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第六章生命科学与农业一、粮食危机挑战社会文明•“民以食为天，食以粮为先”•粮食安全是国际社会永恒关注的焦点之一。•能源危机、人口增长、环境污染严重和自然灾害等一系列复杂问题的负面影响波及到全球各个角落。（一）粮食安全的概念•1996年11月，第二次世界粮食大会通过的《罗马宣言》和行动计划，又对“粮食安全”的作了表述：•“只有所有人在任何时候都有能够在物质上和经济上获得足够、安全和富有营养的粮食，来满足其积极和健康生活膳食需要和食物喜好时，才实现了粮食安全。”（二）粮食安全的含义•1、要有效供给(有充足的粮食)；•2、是要有效需求(有充分获得粮食的能力)；•3、是要保证此二者的可靠性。•已被联合国、世界银行等多个国际机构和、科研人员所普遍认同和采用。粮食安全的本质•粮食安全是指一个国家满足粮食需求以及抵御可能出现的各种不测事件的能力。•决定性因素是粮食生产及消费的能力和水平，同时和国家经济发展水平及外贸状况有着密切的联系。（三）粮食安全的衡量标准：•FAO给出的粮食安全衡量标准：•①是粮食生产上的安全，国家粮食的自给率必须达到95%以上；•②是粮食消费上的安全，年人均粮食达400公斤以上（500公斤）；•③是粮食储备或粮食库存应该达到本年度粮食消费的18%，而14%是警戒线，低于14%为粮食紧急状态。（四）中国粮食安全的5个主要指标：•①粮食库存安全系数：稳定在20～25%左右为宜。粮食年末库存量保持在1000～1250亿公斤；•②粮食产量波动系数：粮食产量年波动幅度应稳定在2%左右。粮食常年生产能力应该保证在4850亿公斤以上；•③粮食外贸依存系数：保持在5%左右，可在适度范围内提高；（四）中国的粮食安全5个主要指标：•④人均年粮食占有量：保持在385～400公斤（低于FAO的标准）。•研究表明，人均粮食370公斤就能够基本满足目前的食品消费需要。但是FAO认为，随着居民收入增加和粮食贸易进一步发展，2006～2015年全球人均粮食消费量将继续提高。因此，人均400公斤仅可以作为国家调控粮食安全的基本参考线；•⑤贫困人口粮食安全的最低要求：保证温饱（人体最低热量摄入标准为每人每天2100大卡，其中粮食每人每年220公斤）。（五）我国粮食和食品安全面临的严峻挑战消费需求呈刚性增长耕地数量逐年减少水资源短缺矛盾凸现供需区域性矛盾突出品种结构性矛盾加剧种粮比较效益偏低全球粮食供求偏紧二、粮食安全呼唤农业革命•1、人类农业活动的三大发展阶段：•2、发展现代农业甚至后现代农业•3、生态农业是现代农业发展的制高点1、人类农业活动的三大发展阶段：•第一个阶段是原始农业阶段，持续了大约7000年，是刀耕火种的原始操作，主要是熟荒、撂荒，基本只有种和收两个环节。•特点在于只取不给，土地营养平衡完全靠自然植被的自我恢复；1、人类农业活动的三大发展阶段：•第二个阶段是自给自足的传统农业阶段。•持续了近3000年，主要是以人力、畜力为动力，以人粪尿、动物粪便、绿肥等有机肥为土地提供营养；采用间作、轮作、套作等方式来充分利用土地资源进行农业生产。•注意到了保持地力常新和顺应自然规律、天时地利来进行农业生产。•但是由于以人畜力为主，劳动生产低效；对自然的依附状态不能得到改善；难以在较大规模上合理充分利用自然资源以及进行林、牧、农、渔的综合生产。1、人类农业活动的三大发展阶段：•第三个阶段是19世纪40年代开始的集约化生产。•历时约150多年至今，鼎盛于20世纪60年代。•其特点是以机械化、水利化、化学化和电气化来进行农业生产；直接和间接依赖石化能源；农业劳动生产率大大提高；土地生产率和农产品商品率提高（在美国，1％的人种粮）。•问题在于：高输入、高能耗，加剧世界能源危机；机械化耕作与不合理的种植导致严重的土壤流失；化肥和农药用量上升，但大部分进入了环境，引起严重环境污染；单一种植使生态失衡，引发大规模病虫害；人工创造的高产品种广泛取代了各地农畜品种的多样性，使后者的基因快速灭绝。2、发展现代农业•内涵是以统筹城乡社会发展为基本前提，以“以工哺农”的制度变革为保障，以市场驱动为基本动力，用:•现代工业装备农业、•现代科技改造农业、•现代管理方法管理农业、•健全的社会化服务体系服务农业，•实现农业技术升级、结构转型和制度变迁，使农业成为现代产业部门的一个重要组成部分和支撑农村社会繁荣稳定的产业基础。现代农业发展与传统农业的区别：•现代农业是以现代科技为支撑的创新农业，广泛采用以现代科学技术为基础的工具和方法，并随现代科学技术的发展不断改造升级，同时农业技术的发展也促使农业管理体制、经营机制、生产方式、营销方式等不断创新。彻底改变了传统经验农业技术长期停滞不变的局面。3、生态农业是现代农业发展的制高点•生态农业是指在经济和环境协调发展原则下，总结吸收各种农业生产方式的成功经验，按生态学、生态经济学原理，应用系统工程方法建立和发展起来的农业体系。生态农业一般具有8个原则：•①战略性：用农业发展的长远眼光来制定自己的生态农业战略；•②地域性：按照自己的地域特色和特有农业品种来设计能发挥当地优势的生态农业模式；•③多样性：注重品种和栽种的多样性，利于物质和能量的充分利用和减少病虫害；•④整体性：注重农、林、牧、副、渔、工、商、运输等方面整体发展；生态农业一般具有8个原则：•⑤协调性：注重林、田、水、草等与经济、技术、生态环境有机配合；•⑥层次性：利用生物界的食物链关系来设计农业生产模式，由此获得多方面收益；•⑦高效性：重视提高植物中储存的太阳能的转换率，充分合理利用其它自然资源；•⑧持续性：重视保护资源和合理利用资源，提高资源利用率，使资源利用具有持久性。三色生态农业•绿色农业•是指传统的种植业，以水、土和阳光为基础。•绿色农业的发展方向是利用生态农业技术和可持续发展技术发展生产，实现高效的物质能量循环和生产资料的加工和转换，保持环境、生态与经济的协调发展。三色生态农业•蓝色农业•以海洋为基础，是对海洋和浮游生物等资源进行综合利用的特色农业，重点就是海洋和海水的养殖业。•海洋资源是世界上最丰富的资源，积极开发利用海洋资源将是保持农业可持续性发展的重要举措。•海洋占地球表面的71％，是地球巨大的生物资源宝库。人们已不怀疑，蔚蓝无际的海洋将是21世纪人类的第二粮仓。•中国有18000多km大陆海岸线，近海水深在200m以内的大陆架至少有约1.47亿hm，超过陆地耕地总面积。三色生态农业•白色农业•是指微生物农业以及酶工程等等，是以基因工程等高科技发展微生物的资源工程农业。•它通过优化配置微生物资源，利用微生物坚韧的繁殖生产能力，在工厂化条件下生产植物、动物所必需的营养品和保健品。•因为生产过程非常严格，分子操作常在白色的小试管中而且操作者穿着白色的衣服，所以形象地称之为“白色农业”。4、杂交稻或是解决粮食危机关键•杂交优势利用是选育高产优质新品种的最有效最成熟的方法之一，它在未来选育新品种工作中仍将起重要作用。•杂交优势的利用最为成功的是中国的杂交稻。杂交水稻70年代育成并应用于生产以来，种植面积逐年扩大，产量持续增长。种植面积发展到3亿多亩，平均亩产500公斤以上，最高亩产达1000公斤。农业的出路何在？•邓小平同志明确指出：“将来农业问题的出路，最终要由生物工程来解决，要靠尖端技术”。•钱学森院士提出：“21世纪30年代，人类社会将进入第六次产业革命，即现代生物科学技术革命，主战场在大农业”；•诺贝尔奖获得者美藉华人科学家李远哲说：“人类经历了工业化和信息化两次产业革命之后，下个世纪的科技增长点应是生物技术”。三、分子育种武装现代农业•杂交育种已经给农业带来了巨大的革命，下一场革命就进入分子水平了。•目前最新的育种技术是有“白色革命”之称的分子育种技术。•植物分子育种技术为物种间和属间甚至科间远缘遗传物质的导入和交换，进而为快速培育高产、多抗和优质的新品种提供有效的育种途径。1、分子育种•广义的分子育种•①外源DNA导入植物的技术：即将带有目的性状的基因的供体总DNA片段导人植物，筛选获得目的性状表达的后代，培育新品种；•②植物基因工程技术：即将目的基因分离出来，在体外构建重组分子再导人植物细胞，然后通过离体培养并筛选获得目的基因表达的植株，培育新品种。•狭义的分子育种指的是第一个层次。降低植物油中的饱和脂肪酸的含量•①增加3-酮酯酰ACP合成酶Ⅱ的水平，因为这种酶是植物脂肪酸合成过程中的一种极其重要的关键酶，它负责不饱和脂肪酸的形成；•②减少酯-ACP-硫酯酶的活性，这种酶是植物脂肪酸合成过程中的另一种极其重要的关键酶，它负责饱和脂肪酸的形成；•③增加具有把饱和脂肪酸转变为不饱和脂肪酸功能的膜结合脱饱和酶水平。植物抗病虫害基因工程•杀虫结晶蛋白（Bt）基因•作用原理：•苏云金杆菌（革兰氏阴性菌）→形成芽孢，产生伴孢晶体→获取Bt基因→基因操作，转移到受体植物→转基因植物中Bt基因表达，产生杀虫结晶蛋白→昆虫食用，杀虫蛋白进入昆虫消化道→杀虫蛋白经过多步骤活化，成为毒性多肽分子，这种分子不会受到其他蛋白酶（如胰蛋白酶）等的破坏→与肠道上皮细胞的特异性结合蛋白结合→合于细胞膜上→细胞膜产生孔道→渗透平衡被破坏、细胞破裂→昆虫逐渐停止进食→最终导致死亡。植物抗病虫害基因工程•蛋白酶抑制剂基因•蛋白酶抑制剂与昆虫消化道内的蛋白消化酶相接合，形成酶-抑制剂复合物，从而阻断或减弱昆虫自身的蛋白酶对于蛋白质的水解作用，导致昆虫吸收的蛋白质不能被正常消化，同时使昆虫产生厌食反应。•对于人畜，蛋白抑制剂在胃中的酸性条件下，被胃中的胃蛋白酶分解，所以这类转基因植物对于人畜是无害的。这类抗虫基因已经被转到水稻、油菜、白薯、苹果、杨树等植物。•植物凝集素基因•植物凝集素的抗虫原理在于：当被昆虫取食后，外源凝集素在昆虫的消化道中与肠道围食膜上的糖蛋白结合，从而影响营养的吸收。同时外源凝集素还可能在昆虫的消化道内诱发病灶，促进消化道中细菌的繁殖。这些作用对害虫都起到危害作用，从而达到杀虫目的。•已成功的导入烟草和莴苣。植物抗病虫害基因工程植物抗病虫害基因工程•杀菌肽基因•最初的杀菌肽是从天蚕中分离出来的一种抗菌化合物，一般是碱性蛋白，可以在原核生物细胞膜上形成巨大的时间性和电压依赖性的离子通道，致使细胞内外渗透压改变，细胞内容物尤其是钾离子大量渗出，细菌因此死亡。植物抗除草剂基因工程•通过基因工程的方法，把对除草剂的抗性或耐性引入到栽培种中。•利用这个基因，已经获得了耐除草剂的转基因烟草、转基因马铃薯、转基因番茄等。抗冻蛋白基因•抗冻蛋白（antifreezeprotein，AFP）是指具有降低冰点和减少冰晶生长速度的蛋白质，抗冻蛋白基因可以作为转基因植物的目的基因。•抗冻效果较好的有北美黄盖鲽AFP、海渡鸭AFP、大洋条鳕AFP。把这些基因改装后，转入番茄，获得了抗冻性之后，可以大大地延长番茄的保鲜期和储藏期。改变过时成熟期的基因工程•利用基因工程还可以改变许多重要经济作物如番茄、香蕉、草莓、柑橘、葡萄、苹果、菠萝、西瓜等的成熟期，从而推后或提前上市。•在成熟过程中，乙烯是非常重要的。•乙烯形成的过程中有一个重要的酶就是乙烯形成酶（EFE），利用基因技术，将这个酶活性抑制或者是将乙烯形成酶基因的表达抑制，就可以达到预期的目的，使果实成熟延迟。通过这样的基因工程我们就可能吃到熟而不败的瓜果了。植物基因工程转基因植物1983年培植基因移植作物成功世界上第一种基因移植作物是一种含有抗生素药类抗体的烟草，1983年得以培植出来•1994年，美国政府批准了他们研制成功抗干旱、早熟、保鲜的转基因番茄商品化之后，我国也相继成功培育出优良品种的转基因番茄，以满足人们的需求。转基因番茄转基因甜椒•甜椒在栽培的过程中，容易受病毒的感染。我国科学工作者，采用转基因技术，培育出抗病毒的甜椒。转基因油菜油菜是人们食用油的主要来源之一。一般油菜籽的含油量约为40％左右。通过转基因技术，培育出来的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油的纯度质量更好。转基因玉米•玉米是主要粮食之一，又