第七章生物技术与农业

课程名称：现代生物技术概论授课主题：第七章生物技术与农业授课教师：生命科学系王国霞第七章生物技术与农业农业是关系人类生死存亡和社会稳定的基础。农业是世界上规模最大和最重要的产业，是调节生产和最终平衡消费的主要手段。发达的农业在很大程度上依赖于科学技术的进步，并以此达到高产和高效的目的。发展以现代生物技术为基础的现代农业，是解决当今世界所面临的粮食、健康、环境污染等重大社会问题的关键所在。生物技术与种植业植物是通过光合作用所形成的产物是人类和其他生物直接或间接的失误来源，植物所创造的产品及用途与人类密不可分。以基因工程为核心的现代生物技术的发展则为作物育种打开了另一扇大门，发挥着越来越重要的作用。植物生物技术是现代生物技术的重要组成部分。植物生物技术：对植物性状、品质、产量进行改良的一系列细胞水平和分子水平的生物技术的总称，主要包括植物基因工程和与之相关的植物组织培养技术、细胞融合技术及分子标记辅助育种技术、植物快速繁育技术等。随着植物生物技术的发展，农业已成为其应用最广阔、成效最显著的领域。植物生物技术在农业生产中的应用目标是：1，定向创造新的物种和新品种；2，快速繁育植物，实现试管苗的工厂化生产；3，改变食品原料性质，开发新型功能性食品。基因工程技术在农业中的应用基因工程在农业上的应用主要集中于抗逆性新品种的选育、作物品种改良和雄性不育等方面。为了培育高产、优质、抗逆性强的作物新品种，需将一种植物的优良遗传性状转移到另一种植物体中。转基因植物：是指利用重组DNA技术将克隆的优良目的基因导入植物细胞或组织，并在其中进行表达，从而获得新性状的植物。自1983年世界上首次成功获得第一株转基因植物以来，植物基因工程技术已广泛应用与作物品质改良、抗病性、抗虫性、抗病毒性、抗除草剂、杂种优势的利用等方面，已经又一大批转基因作物问世。这些植物包括烟草、番茄、大豆、马铃薯、棉花、油菜、花生、小麦、水稻、玉米、黄瓜、胡萝卜、大白菜、菠菜、豇豆、甘蓝、康乃馨、菊花、苹果、核桃、草莓、李、香蕉等。1，抗病毒转基因作物植物病毒是造成农作物减产的主要原因之一。是我国农业生产上最主要的病害之一，对我国的粮食作物、经济作物、及果树蔬菜均造成严重危害，经济损失巨大，但迄今仍缺乏有效的化学防治方法。利用基因工程技术将抗病毒基因转移到植物中，是一种比较理想的抗病毒方法。抗病毒基因工程通常采用的策略是：病毒外壳蛋白基因或其功能蛋白基因、病毒亚基因组序列、卫星DNA、缺失干扰型序列的遗传转化；反义RNA技术等。概念：2，抗虫转基因植物化学革命给人类带来了农药，农药对人类的发展确实起了重要的作用，但同时也带来了不少严重的问题，如农药的残留在食物链的各个层次富积，危害环境及人类。同时杀虫剂的大量使用，使大量天敌和益虫也蒙受毒害，生物的多样性降低。农药的长期使用，使昆虫及病原体产生抗性，使杀虫剂的应用越来越形成恶性循环。抗虫转基因作物的优势在于：是一种无环境污染的防治策略，可显著减轻农业对化学农药的依赖，有助于可持续农业系统的建立。农药具有时间上的连续性和空间上的整体性。抗性基因的来源广阔，不受不同生物个体间生殖隔阂的限制，可以在整个生物体中挑选、组合目的基因。育种周期短，治虫成本低。目前转移的抗虫基因主要从苏云金芽孢杆菌分离出来的毒蛋白基因（Bt蛋白），这些蛋白具有很强的杀虫专一性，对部分有益昆虫、动物和人类无害。其次是蛋白酶抑制剂基因，杀虫广谱性好。3，培育抗除草剂作物农田化学除草已成为全球现代农业生产的重要组成部分,全世界除草剂的总用量、施用面积及费用均已超过杀虫剂与杀菌剂。随着大量除草剂的出现,新品种选育和开发难度极大。因此,利用基因工程培育植物的抗除草剂品种越来越受到国内外科学家的关注,它不仅可扩大现有除草剂的应用范围,选用高效率、低毒、低残留、杀草谱广、低成本的除草剂转基因作物,也可减少环境污染,降低农业生产成本。抗草甘膦转基因植物草甘膦是一种广谱除草剂，已得到广泛的食用，但易伤害农作物。目前，已利用转基因技术把抗草甘膦基因转入到烟草中，转化植株获得了抗草甘膦的能力。抗PPT转基因作物膦丝菌素(PPT)用作非选择性的除草剂,是植物谷氨酰合成酶(GS)的抑制剂。现已分离得到抗PPT基因，在烟草、马铃薯和番茄的细胞内得到了表达，转基因植株对高剂量的PPT有耐受性。4，抗真菌、细菌转基因植物在植物抗真菌病害的基因工程研究中，几丁质酶基因是应用比较成功的一例。几丁质是真菌细胞壁的组分之一，几丁质酶可破坏几丁质。美国科学家已分离出几丁质酶基因并导入烟草中。大田试验结果表明，这种转基因烟草抗真菌感染与施用杀真菌剂同样有效，而且收成更好。目前，已将几丁质酶基因导入番茄、马铃薯、莴苣和甜菜。这一技术将对蔬菜和果实类植物抗真菌感染具有重要意义。5，培育适应极端气候条件的新品种将大豆中分离出来的热休克蛋白基因转入烟草中，当把这种烟草放在42℃将鱼的抗寒基因导入番茄，获得首例抗寒转基因番茄，株高2m以上，秋季延长采收期1个月。6，培育抗重金属作物镉对植物的污染会影响固氮过程，降低植物体水分和养分的运输能力，最终抑制植物细胞的光合作用。用哺乳动物基因组编码的金属硫蛋白基因转化植物，可使受体植株获得抗重金属镉的能力。加拿大科学家将中国仓鼠金属硫蛋白基因插入载体中，然后用这种重组子感染野生油菜叶片，受感染的叶片能高水平产生金属硫蛋白，并能产生对镉的抗性。,7，转基因技术在作物改良品质的应用品质改良主要涉及蛋白质的含量、氨基酸的组成、淀粉和其它多糖化合物以及脂类化合物的组成。耐贮藏番茄：瑞士科学家培育出的一种富含β-胡萝卜素的水稻新品种——“黄金水稻”，8，生物技术在诱导植物雄性不育中的利用植物雄性不育及杂种优势利用，已经成为世界上粮食作物和经济作物提高产量、改良品质的一条重要途径。雄性不育植株在杂交育种上十分重要的地位，水稻专家袁隆平院士正是发现和利用了野败型雄性不育系，建立了水稻三系育种体系，大力发展杂交水稻，创造出了世界奇迹。二、细胞工程在种植业的应用植物细胞工程的几项技术在种植业上的均有较大的应用空间和前景，并发挥着越来越重要的作用，应用包含几个方面：单倍体育种、植物次生代谢物质的生产、植物离体快繁技术的应用、细胞融合技术的应用、人工种子的制备、种植资源保存等。1，植物次级代谢产物的生产早在1939年,人们已能从特定植物体中分离一些细胞，这些离体细胞能在人造环境中生存并合成人类有用的次生代谢产物，如生物碱、黄酮类化合物等。近年来，利用植物细胞培养技术以及各种植物细胞固定化技术，就可以像固定化微生物那样，在预先设计的生物反应器中高效地、源源不断地生产出具有商业价值的次生代谢产物。2，单倍体育种单倍体育种技术易于产生纯系品种，便于优良性状的表达，利于筛选从而大大缩短育种时间。花药和花粉组织培养技术是一条非常有效的获取单倍体的途径，该技术在大麦、黑麦、燕麦、水稻、番茄等作物的改良上起到了重要的作用。3，植物快速繁殖技术主要包括花卉植物的离体快繁技术经济林木的离体快繁技术花卉、农作物的离体快繁和脱毒药用植物的离体快繁技术4，细胞融合技术的应用植物细胞融合，也叫原生质体融合，也称细胞杂交。细胞融合能够在细胞水平实现遗传物质的转移和重组，打破种属的界限。这方面典型的技术是原生质体融合技术创造体细胞杂种以实现作物改良。通过不同类型的原生质体融合可以克服传统育种方法所面临的不亲和及生殖障碍，转移有利的农艺性状，创造出新品种。5，种质资源保存种质资源是进行研究和生产的基本材料，因此种质资源的保存是一项非常重要的工作。常规的种质资源保存具有多方面的局限性，而细胞培养保存则具有非常大的优势，能极大地节约空间，而且不受环境条件的限制。一般是根据细胞的特点，人工创造条件使其生长代谢活动尽量降低，处于休眠状态，以抑制增殖和减少变异。6，人工种子制备植物人工种子是在植物组织培养基础上发展起来的一项生物技术。1978年提出设想。生物农药及生物控制生物农药本身具有的对人畜毒性小，只杀害虫，与环境相容性好以及病虫害相对不易产生抗性等优点，因此生物农药正日益成为农药产业发展的新趋势。1苏云金芽孢杆菌Bt是当前国内外研究最多，应用最广泛的杀虫细菌。目前正朝着大吨位、多品种的方向发展。在苏云金杆菌几十年的开发利用过程中，人们在生物技术育种、发酵工艺改进、新剂型研制、新产品开发等方面取得了不同程度的进展。2白僵菌白僵菌是用于防治多种鳞翅目害虫的真菌制剂，目前已进入工业化生产和较大规模应用的虫生真菌有球孢白僵菌、卵孢白僵菌、金龟子绿僵菌等。（3）昆虫病毒昆虫病毒杀虫剂也是生物防治的重要手段之一，这类杀虫剂具有特异性强、毒力高、稳定性能好、安全无害等优点。进入20世纪80年代以后，这类杀虫剂的研究主要集中在昆虫病毒复合剂的研制、病毒的活体增殖、病毒的提取、基因工程病毒杀虫剂的研究及昆虫病毒培养等领域，并都取得了显著的成就。第二节生物技术与养殖业概念：动物生物技术：是指动物特别是农业动物及其产品的性状、品质、产量进行改造和创新，以服务于人类的一系列现代科学技术。一般而言，动物生物技术包括动物转基因技术、动物胚胎技术、动物克隆技术及动物反应器等。一、动物分子育种技术与动物育种有关的现代生物技术包括动物转基因技术、动物胚胎技术、动物克隆技术以及其他以基因工程为基础的各项技术。多年来，杂交选择一直是改良动物遗传性状的主要途径。人们通过多代杂交或近交，来固定优良性状，最后选育出人们期望的高产优质新品种。目前，生产上大部分品种都是利用这些传统育种方式选育出来的。但传统育种方法弊端也很多，而现代动物转基因技术和分子育种技术却显示出强大的生命力，大大加速和动物育种的步伐。1、动物转基因技术转基因动物：将外源基因导入动物的基因组并获得表达，由此产生的动物称为转基因动物。转基因技术利用基因重组，打破动物的种间隔离，实现动物种间遗传物质的交换，为动物性状的改良或新性状的获得提供了新方法。（1）动物转基因技术的基本原理动物转基因需要目的基因、合适的载体和受体细胞。动物转基因的步骤：外源基因的获得与鉴定；外源基因导入受精卵；转基因受精卵胚胎发育；检测新基因的遗传性表达能力。（2）导入外源基因的方法①显微注射法：这也是最常用的方法。多用于哺乳动物。用显微注射器直接把外源基因注射到受精卵细胞的原核或细胞质中。在原核期对胚胎进行显微注射成功率较高。优点：直观，基因转移率高，外源DNA长度不受限制，试验周期相对较短。缺点：操作难度大，仪器要求高，导入的外源基因拷贝数不可控制。②病毒载体法病毒作为载体携带目的基因感染目的细胞。常用的是反转录病毒，优点：单拷贝整合，整合率高，插入位点易分析；缺点：安全性和公众的接受程度值得考量。③脂质体介导法用脂质体作为人工膜包裹DNA，一次作为载体将外源基因导入受体细胞。④精子介导法成熟精子携带外源DNA进入卵细胞，外源基因与卵细胞染色体整合。⑤胚胎干细胞法全能性干细胞携带外源基因导入胚胎，可以整合到胚胎中参与发育，形成转基因的嵌合体动物。（2）转基因技术在动物生产上的应用第一个转基因动物：转基因小鼠这证明了人们可以借助生物技术改变动物的天然属性，从而显示出动物转基因技术的广阔前景。在动物生产上的主要作用：①促进动物生长，提高产量；②改良品质性状，提高产品品质；③增强动物抗病能力和抵抗不良环境能力，提高生产效益；④研制动物生物反应器。转基因鱼的生产性研究主要集中在提高生长速度和抗逆性方面，理论研究则为动物发育机制和基因功能研究提供方法。转生长激素鱼提高了生长速度，转抗冻基因鱼则可以实现南鱼北养，还可以用于培育观赏鱼性品种。转基因家禽转基因家禽的研究重要集中于转基因鸡。生产转基因鸡的方法可分为蛋产出前的操作和产出后的操作两种类型。转基因家畜哺乳动物体外受精和胚胎移植技术为转基因家畜的成功提供了有效的技术手段。转基因家畜除了与其他转基因农业动物一样瞄准抗病性和生产性能以外，还因其与人的生物学相似性，在器官移植、药物生产和特殊疾病模型等方面显示出特殊的价值。转基因猪、牛、马、羊、兔等家畜正逐步走出实验室进入实用阶段。转基因家畜作为生物反应器生产新一代的药物已有很多例子，特别是乳腺作为生物反应器，其产物已经进行市场。2，分子标记技术与动物育种分子标记技术在动物育种工作中应用在以下几个方面：（1）构建遗传图谱和基因定位目前用DNA分子标记已经构建了一些动物的分子遗传图谱，这些图谱将有助于追踪动物育种相关的目标基因，并对数量性状基因座定位研究又促进作用。（2）基因繁荣监测、分离和克隆主要监测、分离和克隆与主要经济性状相关的基因和一些有害的基因。（3）亲缘关系的分析可用于动物品种资源的调查、鉴定与保存，还可以用于研究动物起源与进化、杂交亲本的选择和杂种优势的预测。（4）DNA标记辅助育种目前许多研究集中在各种DNA分子标记与动物主要经济性状之间的关系，从而寻找与经济性状相关的DNA标记作为动物育种目标，加速育种进展。（5）性别诊断与控制一些DNA标记与动物性别有密切关系，有些DNA标记只在一个性别中存在，利用这一特点，可以制备探针，进行性别诊断。（6）突变分析有关后代的DNA谱带可以追溯到双亲，在后代中出现而双亲中没出现的谱带肯定来自于突变，进而可以推算动物在特定条件下的突变率。二、动物胚胎生物技术胚胎的冷冻保存畜禽人工受精与精液保存技术是胚胎生物工程的基础工作。（1）人工授精及精液的冷冻保存人工授精就是利用合适的器械采集公畜的精液，经过品质检查、稀释或保存等适当的处理，再用器械把精液适时地输入到发情母畜的生殖道内，以代替公母畜直接交配而使其受孕的方法。（2）胚胎的冷冻保存胚胎冷冻保存技术包括胚胎的冷冻和解冻。抗冻剂种类和浓度、加入抗冻剂的速度、解冻的速度、稀释的速度和温度都关系到冷冻胚胎的成败。抗冻剂的毒性、胚胎渗透压的变化及冰晶形成是保存胚胎必须考虑的因素。2，胚胎移植胚胎移植是将一头良种母畜配种后的早期胚胎取出，移植到另一头同种的生理状态相同的母畜体内，使之继续发育成为新个体。也称人工受胎或借腹怀胎。胚胎