基因工程在农业育种中的应用

1、基因工程在农业育种中的应用基因工程在农业育种中的应用 第三组：杨红第三组：杨红 潘翠云潘翠云 韩新宽韩新宽 黄继旭黄继旭 刘冬刘冬一、一、基因工程概述基因工程概述 建立在植物分子遗传学与细胞生物学基础建立在植物分子遗传学与细胞生物学基础理论上的基因工程是通过基因导入与重组理论上的基因工程是通过基因导入与重组技术，将不同生物的遗传基因在体外进行技术，将不同生物的遗传基因在体外进行分离、裁剪、组合与拼接，再通过载体转分离、裁剪、组合与拼接，再通过载体转移到受体细胞内进行无性繁殖、稳定表达，移到受体细胞内进行无性繁殖、稳定表达，从而改变受体原来的遗传性状，人工构建从而改变受体原来的遗传性状，人工构建

2、出新的作物品种。出新的作物品种。二、基因操作的工具二、基因操作的工具 1、 基因的基因的“剪剪刀刀” 专一性：专一性： 识别特定核识别特定核苷酸序列，在特定的切点苷酸序列，在特定的切点切切DNA，具特异性。并，具特异性。并裂解裂解磷酸二酯键磷酸二酯键，产生两产生两个个黏性末端。黏性末端。 例：大肠杆菌的一种限制酶例：大肠杆菌的一种限制酶(EcoR)能识别能识别 GAATTC序列，并在序列，并在G和和A之间切开。之间切开。EcoR2、基因的、基因的“针线针线” 连接酶的作用：连接酶的作用： 将互补配对的两个黏性末端连接起来，使将互补配对的两个黏性末端连接起来，使之成为一个完整的之成为一个完整的D

3、NA分子。分子。连接的部位：连接的部位： 生成磷酸二酯键生成磷酸二酯键DNA连接酶的作用过程：连接酶的作用过程：连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接连接酶的作用是：将互补配对的两个黏性末端连接 起来，使之成为一个完整的起来，使之成为一个完整的DNADNA分子。分子。基因的针线：基因的针线：DNA连接酶连接酶G A A T T CC T T A A GG A A T T CC T T A A GG C T T A A A A T T C GG C T T A A A A T T C GG C T T A A A A T T C G用同种限制酶切割用同种限制酶切割3 3、基因的运载体、基因

4、的运载体质粒或病毒质粒或病毒作用：作用： 将外源基因送入受体细胞。将外源基因送入受体细胞。条件：条件：能在宿主细胞内复制能在宿主细胞内复制 并稳定地保存。并稳定地保存。具有多个限制酶切点。具有多个限制酶切点。具有某些标记基因。具有某些标记基因。种类：种类： 质粒、噬菌体和动植物病毒。质粒、噬菌体和动植物病毒。从细胞中分从细胞中分离出离出DNA从大肠杆菌从大肠杆菌中提取质粒中提取质粒限制限制 酶酶提取目的基因提取目的基因限制酶限制酶目的基因与目的基因与运载体结合运载体结合DNA连连 接酶接酶目的基因导目的基因导入受体细胞入受体细胞目的基因的目的基因的表达与检测表达与检测基因工程操作的基本步骤基因

5、工程操作的基本步骤三、植物基因工程的基本模式、外三、植物基因工程的基本模式、外源源DNADNA导入方法与表达条件导入方法与表达条件 植物基因工程的基本模式是先分离和植物基因工程的基本模式是先分离和制备目的基因，并将目的基因嵌入载制备目的基因，并将目的基因嵌入载体，获得重组体，获得重组DNADNA，然后将重组，然后将重组DNADNA导导入受体植物细胞，使其稳定存在并能入受体植物细胞，使其稳定存在并能复制、转录和翻译。重组复制、转录和翻译。重组DNADNA还可经有还可经有性或无性方式传递给子代，达到按育性或无性方式传递给子代，达到按育种目标修饰和改造作物品种遗传性状种目标修饰和改造作物品种遗传性状

6、的目的。的目的。 目的基因导入受体植物细胞中能否表达的关目的基因导入受体植物细胞中能否表达的关键，在于植物细胞的转录系统能不能识别目的键，在于植物细胞的转录系统能不能识别目的基因所携带的转录信号基因所携带的转录信号启动子顺序。研究启动子顺序。研究结果表明，外源基因要先和载体结合，载体携结果表明，外源基因要先和载体结合，载体携带外源基因共同进入受体细胞内后，就会整合带外源基因共同进入受体细胞内后，就会整合到受体植物的到受体植物的DNADNA上，由于植物转录系统能识别上，由于植物转录系统能识别启动子的顺序信号，外源基因即可在受体植物启动子的顺序信号，外源基因即可在受体植物细胞中得到表达。因此，基因

7、工程的许多研究细胞中得到表达。因此，基因工程的许多研究工作都围绕着寻找理想的载体而开展。目前最工作都围绕着寻找理想的载体而开展。目前最有希望作为目的基因载体物质的是根癌农杆菌有希望作为目的基因载体物质的是根癌农杆菌TiTi质粒质粒。四、基因工程培育优质、高产农作四、基因工程培育优质、高产农作 物品种的进展物品种的进展 植物基因移植与导入技术的研究成功，为植物基因移植与导入技术的研究成功，为改变植物蛋白质、脂肪、淀粉与糖类的含改变植物蛋白质、脂肪、淀粉与糖类的含量与品质，提高其营养价值，以及为改变量与品质，提高其营养价值，以及为改变蔬菜、果品的风味提供了可能与技术途径。蔬菜、果品的风味提供了可能

8、与技术途径。世界各国应用基因工程进行农作物品质改世界各国应用基因工程进行农作物品质改良与优质、高产品种选育方面已取得了很良与优质、高产品种选育方面已取得了很大的进展。大的进展。1 1、 美国科学家将大豆贮藏蛋白的基因分别转移到向美国科学家将大豆贮藏蛋白的基因分别转移到向日葵和马铃薯中，获得蛋白质含量高的日葵和马铃薯中，获得蛋白质含量高的“向日豆向日豆”和和“肉土豆肉土豆”品种；日本科学家将大豆蛋白转移到品种；日本科学家将大豆蛋白转移到水稻，培育成功水稻，培育成功“大豆米大豆米”，这对改善稻米品质，这对改善稻米品质，提高其营养价值起到了重要作用。提高其营养价值起到了重要作用。2 2、日本农林水产

9、业研究中心与北兴化学公司的研究、日本农林水产业研究中心与北兴化学公司的研究人员联合，采用基因重组技术，先从稻谷中分离出人员联合，采用基因重组技术，先从稻谷中分离出能促进赖氨酸与色氨酸合成的遗传基因，然后对该能促进赖氨酸与色氨酸合成的遗传基因，然后对该基因进行改造，加强其合成氨基酸的能力，再将重基因进行改造，加强其合成氨基酸的能力，再将重组后的基因移植入水稻，成功的培育出赖氨酸和色组后的基因移植入水稻，成功的培育出赖氨酸和色氨酸比普通水稻高氨酸比普通水稻高10901090倍的转基因水稻新品种。倍的转基因水稻新品种。3、我国东北师范大学的科研人员通过基因我国东北师范大学的科研人员通过基因导入途径，

10、将野生天兰冰草抗病、高蛋白导入途径，将野生天兰冰草抗病、高蛋白基因的染色体片段，转移到小麦染色体行基因的染色体片段，转移到小麦染色体行后再运用常规育种方法，选育出优质面包后再运用常规育种方法，选育出优质面包小麦新品种小麦新品种“小冰小麦小冰小麦3333号号”，经专家鉴，经专家鉴定达到国际优质小麦标准。该品种蛋白质定达到国际优质小麦标准。该品种蛋白质含量高达含量高达17%18%17%18%，抗叶锈病、根腐病与黄，抗叶锈病、根腐病与黄矮病，产量达到矮病，产量达到4500kg/hm25000kg/hm2.4500kg/hm25000kg/hm2.。“小冰小麦小冰小麦3333号号“选育成功，填补了具有

11、选育成功，填补了具有我国自主知识产权优质面包小麦品种的空我国自主知识产权优质面包小麦品种的空白。白。 此外，我国专家还选育成功含油量比普通此外，我国专家还选育成功含油量比普通油菜品种提高油菜品种提高25%25%的的“超油超油1 1号号”与与“超油超油2 2号号”油菜新品种，其中含油量高达油菜新品种，其中含油量高达52.8%52.8%的的“超油超油2 2号号”是世界上含油量最高的甘蓝型是世界上含油量最高的甘蓝型油菜品种。我国黑龙江农科院雷勃钧采用油菜品种。我国黑龙江农科院雷勃钧采用花粉管通道技术于花粉管通道技术于19971997年选育成功早熟、年选育成功早熟、高蛋白、高油、大粒、耐盐碱的转基因大

12、高蛋白、高油、大粒、耐盐碱的转基因大豆品种豆品种“黑生黑生101”101”。不会引起过敏的转基因大豆不会引起过敏的转基因大豆优点：优点：五、基因工程培育抗病农产物品种的进展 日本烟草产业遗传育种研究所的专家，将日本烟草产业遗传育种研究所的专家，将黄瓜花叶病毒的随体脱氧核糖核酸植入烟黄瓜花叶病毒的随体脱氧核糖核酸植入烟草细胞，成功地培育出能抗花叶病毒的新草细胞，成功地培育出能抗花叶病毒的新植物体。日本专家采用的技术途径是先从植物体。日本专家采用的技术途径是先从黄瓜花叶病毒中提取脱氧核糖核酸，然后黄瓜花叶病毒中提取脱氧核糖核酸，然后使用反转录酶制成脱氧核糖核酸，再把脱使用反转录酶制成脱氧核糖核酸，

13、再把脱氧核糖核酸植入到烟草业细胞里。实验证氧核糖核酸植入到烟草业细胞里。实验证明，给烟草接种上黄瓜花叶病毒后，依然明，给烟草接种上黄瓜花叶病毒后，依然生长发育良好，说明被接种的烟草已具备生长发育良好，说明被接种的烟草已具备抗病毒的能力。抗病毒的能力。烟草烟草 中国科学院微生物研究所将中国科学院微生物研究所将TMVTMV和黄瓜花叶和黄瓜花叶病毒病毒CMVCMV的的CPCP外壳蛋白基因拼接在一起，构外壳蛋白基因拼接在一起，构建了建了“双价双价”抗病基因，转入烟草后获得抗病基因，转入烟草后获得了同时抵抗两种病毒基因的植株。在田间了同时抵抗两种病毒基因的植株。在田间实验中，对实验中，对TMVTMV的防

14、治效果为的防治效果为100%100%，对，对CMVCMV的防治效果为的防治效果为70%70%左右，可使烟草产值增加左右，可使烟草产值增加10%30%10%30%。目前，我国专家还通过。目前，我国专家还通过CP CP 途径途径进行小麦抗黄萎病、水稻抗矮缩病、棉花进行小麦抗黄萎病、水稻抗矮缩病、棉花抗枯、黄萎病等基因工程的研究，并已取抗枯、黄萎病等基因工程的研究，并已取得进展。得进展。中国科学院植物研究所的科研人员，采用花粉中国科学院植物研究所的科研人员，采用花粉通道法和基因枪法将大麦黄矮病毒通道法和基因枪法将大麦黄矮病毒CPVCPV株系外株系外壳蛋白基因导入小麦栽培品种中，在世界上首壳蛋白基因导

15、入小麦栽培品种中，在世界上首次获得抗大麦黄矮病毒次获得抗大麦黄矮病毒CPVCPV株系转基因株系转基因T0T0代及代及其后代其后代T1T1、T2T2、T3T3代。代。中国农科院作物所共同合作，综合应用生物技中国农科院作物所共同合作，综合应用生物技术和常规育种相结合的方法，将黄矮病抗性基术和常规育种相结合的方法，将黄矮病抗性基因从中间偃麦草导入普通小麦，在国际上首次因从中间偃麦草导入普通小麦，在国际上首次成功地育成一批抗黄矮病普通小麦新品系，创成功地育成一批抗黄矮病普通小麦新品系，创造了抗黄矮病普通小麦新种质，为小麦育种家造了抗黄矮病普通小麦新种质，为小麦育种家提供了优异抗黄矮病的亲本资源。提供了

16、优异抗黄矮病的亲本资源。 此外，我国在番茄转基因抗病育种方面也此外，我国在番茄转基因抗病育种方面也创造了许多抗病基因类型，如北京大学育创造了许多抗病基因类型，如北京大学育成抗病毒番茄品种；国家基因工程中心选成抗病毒番茄品种；国家基因工程中心选育成功高抗育成功高抗TMVTMV、CMVCMV、马铃薯、马铃薯X X病毒和抗早病毒和抗早疫病、晚疫病两种真菌病害的多抗番茄品疫病、晚疫病两种真菌病害的多抗番茄品种。种。转基因马铃薯转基因马铃薯转基因烟草转基因烟草六、基因工程培育抗虫农作物的进六、基因工程培育抗虫农作物的进 展展 采用生物技术，提高作物自身的抗虫害性能，为采用生物技术，提高作物自身的抗虫害性

17、能，为农作物害虫的无公害防治开辟了新的途径。目前，农作物害虫的无公害防治开辟了新的途径。目前，在农作物上普遍通过根癌农杆菌、发根农杆菌、在农作物上普遍通过根癌农杆菌、发根农杆菌、花椰菜花叶病毒等为中介的基因工程方法，将一花椰菜花叶病毒等为中介的基因工程方法，将一些抗虫基因比如苏云金杆菌（些抗虫基因比如苏云金杆菌（Bacillus Bacillus thuringiensisthuringiensis）抗虫毒素基因（）抗虫毒素基因（Bt Bt 毒素基因）、毒素基因）、菜都抗虫蛋白质基因（胰蛋白酶抑制的菜都抗虫蛋白质基因（胰蛋白酶抑制的CPTICPTI基基因）、蓼草抗虫基因等导入水稻、玉米、棉花、

18、因）、蓼草抗虫基因等导入水稻、玉米、棉花、马铃薯、烟草、番茄等作物细胞，并使表达这些马铃薯、烟草、番茄等作物细胞，并使表达这些外源抗虫基因的转基因植株得到再生，有的已经外源抗虫基因的转基因植株得到再生，有的已经投入到了大田实验。投入到了大田实验。抗虫害的玉米抗虫害的玉米 例如含例如含BtBt的烟草能有效地阻止烟草天蛾幼的烟草能有效地阻止烟草天蛾幼虫的危害，害虫食后虫的危害，害虫食后1d1d内停食，内停食，3d3d内全部内全部死亡。在转基因玉米植株中，玉米螟取食死亡。在转基因玉米植株中，玉米螟取食后后23d23d死亡率可达死亡率可达70%70%。培育成功的抗虫番。培育成功的抗虫番茄植株，对危害番

19、茄果实的烟草天蛾和烟茄植株，对危害番茄果实的烟草天蛾和烟草夜蛾幼虫的防治效果达草夜蛾幼虫的防治效果达100%100%，对棉铃虫，对棉铃虫也有很好的杀虫作用。国外正在研究的转也有很好的杀虫作用。国外正在研究的转BtBt抗虫作物还有大豆、油菜、多种蔬菜及抗虫作物还有大豆、油菜、多种蔬菜及杨树等多种树木。杨树等多种树木。 美国蒙山都公司的专家采用跟癌农杆菌美国蒙山都公司的专家采用跟癌农杆菌TiTi质粒介导法培育成功携带有质粒介导法培育成功携带有BtBt杀虫基因的杀虫基因的棉花新品种棉花新品种“保铃棉保铃棉”，可使杀虫剂的用，可使杀虫剂的用量减少量减少80%80%，现已成为世界上推广面积最大，现已成为

20、世界上推广面积最大的抗虫棉品种。的抗虫棉品种。 英国德翰大学和剑桥作物育种中心的科学英国德翰大学和剑桥作物育种中心的科学家，利用基因工程从豇豆中把产生胰蛋白家，利用基因工程从豇豆中把产生胰蛋白酶抑制物的基因（酶抑制物的基因（CPTICPTI）转入了烟草，成）转入了烟草，成功地培育成转基因抗虫烟草新品种。功地培育成转基因抗虫烟草新品种。 中国科学院生物技术研究中心的专家采用中国科学院生物技术研究中心的专家采用根癌农杆菌根癌农杆菌TiTi质粒介导法与花粉管通道法质粒介导法与花粉管通道法将将BtBt抗虫基因与胰蛋白酶抑制基因（抗虫基因与胰蛋白酶抑制基因（CPTICPTI）重组成重组成“双价双价”抗虫

21、基因，导入长江与黄抗虫基因，导入长江与黄河区、华北与西北特早熟棉区的主栽品种河区、华北与西北特早熟棉区的主栽品种中，育成中，育成GK-1GK-1、GK-3GK-3、GK-12GK-12、GK-14GK-14、GK-GK-1919、GK-21GK-21等等1212个个“双价双价”高抗棉铃虫的转高抗棉铃虫的转基因棉花新品种，抗虫能力高达基因棉花新品种，抗虫能力高达80%80%以上，以上，丰产性与适应性与当地主栽品种相当，已丰产性与适应性与当地主栽品种相当，已在生产上大面积推广种植。在生产上大面积推广种植。 我国石家庄农科院与中国农科院生物技术我国石家庄农科院与中国农科院生物技术中心合作，将中心合作

22、，将BtBt和和CPTICPTI基因同时转移到石基因同时转移到石远远321321棉花品种中，育成了棉花品种中，育成了“双价双价”转基因转基因抗虫棉新品种抗虫棉新品种“冀棉冀棉2424号号”，经抗虫性鉴，经抗虫性鉴定，对棉铃虫幼虫校正死亡率达定，对棉铃虫幼虫校正死亡率达93.5%93.5%，达，达到高抗级别，常量较对照产品增产到高抗级别，常量较对照产品增产10.8%10.8%，其抗虫性能与增产性能均优于国外抗虫棉其抗虫性能与增产性能均优于国外抗虫棉品种。该品种的育成，标志我国转基因抗品种。该品种的育成，标志我国转基因抗虫棉的转育技术已处于国际领先领先水平。虫棉的转育技术已处于国际领先领先水平。七

23、、基因工程培育抗除草剂作物品七、基因工程培育抗除草剂作物品 种的进展种的进展 据报道，美国加利福尼亚州戴维斯的据报道，美国加利福尼亚州戴维斯的CalgeneCalgene公司公司已将耐草甘膦和溴苯晴两种除草剂的基因导入到已将耐草甘膦和溴苯晴两种除草剂的基因导入到棉花中，育成的棉花新品种能抗高于田间用药量棉花中，育成的棉花新品种能抗高于田间用药量1010倍的除草剂剂量，已在生产上大面积推广种植。倍的除草剂剂量，已在生产上大面积推广种植。该公司还培育出抗该公司还培育出抗2,4-D2,4-D除草剂基因工程棉株，现除草剂基因工程棉株，现已用于生产。已用于生产。 比利时比利时PGSPGS公司将链霉菌的抗

24、触杀型灭生性除草剂公司将链霉菌的抗触杀型灭生性除草剂磷酸买黄铜的基因导入番茄、马铃薯和烟草等作磷酸买黄铜的基因导入番茄、马铃薯和烟草等作物体内，成功地培育出完全除草剂的植株，可对物体内，成功地培育出完全除草剂的植株，可对高于高于1010倍于大田喷杀量的除草剂有稳定抗性。倍于大田喷杀量的除草剂有稳定抗性。 美国科学家对从美国科学家对从3030个国家搜集的个国家搜集的347347个水稻个水稻品种筛选，发现其中有品种筛选，发现其中有3.5%3.5%的水稻品种含的水稻品种含有抑制物质。凡含有此抑制物质的稻株均有抑制物质。凡含有此抑制物质的稻株均能杀死周围杂草，他们通过杂交的方法，能杀死周围杂草，他们通

25、过杂交的方法，将这种性状导入常规水稻品种里，培育成将这种性状导入常规水稻品种里，培育成了能杀死杂草的水稻新品种。了能杀死杂草的水稻新品种。八、基因工程培育抗逆性强农作物八、基因工程培育抗逆性强农作物品种的进展品种的进展 美国德克萨斯州美国德克萨斯州lubbochlubboch农业实验战与加利福尼亚农业实验战与加利福尼亚州州albandalband公司合作，进行抗旱基因转化研究。他公司合作，进行抗旱基因转化研究。他们从一种细菌中分离抗旱基因，一卡哪霉素做选们从一种细菌中分离抗旱基因，一卡哪霉素做选择剂，用根癌农杆菌择剂，用根癌农杆菌TI TI 质粒芥导发将此基因导入质粒芥导发将此基因导入植株，已

26、获得抗旱转基因棉花。植株，已获得抗旱转基因棉花。 美国的科学家已将仙人掌的抗寒基因转入小麦，美国的科学家已将仙人掌的抗寒基因转入小麦，玉米和水稻，培育出看寒性能较强的小麦，玉米玉米和水稻，培育出看寒性能较强的小麦，玉米和水稻在生植株。和水稻在生植株。 据日本鲁尔岛大学农学部报道，用农林据日本鲁尔岛大学农学部报道，用农林8 8号水稻号水稻胚为外植株，筛选出的胚为外植株，筛选出的3 3个碍盐细胞系均获得了再个碍盐细胞系均获得了再生植物，其中一个耐盐细胞系再生植株抽穗期接生植物，其中一个耐盐细胞系再生植株抽穗期接近正常，耐盐性能稳定，第三代在近正常，耐盐性能稳定，第三代在1%nacl1%nacl溶液

27、中溶液中培养正常良好。培养正常良好。转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基转鱼抗寒基因的番茄因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯九、农业基因工程发展预测与展望九、农业基因工程发展预测与展望 通过基因工程在上述几个方面进展的综述，表明进通过基因工程在上述几个方面进展的综述，表明进1515年来年来是国内外基因工程快速发展时期，他给农作物育种开辟了是国内外基因工程快速发展时期，他给农作物育种开辟了一条现代化的全新途径，创造新物种已成为可能，育成的一条现代化的全新途径，创造新物种已成为可能，育成的高产，优质，多抗的转基因农作物新品种，为实现高产，高产，优质，多抗的转基因农作物新品种，为实现高产，优质，高效发展现代化农业目标创造了有利条件。优质，高效发展现代化农业目标创造了有利条件。 人类社会已进入到人类社会已进入到2121实际，农业先进国家把生物技术确定实际，农业先进国家把生物技术确定为农业高新技术发展的优先领域，如日