生物技术与农业

应用生物技术与农业学习目的了解现代生物技术在农业生产中的广泛运用。认识生物技术在培育高产、抗病、抗逆植物新品系以及在培育优良生产性能的动物新品系、动物快速繁殖、生物反应器等领域的应用。1.1生物技术与种植业长期以来人们不断地寻求提高作物产量和品质的方法，有性杂交等传统育种方式、化学农药和肥料等的使用曾做出了巨大的贡献，但其弊端也日渐突出。现代生物技术将为种植业的发展提供跟广阔的前景。生物技术与农业7生物技术与农业1.1.1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是传统育种方法中的一个重要领域并已取得令人瞩目的巨大成绩。利用现代生物技术方法可诱导植物雄性不育，从而产生新的不育材料为育种服务。基因工程技术、组织培养、原生质体融合、体细胞诱变和体细胞杂交等技术都可以创造植物雄性不育新材料。生物技术与农业1.1生物技术与种植业1.1.1.1组织培养诱导植物雄性不育中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培养，然后将愈伤组织进行辐射，从而选育出巴斯马提雄性不育系。1984～1988年间凌定厚等以IR24、IR36、IR54等9个品种，通过种子、幼穗离体培养，筛选到不育突变体48个。生物技术与农业1.1.1生物技术在诱导植物雄性不育中的利用1.1.1.2基因工程诱导植物雄性不育花粉绒粘层表达barnase基因阻断花粉正常的发育而造成败育，形成不育系；花粉绒粘层表达bastar基因转化植株中为恢复系形成的二系配套的油菜、烟草。反义RNA技术创造了拟南芥、玉米、油菜等植物不育系。生物技术与农业1.1.1生物技术在诱导植物雄性不育中的利用1.1.1.3原生质体融合创造不育系萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种——萝卜质油菜，在一般环境条件下表现为“雄性不育”。匈牙利国家自然科学院Menczel等（1982）以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合，实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移。生物技术与农业1.1.1生物技术在诱导植物雄性不育中的利用1.1.2生物技术培育抗逆性作物品种植物与环境间有着密不可分的关系，而逆性环境的出现，特别是病虫害的频繁发生，造成农业上大面积的减产。组织培养、原生质体融合、体细胞杂交等生物技术手段创造突变，培育抗逆新品种。不过这些方法盲目性较大，而且植株遗传变异频率较低，植物基因工程技术目前已成为一种广泛且有效的培育抗逆性植株的手段。生物技术与农业1.1生物技术与种植业1.1.2.1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。生物技术与农业1.1.2生物技术培育抗逆性作物品种抗EPSP抑制剂基因草甘膦(glyphosate)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，目前已从细菌中分离出一个突变株，它含有抗草甘膦的EPSP合成酶突变基因。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。生物技术与农业1.1.2.1培育抗除草剂作物抗PPT基因膦丝菌素(phosphinothricin，PPT)用作非选择性的除草剂,是植物谷氨酰合成酶(glutaminesynthetase,GS)的抑制剂。现已从Streptomyceshyrscopicu中分离得到抗bialaphos的bar基因，该基因编码的产物称PAT,嵌合的bar基因在CaMV35s启动子的控制下,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和bialaphos具有耐受性。生物技术与农业1.1.2.1培育抗除草剂作物生物技术与农业1.1.2.1培育抗除草剂作物转抗EPSP抑制剂基因的棉白杨对草甘膦具有耐受性生物技术与农业1.1.2.1培育抗除草剂作物1.1.2.2培育抗病虫作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。生物技术与农业1.1.2生物技术培育抗逆性作物品种抗病虫转基因作物的益处：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。生物技术与农业1.1.2.2培育抗病虫作物转Bt毒蛋白基因作物苏云金杆菌（Bacillusthuringiensis，Bt）是一种来源于土壤的微生物，具有高度的杀虫活性，被作为生物农药商品化应用。Bt之所以能杀虫，是因为其芽孢形成过程中可产生一种杀虫结晶蛋白（ICP）。这种毒蛋白对鳞翅目昆虫有特异的毒性作用。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。生物技术与农业1.1.2.2培育抗病虫作物修饰的Bt毒蛋白转基因作物苏云金杆菌亚种Kurstaki中毒蛋白的晶体结构在大田条件下不稳定，在植物中的表达亦很不理想，因此为了提高表达水平，研究人员截短了该基因，使其仅表达毒素蛋白的N端部分。同时插入35S的启动子来控制该基因的表达，采取这两个办法后使得蛋白质的表达量略有提高。生物技术与农业1.1.2.2培育抗病虫作物为了进一步提高表达量，人们将编码位于N端29～607位氨基酸残基之间的高度保守区域的基因片段进行克隆后，在细菌内表达，实验证明截短的蛋白质与天然蛋白活性相同，都能够抵御鳞翅目昆虫的侵害。人为设计、化学合成的完全修饰后的Bt毒蛋白基因。它采用植物偏爱密码子，并删除了可能形成mRNA二级结构的序列。改造过的基因的G+C含量高达49%（野生型基因是37％），核酸序列与野生型仅78.9%相同。用这种合成的Bt毒蛋白基因转化植物后，表达量比野生型基因要高100倍左右，并提高了杀虫活性。生物技术与农业1.1.2.2培育抗病虫作物豇豆胰蛋白酶抑制剂豇豆胰蛋白酶抑制因子(cowpeatrypsininhibitor，CpT1)一个大约由80个氨基酸组成的小肽，属于Bowman-Birk类型的丝氨酸蛋白酶抑制剂。它的作用位点是酶的催化中心。这一位点的突变可能性甚小。因此可能减少害虫通过突变而产生对CpTl的耐受性，而且CpTl抗昆虫谱广，能抗鳞翅目、鞘翅目害虫等，几乎对所有的害虫有效，而对人畜无害。因此，CpTl比苏云金杆菌更有应用价值。生物技术与农业1.1.2.2培育抗病虫作物几丁质酶基因工程作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(chitinase)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。生物技术与农业1.1.2.2培育抗病虫作物1.1.2.3培育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(metollothionein)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CaMV衍生的载体中，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。生物技术与农业1.1.2生物技术培育抗逆性作物品种1.1.2.4培育抗病毒作物植物病毒是造成农作物减产的主要原因之一。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。生物技术与农业1.1.2生物技术培育抗逆性作物品种烟草花叶病毒TMV外壳蛋白基因引入到烟草细胞中，转化植株的细胞中可以产生这种外壳蛋白，并对TMV感染表现出一定的抗性。将TMV编码的一种蛋白质(分子质量54kDa)的DNA序列导入植株时，可对高浓度的TMV产生抗性。为了赋予植株以病毒抗性，此特殊的DNA序列要比迄今利用的外壳蛋白基因更有效。生物技术与农业1.1.2.4培育抗病毒作物美国科学家利用Ti质粒作为载体，成功地将苜蓿花叶病毒AMV外壳蛋白基因转移到烟草细胞内。外壳蛋白基因在CaMV35s启动子的控制下，在转化植株中所产生的外壳蛋白具有抗病毒的效果。含有黄瓜花叶病毒CMV的卫星RNA拷贝的转化植物在受到CMV感染时产生大量的卫星RNA。植物细胞内过量的卫星RNA可以抑制病毒RNA的复制，还可能显著减轻病状的发展。生物技术与农业1.1.2.4培育抗病毒作物1.1.2.5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℃条件下时，大豆的热休克蛋白基因就在烟草中表达，并起保护的作用。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。生物技术与农业1.1.2生物技术培育抗逆性作物品种1.1.4.1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。1.1.4植物细胞工程的应用生物技术与农业1.1生物技术与种植业植物次级代谢产品的市场潜能产品成分用途销售额/亿美元长春花碱治疗白血病18～20(美国)阿吗灵循环系统障碍药5～25(全世界)奎宁治疗疟疾5～10(美国)致热素杀虫剂20(全世界)毛地黄心脏病药20～55(美国)生物技术与农业1.1.4.1植物次级代谢产物的生产快速无性繁殖1.1.4.2植物细胞培养及遗传操作生物技术与农业1.1.4植物细胞工程的应用花药、花粉、胚的培养（一）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。我国利用辣椒游离小孢子细胞团培养方法，创造了新型的辣椒聚合杂交育种技术，初步解决了辣椒育种中早熟与大果、早熟与早衰、抗病与优质的矛盾，该技术属国际性难题的突破，已引起国际种苗公司的关注。生物技术与农业1.1.4.2植物细胞培养及遗传操作花药、花粉、胚的培养（二）科学家还通过花药培养创造新的种质资源用于育种工作。如我国育成的单209水稻具有抗稻瘟病和抗白叶枯病的特性，同时在单209水稻群体中还发现了矮秆突变型，这些都是优良的亲本类型。植物胚培养在克服杂种胚败育、解决种子长时间休眠、提高后代抗性改良品质、测定种子生活力以及进行胚胎发育相关基因研究等方面都具有重要的意义。同时，花药、花粉、胚、原生质体的培养也是进行转基因等遗传操作的重要基础。生物技术与农业1.1.4.2植物细胞培养及遗传操作原生质体的融合（一）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。生物技术与农业1.1.4.2植物细胞培养及遗传操