植物生物技术绪论课件

第一章植物生物技术概论农学院孙红unhongzheng@第一章植物生物技术概论农学院孙红正11、生物技术的概念生物技术（biotechnology），有时也称生物工程，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。生物技术是人们利用微生物、动植物体对物质原料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。1、生物技术的概念生物技术（biotechnology），有2改造生物体，是指获得优良品质和高产的动物、植物、微生物品系或者品种。生物原料，是指生物体的某一部分或者生物生长过程中所能利用的物质，如淀粉、糖、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，聚(β-羟基丁酸酯)。生产出产品，包括粮食、医药、食品、化工原料、能源等。达到某种目的，包括疾病的预防、治疗和诊断、环境污染的检测及治理等。改造生物体，是指获得优良品质和高产的动物、植物、微生物品系或3植物生物技术绪论课件4植物生物技术绪论课件52、生物技术的发展历程2、生物技术的发展历程62.1第一代生物技术生物技术是一门既古老而现代的应用技术追溯其发展历史，几乎与人类的文明史同时开始，如酿酒、制醋、馒头发酵非纯种微生物发酵工艺为标志的传统生物技术2.1第一代生物技术生物技术是一门既古老而现代的应用技术72.2第二代生物技术以纯种微生物发酵工艺为标志的近代生物技术20世纪40年代抗生素的提取50年代氨基酸的发酵60年代酶制剂工程2.2第二代生物技术以纯种微生物发酵工艺为标志的近代生物82.3第三代生物技术以重组DNA技术为标志的现代生物技术1953年，Watson&Crick提出DNA双螺旋结构模型1973年，Boyer&Cohen将非洲爪蟾的DNA插入到细菌质粒DNA中产生重组质粒，标志着DNA重组技术的诞生。1976年，世界上第一家生物技术公司Genetech诞生，成为第3代生物技术的重要发展标志。2.3第三代生物技术以重组DNA技术为标志的现代生物技术92.4生物技术与农业生产植物是人类赖以生存的最主要的资源：直接为人类提供90%的能量，80%的蛋白质供应。目前供人类食用的植物约有3000种，但人类能量供应主要来自大约20种作物，其中8种禾谷类作物占了50%，矿物质和维生素主要由其他大约30种果蔬提供。作物生产在人类生存和发展中占有不可替代的地位2.4生物技术与农业生产植物是人类赖以生存的最主要的资102005年：世界人口为64亿6470万世界人口将在2070年达到高峰：90亿地球上的食品资源可以养活多少人口？生产足够多的食品养活世界人口是人类面临的巨大挑战之一！

如果均为严格的素食者约为150亿，而按照混合型饮食标准仅为50亿。2005年：世界人口为64亿6470万如果均为严格的素食者约11大量施用化肥，导致土壤结构恶化大量使用农药、除草剂等化学药品，导致环境恶化全球变暖、环境污染等引起生态环境恶化，可耕地质量严重下降，盐碱、沙化等保持农业生产可持续发展面临的问题：必须依靠现代生物技术手段来解决农业上的各种问题；生物技术正在推动着一场新的农业革命大量施用化肥，导致土壤结构恶化保持农业生产可持续发展面临的问123、植物生物技术主要内容3.1 植物组织培养3.2 植物分子标记及辅助选择育种3.3 植物基因工程3、植物生物技术主要内容133.1植物组织培养应用于离体快繁、脱病毒种苗生产等的分生组织培养技术；用于体细胞无性变异、突变体筛选、遗传转化等的愈伤组织培养技术；用于单倍体育种等的花药和小孢子培养技术；用于体细胞杂交、遗传转化等的原生质体培养技术3.1植物组织培养应用于离体快繁、脱病毒种苗生产等的分生14快繁脱毒快繁脱毒15组织培养诱导雄性不育系中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培养，然后将愈伤组织进行辐射，从而选育出巴斯马提雄性不育系。1984～1988年间凌定厚等以IR24、IR36、IR54等9个品种，通过种子、幼穗离体培养，筛选到不育突变体48个。组织培养诱导雄性不育系中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根16单倍体育种利用植物组织培养技术（如花药离体培养等）诱导产生单倍体植株，再通过某种手段使染色体组加倍（如用秋水仙素处理），从而使植物恢复正常染色体数。单倍体植株经染色体加倍后，在一个世代中即可出现纯合的二倍体，从中选出的优良纯合系后代不分离，表现整齐一致,可缩短育种年限。单倍体育种利用植物组织培养技术（如花药离体培养等）诱导产生单17单倍体培养花药培养花粉培养三倍体培养胚乳培养创制特殊倍性材料单倍体培养花药培养花粉培养三倍体培养胚乳培养创18原生质体融合创造新种质萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种——萝卜质油菜，在一般环境条件下表现为“雄性不育”。匈牙利国家自然科学院Menczel等（1982）以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合，实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移。

原生质体融合创造新种质萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂19小麦＋冰草马铃薯：2X+2X体细胞融合产生远缘杂种小麦＋冰草马铃薯：2X+2X体细胞融合产生远缘杂种203.2分子标记

分子标记（molecularmarker），是指可以反映基因组某种变异特征的DNA片段，是建立在DNA的多态性基础之上的可识别的等位基因。

分子标记的类型： RFLP，RAPD，SSR，AFLP，CAPS，SNP，InDel等3.2分子标记 分子标记（molecularmarke21植物生物技术绪论课件22Diamond,2002,Nature动植物的驯化人类利用动植物育种历程Diamond,2002,Nature动植物的驯化人类23Doebleyetal,2006,Cell栽培作物起源中心Doebleyetal,2006,Cell栽培作物起24植物驯化以后特征的改变植物驯化以后特征的改变25驯化综合症

DomesticationSyndrome与野生种相比，驯化种一般会：结实率高熟期相对一致果实器官增大成熟后不脱粒鞣酸、单宁类物质减少，口味变化Doebleyetal,2006,CellDubcovsky&Dvorak,2007,Science

驯化综合症

DomesticationSyndrome与26作物生产上的几次革命性进步绿色革命：指20世纪50－60年代，以高杆改矮杆为标志的新品种运用。高产矮杆的墨西哥小麦和矮杆水稻良种的全面推广，使全世界粮食产量大大提高。例如，墨西哥从1960年推广矮杆小麦仅3年总产达200万吨，比1944年产量增加了5倍。为什么矮杆可以大幅度提高产量？作物生产上的几次革命性进步绿色革命：为什么矮杆可以大幅度提高27植物生物技术绪论课件284皮泰克62－“神奇小麦”IR8－“奇迹稻”4皮泰克62－“神奇小麦”IR8－“奇迹稻”29小麦产量增长趋势小麦产量增长趋势30水稻产量与矮杆基因水稻产量与矮杆基因31传统常规育种传统常规育种32MAS辅助轮回选择育种MAS辅助轮回选择育种33MAS辅助聚合育种MAS辅助聚合育种34

基因工程（geneticengineering）是首先克隆或者人工合成目的基因，再将目的基因和载体重组在一起，导入生物体内，让受体生物的遗传性状发生预期改变，或者让受体生物产生目的基因编码的蛋白质等。3.3 植物基因工程 基因工程（geneticengineering）是首先克35转基因育种分子育种传统育种1994年，转基因大豆上市全球大豆产量历史回顾（数据来源FAO）年份产量（公斤/公亩）转基因育种分子育种传统育种1994年，转基因大豆上市全球大豆36植物生物技术绪论课件37植物生物技术绪论课件38植物生物技术绪论课件39植物生物技术绪论课件40植物生物技术绪论课件41植物生物技术绪论课件42SuppressionofCottonBollworminMultipleCropsinChinainAreaswithBtToxin–ContainingCotton,Science19September2008:Vol.321no.5896pp.1676-1678.SuppressionofCottonBollworm43植物生物技术绪论课件44ControlofinsectsbyRNAiControlofinsectsbyRNAi45抗除草剂大豆抗除草剂大豆46FlavrSavr

Itwasfirstsoldin1994,andwasonlyavailableforafewyearsbeforeproductionceasedin1997.FlavrSavr

Itwasfirstsold47神秘果miraculinmiraculintomatoNote：神秘果是典型热带常绿灌木，原产地在西非加纳、刚果一带。20世纪60年代，周恩来总理到西非访问时，加纳共和国把神秘果作为国礼送给周总理。此后，神秘果开始在我国栽培。神秘果是一种国宝级的珍贵植物，不管是在西非各国还是我国，都受到保护，禁止出口。神秘果肉中含神秘素，能改变人的味觉，吃神秘果后几小时内吃酸的食物，味觉显著变甜。神秘果miraculinmiraculintomat48PurpletomatoeshighinanthocyaninsHighanthocyaninpurpletomatoandredwild-typetomato花青素：抗癌，消炎，防

治心血管疾病、

老年相关疾病Snapdragon金鱼草Purpletomatoeshighinanthoc49FearsoverEurope'sGMcropplan,Publishedonline28July2010,Nature466,542-543(2010),doi:10.1038/466542aamylopectinpotato,BASFFearsoverEurope'sGMcroppl50Goldenricecontainsincreasedlevelsofpro-vitaminA.Traditionalriceiswhite(a).Theprototypeofgoldenricewasdevelopedin2000andisalightyellowcolor(b).Itcontains1.6mg/gofcarotenoid.In2005,newtransgeniclinesweredevelopedthatdramaticallyincreasedtheamountofcarotenoidsynthesized,makingthericeadeepgoldencolor(c).Thislatestformcontains37mg/gofcarotenoid,ofwhich84%isb-carotene–trial1.6mg/g37mg/gGoldenricecontainsincreased51口服疫苗VP1与口蹄疫口服疫苗VP1与口蹄疫52BlueRoseandcarnationdevelopedbyFlorigeneBlueRoseandcarnationdevelo53BiosensorBiosensor54BiosensorBiosensor55把水稻改造成C4作物把水稻改造成C4作物56C4的多次起源Sage,NewPhytologist(2004)161:341–370C4的多次起源Sage,NewPhytologist(257海水能不能种粮食大米草红树林海水能不能种粮食大米草红树林58Apse,etal,Science.1999Aug20;285(5431):1256-8.转基因拟南芥可以耐受200mMNaCl海水盐浓度3.5%，～600mMApse,etal,Science.1999Aug59Fivecropresearcherswhocouldchangetheworld,Publishedonline3December2008,Nature

456,563-568(2008)doi:10.1038/456563aFivecropresearcherswhocoul60Huang,etal,Nature.2002Aug8;418(6898):678-84.粮食增产速率趋势种植面积减少趋势FAOHuang,etal,Nature.2002Aug61植物生物技术绪论课件62植物生物技术绪论课件63本节完本节完64PPT下载地址：biotechnology_hnnd@163.com邮箱密码：biotechnologyPPT下载地址：biotechnology_hnnd@16365第一章植物生物技术概论农学院孙红unhongzheng@第一章植物生物技术概论农学院孙红正661、生物技术的概念生物技术（biotechnology），有时也称生物工程，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。生物技术是人们利用微生物、动植物体对物质原料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。1、生物技术的概念生物技术（biotechnology），有67改造生物体，是指获得优良品质和高产的动物、植物、微生物品系或者品种。生物原料，是指生物体的某一部分或者生物生长过程中所能利用的物质，如淀粉、糖、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，聚(β-羟基丁酸酯)。生产出产品，包括粮食、医药、食品、化工原料、能源等。达到某种目的，包括疾病的预防、治疗和诊断、环境污染的检测及治理等。改造生物体，是指获得优良品质和高产的动物、植物、微生物品系或68植物生物技术绪论课件69植物生物技术绪论课件702、生物技术的发展历程2、生物技术的发展历程712.1第一代生物技术生物技术是一门既古老而现代的应用技术追溯其发展历史，几乎与人类的文明史同时开始，如酿酒、制醋、馒头发酵非纯种微生物发酵工艺为标志的传统生物技术2.1第一代生物技术生物技术是一门既古老而现代的应用技术722.2第二代生物技术以纯种微生物发酵工艺为标志的近代生物技术20世纪40年代抗生素的提取50年代氨基酸的发酵60年代酶制剂工程2.2第二代生物技术以纯种微生物发酵工艺为标志的近代生物732.3第三代生物技术以重组DNA技术为标志的现代生物技术1953年，Watson&Crick提出DNA双螺旋结构模型1973年，Boyer&Cohen将非洲爪蟾的DNA插入到细菌质粒DNA中产生重组质粒，标志着DNA重组技术的诞生。1976年，世界上第一家生物技术公司Genetech诞生，成为第3代生物技术的重要发展标志。2.3第三代生物技术以重组DNA技术为标志的现代生物技术742.4生物技术与农业生产植物是人类赖以生存的最主要的资源：直接为人类提供90%的能量，80%的蛋白质供应。目前供人类食用的植物约有3000种，但人类能量供应主要来自大约20种作物，其中8种禾谷类作物占了50%，矿物质和维生素主要由其他大约30种果蔬提供。作物生产在人类生存和发展中占有不可替代的地位2.4生物技术与农业生产植物是人类赖以生存的最主要的资752005年：世界人口为64亿6470万世界人口将在2070年达到高峰：90亿地球上的食品资源可以养活多少人口？生产足够多的食品养活世界人口是人类面临的巨大挑战之一！

如果均为严格的素食者约为150亿，而按照混合型饮食标准仅为50亿。2005年：世界人口为64亿6470万如果均为严格的素食者约76大量施用化肥，导致土壤结构恶化大量使用农药、除草剂等化学药品，导致环境恶化全球变暖、环境污染等引起生态环境恶化，可耕地质量严重下降，盐碱、沙化等保持农业生产可持续发展面临的问题：必须依靠现代生物技术手段来解决农业上的各种问题；生物技术正在推动着一场新的农业革命大量施用化肥，导致土壤结构恶化保持农业生产可持续发展面临的问773、植物生物技术主要内容3.1 植物组织培养3.2 植物分子标记及辅助选择育种3.3 植物基因工程3、植物生物技术主要内容783.1植物组织培养应用于离体快繁、脱病毒种苗生产等的分生组织培养技术；用于体细胞无性变异、突变体筛选、遗传转化等的愈伤组织培养技术；用于单倍体育种等的花药和小孢子培养技术；用于体细胞杂交、遗传转化等的原生质体培养技术3.1植物组织培养应用于离体快繁、脱病毒种苗生产等的分生79快繁脱毒快繁脱毒80组织培养诱导雄性不育系中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培养，然后将愈伤组织进行辐射，从而选育出巴斯马提雄性不育系。1984～1988年间凌定厚等以IR24、IR36、IR54等9个品种，通过种子、幼穗离体培养，筛选到不育突变体48个。组织培养诱导雄性不育系中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根81单倍体育种利用植物组织培养技术（如花药离体培养等）诱导产生单倍体植株，再通过某种手段使染色体组加倍（如用秋水仙素处理），从而使植物恢复正常染色体数。单倍体植株经染色体加倍后，在一个世代中即可出现纯合的二倍体，从中选出的优良纯合系后代不分离，表现整齐一致,可缩短育种年限。单倍体育种利用植物组织培养技术（如花药离体培养等）诱导产生单82单倍体培养花药培养花粉培养三倍体培养胚乳培养创制特殊倍性材料单倍体培养花药培养花粉培养三倍体培养胚乳培养创83原生质体融合创造新种质萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种——萝卜质油菜，在一般环境条件下表现为“雄性不育”。匈牙利国家自然科学院Menczel等（1982）以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合，实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移。

原生质体融合创造新种质萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂84小麦＋冰草马铃薯：2X+2X体细胞融合产生远缘杂种小麦＋冰草马铃薯：2X+2X体细胞融合产生远缘杂种853.2分子标记

分子标记（molecularmarker），是指可以反映基因组某种变异特征的DNA片段，是建立在DNA的多态性基础之上的可识别的等位基因。

分子标记的类型： RFLP，RAPD，SSR，AFLP，CAPS，SNP，InDel等3.2分子标记 分子标记（molecularmarke86植物生物技术绪论课件87Diamond,2002,Nature动植物的驯化人类利用动植物育种历程Diamond,2002,Nature动植物的驯化人类88Doebleyetal,2006,Cell栽培作物起源中心Doebleyetal,2006,Cell栽培作物起89植物驯化以后特征的改变植物驯化以后特征的改变90驯化综合症

DomesticationSyndrome与野生种相比，驯化种一般会：结实率高熟期相对一致果实器官增大成熟后不脱粒鞣酸、单宁类物质减少，口味变化Doebleyetal,2006,CellDubcovsky&Dvorak,2007,Science

驯化综合症

DomesticationSyndrome与91作物生产上的几次革命性进步绿色革命：指20世纪50－60年代，以高杆改矮杆为标志的新品种运用。高产矮杆的墨西哥小麦和矮杆水稻良种的全面推广，使全世界粮食产量大大提高。例如，墨西哥从1960年推广矮杆小麦仅3年总产达200万吨，比1944年产量增加了5倍。为什么矮杆可以大幅度提高产量？作物生产上的几次革命性进步绿色革命：为什么矮杆可以大幅度提高92植物生物技术绪论课件934皮泰克62－“神奇小麦”IR8－“奇迹稻”4皮泰克62－“神奇小麦”IR8－“奇迹稻”94小麦产量增长趋势小麦产量增长趋势95水稻产量与矮杆基因水稻产量与矮杆基因96传统常规育种传统常规育种97MAS辅助轮回选择育种MAS辅助轮回选择育种98MAS辅助聚合育种MAS辅助聚合育种99

基因工程（geneticengineering）是首先克隆或者人工合成目的基因，再将目的基因和载体重组在一起，导入生物体内，让受体生物的遗传性状发生预期改变，或者让受体生物产生目的基因编码的蛋白质等。3.3 植物基因工程 基因工程（geneticengineering）是首先克100转基因育种分子育种传统育种1994年，转基因大豆上市全球大豆产量历史回顾（数据来源FAO）年份产量（公斤/公亩）转基因育种分子育种传统育种1994年，转基因大豆上市全球大豆101植物生物技术绪论课件102植物生物技术绪论课件103植物生物技术绪论课件104植物生物技术绪论课件105植物生物技术绪论课件106植物生物技术绪论课件107SuppressionofCottonBollworminMultipleCropsinChinainAreaswithBtToxin–ContainingCotton,Science19September2008:Vol.321no.5896pp.1676-1678.SuppressionofCottonBollworm108植物生物技术绪论课件109ControlofinsectsbyRNAiControlofinsectsbyRNAi110抗除草剂大豆抗除草剂大豆111FlavrSavr

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Itwasfirstsold112神秘果miraculinmiraculintomatoNote：神秘果是典型热带常绿灌木，原产地在西非加纳、刚果一带。20世纪60年代，周恩来总理到西非访问时，加纳共和国把神秘果作为国礼送给周总理。此后，神秘果开始在我国栽培。神秘果是一种国宝级的珍贵植物，不管是在西非各国还是我国，都受到保护，禁止出口。神秘果肉中含神秘素，能改变人的味觉，吃神秘果后几小时内吃酸的食物，味觉显著变甜。神秘果miraculinmiraculintomat113PurpletomatoeshighinanthocyaninsHighanthocyaninpurpletomatoandredwild-typetomato花青素：抗癌，消炎，防

治心血管疾病、

老年相关疾病Snapdragon金鱼草Purpletomatoeshighinanthoc114FearsoverEurope'sGMcropplan,Publishedonline28July2010,Nature466,542-543(2010),doi:10.1038/466542aamylopectinpotato,BASFFearsoverEurope'sGMcroppl115Goldenricecontainsincreasedlevelsofpro-vitaminA.Traditionalriceiswhite(a).Theprototypeofgoldenricewasdevelopedin2000a