生物工程技術(shù)7課件

第三章生物工程技術(shù)的應(yīng)用第一節(jié)生物工程技術(shù)與農(nóng)業(yè)在人口不斷增長，耕地面積不斷減少的今天，要發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和改善人民生活，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)。但一定要“科技興農(nóng)”。生物工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著可觀的現(xiàn)實(shí)效益和巨大的發(fā)展?jié)摿?，發(fā)展生物技術(shù)是發(fā)展農(nóng)業(yè)的重要出路，因此我們一定要研究生物技術(shù)與發(fā)展農(nóng)業(yè)的關(guān)系，并將生物技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)高速高質(zhì)量發(fā)展，為工業(yè)生產(chǎn)提供更多更優(yōu)的原料，為人民群眾提供更多更優(yōu)的食品。1、生物工程技術(shù)在品種改良中的應(yīng)用。（1）細(xì)胞技術(shù)：理論依據(jù)：“全能性”，把植物體的某個(gè)器官，甚至單個(gè)細(xì)胞分離出來后單獨(dú)培養(yǎng)都能分化再生出完整植株，“變異頻率”比傳統(tǒng)的用物理、化學(xué)方法要高，實(shí)現(xiàn)“短、平、快”育種，常規(guī)育種比較“慢”。目前已育成投產(chǎn)的：玉米和煙草抗除草劑的種子，我國在作物育種細(xì)胞技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先行列，已有明顯效益的有以下幾種：①花粉培養(yǎng)：單倍體育種，世界上有200余種成功培養(yǎng)的植株，我國占1/5種植面積數(shù)百萬畝，水稻、小麥、煙草。②細(xì)胞和原生質(zhì)體培養(yǎng)；有益變異，頻率高，可篩選良種：用這種方法已在抗鹽、抗病和抗除草劑的突變體方面取得顯著成績。植物細(xì)胞培養(yǎng)還可用發(fā)酵技術(shù)在發(fā)酵罐中大規(guī)模進(jìn)行來生產(chǎn)植物色素、香料、藥物和殺蟲劑等重要化工原料。紫草(Lithospermumerythrorhizon)色素(shikonin)的成功提取生產(chǎn)，可作為天然的食品添加劑，抗菌化妝品……。③細(xì)胞融合：遠(yuǎn)緣雜交育種。④脫除植物病毒：植物病毒是一類重要植物病害，其特點(diǎn)：在植物營養(yǎng)器官中是系統(tǒng)分布的，許多用無性繁殖的植物一旦感染病毒后，就會世世代代傳下去，對產(chǎn)量影響極大，如土豆、山芋、大蒜、百合等塊根，越來越小，以及草莓果實(shí)變小，都與感染病毒有關(guān)，但種子帶毒的種類不多，植物生長點(diǎn)是沒病毒的。因此：生物技術(shù)專家用顯微手術(shù)從感毒的植株上把莖尖剪下，組掊后再生植株成為“脫毒苗”，經(jīng)脫毒處理的土豆、草莓、大蒜、百合、甘蔗等作物的產(chǎn)量都可成倍增加，脫毒技術(shù)對園藝花卉的作用更奇妙，蘭花、菊花、香石竹等名貴花卉脫毒后，花大色艷，提高競爭力。部分脫毒花卉介紹：大花惠蘭脫毒草莓脫毒甘草脫毒甘蔗對照組最近5-6年里，植物基因工程所取得的成就有：①植物抗病基因工程：抗黃瓜花葉病毒，抗馬鈴薯X病毒的轉(zhuǎn)基因植株。典型案例：抗煙草花葉病毒優(yōu)質(zhì)香料煙品種的成功培育。植物病毒是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要病害，世界上每年因植物病毒雜造成的的損失達(dá)100億美元，其中以對番茄、煙草危害最為嚴(yán)重。

香料煙葉常用來提高卷煙的品質(zhì)，成為其中主香的關(guān)鍵成分。由于國際上混合型卷煙和低焦油卷煙的發(fā)展，香料煙葉需求迅速擴(kuò)大，市場供不應(yīng)求，價(jià)格日趨昂貴。我國香料煙現(xiàn)有栽植面積僅10萬畝左右，混合型高檔卷煙使用的香料煙的90%依靠進(jìn)口。泰國香料煙進(jìn)口價(jià)為4-5萬元/t。進(jìn)口香料煙除國際價(jià)格昂貴外，常常還要受到口岸檢疫的限制。因此，我國應(yīng)急速解決高質(zhì)香料煙葉自產(chǎn)問題。

它通過植物基因工程新技術(shù)，導(dǎo)入了抗煙草花葉病毒(TMV)的基因，提高了該品種的抗病能力。鑒定認(rèn)為本成果達(dá)到了國際先進(jìn)水平。所進(jìn)行的大規(guī)模轉(zhuǎn)基因煙草的大田試驗(yàn)及相應(yīng)的配套工程處于國內(nèi)外領(lǐng)先地位，為我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣植物基因工程高技術(shù)產(chǎn)品提供了一個(gè)重要模式。該成果于獲得國家教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。使用PK873香料煙可代替泰國香料煙。按我國需用香料煙60萬畝計(jì)算，可生產(chǎn)甲級葉1.2萬t，即可節(jié)約外匯3億元，可增產(chǎn)值利稅5億元。②植物抗蟲基因工程案例：生物農(nóng)藥蘇云金桿菌的應(yīng)用1991年，德國南部一個(gè)叫蘇云金的小城鎮(zhèn)中，一家面粉加工廠中發(fā)生了一件怪事：一種叫地中海粉螟的倉庫害蟲，平時(shí)粉蛾亂舞，幼蟲在面粉中爬來鉆去，這一天，有人發(fā)現(xiàn)那些小爬蟲們突然卷曲死亡。這件事引起了生物學(xué)家貝爾內(nèi)里的注意，他以獨(dú)到的洞察力，敏銳地感覺到，揭開粉螟幼蟲自然死亡的秘密，可能對人類具有深遠(yuǎn)意義。經(jīng)過無數(shù)次努力，貝爾內(nèi)里排除了其他可能原因，從蟲尸中分離出來種桿狀細(xì)菌。這種細(xì)菌以它被發(fā)現(xiàn)的地方命名，叫蘇云金桿菌。蘇云金桿菌的發(fā)現(xiàn)，使人們自然想到利用它來給害蟲制造的"流行病"。經(jīng)過幾十年的努力，科學(xué)家用試驗(yàn)證明蘇云金桿菌可以防治鱗翅目、膜翅目、直翅目、鞘翅目的130多種害蟲。這種細(xì)菌進(jìn)入害蟲消化道內(nèi)，細(xì)菌內(nèi)的晶體被堿性的腸液分解，產(chǎn)生毒性，使害蟲中腸麻痹，直至中毒死亡。人和動(dòng)物、畜禽的胃腸是酸性的，不能溶解這種晶體蛋白，所以不會中毒。因此，這種生物農(nóng)藥又叫無公害農(nóng)藥。人們用幾百噸的大發(fā)酵罐培養(yǎng)出大量的蘇云金桿菌，把它們噴射到植物葉子上，當(dāng)害蟲蠶食葉片時(shí)，蘇云金桿菌便隨之進(jìn)入蟲體。③植物抗除草劑基因：這是一項(xiàng)比較成功的植物基因工程，目前至少已培養(yǎng)出敵稗、鎮(zhèn)草寧等4種以上抗除草劑的轉(zhuǎn)基因植物。給農(nóng)業(yè)上帶來很多方便，促進(jìn)除草劑的大面積使用，而不必?fù)?dān)心作物受害，預(yù)計(jì)今后5年內(nèi)會有抗除草劑的玉米、大豆、水稻、棉花、煙草及各種蔬菜進(jìn)入大田試驗(yàn)。④改變作物蛋白質(zhì)含量和組成的基因工程：大豆種子貯藏蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%，而大多數(shù)谷物種子的蛋白質(zhì)，賴氨酸含量很少，人們希望提高作物種子的蛋白質(zhì)、含量，也希望改善蛋白質(zhì)中氨基酸組成。澳大利亞科學(xué)家將豆類蛋白質(zhì)基因轉(zhuǎn)移進(jìn)牧草、奶牛吃了這種牧草后奶中有較多的人體必需氨基酸。⑤生產(chǎn)有用藥物的基因工程。將這些藥物的基因?qū)胫参?，使植物產(chǎn)藥物。如美國用轉(zhuǎn)基因煙草表達(dá)出天花粉蛋白，用于治療艾滋病，韓國用轉(zhuǎn)基因植物質(zhì)產(chǎn)胰島素。歐洲一些國家研究用植物生產(chǎn)干擾素。胚狀體可從懸浮培養(yǎng)的單細(xì)胞得到，也可通過試管培養(yǎng)的愈傷組織、花粉或胚囊而獲得。胚狀體一般在培養(yǎng)物的表面產(chǎn)生，共形狀與合子胚類似，但胚狀體卻是無性繁殖的產(chǎn)物。自從1968年F·C·斯圖爾德和J·賴爾特分別對胡籮卜誘導(dǎo)出了胚狀體，30多年來約在200多種植物上培養(yǎng)出了胚狀體

。我國利用組織培養(yǎng)法已成功地在煙草、水稻、小麥、

玉米、甘蔗、棉花等作物上誘導(dǎo)出了胚狀體。將胚狀體包埋在一個(gè)能提供營養(yǎng)的膠質(zhì)種衣里，便成了所謂的“人工種

子”。

目前看來，人工種子距離大面積農(nóng)業(yè)應(yīng)用尚有很大距離。但各國都對其投人了很大的科研力量，原因不僅僅是因?yàn)橥ㄟ^這一技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)種子的工業(yè)化生產(chǎn)、節(jié)約糧食，它至少還有如下幾方面的價(jià)值：其一是利用很小一點(diǎn)植物組織經(jīng)培養(yǎng)即可產(chǎn)生大量的胚狀體，在苗木的快速繁殖、去病毒菌培養(yǎng)等方面具有很大的開發(fā)價(jià)值；其二；這一技術(shù)實(shí)際上是作物的無性繁殖，可用子固定雜種優(yōu)勢，強(qiáng)優(yōu)勢組合一經(jīng)獲得便可多年利用，而不必通過諸如“三系配套”等復(fù)雜程序生產(chǎn)雜交種；第三，這一技術(shù)不僅證實(shí)了細(xì)胞具有再生植株的“全能性”，而且對研究細(xì)胞生長、分化過程中的遺傳、生理、生化和代謝無疑有著重要意義。

人工種子有許多優(yōu)點(diǎn)：a、解決了有些作物品種繁殖能力差，結(jié)籽困難或發(fā)芽率低的問題，保高產(chǎn)優(yōu)勢，防第二代退化，如：無籽西瓜的推廣等；b、人造種子，可工業(yè)化生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化程度高。80年代初美國已在多種作物上成功地生產(chǎn)出了人工種子，并著手逐步將其推向商品化階段。在未來的某個(gè)時(shí)間，人工種子也會在我們國家的千里沃野上開花結(jié)果。c、可添加附加成分：如：細(xì)菌、防病蟲藥劑、除草劑、肥料，有利于培育壯苗，使作物穩(wěn)定生產(chǎn)。d、節(jié)約糧食：以胡蘿卜為例，一個(gè)12升的發(fā)酵罐在20天內(nèi)生產(chǎn)的胚可制種子1000萬粒，可種幾萬畝。若全國農(nóng)作物用種量多達(dá)150多億公斤，如果用人工種子等于增加上億畝耕地。3、生物固氮100多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大豆根瘤中的細(xì)菌能收N2并轉(zhuǎn)化為NH3，據(jù)現(xiàn)有資料：豆科植物是主要的固氮植物，除此之外某些樹木也有固氮作用，全世界近百年的固氮總量為2.25億萬噸，其中1.75億萬噸是生物固氮，占78%，在耕地中，微生物的固氮量為施用化肥量的2倍，可見人類在經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的努力所建立的所有氮肥廠還不及土壤中那些不露聲色的細(xì)菌，所以生物固氮的確是不冒煙的化肥廠。根瘤及根瘤菌（1）生物固氮的意義a．首先生物固氮的主角是自然界取之不盡用之不竭的固氮微生物和藻類，科學(xué)家們估計(jì)，地球上每年固氮藍(lán)藻可以從空氣中固定純N2100萬噸左右，相當(dāng)于5000萬噸硫銨，開辦許多天然化肥廠。b.不需投資，不消耗能源，不污染環(huán)境。c.能源價(jià)格上漲，氮價(jià)格上漲，因此合作中國家化肥價(jià)格貴，供不應(yīng)求的現(xiàn)狀要根本性的改變只有在如何更廣泛有效地利用生物固氮上做文章，難怪生物固氮會成為全球性帶戰(zhàn)略意義的課題。（2）生物固氮的研究目標(biāo)：①研究固氮機(jī)制：從機(jī)制中找出提高固N(yùn)微生物固氮能力的方法以及闡明生物固N(yùn)的固N(yùn)效率為什么比人工固N(yùn)的效率高出上千倍的原因，美國科學(xué)家改造了大豆和苜蓿根瘤菌的固氮酶基因，最終使兩種作物的產(chǎn)量提高15%。我國科學(xué)家把一種因子導(dǎo)入到大豆根瘤菌，提高結(jié)瘤量，也明顯增加了大豆的產(chǎn)量。

②使非豆科植物固氮非豆科植物有許多主要糧食作物，玉米、水稻、小麥這些作物是很吃肥的，如果使這些作物固氮，無疑對世界的糧食生產(chǎn)呈重大貢獻(xiàn)。這方面我國科學(xué)家做出一些成績。河北省微生物研究所的科技人員分離，培養(yǎng)了三株固氮能力較強(qiáng)的固氮細(xì)菌，制成菌肥拌種，使小麥增產(chǎn)10-20%。③固氮的植物基因工程：把固氮基因植入到非豆科植物中去，這是世界一級的難題。生物固氮在我國的進(jìn)展。上世紀(jì)80年代，中國農(nóng)科學(xué)院土肥所謝應(yīng)先，采用聚乙醇方法融合原生質(zhì)體方法，將一種具固氮能力的藍(lán)綠藻--粘球菌引入了煙草、玉米、水稻和小麥、白花苗的原生質(zhì)內(nèi)。山東大學(xué)微生物所聶延富教授等人，用植物生長激素“2.4-D”引導(dǎo)根瘤菌進(jìn)入小麥根系，并形成根瘤。中國科技日報(bào)報(bào)道，我國采用基因工程培育的固氮菌正在廣東、江西、廣西、福建等8個(gè)省和自治區(qū)的150萬畝水稻田中推廣，應(yīng)用面積處于世界領(lǐng)先地位，目前應(yīng)用的水稻和小麥的聯(lián)合固氮菌劑，一般增幅度在5%-10%。1991年中國科學(xué)家盧嘉錫與洪國藩，兩位專家支持的生物固氮分子基礎(chǔ)及其化學(xué)模仿研究取得重大成果，他們發(fā)現(xiàn)了控制結(jié)瘤基因活動(dòng)的核酸蛋白等合物，從而揭示了控制植物結(jié)瘤基因的秘密。這一發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們利用生物技術(shù)將某些植物基因轉(zhuǎn)移到水稻等作物，邁出了重要的一步，中國科學(xué)家的工作（關(guān)于控制植物結(jié)瘤基因）也為美國的科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。澳大利亞悉尼大學(xué)農(nóng)業(yè)化學(xué)講師伊凡·肯尼迪和名譽(yù)教授詹耀曾共同領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究工作小組，在中國的山東大學(xué)聶延富的研究成果基礎(chǔ)上，培育出了自身能固氮的小麥。澳大利亞科學(xué)家選用了一種作固氮螺菌的微生物，這種微生物是天然地伴隨草類生長的。他們把這種微生物叫做自由的活固氮微生物，肯尼迪說：我們所做的就是把這兩種方法（使用2.4-D和使用固氮螺菌）結(jié)合起來使用，這種方法通過了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。盡管中澳科學(xué)家這種“生物固氮”方法仍處于試管階段，但在日本京都和意大利佛羅倫薩舉行的國際會議上都?xì)g呼這是一項(xiàng)國際性突破，如果能把這種方法成功地用于大田耕作，那么它將肯定可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，并能明顯地減少人對化學(xué)肥料的需要量，因而可以減少環(huán)境污染對溫室效應(yīng)氣體的排放量。1991年，中國農(nóng)科院原子能所生物技術(shù)室和中國水稻所生物工程室的六位科研工作者的試驗(yàn)，已將固N(yùn)菌導(dǎo)入水稻的生質(zhì)體，并獲再生植株。再生植株確有固氮能力，其固氮率達(dá)83.7%，有力的證明固氮細(xì)菌可以在非豆科作物體內(nèi)進(jìn)行內(nèi)共生固氮作用。4、植物保護(hù)中的生物技術(shù)農(nóng)作物的一生多災(zāi)多難，病、蟲害、草害，惡劣的環(huán)境如：干旱、鹽漬、過冷、過熱等。全世界每年度病、蟲、草、害奪走的谷物占收成有1/3~1/2，美國僅由于病毒所造成的損失，每年多達(dá)20億美元，多年來用化學(xué)農(nóng)藥防治病蟲害對農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)起到了積極的作用，但耗資大，污染環(huán)境，每年因使用農(nóng)藥中毒的農(nóng)民數(shù)以萬計(jì)，因此培育抗病蟲農(nóng)作物良種是一種既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，又無不良副作用的有效途徑，育種學(xué)家已做出了巨大貢獻(xiàn)，但在尋找有效的可利用抗原的方面卻遇到了困難，基因工程技術(shù)的發(fā)展給育種工作者帶來了機(jī)遇，基因工程技術(shù)可把不同植物，甚至動(dòng)植物的基因重組，為培育具抗病蟲、耐旱、耐寒、抗除草劑的農(nóng)作物新品種服務(wù)。（1）植物抗逆基因工程：細(xì)菌的種類很多，在細(xì)菌身上幾乎可以找到植物所需的各種抗性，如抗蟲、抗病、抗除草劑、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等，所以只要在理論上、技術(shù)上有突破，有價(jià)值的成果就會接踵而來，專家們估計(jì)，植物基因工程轉(zhuǎn)移首先能在生產(chǎn)上應(yīng)用的可能就是抗病、抗蟲和抗除草劑的良種。①抗蟲育種：使用的抗蟲基因主要來自蘇云金桿菌，簡稱B.t，B.t是一種殺蟲細(xì)菌，通過菌體中的毒蛋白殺傷害蟲，把B.t中的殺蟲基因移植到植物細(xì)胞后，也就賦予植物本身具殺蟲能力，當(dāng)害蟲在含有B.t殺蟲基因的植物上取食時(shí)就會中毒死亡。目前B.t基因已被成功地轉(zhuǎn)移到蕃茄、煙草、棉花、水稻、大豆、三葉草等植物，因此含B.t、殺蟲基因的作物良種在生產(chǎn)上發(fā)揮作用已為時(shí)不遠(yuǎn)。②抗病育種：植物病害可以由多種病原微生物引起，其中真菌最嚴(yán)重，其次是病毒、細(xì)菌和線蟲，目前抗病毒的基因工程進(jìn)展最快。③抗除草劑育種：除草劑的使用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的特征之一，它省時(shí)、省工，便于機(jī)械化操作，但若使用不慎會有嚴(yán)重后果：若使作物具備抗除草劑的特性，那么除草劑的使用就安全了，培育抗除草劑的作物新品種，通常也是先從細(xì)菌中尋找和分離抗性基因，然后向作物轉(zhuǎn)移，國外廠商急于推銷他們的產(chǎn)品，所以非常支持轉(zhuǎn)基因抗除草除劑的作物的發(fā)展和研究，另抗鹽基因工程植株的研究在我國也取得了部分成果。（2）微生物農(nóng)藥化學(xué)農(nóng)藥污染，健康成本，限制出口，抗藥性。植保專家希望找出一種接近自然的方法，把植保和環(huán)保結(jié)合起來以及把病蟲害防治與促進(jìn)植物生長結(jié)合起來。但是，在病蟲害發(fā)生季節(jié)，有的田塊嚴(yán)重，有的輕微，甚至不發(fā)生？其原因是植物表面或內(nèi)部和微生物的特殊關(guān)系。植物、病菌、害蟲之間相互較量，如果植物或有益微生物占上風(fēng)，病蟲害就會受到不同程度的抑制，若病菌或微生物占上風(fēng)，病蟲害就會嚴(yán)重發(fā)生。所謂有益微生物是指對病菌和害蟲有抑制作用，而對植物有促進(jìn)生長作用的特殊類群，對病蟲害的抑制作用是因?yàn)樗鼈兡墚a(chǎn)生殺菌、殺蟲物質(zhì)與病菌爭奪營養(yǎng)，占據(jù)病蟲賴以生存、繁殖的空間，以及通過自身代謝產(chǎn)物誘導(dǎo)寄主植物增強(qiáng)抗病能力。有益微生物的作用除防病增產(chǎn)外，還能產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)，其中激素可刺激植物生長，SOD可消除植物體內(nèi)的有害自由基因，增強(qiáng)生理活性