现代农业基因工程

现代农业基因工程第1页/共116页Predicted

changes

in

populationand

food

consumption第2页/共116页生产更多的粮食及农产品第3页/共116页生产更好的粮食及农产品生物技术第4页/共116页••••第5页/共116页中心法则DNA——>RNA——>

蛋白质转录 转译第6页/共116页第7页/共116页第8页/共116页第9页/共116页第10页/共116页基因工程第11页/共116页在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，并使之进入原先没有这类分子的寄主细胞内，并能持续稳定地繁殖。第12页/共116页基因工程步骤第13页/共116页1、从复杂的生物体中分离出带有目的基因的DNA片段。2、体外将外源DNA片段连接到能够自我复制并具有选择信号的载体分子上，形成重组DNA分子。3、将重组DNA分子转移到适当的寄主细胞中，并与之一起增殖。4、筛选出获得重组DNA分子的寄主细胞克隆。5、从筛选获得的转化子克隆提取出已得到扩增的目的基因。6、将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的背景下实现功能表达。植物转基因技术第14页/共116页第15页/共116页植物受体系统第16页/共116页植物表达载体系统第17页/共116页外源基因导入植物细胞的方法第18页/共116页Ti质粒介导的基因转移基因枪法病毒载体直接将DNA导入植物细胞原生质体显微注射法电击法脂质体融合外源基因导入植物的主要方法第19页/共116页第20页/共116页第21页/共116页第22页/共116页分泌乙酰丁香酮Pi-VirA从质粒中切出T-DNA核DNAT-DNAVirG诱导Vir基因表达PiVirD2ATP可能存在植物细胞受体VirBVirD4VirD4核孔冠瘿碱T-DNA细胞分裂素植物生长素分泌农杆菌植物细胞CNCWCM伤害第23页/共116页农杆菌与植物互作的可能机制第24页/共116页第25页/共116页第26页/共116页第27页/共116页RegenerationSouthern

blotbombardment

DNA

transformationPlasmid

DNABombardment

of

callus第28页/共116页第29页/共116页植物抗病虫基因工程第30页/共116页病害：真菌、细菌、病毒、线虫虫害：常规方法：传统育种方法施用化学杀虫剂其它措施转基因植物第31页/共116页Striped

StemBorer第32页/共116页第33页/共116页第34页/共116页第35页/共116页第36页/共116页第37页/共116页抗真菌植物基因工程第38页/共116页1、抗病基因2、降解真菌细胞壁的抗真菌蛋白：几丁质酶β-1,3葡聚糖3、抗真菌蛋白：核糖体失活蛋白thioninsdefensins4、渗调蛋白5、抗真菌次生代谢产物的基因6、降解真菌产生的毒素抗细菌基因工程第39页/共116页1、抗病基因2、抗毒素基因3、其它植物抗病因子：thionins4、非植物抗病基因溶菌酶抗菌肽植物抗体反义基因第40页/共116页抗病毒基因工程第41页/共116页（一）来源于植物的基因1.抗病基因PR蛋白商陆抗病毒蛋白（二）来源于病毒的基因1.外壳蛋白复制酶移动蛋白其它蛋白（三）卫星RNA分子（四）作用于病毒的抗性1.抗体2.RNase3.干扰素（五）反义RNA（六）核酶第42页/共116页第43页/共116页第44页/共116页抗除草剂基因工程第45页/共116页将某种酶的基因转移到作物中，这种酶能够分解除草剂针对除草剂可通过识别和破坏光合作用及氨基酸合成所需要的酶来杀死植物的特点，把该酶的基因导入植物改变除草剂识别酶的位点，改变该酶蛋白的氨基酸序列，用于快速检测和提高杂交稻纯度第46页/共116页生物固氮第47页/共116页提高光合作用效率基因工程改良品质第48页/共116页一、种子贮藏蛋白：与小麦面粉作成生面团后的粘弹性与面包烘烤质量密切相关（麦醇溶蛋白和麦角蛋白）二、通过加入一些原本缺乏的必需氨基酸的密码子来提高种子贮蛋白营养品质（单子叶甲硫氨酸多、双子叶赖氨酸多）①玉米醇溶蛋白导入烟草，表达量占种子总蛋白16%。②巴西坚果2S清蛋白（富含甲硫氨酸Met）导入烟草和油菜，烟草表达量为种子总蛋白80%，Met净增30%。油菜表达量为种子总蛋白40%，Met净增33%。利用基因工程进行保鲜第49页/共116页ACC合成酶乙烯合成酶反义RNA技术第50页/共116页利用基因工程获得作物雄性不育系第51页/共116页从花药发育和花粉形成过程中分离到特异性启动子与核糖核酸酶（RNase）基因连接，而后导入油菜，获得油菜不育系。毒性基因导入作物，使其在花药或花粉发育过程中表达。第52页/共116页第53页/共116页第54页/共116页植物抗逆基因工程第55页/共116页渗透蛋白基因与耐盐有关热休克蛋白基因热稳定酶基因抗冻蛋白基因植物基因工程与医疗保健用品生产第56页/共116页植物可为人提供药物、酶制剂、生化试剂、化妆用品、食品添加剂：美国Scripps研究所用烟草表达单克隆抗体，表达量达叶子总蛋白1.3%，1%左右烟草土地面积可生产270千克抗体，供27万癌症患者1年治疗美国Bio-resources公司用植物基因工程手段生产白细胞介素-2荷兰用转基因马铃薯生产人的血清蛋白韩国用转基因和番茄生产人的胰岛素我国利用转基因烟草生产天花粉蛋白Production

of

speciality

chemicalss•Enkephalins•Fatty

acids•Human

serum

albumin•Sugar

monomers•Sugar

thermoplastic

polymer•Vaccines

(e.g.

hepatitis)第57页/共116页Dupont公司1997年收购美国最大种子公司——先锋种子公司的20%股权，1999全部兼并。Novatis公司以6亿美元建农业发现研究所

AgrEvo公司加强基因组与组合化学的结合Monsanto公司与千年制药公司合作成立

Cereon基因组公司第58页/共116页杜邦公司第59页/共116页人数：5000多名科学家（300华人）投入：每年13亿美元目标：10年内25%纤维素来自采用生物技术的天然材料玉米—聚酯材料单体—新型合成纤维丝

亚利桑那州的蜘蛛—克隆腺体相关的基因—细菌表达蛛蛋白溶液—（抽丝装置）—晶莹的蛛丝New

Product第60页/共116页Crop

Biotechnology

Products

for

the

FutureSpeciality

ChemicalsPharmaceuticalsFoodProcessingAgronomic

Traits1995200020052010Other389(7.3%)第61页/共116页Insect

Resistant1258(23.9%)ViralResistant518(9.87%)Agronomic

Properties288(5.4%)HerbicideTolerant1513(28.7%)FungalResistant252(4.7%)ProductQuality1042(19.8%)Field

Releases:

Most

Frequent

Categories1987

to

1998(3/31/99)John

Maddox:What

Remains

tobe

Discovered第62页/共116页植物是合成的庞然大物除钢筋和混凝土外，它们可以合成任何物质动物基因工程改良动物品种第63页/共116页1、抗病毒抗猪瘟病毒的转基因猪

抗口蹄疫病毒的转基因兔抗白血病病毒的转基因鸡和小鼠基因工程疫苗（家禽球虫病疫苗、狂犬病疫苗）2、提高生长速度第64页/共116页大型鼠的生长激素基因与小型鼠的基因融合，21只小鼠7只在一周内生长迅速，有6只小鼠比一般的同科小鼠大2.8倍。把生长激素导入鲤鱼，获得生长速度明显加快的转基因鲤鱼。通过遗传工程培育的微生物来生产生长激素，然后注射猪，猪瘦肉增加15~18%。牛注射生长激素，使牛奶产量增加

30%。3、改良动物适应性鲶鱼耐寒性较差，将耐寒性基因和生长激素导入鲶鱼第65页/共116页4、改良动物的生产性状澳大利亚将老鼠的唾液腺中提取出的老鼠表皮生长因子给羊注射，能在毛囊深处使毛纤维变细变脆。第66页/共116页第67页/共116页第68页/共116页3、改良动物适应性鲶鱼耐寒性较差，将耐寒性基因和生长激素导入鲶鱼第69页/共116页4、改良动物的生产性状澳大利亚将老鼠的唾液腺中提取出的老鼠表皮生长因子给羊注射，能在毛囊深处使毛纤维变细变脆。聪明鼠第70页/共116页美国华裔生物学家钱卓领导的研究小组，通过为小鼠注入一种叫RNIB的基因成功培育出一批“聪明”的实验鼠。与普通小鼠相比，它们学习得更快，记忆时间更长，对新事物更为敏感，对环境的变化更能灵活适应。动物反应器第71页/共116页人血液凝固因子IX和人α-1抗胰蛋白酶基因注入羊，羊奶中表达了人血液凝固因子IX和人α-1抗胰蛋白酶。转基因羊表达人干扰素转基因羊生产组织型纤溶酶原激活剂和凝血IX因子上海用转基因羊生产人凝血因子植物细胞工程第72页/共116页组培：选择合适的外植体除去病原菌和杂菌配制适宜培养基诱导去分化阶段继代培养阶段生根生芽阶段移栽成活阶段原生质体融合花药培养组织培养繁殖第73页/共116页•优良品种快速繁殖•遗传育种研究•种质资源保存及交换植物组织培养的原理•植物细胞全能性•细胞分化和形态建成•植物的再生作用第74页/共116页组织培养的过程组织培养即无菌培养，也就是要求培养的材料不带有杂菌。外植体取材（包括器官，组织，细胞等）外植体经灭菌，接种到相应的培养基中，待到生长一定阶段，继代到相应培养基。使其分化芽、根成为完整的新植株等到植株有发达的根系，可以把其从试管内移入土壤中。经过一段时间驯苗，可以移栽大田生产第75页/共116页草莓第76页/共116页国兰第77页/共116页大花惠兰第78页/共116页文心兰第79页/共116页一品红第80页/共116页扶郎花第81页/共116页动物细胞工程第82页/共116页单克隆抗体核移植1997年，英国Roslin所Wilmut博士用乳腺细胞的细胞核克隆一只绵羊“多莉”1998年，日本用母牛输卵管细胞的细胞核成功克隆出“能都”和“加贺”1999年，美国用卵泡细胞的细胞核克隆成功小鼠“卡缭丽娜”，并再克隆出下一代，祖孙三代22只1999年美国华裔科学家杨向中用母牛（13岁）耳朵细胞的细胞核成功克隆出“艾米”A羊：乳腺细胞取出乳腺细胞取出细胞核电激融合，植入乳腺细胞核B羊：去核的卵细胞体外进行早期胚胎发育绵羊C： 胚胎植入绵羊C子宫中绵羊C产下遗传性质与绵羊A完全相同的“多莉”羊第83页/共116页第84页/共116页第85页/共116页第86页/共116页第87页/共116页作用第88页/共116页遗传背景完全一致的克隆动物将有利于开展对动物生长、发育、衰老和健康等机理研究有利于大量培养品质优良的家畜经转基因的克隆哺乳动物将为人类提供源源不断的廉价药品

4.濒临灭种哺乳动物的保护工作蛋白质与酶工程第89页/共116页蛋白酶的种类与分类第90页/共116页胞酶 可能种，子酶制剂应用第91页/共116页蛋白质与酶工程的主要研究内容第92页/共116页蛋白质与酶的遗传改造第93页/共116页蛋白质与酶的基因改造例子第94页/共116页蛋白质与酶的分离纯化技术第95页/共116页发酵工程：微生物制剂（白色农业）第96页/共116页第97页/共116页第98页/共116页第99页/共116页第100页/共116页生物芯片技术第101页/共116页通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。高密度生物芯片

DNA芯片蛋白质芯片人类基因组计划第102页/共116页本世界三大科学工程：曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划、人类基因组计划牵头单位：美国能源部、国家卫生研究所负责人：J.Watson参加国：美国、英国、德国、法国、日本、中国起动时间：1989年21、22条染色体已完成，5、16、19号染色体基因草图完成，初步测序上半年完成。中国：第3号染色体，占1%预测人类基因组工作进展第103页/共116页2002-2003年：全部人类基因组序列图绘制完成2002-20010年：对癌症、糖尿病、中风等疾病进行基因治疗危险性的测试。采用基因疗法可以治疗血友病、心脏病及一些癌症2015年：DNA芯片能够分析任何一个人的基因组成。药物可以对一个人的基因组进行修饰，从而为包括癌症在内的所有疾病的治疗提供可能2025年：医生将能够修饰人类基因的缺陷，从而使象镰刀细胞贫血症这样的疾病永远成其它生物基因组研究第104页/共116页小杆线虫：9700万碱基，20000个基因，

40%与基因动物相似，50%的人类致

病基因可以找到相应的基因。拟南芥：5条染色体，1.3亿碱基