第七章生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)

課程名稱：現(xiàn)代生物技術(shù)概論授課主題：第七章生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)授課教師：生命科學(xué)系王國霞第七章生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)是關(guān)系人類生死存亡和社會穩(wěn)定的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)是世界上規(guī)模最大和最重要的產(chǎn)業(yè)，是調(diào)節(jié)生產(chǎn)和最終平衡消費的主要手段。發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)在很大程度上依賴于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，并以此達(dá)到高產(chǎn)和高效的目的。發(fā)展以現(xiàn)代生物技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，是解決當(dāng)今世界所面臨的糧食、健康、環(huán)境污染等重大社會問題的關(guān)鍵所在。生物技術(shù)與種植業(yè)植物是通過光合作用所形成的產(chǎn)物是人類和其他生物直接或間接的失誤來源，植物所創(chuàng)造的產(chǎn)品及用途與人類密不可分。以基因工程為核心的現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展則為作物育種打開了另一扇大門，發(fā)揮著越來越重要的作用。植物生物技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分。植物生物技術(shù)：對植物性狀、品質(zhì)、產(chǎn)量進(jìn)行改良的一系列細(xì)胞水平和分子水平的生物技術(shù)的總稱，主要包括植物基因工程和與之相關(guān)的植物組織培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)及分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)、植物快速繁育技術(shù)等。隨著植物生物技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)已成為其應(yīng)用最廣闊、成效最顯著的領(lǐng)域。植物生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用目標(biāo)是：1，定向創(chuàng)造新的物種和新品種；2，快速繁育植物，實現(xiàn)試管苗的工廠化生產(chǎn)；3，改變食品原料性質(zhì)，開發(fā)新型功能性食品?；蚬こ碳夹g(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要集中于抗逆性新品種的選育、作物品種改良和雄性不育等方面。為了培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的作物新品種，需將一種植物的優(yōu)良遺傳性狀轉(zhuǎn)移到另一種植物體中。轉(zhuǎn)基因植物：是指利用重組DNA技術(shù)將克隆的優(yōu)良目的基因?qū)胫参锛?xì)胞或組織，并在其中進(jìn)行表達(dá)，從而獲得新性狀的植物。自1983年世界上首次成功獲得第一株轉(zhuǎn)基因植物以來，植物基因工程技術(shù)已廣泛應(yīng)用與作物品質(zhì)改良、抗病性、抗蟲性、抗病毒性、抗除草劑、雜種優(yōu)勢的利用等方面，已經(jīng)又一大批轉(zhuǎn)基因作物問世。這些植物包括煙草、番茄、大豆、馬鈴薯、棉花、油菜、花生、小麥、水稻、玉米、黃瓜、胡蘿卜、大白菜、菠菜、豇豆、甘藍(lán)、康乃馨、菊花、蘋果、核桃、草莓、李、香蕉等。1，抗病毒轉(zhuǎn)基因作物植物病毒是造成農(nóng)作物減產(chǎn)的主要原因之一。是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上最主要的病害之一，對我國的糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、及果樹蔬菜均造成嚴(yán)重危害，經(jīng)濟(jì)損失巨大，但迄今仍缺乏有效的化學(xué)防治方法。利用基因工程技術(shù)將抗病毒基因轉(zhuǎn)移到植物中，是一種比較理想的抗病毒方法。抗病毒基因工程通常采用的策略是：病毒外殼蛋白基因或其功能蛋白基因、病毒亞基因組序列、衛(wèi)星DNA、缺失干擾型序列的遺傳轉(zhuǎn)化；反義RNA技術(shù)等。概念：2，抗蟲轉(zhuǎn)基因植物化學(xué)革命給人類帶來了農(nóng)藥，農(nóng)藥對人類的發(fā)展確實起了重要的作用，但同時也帶來了不少嚴(yán)重的問題，如農(nóng)藥的殘留在食物鏈的各個層次富積，危害環(huán)境及人類。同時殺蟲劑的大量使用，使大量天敵和益蟲也蒙受毒害，生物的多樣性降低。農(nóng)藥的長期使用，使昆蟲及病原體產(chǎn)生抗性，使殺蟲劑的應(yīng)用越來越形成惡性循環(huán)?？瓜x轉(zhuǎn)基因作物的優(yōu)勢在于：是一種無環(huán)境污染的防治策略，可顯著減輕農(nóng)業(yè)對化學(xué)農(nóng)藥的依賴，有助于可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的建立。農(nóng)藥具有時間上的連續(xù)性和空間上的整體性?？剐曰虻膩碓磸V闊，不受不同生物個體間生殖隔閡的限制，可以在整個生物體中挑選、組合目的基因。育種周期短，治蟲成本低。目前轉(zhuǎn)移的抗蟲基因主要從蘇云金芽孢桿菌分離出來的毒蛋白基因（Bt蛋白），這些蛋白具有很強(qiáng)的殺蟲專一性，對部分有益昆蟲、動物和人類無害。其次是蛋白酶抑制劑基因，殺蟲廣譜性好。3，培育抗除草劑作物農(nóng)田化學(xué)除草已成為全球現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分,全世界除草劑的總用量、施用面積及費用均已超過殺蟲劑與殺菌劑。隨著大量除草劑的出現(xiàn),新品種選育和開發(fā)難度極大。因此,利用基因工程培育植物的抗除草劑品種越來越受到國內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注,它不僅可擴(kuò)大現(xiàn)有除草劑的應(yīng)用范圍,選用高效率、低毒、低殘留、殺草譜廣、低成本的除草劑轉(zhuǎn)基因作物,也可減少環(huán)境污染,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本?？共莞熟⑥D(zhuǎn)基因植物草甘膦是一種廣譜除草劑，已得到廣泛的食用，但易傷害農(nóng)作物。目前，已利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)把抗草甘膦基因轉(zhuǎn)入到煙草中，轉(zhuǎn)化植株獲得了抗草甘膦的能力?？筆PT轉(zhuǎn)基因作物膦絲菌素(PPT)用作非選擇性的除草劑,是植物谷氨酰合成酶(GS)的抑制劑?，F(xiàn)已分離得到抗PPT基因，在煙草、馬鈴薯和番茄的細(xì)胞內(nèi)得到了表達(dá)，轉(zhuǎn)基因植株對高劑量的PPT有耐受性。4，抗真菌、細(xì)菌轉(zhuǎn)基因植物在植物抗真菌病害的基因工程研究中，幾丁質(zhì)酶基因是應(yīng)用比較成功的一例。幾丁質(zhì)是真菌細(xì)胞壁的組分之一，幾丁質(zhì)酶可破壞幾丁質(zhì)。美國科學(xué)家已分離出幾丁質(zhì)酶基因并導(dǎo)入煙草中。大田試驗結(jié)果表明，這種轉(zhuǎn)基因煙草抗真菌感染與施用殺真菌劑同樣有效，而且收成更好。目前，已將幾丁質(zhì)酶基因?qū)敕?、馬鈴薯、萵苣和甜菜。這一技術(shù)將對蔬菜和果實類植物抗真菌感染具有重要意義。5，培育適應(yīng)極端氣候條件的新品種將大豆中分離出來的熱休克蛋白基因轉(zhuǎn)入煙草中，當(dāng)把這種煙草放在42℃將魚的抗寒基因?qū)敕?，獲得首例抗寒轉(zhuǎn)基因番茄，株高2m以上，秋季延長采收期1個月。6，培育抗重金屬作物鎘對植物的污染會影響固氮過程，降低植物體水分和養(yǎng)分的運(yùn)輸能力，最終抑制植物細(xì)胞的光合作用。用哺乳動物基因組編碼的金屬硫蛋白基因轉(zhuǎn)化植物，可使受體植株獲得抗重金屬鎘的能力。加拿大科學(xué)家將中國倉鼠金屬硫蛋白基因插入載體中，然后用這種重組子感染野生油菜葉片，受感染的葉片能高水平產(chǎn)生金屬硫蛋白，并能產(chǎn)生對鎘的抗性。,7，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在作物改良品質(zhì)的應(yīng)用品質(zhì)改良主要涉及蛋白質(zhì)的含量、氨基酸的組成、淀粉和其它多糖化合物以及脂類化合物的組成。耐貯藏番茄：瑞士科學(xué)家培育出的一種富含β-胡蘿卜素的水稻新品種——“黃金水稻”，8，生物技術(shù)在誘導(dǎo)植物雄性不育中的利用植物雄性不育及雜種優(yōu)勢利用，已經(jīng)成為世界上糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物提高產(chǎn)量、改良品質(zhì)的一條重要途徑。雄性不育植株在雜交育種上十分重要的地位，水稻專家袁隆平院士正是發(fā)現(xiàn)和利用了野敗型雄性不育系，建立了水稻三系育種體系，大力發(fā)展雜交水稻，創(chuàng)造出了世界奇跡。二、細(xì)胞工程在種植業(yè)的應(yīng)用植物細(xì)胞工程的幾項技術(shù)在種植業(yè)上的均有較大的應(yīng)用空間和前景，并發(fā)揮著越來越重要的作用，應(yīng)用包含幾個方面：單倍體育種、植物次生代謝物質(zhì)的生產(chǎn)、植物離體快繁技術(shù)的應(yīng)用、細(xì)胞融合技術(shù)的應(yīng)用、人工種子的制備、種植資源保存等。1，植物次級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)早在1939年,人們已能從特定植物體中分離一些細(xì)胞，這些離體細(xì)胞能在人造環(huán)境中生存并合成人類有用的次生代謝產(chǎn)物，如生物堿、黃酮類化合物等。近年來，利用植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)以及各種植物細(xì)胞固定化技術(shù)，就可以像固定化微生物那樣，在預(yù)先設(shè)計的生物反應(yīng)器中高效地、源源不斷地生產(chǎn)出具有商業(yè)價值的次生代謝產(chǎn)物。2，單倍體育種單倍體育種技術(shù)易于產(chǎn)生純系品種，便于優(yōu)良性狀的表達(dá)，利于篩選從而大大縮短育種時間?；ㄋ幒突ǚ劢M織培養(yǎng)技術(shù)是一條非常有效的獲取單倍體的途徑，該技術(shù)在大麥、黑麥、燕麥、水稻、番茄等作物的改良上起到了重要的作用。3，植物快速繁殖技術(shù)主要包括花卉植物的離體快繁技術(shù)經(jīng)濟(jì)林木的離體快繁技術(shù)花卉、農(nóng)作物的離體快繁和脫毒藥用植物的離體快繁技術(shù)4，細(xì)胞融合技術(shù)的應(yīng)用植物細(xì)胞融合，也叫原生質(zhì)體融合，也稱細(xì)胞雜交。細(xì)胞融合能夠在細(xì)胞水平實現(xiàn)遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和重組，打破種屬的界限。這方面典型的技術(shù)是原生質(zhì)體融合技術(shù)創(chuàng)造體細(xì)胞雜種以實現(xiàn)作物改良。通過不同類型的原生質(zhì)體融合可以克服傳統(tǒng)育種方法所面臨的不親和及生殖障礙，轉(zhuǎn)移有利的農(nóng)藝性狀，創(chuàng)造出新品種。5，種質(zhì)資源保存種質(zhì)資源是進(jìn)行研究和生產(chǎn)的基本材料，因此種質(zhì)資源的保存是一項非常重要的工作。常規(guī)的種質(zhì)資源保存具有多方面的局限性，而細(xì)胞培養(yǎng)保存則具有非常大的優(yōu)勢，能極大地節(jié)約空間，而且不受環(huán)境條件的限制。一般是根據(jù)細(xì)胞的特點，人工創(chuàng)造條件使其生長代謝活動盡量降低，處于休眠狀態(tài)，以抑制增殖和減少變異。6，人工種子制備植物人工種子是在植物組織培養(yǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項生物技術(shù)。1978年提出設(shè)想。生物農(nóng)藥及生物控制生物農(nóng)藥本身具有的對人畜毒性小，只殺害蟲，與環(huán)境相容性好以及病蟲害相對不易產(chǎn)生抗性等優(yōu)點，因此生物農(nóng)藥正日益成為農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢。1蘇云金芽孢桿菌Bt是當(dāng)前國內(nèi)外研究最多，應(yīng)用最廣泛的殺蟲細(xì)菌。目前正朝著大噸位、多品種的方向發(fā)展。在蘇云金桿菌幾十年的開發(fā)利用過程中，人們在生物技術(shù)育種、發(fā)酵工藝改進(jìn)、新劑型研制、新產(chǎn)品開發(fā)等方面取得了不同程度的進(jìn)展。2白僵菌白僵菌是用于防治多種鱗翅目害蟲的真菌制劑，目前已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)和較大規(guī)模應(yīng)用的蟲生真菌有球孢白僵菌、卵孢白僵菌、金龜子綠僵菌等。（3）昆蟲病毒昆蟲病毒殺蟲劑也是生物防治的重要手段之一，這類殺蟲劑具有特異性強(qiáng)、毒力高、穩(wěn)定性能好、安全無害等優(yōu)點。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，這類殺蟲劑的研究主要集中在昆蟲病毒復(fù)合劑的研制、病毒的活體增殖、病毒的提取、基因工程病毒殺蟲劑的研究及昆蟲病毒培養(yǎng)等領(lǐng)域，并都取得了顯著的成就。第二節(jié)生物技術(shù)與養(yǎng)殖業(yè)概念：動物生物技術(shù)：是指動物特別是農(nóng)業(yè)動物及其產(chǎn)品的性狀、品質(zhì)、產(chǎn)量進(jìn)行改造和創(chuàng)新，以服務(wù)于人類的一系列現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。一般而言，動物生物技術(shù)包括動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)、動物胚胎技術(shù)、動物克隆技術(shù)及動物反應(yīng)器等。一、動物分子育種技術(shù)與動物育種有關(guān)的現(xiàn)代生物技術(shù)包括動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)、動物胚胎技術(shù)、動物克隆技術(shù)以及其他以基因工程為基礎(chǔ)的各項技術(shù)。多年來，雜交選擇一直是改良動物遺傳性狀的主要途徑。人們通過多代雜交或近交，來固定優(yōu)良性狀，最后選育出人們期望的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種。目前，生產(chǎn)上大部分品種都是利用這些傳統(tǒng)育種方式選育出來的。但傳統(tǒng)育種方法弊端也很多，而現(xiàn)代動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)和分子育種技術(shù)卻顯示出強(qiáng)大的生命力，大大加速和動物育種的步伐。1、動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)基因動物：將外源基因?qū)雱游锏幕蚪M并獲得表達(dá)，由此產(chǎn)生的動物稱為轉(zhuǎn)基因動物。轉(zhuǎn)基因技術(shù)利用基因重組，打破動物的種間隔離，實現(xiàn)動物種間遺傳物質(zhì)的交換，為動物性狀的改良或新性狀的獲得提供了新方法。（1）動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的基本原理動物轉(zhuǎn)基因需要目的基因、合適的載體和受體細(xì)胞。動物轉(zhuǎn)基因的步驟：外源基因的獲得與鑒定；外源基因?qū)胧芫眩晦D(zhuǎn)基因受精卵胚胎發(fā)育；檢測新基因的遺傳性表達(dá)能力。（2）導(dǎo)入外源基因的方法①顯微注射法：這也是最常用的方法。多用于哺乳動物。用顯微注射器直接把外源基因注射到受精卵細(xì)胞的原核或細(xì)胞質(zhì)中。在原核期對胚胎進(jìn)行顯微注射成功率較高。優(yōu)點：直觀，基因轉(zhuǎn)移率高，外源DNA長度不受限制，試驗周期相對較短。缺點：操作難度大，儀器要求高，導(dǎo)入的外源基因拷貝數(shù)不可控制。②病毒載體法病毒作為載體攜帶目的基因感染目的細(xì)胞。常用的是反轉(zhuǎn)錄病毒，優(yōu)點：單拷貝整合，整合率高，插入位點易分析；缺點：安全性和公眾的接受程度值得考量。③脂質(zhì)體介導(dǎo)法用脂質(zhì)體作為人工膜包裹DNA，一次作為載體將外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞。④精子介導(dǎo)法成熟精子攜帶外源DNA進(jìn)入卵細(xì)胞，外源基因與卵細(xì)胞染色體整合。⑤胚胎干細(xì)胞法全能性干細(xì)胞攜帶外源基因?qū)肱咛ィ梢哉系脚咛ブ袇⑴c發(fā)育，形成轉(zhuǎn)基因的嵌合體動物。（2）轉(zhuǎn)基因技術(shù)在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用第一個轉(zhuǎn)基因動物：轉(zhuǎn)基因小鼠這證明了人們可以借助生物技術(shù)改變動物的天然屬性，從而顯示出動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的廣闊前景。在動物生產(chǎn)上的主要作用：①促進(jìn)動物生長，提高產(chǎn)量；②改良品質(zhì)性狀，提高產(chǎn)品品質(zhì)；③增強(qiáng)動物抗病能力和抵抗不良環(huán)境能力，提高生產(chǎn)效益；④研制動物生物反應(yīng)器。轉(zhuǎn)基因魚的生產(chǎn)性研究主要集中在提高生長速度和抗逆性方面，理論研究則為動物發(fā)育機(jī)制和基因功能研究提供方法。轉(zhuǎn)生長激素魚提高了生長速度，轉(zhuǎn)抗凍基因魚則可以實現(xiàn)南魚北養(yǎng)，還可以用于培育觀賞魚性品種。轉(zhuǎn)基因家禽轉(zhuǎn)基因家禽的研究重要集中于轉(zhuǎn)基因雞。生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因雞的方法可分為蛋產(chǎn)出前的操作和產(chǎn)出后的操作兩種類型。轉(zhuǎn)基因家畜哺乳動物體外受精和胚胎移植技術(shù)為轉(zhuǎn)基因家畜的成功提供了有效的技術(shù)手段。轉(zhuǎn)基因家畜除了與其他轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)動物一樣瞄準(zhǔn)抗病性和生產(chǎn)性能以外，還因其與人的生物學(xué)相似性，在器官移植、藥物生產(chǎn)和特殊疾病模型等方面顯示出特殊的價值。轉(zhuǎn)基因豬、牛、馬、羊、兔等家畜正逐步走出實驗室進(jìn)入實用階段。轉(zhuǎn)基因家畜作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)新一代的藥物已有很多例子，特別是乳腺作為生物反應(yīng)器，其產(chǎn)物已經(jīng)進(jìn)行市場。2，分子標(biāo)記技術(shù)與動物育種分子標(biāo)記技術(shù)在動物育種工作中應(yīng)用在以下幾個方面：（1）構(gòu)建遺傳圖譜和基因定位目前用DNA分子標(biāo)記已經(jīng)構(gòu)建了一些動物的分子遺傳圖譜，這些圖譜將有助于追蹤動物育種相關(guān)的目標(biāo)基因，并對數(shù)量性狀基因座定位研究又促進(jìn)作用。（2）基因繁榮監(jiān)測、分離和克隆主要監(jiān)測、分離和克隆與主要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的基因和一些有害的基因。（3）親緣關(guān)系的分析可用于動物品種資源的調(diào)查、鑒定與保存，還可以用于研究動物起源與進(jìn)化、雜交親本的選擇和雜種優(yōu)勢的預(yù)測。（4）DNA標(biāo)記輔助育種目前許多研究集中在各種DNA分子標(biāo)記與動物主要經(jīng)濟(jì)性狀之間的關(guān)系，從而尋找與經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的DNA標(biāo)記作為動物育種目標(biāo)，加速育種進(jìn)展。（5）性別診斷與控制一些DNA標(biāo)記與動物性別有密切關(guān)系，有些DNA標(biāo)記只在一個性別中存在，利用這一特點，可以制備探針，進(jìn)行性別診斷。（6）突變分析有關(guān)后代的DNA譜帶可以追溯到雙親，在后代中出現(xiàn)而雙親中沒出現(xiàn)的譜帶肯定來自于突變，進(jìn)而可以推算動物在特定條件下的突變率。二、動物胚胎生物技術(shù)胚胎的冷凍保存畜禽人工受精與精液保存技術(shù)是胚胎生物工程的基礎(chǔ)工作。（1）人工授精及精液的冷凍保存人工授精就是利用合適的器械采集公畜的精液，經(jīng)過品質(zhì)檢查、稀釋或保存等適當(dāng)?shù)奶幚恚儆闷餍蛋丫哼m時地輸入到發(fā)情母畜的生殖道內(nèi)，以代替公母畜直接交配而使其受孕的方法。（2）胚胎的冷凍保存胚胎冷凍保存技術(shù)包括胚胎的冷凍和解凍?？箖鰟┓N類和濃度、加入抗凍劑的速度、解凍的速度、稀釋的速度和溫度都關(guān)系到冷凍胚胎的成敗?？箖鰟┑亩拘?、胚胎滲透壓的變化及冰晶形成是保存胚胎必須考慮的因素。2，胚胎移植胚胎移植是將一頭良種母畜配種后的早期胚胎取出，移植到另一頭同種的生理狀態(tài)相同的母畜體內(nèi)，使之繼續(xù)發(fā)育成為新個體。也稱人工受胎或借腹懷胎。胚胎