第7章 生物技术与农业.ppt

1、1,1,7生物技术与农业,1,2,学习目的了解现代生物技术的原理和方法及其在农业生产中的广泛运用。认识生物技术在培育高产、抗病、抗逆植物新品系的应用培育优良生产性能动物新品系、动物快速繁殖、生物反应器等领域的应用。,1,3,农业是世界上规模最大和最重要的产业，在发达国家如美国，其农业总产值占国民生产总值的20%以上，而发达的农业经济在很大程度上依赖于科学技术的进步以达到高产和高效的目的。现代生物技术越来越多地运用农业中。要解决当前世界所面临的粮食、人口、能源、污染等重大问题，发展以新兴现代生物技术为基础的农业是一条必由之路。,1,4,7.1植物生物技术,7.1.1植物雄性不育及杂种优势利用植物

2、雄性不育自然界普遍现象据统计，已经在涉及43个科、162个属、320个种的617个种和种间杂种中发现了雄性不育性,1,5,不育(sterility)：一个个体不能产生有功能的配子（gamete）或不能产生在一定条件下能够存活的合子（zygote）的现象。雄性不育性（malesterility）：当不育性是由于植株不能产生正常的花药、花粉或雄配子时，就称之为雄性不育性。,植物雄性不育性概念,1,6,应用于细胞质遗传,真核生物的细胞质中的遗传物质主要存在于线粒体，质体，中心体等细胞器中，把细胞质基因所决定的遗传现象和遗传规律称为细胞质遗传，也称为非孟德尔遗传，核外遗传。线粒体遗传叶绿体遗传,1,7

3、,1、核质互作型雄性不育（gene-cytoplasmicmalesterility，也叫质核互作雄性不育）(1)孢子体不育：花粉的育性受孢子体（植株）基因型控制，而与花粉本身所含基因无关。孢子体RR，Rr花粉全部可育（R或r）F1可育孢子体rr花粉全部不育（r）F1不育(2)配子体不育：花粉育性直接由配子体（花粉）本身的基因所决定。孢子体RrR花粉可育，r花粉不育。,植物雄性不育的分类,1,8,质核互作型不育,1,9,在农业生产中以此理论为基础，建立了三系育种体系三系：不育系、保持系和恢复系S（rr）N（rr）S（rr）F1不育S（rr）不育系N（rr）保持系S（rr）N（RR）S（Rr）F

4、1可育N（RR）恢复系,1,10,2、细胞核雄性不育（genicmalesterility）（1）不受光温影响的核雄性不育（2）光温敏核雄性不育,1,11,(2)光温敏核雄性不育的遗传（简单遗传）高温或长日不育适温短日可育在农业生产中以此理论为基础，建立了二系育种体系不育系保持系恢复系,1,12,主要包括对天然雄性不育原始株的发现和连续回交核置换。1.早期的野败型和近期的马协型水稻雄性不育胞质，以及湖北光敏核不育水稻、太谷核不育小麦等，均始于对天然雄性不育原始株的发现；2.在5060年代日本学者培育的“藤坂5号”、BT型细胞质以及我国育成的红莲型、滇型不育胞质等则是通过种间、亚种间或品种间杂交

5、后的连续回交核置换途径育成的。,选育植物雄性不育新种质的常规途径,1,13,随着以植物组织、细胞培养和DNA重组技术为支柱的植物生物技术的迅速发展和广泛应用，利用现代生物技术，通过细胞工程和基因工程途径，创建植物雄性不育新种质在技术上已日趋成熟，并已初见成效。,选育植物雄性不育新种质的新途径,1,14,细胞工程途径,离体细胞培养诱导植物雄性不育新种质通过离体细胞培养诱导体细胞无性系变异，已成为发掘各种优异遗传资源的有效途径,离体诱变技术是创造水稻雄性不育新质源的一个崭新方法。胞质杂交创建植物雄性不育新种质通过胞质杂交进行细胞质雄性不育基因的转移，创建植物雄性不育新种质，是胞质杂交技术应用中潜力

6、较大、且已初见成效的一个方面，目前已在好几种农作物中获得成功植物。,1,15,基因工程途径,1.借助细胞毒素的特异表达获得植物雄性不育系。将花药或花粉特异表达的启动子、细胞毒素基因及终止子构建成嵌合基因导入受体植株；细胞毒素的特异表达可选择性地破坏花药或花粉，阻断花粉发育，导致雄性不育。,1,16,2.利用反义技术（antisensetechnique）,已有大量花药特异表达基因被克隆、鉴定，利用这些基因的反义RNA阻断这些基因的正常表达，即可获得相应的雄性不育新种质。,1,17,3.通过基因工程扰乱细胞质线粒体等细胞器的正常功能,ATP合成酶亚基9（ATP9）是线粒体编码、其转录物需经RNA

7、编辑才能形成成熟的mRNA。在ATP9基因和cDNA前，分别融合上酵母的转导肽序列后（基因前融合上该转导肽序列后，可使其表达产物被运送到线粒体中），转化烟草；在获得的转ATP9基因的烟草中，出现有半不育、全不育等类型的雄性不育植株，而转cDNA的烟草植株均为全不育。,1,18,7.1.2植物抗逆性研究,自然界环境提供了植物体生长、发育、繁殖所需的物质；给予植物体很大的选择压力，如气候寒冷、土壤或水分含盐量过高、病虫害等。面对这些不利的环境条件，许多种植物消亡，也有发生遗传变异以适应恶劣条件的影响，表现出一种抗逆性如抗寒、抗冻、抗盐、抗虫害、抗病毒、抗真菌等。在自然条件下，植物体的这种自发遗传变

8、异以达到抗逆性的过程，是一个漫长且效率较低的过程，而逆性环境的出现，特别是病虫害的发生是频繁的。这就需要人们利用现代生物技术的方法来培育抗逆性植物。,1,19,传统的方法是在一定逆性选择压力下，采用随机筛选或通过诱变、组织培养、合体细胞杂交等方法定向筛选。盲目性较大，遗传变异频率较低，筛选效率不高；另一方面存在植物体间的种属界限性。基因工程方法特定把抗基因定向转移，因而频率较高，比自发突变高出102104倍；另一方面其基因来源打破了种属的界限，不仅植物来源的基因可用，动物、细菌、真菌，甚至病毒来源的基因都可以使用。因而植物基因工程技术目前已成为一种广泛，且有效地培育植株抗逆性的手段。通过基因工

9、程技术获得的植物称为转基因植物（transgenicplants)。,1.培育植物抗逆的方法,1,20,2.转基因植物应用例子,2.1抗除草剂作物草甘膦是一种广谱除草剂，它具有无毒、易分解，无残留和不污染环境等特点，得到广泛的应用。它的靶位是植物绿叶体中的一种重要酶-内丙酮莽草酸磷酸合成酶（EPSP）。草甘膦通过抑制EPSP活性而阻断了芳香族氨基酸的合成，导致死亡。把抗草甘膦基因引入植物，可使这种基因工程作物获得抗草甘膦的能力。此时若用草甘膦除草，则可选择性地除掉杂草，而这种作物因不受损害而生长。,1,21,草丁膦是一种高效低毒的广谱除草剂。它的有效成分为膦丝菌素（phosphinothric

10、in，PPT），是谷氨酰氨合成酶的一种强力抑制剂。抑制谷氨酰氨合成酶活动会导致氨积累，引起植物中毒死亡，所以PPT是一种植物生长强效抑制剂。已从土壤吸水链霉菌分离出bar基因，使PPT的自由氨基（NH2）乙酰化，致使PPT丧失毒性。通过生物技术已将bar基因导入小麦、大麦和水稻等20多种作物。,1,22,2.2抗昆虫作物,苏云金杆菌(B.thuringiensis)毒蛋白是苏云金杆菌在形成芽孢时产生的一种蛋白质，以结晶出现，称为伴孢晶体毒性作用。它在昆虫消化道内的碱性条件下，裂解成为活性多肽并造成昆虫消化道损伤，最终可使昆虫死亡，而对其他生物则无害；其转入到烟草、番茄、棉花中目前已获得含有毒蛋

11、白基因的转基因植株，可对鳞翅目害虫产生一定的特异性抗性；后来发现了同、鞘翅目昆虫有毒的苏云金杆菌菌株。,1,23,豇豆胰蛋白抑制因子（CpTL）基因已被成功地引入烟草的植株，并使转化植株获得了抗昆虫能力。CpTL对人畜无害。已成功把CpTL导入甘薯内，以期免受甘薯蛾的危害，还有烟草棉花等作物。含Bt与豇豆胰蛋白酶抑制剂(CpTI)蛋白基因(双基因)的抗虫烟草和棉花对棉铃虫和红铃虫等害虫有高的抗性。,1,24,2.3抗真菌作物,几丁质是真菌细胞壁的组分之一。几丁质酶可破坏几丁质。最初美国科学家已从灵杆菌中分离出几丁质酶基因并导入烟草中。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

12、，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、水稻和甜菜。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。,1,25,2.4抗重金属镉的作物,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，可使受体植物获得抗重金属镉的能力。,1,26,2.5抗病毒作物,抗病毒作物的研究已取得多方面的成就。抗烟草花叶病毒（TMV）抗苜蓿花叶病毒（AMV）抗黄瓜花叶病毒（CMV）抗烟草环斑病毒（TobRV）上述研究和应用成果已充分显示作为现代农业生物技术重要组成部分的植物基因工程技术的强大威力。,1,27,当

13、然作为转基因抗性植物由于目前各方面条件的限制，所以还存在许多问题，其中引起人们的争议和探讨的两个主要问题，一个是这种植物的安全性问题，另一个是耐受性问题。解决后一个问题主要有两种方法，一个是针对不断出现的新耐受昆虫，不断寻找新基因，创造新品系与之对抗。另一方面在农业生产中采取一些降低耐受性的方法。,2.6转基因植物的争议,1,28,7.1.3生物农药及生物控制,农作物遇到病虫害的侵扰导致减产和品质下降。化学杀虫剂的使用在很大程度上可以提高农业和森林业的产量，然而也正是由于化学农药的广泛应用不仅造成水源污染、土地毒化、不利于耕种，而且农药残留在食物上，导致人畜中毒。在现代的观念中，生物控制是指运

14、用微生物等去控制害虫和疾病。近年来一些毒素的基因被分离、测序以及重组和改造，这些基因也被转入多种植物中，并在植物组织中表达。这样的植物自身就具备了抗病虫害的能力。,1,29,生物农药,生物农药是可以用来防治病虫草等有害生物的生物体本身或源于生物，并可以作为农药的各种生理活性物质。如细菌、真菌、病毒等微生物为原料而制成的一类农药。特点是安全可靠，不污染环境，对人畜不产生公害，而且原料易获得，生产成本低，是当前农作物病虫害防治中具有广阔发展前景的一种农药。,1,30,生物农药分类,植物源农药如烟碱、苦参碱、印楝素、川楝素、茶皂素、鱼藤酮、除虫菊酷、植物精油和转基因植物(种子)等;微生物源农药如苏云

15、金杆菌(.t.)、阿维菌素、杀蚜素、井冈霉素、春雷霉素、蜡质芽孢杆菌、荧光假单孢、双毒杆菌、枯草杆菌、白僵菌、绿僵菌、拟青霉、NPV(核多角体病毒)、GV(颗粒体病毒)、芫菁夜蛾线虫、蝗虫微孢子虫、云杉卷蛾微孢子虫等。动物源农药如阿根廷蚁产生的防卫毒素、大胡蜂产生的曼德拉毒素、斑蝥产生的斑蝥素、海生环节动物异足索蚕产生的沙蚕毒素、棉铃虫性诱剂、甘蔗条螟性诱剂及天敌动物农药等。,1,31,Bt：是常用的细菌生物农药，杀虫谱广，对20多种蔬菜、茶、果、烟等植物的鳞翅目害虫防治效果为8090%，主要防治对象有松毛虫、玉米螟、棉铃虫、粘虫、稻纵卷叶螟、茶毛虫等。白僵菌：是真菌生物农药，对防治松毛虫和水

16、稻害虫黑尾叶蝉有特效。白僵菌液接触害虫后，通过体壁进入害虫体内，很快会萌发菌丝，吸收害虫的体液，使害虫变僵发硬而死。昆虫病毒：包括核型多角体病毒(NPV)、颗粒体病毒(GV)、质型多角体病毒(CPV)和蟑螂细小病毒等,1,32,7.1.4植物生物技术的其他应用,植物次级代谢产品植物再生技术改良种子的贮存蛋白提高作物收获后的贮藏能力,1,33,7.1.6水稻基因组计划,水稻是最重要的粮食作物之一，全世界一半以上的人口以水稻为主食。1998年2月，中、日、美、英、韩五国代表制定了“国际水稻基因组测序计划”，这是继“人类基因组计划”后的又一重大国际合作的基因组研究项目。2002年12月12日，中国宣

17、布中国水稻（籼稻）基因组“精细图”已经完成将为全球从事水稻和植物生物学研究的科学家提供急需的数据，为功能基因组学和蛋白质组学的研究奠定坚实基础，而且将为全面阐明水稻的生长、发育、抗病、抗逆和高产规律，推动遗传育种研究产生重大影响。,1,34,7.2动物生物技术,同作物育种一样，常规的动物育种技术主要是对与生产性状有关的表型性状的选择，通过直接选留或淘汰某些直观的表型性状来提高动物的生产性能如产奶量、产蛋量、瘦肉率、生长速度等等。由于动物不同于植物的生活方式和繁殖方式，农业动物尤其是大型家畜育种比作物育种存在更多的局限性，往往需要大量的种群和漫长的过程才能使选育的性状稳定下来。,1,35,现代生

18、物技术的迅速发展将为养殖业的革命提供有效的技术手段。基因工程、细胞工程和胚胎工程技术的日臻成熟，给农业动物生产注入了前所未有的活力，短时间内大量繁殖优良动物品种或创造具有新性状的良种已不再是遥远的梦。,1,36,7.2.1动物转基因技术,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（transgenicanimal)。动物转基因技术是在基因工程、细胞工程和胚胎工程的基础上发展起来的。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。,1,37,作为基因工程技术之一，动物转基因同样需要目的基因、合适的载体和受

19、体细胞。由于动物细胞有别于植物细胞，绝大多数不具备发育的全能性，不能发育成为完整的个体，只有受精卵才可能发育成个体，所以要得到转基因动物还需要细胞工程和胚胎工程技术配合。动物转基因的步骤是：鉴定和构建外源基因；外源基因导入受精卵；转基因受精卵移植到母体子宫；胚胎发育；检测新基因的遗传性和表达能力。,1,38,7.2.1.1导入外源基因的方法,（1）显微注射法（2）病毒载体法（3）脂质体介导法（4）精子介导法（5）胚胎干细胞法,1,39,7.2.1.2转基因农业动物,转基因技术应用于农业动物的主要目标是提高生产性能，提高抗病性等。目前已有转基因鱼、鸡、牛、马、羊等多种动物成功的报道。转基因鱼转基

20、因家禽转基因家畜,1,40,转基因家畜,家畜，能使家畜朝人类希望的目标靠拢，如肉质改善、饲料增效、个体增大、体重增加、奶量提高、脂肪减少等。例如将长瘦肉的基因导入猪细胞中，猪就成为瘦肉型；将促乳汁分泌的基因导入牛、羊细胞中，这些转基因牛、羊乳汁猛增；还有科学家将貂的长皮毛基因导入羊细胞中，培育出长出类似貂毛毛皮的羊。这些羊易养，繁殖快，且“羊貂皮”面积数倍于貂皮，将使“貂皮”时装进入寻常百姓家。导入抗病或抗寄生虫的外源基因，牛便不怕“疯牛病”，猪便不怕瘟.,1,41,7.2.2胚胎工程-家畜繁殖的新技术,胚胎工程技术使哺乳动物的繁殖得以打破时间和空间的限制，为家畜良种的繁育和推广提供了快速有效

21、的途径。基因工程技术为胚胎工程提供了新天地，胚胎工程是以提高良种的繁殖率和扩大推广途径为目标，进一步发展成为定向改变动物性状的动物转基因技术的关键。胚胎工程技术主要包括冷冻保存技术、胚胎移植、体外生产胚胎、胚胎克隆、性别鉴定。,1,42,7.2.2.1冷冻保存技术7.2.2.2胚胎移植7.2.2.3体外生产胚胎7.2.2.4胚胎克隆7.2.2.5性别鉴定,1,43,7.2.3生物技术在动物饲料工业上的应用,1微生态制剂运用生物技术研制生产符合适应动物体微生物运转规律的制剂。产品有各类酵母、单细胞藻类、各种活性酶、多菌制剂、微生物衍生物等，起抑制有毒菌群，维护消化道微生物区系的生态平衡和正常功能，提高抗病免疫机能，促进动物生长和保健作用。这类微生物添加剂无毒害、无残留、无抗药性。,1,44,2中草药添加剂对促进人畜健康有着明显特点和优势，开创无公害、无污染、无残留的中草药添加剂，替代带毒有害的化学药物性添加物有着广阔的前景。3有机态络合物采用无机盐类矿物元素，但与维生素配制复合后容易引起化学反应而降低效价，同时由于超量添加某些矿物盐类对动物体有害，污染环境，影响到食品安全。随着动物饲料营养的发展，科技工作者为饲料工业提供了有机态微量元素络合物如微量元素氨基酸络合物具有很高的生物学效