第四章-植物基因工程的目的基因课件

大家好1第四章植物基因工程的目的基因2第一节抗虫基因第二节抗病基因第三节抗非生物胁迫基因第四节植物丰产与品质改良基因第五节植物生物反应器3虫害：据等（）统计全球粮食总产量每年虫害造成的损失达；不打农药造成产量损失：小麦、玉米、大豆、棉花；我国统计，因虫害水稻每年减产、小麦减产、棉花减产以上。第一节抗虫基因4化学农药的弊端：杀死害虫同时也杀死益虫，破坏生态平衡；长期使用化学农药，导致害虫产生耐药性；化学杀虫剂会引起农药残留问题，导致环境污染，危害人体健康等。5利用基因工程培育抗病虫品种的优点：抗性资源非常丰富；抗性具有连续性和整体性；育种周期短、成本低；育成品种具有不污染环境及抗病虫物质不易被环境因素所破坏；6抗虫基因来源：.来源于微生物的抗虫基因；.来源于植物的抗虫基因；.来源于动物的抗虫基因；.其他抗虫基因。7.来源于微生物的抗虫基因——基因基因苏云金芽孢杆菌()。在它的孢子形成过程中，合成出大量的杀虫结晶包涵体，其中的晶体蛋白质(，)是由叫做σ内毒素(σ－)的原毒素亚基()组成的。大多数的苏云金芽孢杆菌菌株都会产生一系列的σ内毒素，它对许多昆虫都具有特异的毒性，故这种蛋白质又叫做杀虫晶体蛋白(，)，或苏云会芽孢杆菌毒蛋白()。此外，苏云金芽孢杆菌在生长及芽孢形成期间，还能分泌一些外毒素，叫做苏云金毒素或β外毒素(β)，同样也具有抑制幼虫生长的能力。89基因的简并性修饰10基因的应用11转抗虫作物12.来源于植物的抗虫基因植物凝集素基因蛋白酶抑制剂基因淀粉酶抑制剂基因13植物凝集素基因植物凝集素是非免疫来源的糖蛋白或结合糖的蛋白质，他们能凝集细胞或沉淀糖蛋白。在植物体普遍存在，能特异识别并可逆地结合糖类复合物的糖基部分。凝集素对于哺乳动物和鸟类是有毒性的，同时也已经观察到同翅目()、鞘翅目()、鳞翅目()和双翅目()的昆虫均有毒害作用。14植物凝集素杀虫机理可以特异性地结合到昆虫消化道外围食膜的几丁质或上皮细胞的糖缀合物或糖基化的消化酶上，从而影响昆虫对营养物质的正常吸收，并可能促进消化道内的细菌繁殖，抑制昆虫生长发育，从而达到杀虫的目的15目前人们已分离出多种外源凝集素基因，然而由于多种外源凝集素对人和哺乳动物有较强的毒副作用，因而在生产上应用较少。但也有一些特例，其中豌豆外源凝集素和雪莲花外源凝素（）对人的毒性极低，但对害虫却有极强的抑制作用，因而倍受人们的重视。现已证明对稻褐飞虱、黑尾叶蝉有极强的毒杀作用，同时还能抑制蚜虫的生长。因而通过植物基因工程技术将基因导入到植物体内，以培育出对稻褐飞虱、蚜虫等刺吸式害虫有抗性的转基因植物。到目前为止，已有至少种植物获得了转基因抗虫植株，它们分别是油菜、西红柿、水稻、甘蔗、甘薯、向日葵、烟草、马铃薯、大豆和葡萄等，均表现出一定的抗虫性。植物凝集素基因应用1617蛋白酶抑制剂基因对蛋白质水解酶有抑制活性的一种小分子蛋白质，在动植物及微生物体内普遍存在，是一类天然的抗虫蛋白质。18蛋白酶抑制剂基因应用具有抗虫谱广的优点，对大多数的鳞翅目、直翅目、双翅目、膜翅目及某些鞘翅目昆虫有毒性，但对人畜无副作用及昆虫不易产生耐受性等优点。至少有种蛋白酶抑制剂转入到作物中；19转基因烟草转基因白菜20淀粉酶抑制剂基因21.来源于动物的抗虫基因蛋白酶抑制剂主要集中于哺乳动物的丝氨酸蛋白酶抑制剂基因和烟草天蛾的丝氨酸蛋白酶抑制剂基因。昆虫神经毒素基因主要从蝎子、植株、螨虫、胡蜂、蚂蚁等捕食性动物毒腺分泌的毒液中纯化而来。几丁质酶基因几丁质酶存在于植物、微生物、昆虫中，具有降低几丁质的作用。2223第二节抗病基因抗病毒病基因抗细菌病毒基因抗真菌病毒基因24.抗病毒病基因据不完全统计，迄今大约已发现多种病毒，几乎可以侵染所有的植物，全球每年造成的经济损失可达多亿美元。25防治方法：化学方法：对种子、农具和土壤进行广泛的消毒，清除病毒的污染源；用化学农药消灭媒介昆虫以及切断并控制病毒的传播途径等。茎尖脱毒：大多数果树、草莓、马铃薯等农作物，采用茎尖脱毒的办法，成功地获得了无毒苗或种薯。不足：费时费工，成本昂贵，化学农药造成环境污染，无毒苗在田间很快又会受到病毒的再侵染，维持无毒期的时间短暂。2627病毒交叉保护：感染了某种温和病毒株的植物，能够抵抗同种或相关的烈性病毒株的感染。外壳蛋白质是交叉保护作用的关键因素。而且两种病毒外壳蛋白质接近，交叉保护作用的效果就越强烈。将编码外壳蛋白的基因克隆出来，并导入到敏感的植株进行表达，应有可能使之获得抵抗相关烈性病毒株侵染的能力。28.抗细菌病害基因全世界细菌性作物病害约有多种，我国主要的细菌作物病害有种，如水稻白叶枯病、作物青枯病、白菜软腐病、柑桔溃疡病等。细菌性病害常造成严重损失。据估计，每年因细菌性病害马铃薯减产，约损失亿美元。29）抑制细菌致病和毒性因子的基因阻止致病因子表达的基因如：酰基高丝氨酸内酯（）水解酶基因降解病原菌致病毒素的基因如：乙酰转移酶（）基因抗病原菌毒素酶的基因夺取病菌生长所需营养物质的基因30）非植物抗菌蛋白基因昆虫裂解肽的编码基因是哺乳动物受感染时产生的一类抗菌蛋白，对细菌生长有抑制作用。溶菌酶基因将外源溶菌酶基因导入转基因植物，在信号肽引导下表达分泌溶菌酶到细胞间隙。目前已将鸡卵清、噬菌体和人的溶菌酶应用到植物抗细菌基因工程。转基因马铃薯提高了对的抗性。31抗真菌病毒基因真菌病害一直是危害植物生长、影响植物产量的主要病害，在植物病害所造成的损失中真菌病害约占。植物真菌病害对农作物产量和人类健康可能造成灾害性的影响，如世纪中叶的马铃薯晚疫病大流行制造了爱尔兰大饥荒。32抗真菌病毒基因主要包括：抗真菌的蛋白基因植保素基因增强细胞壁强度酶的基因改变细胞壁结构成分的基因植物诱导性抗性基因来自植物的抗真菌病基因现在有一部分抗真菌蛋白质的编码基因已经被克隆，并被转化到有关的植物当中，获得了抗性的表达。常见的有()几丁质酶基因和葡聚糖酶基因()核糖体失活蛋白基因()防卫蛋白基因()硫蛋白素。33343536第三节抗非生物胁迫基因植物一生完全生活在绝对适宜的环境中的情况是罕见的。有些植物整个生活周期都是在极严酷的环境中完成。胁迫指对植物生存和生长不利的各种环境因素的总和；胁迫分生物胁迫和非生物胁迫两类；生物胁迫指病害、虫害和杂草；非生物胁迫则指不利的理化因子，包括温度、水、辐射、化学因素（养分、除草剂、酸、碱、盐）、风、雨、雪、磁、电等。37抗非生物胁迫基因主要包括：抗旱、抗盐基因耐寒基因耐热基因耐除草剂基因38.抗旱、抗盐基因抗旱耐盐渗透调节物质合成基因。清除活性氧基因。保护生物大分子及膜结构的蛋白质基因。抗旱耐盐相关蛋白类基因；编码转录因子的调节基因。39）抗旱耐盐渗透调节物质合成基因植物在干旱盐渍胁迫环境会产生一些变化来适应环境，积累渗透物质维持渗透平衡和保持体内水分。脯氨酸。脯氨酸合成酶；甜菜碱。甜菜碱醛脱氢酶和胆碱加氧酶；多醇类。磷酸山梨醇脱氢酶（），甘露醇磷酸脱氢酶基因（）磷酸肌醇合成酶（）等；糖类。海藻糖磷酸合成酶基因(),果聚糖合成酶()等；多胺类。小鼠鸟氨酸脱羧酶，燕麦精氨酸脱羧酶等。40转基因转基因转基因转基因41）抗旱耐盐相关蛋白类基因蛋白,广泛存在于高等植物的细胞质、细胞核、内质网、线粒体和叶绿体中，受发育阶段、干旱、高盐、低温和外源的调节，使植物能够在水分亏缺时，保持细胞膜系统及生物大分子免受破坏。转烟草耐低温耐干旱42水通道蛋白水通道蛋白是一类高效特异转运水分子的整合膜蛋白，在植物水分转移过程中起着重要作用。各种费生物胁迫因素包括盐碱、干旱、洪涝、高温、寒冷等，都会造成植物细胞的水分失衡。香蕉中水通道蛋白转基因拟南芥耐盐43干旱高盐胁迫下蛋白激酶类信号因子蛋白质磷酸化和去磷酸化过程在细胞的信号识别与转导中起重要作用。细胞信号识别与转导直接关系着植物体对环境变化的感应和对逆境信息的传递，在这个过程中蛋白激酶记着重要的作用。如钙依赖和钙调素不依赖的蛋白激酶、类受体蛋白激酶等。转基因水稻转基因对干旱敏感44）转录因子基因转录因子也称反式作用因子，与真核基因启动子区域的顺式作用元件结合，对转录有激活或抑制作用的结合蛋白。转录因子在植物响应外界环境变化刺激、最终诱导植物相关防御和抗性基因的表达过程起着极其重要的作用。45可被低温诱导但不被干旱和高盐诱导，而基因可悲干旱和高盐诱导，因此，蛋白调节低温应答基因的表达，而参与干旱响应基因的表达。有些类转录因子可被外源诱导表达。转基因抗旱、耐盐转基因小麦抗旱、耐寒46类转录因子是植物转录因子最大家族之一。拟南芥中有个成员，大豆中有个成员。与其它转录因子相互作用，特别是，调节植物细胞的形成与模式建成、调节植物次生代谢，并对外界环境、激素及病虫害等作出应答。转烟草抗盐抗旱抗紫外干旱敏感低温敏感47家族成员大多是诱导型表达，植物不同生长发育阶段，病原体侵染、高盐、干旱、低温、植物激素刺激和机械损伤等生物与非生物胁迫都可诱导其表达。因此，转录因子在植物生长发育、代谢调节、器官建成、激素响应、抵抗逆境和作物品质改良中具有重要作用。转拟南芥抗旱、耐冷48.耐寒基因抗冻蛋白（）基因提高生物膜流动性的蛋白质基因基因转录因子49）抗冻蛋白基因最早在极地海鱼中发现的一类具有热滞效应和冰晶生长抑制效应的蛋白质，具有高度的亲水性和热稳定性，能够保护植物细胞免受低温伤害。鱼类抗冻蛋白；昆虫抗冻蛋白；植物抗冻蛋白。50）提高生物膜流动性的蛋白质基因生物膜是植物细胞及细胞器与周围环境间的一个界面结构，它能够接受和传递环境信息，对环境胁迫作出反应，并对保持植物正常生命活动也具有重要意义。生物膜是低温冷害作用的首要部位，低温伤害的原初反应发生在生物膜系统类脂分子的相变上。低温下膜脂由液晶相向凝胶相转变，造成细胞膜膜相分离，从而引起细胞代谢紊乱。膜脂不饱和脂肪酸的含量与细胞膜相变温度密切相关，因此，脂肪酸去饱和代谢关键酶在低温胁迫中发挥重要作用。如甘油磷酸酰基转移酶，脂肪酸去饱和酶基因（），胆碱磷酸转移酶等。51）基因基因是冷诱导基因，在它的启动子区域含有具有个碱基核心序列。脱水反应原件作为顺式作用启动子元件，能在低温胁迫时激活基因的表达。52.耐热基因热激蛋白（）的功能：提高植物耐热性；起分子伴侣的作用；作为水解酶在碱基错配时协助修复结构；具有交叉保护功能。转基因烟草耐高温53.耐除草剂基因54应用基因工程技术，培育具有抗除草剂特性的转基因农作物，不仅可以克服化学除草剂的花费大、专一性低等局限性，还可避免因之造成的环境污染和生态失衡的问题。目前，在发展用于培育抗除草剂转基因农作物的研究策略方面，已经取得了明显的进展。全球耐除草剂转基因作物种植面积占转基因作物种植面积的。第一种策略是，利用能解除化学除草剂毒性的外源基因转化目标作物。第二种策略是，使除草剂作用的目标蛋白质超量表达。第三种策略是，表达脱敏感的目标蛋白质。55）抗抑制剂基因是细菌、真菌、藻类、高等植物体内芳香族氨基酸（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸）生物合成过程中的一个关键酶。活性被抑制，导致分子酸合成受阻，阻断芳香族氨基酸和一些芳香化合物的生物合成，从而扰乱了生物体正常的氮代谢而使其死亡。草甘膦是美国孟山都公司开发的目前唯一商品化的酶抑制剂，也是世界上生产量与销售量最大、使用范围最广的除草剂。草甘膦理化性质稳定，具有高效、广谱、低毒、低残留、不破坏土壤环境、对大多数植物具有灭生性等优点。56编码的，有一段高度保守的氨基酸序列，设计该酶与其底物或草甘膦的相互作用，如突变其中的保守氨基酸，使其与草甘膦的亲和性下降，形成对草甘膦的抗性。孟山都研究人员将克隆的耐草甘膦的合成酶基因转入植物，获得了一系列的转基因耐草甘膦作物，并得到广泛的推广种植。57）抗抑制剂基因乙酰乳酸合成酶是支链氨基酸合成中的一个关键酶，活性受阻影响蛋白质合成，及植物生长。已开发出抑制剂类除草剂有大类多种。具有选择性强、杀草谱广、低毒高效等特点，其中具有代表性的是磺酰脲类和咪唑啉酮类除草剂。58美国氰胺公司筛选突变等育种方法培育一系列的各作物突变体；杜邦公司开发出抗氯嘧磺隆与噻磺隆等磺酰脲类除草剂的转基因大豆及棉花品种。目前，耐抑制剂类除草剂植物的研究集中在新的抗性位点的发掘及获得对抑制剂类除草剂具有更高耐性的植物。修饰对各种抑制剂的耐受性59）抗草铵膦基因谷氨酰胺合成酶（）在植物的氨同化及氮代谢调节中起重要作用，催化无机氮向有机氮的转化反应，同时也是植物中唯一的解毒酶，能够解除由硝酸盐还原、氨基酸降解及光呼吸中释放出的氨的毒性。草铵膦也称草丁膦，是目前最主要的抑制剂，非选择性、广谱除草剂的活性成分。60耐草铵膦的基因是一种来自土壤吸水链霉菌的基因，来源另外一种微生物的基因，编码草铵膦乙酰转移酶，使草铵膦的自由氨基乙酰化，从而对草铵膦解毒。目前已被广泛推广。61）抗阿特拉津基因阿特拉津是三嗪除草剂的主要代表，主要作用抑制植物叶绿体的光合作用。阿特拉津与质体醌竞争结合叶绿体蛋白，抑制电子传递中质体醌传递电子，从而使能量传递中断，光合作用停止，最终导致植物死亡。转基因抗阿特拉津的策略：利用点突变耐阿特拉津的基因或者过表达基因。62第四节作物丰产与品质改良的基因基因工程育种的主要目标就是优质丰产育种。年代前在农作物上的应用广泛，且主要是提高农作物产量，近期则侧重于提高品质，如：美国科学家据此提高马铃薯淀粉含量达，最高达。目前改良作物产品质量的基因及应用主要有：控制果实成熟的基因；谷物种子贮藏蛋白基因；控制脂肪合成基因；提高作物产量基因等。世界上有种农作物品种得到改良，如水稻、番茄、马铃薯、瓜类、烟草等等。63.影响作物产量的基因）影响光合作用的基因及其调控基因二磷酸核酮糖再生能力相关基因降低光呼吸和改变线粒体呼吸相关基因葡萄糖差向异构酶改造植物成为植物植物具有二氧化碳浓缩机制，可以基本消除氧抑制和光呼吸，从而使光合效率比植物高。将途径引入植物被认为是未来年内提高产量应对人口增长和耕地减少的唯一出路。目前由国际水稻所领导并有个研究组参加国际水稻合作研究项目已在开展，并取得了很大进展。64）植物产量形成的相关基因调节光合产物分配的基因扩大植物碳水化合物库容的基因提高植物氮同化效率的基因修饰植株株型与产量构成因子的基因65修饰植株株型与产量构成因子的基因半矮杆基因与株高。号染色体。第一次绿色革命。赤霉素和油菜素内酯；分蘖相关基因。分蘖直接决定作物的穗数和产量。、调控水稻分蘖；穗粒数相关基因。负向调控，表达量下降增加颖花数量，提高产量；，我国大面积种植的直立和半直立穗型的高产水稻品种都含有突变的基因；粒重。以粒长、粒宽和粒厚来衡量。如、、、等，另外灌浆相关基因也影响籽粒充实度从而影响粒重。66半矮秆基因单秆基因直立密穗基因粒宽相关基因67粒重相关基因粒长相关基因灌浆相关基因68.谷物种子贮藏蛋白基因小麦蛋白质是人类食物蛋白质的主要来源，清蛋白和球蛋白为代谢代办，麦谷蛋白和醇溶蛋白为贮藏蛋白。醇溶蛋白的氨基酸组成很不平衡，它含有约一半的脯氨酸和谷氨酰胺，只有很少量的赖氨酸和色氨酸。麦谷蛋白影响面团黏弹性和延展性，是制作优质面包的基础。69目前最有成效的是导入外源储藏蛋白基因。通过增加谷蛋白亚基拷贝数来增加含量，改善加工品质；引入具有超量残疾的亚基来产生高教练的聚合物，改善加工品质。70.改良淀粉品质的基因7172.抑制果实成熟的基因果胶酯酶、果胶裂解酶和纤维素酶与果实成熟软化也密切相关；73转乙烯形成酶反义基因、储存期延长－天的番茄74.改良脂肪酸组成的基因提高油脂含量提高饱和脂肪酸含量在人类食用消费的油脂中，植物油正在替代动物油，大约一半的植物油被交工成人造黄油和制糕点用油脂，需要熔点较高，饱和脂肪酸含量较高。降低饱和脂肪酸含量，提高不饱和脂肪酸含量植物油中饱和脂肪酸含量较低，但仍有，降低植物油中饱和脂肪酸的含量对降低人体中胆固醇的含量是很