病毒,生产大量无病植株,这在草每、马铃薯和唐葛蒲上已获得成功。5(2胚状体。用这种途径植物体的繁殖系数更高,因为从一块愈伤组织有时可以产生数百个胚状体和小值物。如采用液体悬浮培养,在一个三个瓶内甚至可以形成数千个胚状体。但是要使这些胚状体长成可以移栽到土中的完整小植物,在技术上有时存在困难,而且还要经过数次固体培养,手续并不简单。此外,这种途径只适用于少数种类,因此还没有人把这种方法付诸生产。 6(3愈伤组织。已有数百种植物可以由愈伤组织分化出小植物,也可由愈伤组织再分化,最后产生不定芽或胚状体,形成植株。但是从它产生的植物常常会发生多倍体、非整倍体和各种

7、基因水平上的变异,不能全部保存原种特性,因而妨碍了它在快速繁殖上的广泛的应用。另一个不利的因素是愈伤组织在经过多次继代培养后,常会丧失再生植株的能力。 7 2.3改良植物的离体技术离体技术一词最近才出现在植物生物工程的文献中,它包含离体组织及细胞培养技术;还包括细胞杂交、突变体筛选等离体遗传操作技术。8植物离体技术已逐步应用于植物育种实践,在应用上有广阔前景的几个领域如下9:(1利用幼胚培养技术获得远缘杂种(2花药培养及其应用(3体细胞突变体的筛选(4外源DNA转化和细胞器移植(5原生质体培养和细胞杂交2.4植物细胞的大量培养植物细胞就像是一座夭然的化工厂,现在已经知道植物的各类细胞中含有2万

8、多种化合物。随着植物组织和细胞培养技术的日益现代化,科学家们试图完全摆脱对自然界和农业的依赖,用工业发酵的方法大量培养植物细胞,用来提取植物的次生代谢产物。这种方法的优点有:生产力不受自然条件(如地理环境、气候和病虫害等的影响;产品的产量和质量稳定;可以根据市场需要及时调整生产规模;节省土地;产量不受农业政策变动的影响。102.5植物组织的超低温保存超低温保存是指在干冰(一9、超低温冰箱(一80、液氮的气相(一140或液氮(一196中保存组织或细胞。11在这样低的温度下,细胞停止代谢和生长,也不会发生变异,因此其遗传特性可以长期保存下来,这是其它的种质保存方法所不具备的优点。利用这一点可以长期

9、保存稀有和珍贵的植物品种、无病毒的茎尖分生组织、花粉、培养的细胞和组织,以便随时提供遗传性稳定的材料。122.6植物基因工程植物基因工程是生物技术中最有发展前途的一个领域。借助这种技术,人们可以定向地改造生物,使之更好地为人类服务。新近突出的成就有:(l分离和克隆一些重要的植物基因(2外漂甚因的移植(3从土维发根杆菌中找到一种Ri质粒(4对Ti质粒的甚因图有了更多的了解。13但是现有的植物基因工程技术一时还很难用于主要园林植物的改良。尽管如此,人们还是提出了一些工程设想,主要有以下几个方面: (l种子蛋,可以用遗传工程的方法向贮藏蛋白的基因中加人必需氨基酸的密码子。(2固氮作用,固氮基因工程的

10、鼓终目标是想把固氮基因转移到植物中去,使它们能固定大气氮,减少对氮肥的依赖。14(3光合作用,植物的最终价值在于能通过光合作用将太阳能转化为化学能。光合作用涉及一系列复杂的光化学和生物化学反应,这一过程的复杂性为遗传操作提供了许多可能性。提高光合作用效率的途径之一是置换光合反应链中速率最差的酶的基因。15(4抗逆性植物的抗逆性包括抗旱性、抗寒性、抗高温性和对化学药剂的抗性。已经知道细胞中的脯氨酸含量高,抗盐和抗旱的能力也强。从一个沙门氏杆菌的突变体中已经分离出一种高效的脯氨酸合成酶基因,也就是所谓的调渗基因。可以设想将来能把调渗基因移人高等植物,提高抗盐和抗旱的能力。16(5抗病性和抗虫性对于

11、植物抗病性的分子基础了解甚少,还谈不上着手进行抗病基因工程。目前可以试探的一条途径是把苏云金杆菌中的多肤杀虫素基因移人植物,使植物能产生蛋白质毒素抵抗昆虫的危害。173、植物生物技术的发展现状随着植物生物技术的发展,转基因作物的种植面积不断扩大,2002年全球转基因作物的种植面积总计为18。23亿hm2,比2001年增加了611。5万hm2,增长率为12%。2002年有16个国家的550万600万农民种植转基因作物,而2001年只有13个国家的500万农民在种植。 18各国加大转基因植物研究开发,取得了重大突破,进入田间试验的转基因,作物已超过500多种。中国等发展中国家是采用转基因作物最迅速

12、的国家,我国于80年代初期后开始启动,在基因组研究和转基因技术等重要关键技术方面取得了一系列重大突破。19目前国内涉及园林生物技术的各类研究机构已经超过200家,从事园林生物技术的研发队伍约万人,其中科研骨干力量约3 000人。我国科学家创造了一系列新技术,以国家为主导的研究体系给研究者提供了培育高产优质的转基因作物的激励机制,我国政府在植物生物技术方面的投资将占全球政府在该领域投资的1/3,经费增长速度远远超过其他发展中国家。204、植物生物技术的发展前景21世纪的植物生物技术的发展前景将非常广阔,据国际农业生物技术应用机构(International Service for the Acq

13、uisition ot Agri Baiotech Applica-tions, ISAAA的统计和预测,在全球范围内,2000年转基因植物的销售额为30亿美元,2005年达80亿美元,2010年达到280亿美元。21植物基因工程将是热点,80年代末兴起的基因组学(Ge-nomics将进一步深入,各国对基因资源更加重视,基因组的研究将由“结构基因组”向“功能基因组”转变。 22随着植物生物技术的发展,一场新的种子革命将必然到来。在这场新的绿色革命之中,农作物的产量和质量将会得到很大的提高。因此,有人预测,下一世纪将是生命科学的世纪,同时也是新的植物产业的到来。在这个时代中,植物产业的革命将可能

14、出现以下的巨大进步。234.1大幅度地提高植物的产量其中的可能性有:通过新的技术,实现远缘杂交,使杂种增产的利用在新的水平得以实现,加上利用某个或某些基因有时有可能弥补远缘杂交中不亲和性基因群间的相互不协调的作用,从而使杂种的增产的稳定性得到保证,通过细胞工程,基因工程创造崭新的高产的,过去自然界并不存在的农作物新品种,通过较长期的艰苦努力,也有可能创造妞高光合效率的新品种。24如可能将C4植物所有的高光合能力转给C3植物,还有可能通过产高RUBP羧化酶的效率和增加受激电子在光系统中的传递速度,增加植物对CO2和光的捕获能力,而使光能的利用率得以大大提高,从而使产量极大地增加利用有关控制发育的

15、基因和控制生长及形态发生的基因工程,使作物的生长期明显地缩短并又能获得高产,使单位时间的产量得以大大提高,从而可明显地将年产量加以提高。25另外,通过对种质库的更深入一步的科学研究,有可能发现对各种农作物今后增产有关的新的具关键性的重要基因(如过去在粮食作用中发现的矮杆基因一样,从而对这基因加以分离,然后再通过生物技术转入其它作物中,以实现产量的进一步大幅度提高。264.2高营养价值的作物的培育提高农作物的营养价值是另一个大有可为的植物生物技术领域。例如低蛋白的水稻品种的大米中仅含6一7肠的种子储藏蛋白,而高蛋白质的水稻含量可达17肠以上。另外,不同植物的种子储藏蛋白中对人类的必需氨基酸的含量

16、有很大的差别,有的豆科植物含丝氨酸,赖氨酸成份较高。不同的小麦品种蛋白质的含量、成份及适宜加工的方向也有较大的差别。27随着电子计算机的日益广泛应用,用计算机设计氨基酸平衡的高必需氨基酸的多肤片段,然后用DNA合成仪合成相应的核昔酸片段,然后克隆插入种子储藏蛋白的基因内,再转入工程植物则成了近来的一个新趋势。284.3抗病性大大增强的园林植物的出现病毒病:过去对于防治病毒病是没有特效的药物的,可是应用交叉感染免疫的原理,近来已成功地将烟草花叶病(TMV外壳蛋白基因转化到敏感品种植株上,使其具有了抗性或明显的耐病性。估计应用相同的原理与技术,将可使抗病毒病的植物的品种日益增多,将会被病毒为害接近

17、毁灭的一些农作物回生。29一些有效杀菌的蛋白质分子(如天蚕素,Attacins,溶菌酶等已被分离出来。天蚕素A、B、C均有显著的杀菌作用,正在克隆它们的基因来组入植物。其它如在稻飞虱的肠道内的细菌内发现有能杀死白叶枯病菌的抗菌素的分泌等。所有这些都给今后用生物技术培育抗细菌病品种提供了线索与可能。另外,发现在超敏反应中可产生防御病菌(真菌和细菌的物质,如高含经脯氨酸的糖蛋白HRGP、苯丙氨酸解酶(PA和各种抗毒素。304.4其它抗性工程植物的培育其中有如抗多种除芳剂的基因工程植物已培育成功,现正在进行大田试验,将得到广泛的推广应用,耐旱和耐盐碱的植物基因工程对具有大面积的半沙漠区和盐碱土的我国

18、是具有特别重大的意义。现可指望,通过脯氨酸合成酶基因工程,或抗盐无性突变系的筛选可以得到一定程度的成功。但在植物中的耐旱性的构成涉及一系列的形态及生理学的指标,因此,可能还要通过细胞融合、染色体工程等多种技术才能逐步接近或达到较完善的抗旱的目标。抗寒性:从北极鱼类体内克隆出与耐寒蛋白有关的基因,使这一方面的研究得到新的动力,是另一个重要的方向。31综上所述,植物生物技术的发展,将有可能培育出新水平的美观、优质、综合抗逆性强的园林植物的新品种,而用传统的技术要想做到这点,几乎是不可能的。但上述几点均只是有根据的可能性而已,人类要全面达到实现新的绿色革命的目的,仍需经过十分艰苦的努力,还需对植物细

19、胞生物学、遗传学、生理生化及适应各种过程的分子水平的机制要有更多的了解。因此,有关的基础理论研究工作仍极有待于加强。此外,从事基因工程,细胞工程研究无疑必需与对植物资源的收集,研究与利用的工作以及常规育种的丰富的经验密切地结合起来。只有这样做了,前沿学科的发展才能有一个扎实前进的基础。由于生命现象是一种非常复杂的运动形式,从展望到前景到真正有效的大规模应用,必须有相当一段的路程要走,我们一方面要不断努力积极探索,另一方面也应有必要的耐心等待这一天的到来。参考文献:1 教育部生物工程规划组,生物工程若干重要领域及发展对策,湖南科技出版社,19852内宫博文等著,孙祟荣等译,植物基因工程技术,上海

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