生物工程技术-6.ppt

第三章生物工程技术的应用第一节生物工程技术与农业在人口不断增长 耕地面积不断减少的今天 要发展国民经济和改善人民生活 必须大力发展农业 但一定要 科技兴农 生物工程技术在农业生产中有着可观的现实效益和巨大的发展潜力 发展生物技术是发展农业的重要出路 因此我们一定要研究生物技术与发展农业的关系 并将生物技术应用于农业 促进农业高速高质量发展 为工业生产提供更多更优的原料 为人民群众提供更多更优的食品 1 生物工程技术在品种改良中的应用 1 细胞技术 理论依据 全能性 把植物体的某个器官 甚至单个细胞分离出来后单独培养都能分化再生出完整植株 变异频率 比传统的用物理 化学方法要高 实现 短 平 快 育种 常规育种比较 慢 目前已育成投产的 玉米和烟草抗除草剂的种子 我国在作物育种细胞技术方面处于世界领先行列 已有明显效益的有以下几种 花粉培养 单倍体育种 世界上有200余种成功培养的植株 我国占1 5种植面积数百万亩 水稻 小麦 烟草 细胞和原生质体培养 有益变异 频率高 可筛选良种 用这种方法已在抗盐 抗病和抗除草剂的突变体方面取得显著成绩 植物细胞培养还可用发酵技术在发酵罐中大规模进行来生产植物色素 香料 药物和杀虫剂等重要化工原料 有些珍稀物种在自然界存在的数量有限 大规模种植又受劳力和土地的限制 用细胞培养进行工业化生产可以大大提高经济效益 又不会因大规模采伐而破坏生态平衡 一个不大的发酵罐就像一片大森林可以源源不断地为人类提供有益的产品 用这种方法科学家们已经从长青花 毛地黄 人参和西洋参的细胞中产出了大量人类所需要的治白血病的强心类药 抗癌物和抗AIDS病药物也正在尝试 紫草色素的成功提取生产 可作为天然的食品添加剂 抗菌化妆品 但紫草资源短缺 我国已把用细胞发酵工程生产紫草素作为国家重点发展项目 紫草 Lithospermumerythrorhizon 色素 shikonin 的成功提取生产 可作为天然的食品添加剂 抗菌化妆品 细胞融合 远缘杂交育种 脱除植物病毒 植物病毒是一类重要植物病害 其特点 在植物营养器官中是系统分布的 许多用无性繁殖的植物一旦感染病毒后 就会世世代代传下去 对产量影响极大 如土豆 山芋 大蒜 百合等块根 越来越小 以及草莓果实变小 都与感染病毒有关 但种子带毒的种类不多 植物生长点是没病毒的 因此 生物技术专家用显微手术从感毒的植株上把茎尖剪下 组掊后再生植株成为 脱毒苗 经脱毒处理的土豆 草莓 大蒜 百合 甘蔗等作物的产量都可成倍增加 脱毒技术对园艺花卉的作用更奇妙 兰花 菊花 香石竹等名贵花卉脱毒后 花大色艳 提高竞争力 部分脱毒花卉介绍 香石竹 康乃馨 大花惠兰 脱毒草莓 脱毒甘草 脱毒甘蔗 对照组 2 花园技术 移花接木术 打破物种的界限 只要是有用的基因 不管哪来的 细菌 动物 其他植物 甚至人的基因都可以 嫁接 到植物上去 成为植物基因组的一部分 因此从长远看 植物将无奇不有的 它可以按人的意愿设计和创造出有重要经济价值的 充分汇集不同生物中对人类有益性状的植物新品种 国内外生物技术专家已成功在数十种植物上完成了上百项试验 许多转基因植物已经育成 最近5 6年里 植物基因工程所取得的成就有 植物抗病基因工程 抗黄瓜花叶病毒 抗马铃薯X病毒的转基因植株 典型案例 抗烟草花叶病毒优质香料烟品种的成功培育 植物病毒是农业生产中的主要病害 世界上每年因植物病毒杂造成的的损失达100亿美元 其中以对番茄 烟草危害最为严重 香料烟叶常用来提高卷烟的品质 成为其中主香的关键成分 由于国际上混合型卷烟和低焦油卷烟的发展 香料烟叶需求迅速扩大 市场供不应求 价格日趋昂贵 我国香料烟现有栽植面积仅10万亩左右 混合型高档卷烟使用的香料烟的90 依靠进口 泰国香料烟进口价为4 5万元 t 进口香料烟除国际价格昂贵外 常常还要受到口岸检疫的限制 因此 我国应急速解决高质香料烟叶自产问题 基因工程优质抗病毒香料烟草抗病毒基因工程是1986年在美国R N Beachy实验室实验的最新高技术 但至今在国内外均未见到有关转基因香料烟的研究报告和任何田间试验资料 由北京大学蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室创造的高品质抗病毒香料烟新品种PK873 以及与之有关的全套选地 施肥 栽培管理措施及采收调制晾晒技术 属于国内首创 具有国际先进水平 是一项很有发展前途的实用化研究 它通过植物基因工程新技术 导入了抗烟草花叶病毒 TMV 的基因 提高了该品种的抗病能力 鉴定认为本成果达到了国际先进水平 所进行的大规模转基因烟草的大田试验及相应的配套工程处于国内外领先地位 为我国在农业生产中推广植物基因工程高技术产品提供了一个重要模式 该成果于获得国家教育部科技进步一等奖 使用PK873香料烟可代替泰国香料烟 按我国需用香料烟60万亩计算 可生产甲级叶1 2万t 即可节约外汇3亿元 可增产值利税5亿元 植物抗虫基因工程案例 生物农药苏云金杆菌的应用1991年 德国南部一个叫苏云金的小城镇中 一家面粉加工厂中发生了一件怪事 一种叫地中海粉螟的仓库害虫 平时粉蛾乱舞 幼虫在面粉中爬来钻去 这一天 有人发现那些小爬虫们突然卷曲死亡 这件事引起了生物学家贝尔内里的注意 他以独到的洞察力 敏锐地感觉到 揭开粉螟幼虫自然死亡的秘密 可能对人类具有深远意义 经过无数次努力 贝尔内里排除了其他可能原因 从虫尸中分离出来种杆状细菌 这种细菌以它被发现的地方命名 叫苏云金杆菌 苏云金杆菌的发现 使人们自然想到利用它来给害虫制造的 流行病 经过几十年的努力 科学家用试验证明苏云金杆菌可以防治鳞翅目 膜翅目 直翅目 鞘翅目的130多种害虫 这种细菌进入害虫消化道内 细菌内的晶体被碱性的肠液分解 产生毒性 使害虫中肠麻痹 直至中毒死亡 人和动物 畜禽的胃肠是酸性的 不能溶解这种晶体蛋白 所以不会中毒 因此 这种生物农药又叫无公害农药 人们用几百吨的大发酵罐培养出大量的苏云金杆菌 把它们喷射到植物叶子上 当害虫蚕食叶片时 苏云金杆菌便随之进入虫体 害虫中毒后6小时开始惶恐不安 到处乱跑 然后用身体的腹足或臀足紧紧抓住枝叶 两天后虫体因肠麻痹和全身性瘫痪而死 现在把毒蛋白基因转入烟草 番茄 棉花 马铃薯 玉米 大豆 油菜 蔬菜和甘薯等植株 害虫在转基因植株上取食后会出现厌食症而死亡 植物抗除草剂基因 这是一项比较成功的植物基因工程 目前至少已培养出敌稗 镇草宁等4种以上抗除草剂的转基因植物 给农业上带来很多方便 促进除草剂的大面积使用 而不必担心作物受害 预计今后5年内会有抗除草剂的玉米 大豆 水稻 棉花 烟草及各种蔬菜进入大田试验 改变作物蛋白质含量和组成的基因工程 大豆种子贮藏蛋白质含量高达40 而大多数谷物种子的蛋白质 赖氨酸含量很少 人们希望提高作物种子的蛋白质 含量 也希望改善蛋白质中氨基酸组成 澳大利亚科学家将豆类蛋白质基因转移进牧草 奶牛吃了这种牧草后奶中有较多的人体必需氨基酸 生产有用药物的基因工程 将这些药物的基因导入植物 使植物产药物 如美国用转基因烟草表达出天花粉蛋白 用于治疗艾滋病 韩国用转基因植物质产胰岛素 欧洲一些国家研究用植物生产干扰素 2 生物工程技术在良种繁育中的应用 1 快速繁殖 2 人造种子 人工种子是人们模仿天然种子结构制造出来的生命有机体 它能象种子一样萌发再生 长成植物 人工种子的核心 部件 是一个被外层物包埋的具有类似种胚功能的胚状体 胚状体不同于一般的种子胚 种胚是由该植物雌雄配子融合后形成的合子细胞进一步分化形成的 是种子的生命所在 而胚状体是由非合子细胞分化形成的类似于胚的结构 所以 又称 体细胞胚 不定胚 或 花粉胚 胚状体虽并非起源于合子细胞 但在一定的条件下 却可以通过胚胎发育程序形成植株 自然界中仅在少数植物中偶尔发现有天然形成的胚状体 胚状体在其发育早期与不定芽十分相似 但最主要的区别在于胚状体具有极性 可以分化出茎端和根端 同时它的维管束与其母体的维管束系统不是紧紧相连 所以 较易从母体上脱离 胚状体可从悬浮培养的单细胞得到 也可通过试管培养的愈伤组织 花粉或胚囊而获得 胚状体一般在培养物的表面产生 共形状与合子胚类似 但胚状体却是无性繁殖的产物 自从1968年F C 斯图尔德和J 赖尔特分别对胡箩卜诱导出了胚状体 30多年来约在200多种植物上培养出了胚状体 我国利用组织培养法已成功地在烟草 水稻 小麦 玉米 甘蔗 棉花等作物上诱导出了胚状体 将胚状体包埋在一个能提供营养的胶质种衣里 便成了所谓的 人工种子 目前看来 人工种子距离大面积农业应用尚有很大距离 但各国都对其投人了很大的科研力量 原因不仅仅是因为通过这一技术可以实现种子的工业化生产 节约粮食 它至少还有如下几方面的价值 其一是利用很小一点植物组织经培养即可产生大量的胚状体 在苗木的快速繁殖 去病毒菌培养等方面具有很大的开发价值 其二 这一技术实际上是作物的无性繁殖 可用子固定杂种优势 强优势组合一经获得便可多年利用 而不必通过诸如 三系配套 等复杂程序生产杂交种 第三 这一技术不仅证实了细胞具有再生植株的 全能性 而且对研究细胞生长 分化过程中的遗传 生理 生化和代谢无疑有着重要意义 人工种子有许多优点 a 解决了有些作物品种繁殖能力差 结籽困难或发芽率低的问题 保高产优势 防第二代退化 如 无籽西瓜的推广等 b 人造种子 可工业化生产 农业的自动化程度高 80年代初美国已在多种作物上成功地生产出了人工种子 并着手逐步将其推向商品化阶段 在未来的某个时间 人工种子也会在我们国家的千里沃野上开花结果 c 可添加附加成分 如 细菌 防病虫药剂 除草剂 肥料 有利于培育壮苗 使作物稳定生产 d 节约粮食 以胡萝卜为例 一个12升的发酵罐在20天内生产的胚可制种子1000万粒 可种几万亩 若全国农作物用种量多达150多亿公斤 如果用人工种子等于增加上亿亩耕地 3 生物固氮100多年前 科学家发现大豆根瘤中的细菌能收N2并转化为NH3 据现有资料 豆科植物是主要的固氮植物 除此之外某些树木也有固氮作用 全世界近百年的固氮总量为2 25亿万吨 其中1 75亿万吨是生物固氮 占78 在耕地中 微生物的固氮量为施用化肥量的2倍 可见人类在经过半个多世纪的努力所建立的所有氮肥厂还不及土壤中那些不露声色的细菌 所以生物固氮的确是不冒烟的化肥厂 根瘤及根瘤菌 1 生物固氮的意义a 首先生物固氮的主角是自然界取之不尽用之不竭的固氮微生物和藻类 科学家们估计 地球上每年固氮蓝藻可以从空气中固定纯N2100万吨左右 相当于5000万吨硫铵 开办许多天然化肥厂 b 不需投资 不消耗能源 不污染环境 c 能源价格上涨 氮价格上涨 因此合作中国家化肥价格贵 供不应求的现状要根本性的改变只有在如何更广泛有效地利用生物固氮上做文章 难怪生物固氮会成为全球性带战略意义的课题 2 生物固氮的研究目标 研究固氮机制 从机制中找出提高固N微生物固氮能力的方法以及阐明生物固N的固N效率为什么比人工固N的效率高出上千倍的原因 美国科学家改造了大豆和苜蓿根瘤菌的固氮酶基因 最终使两种作物的产量提高15 我国科学家把一种因子导入到大豆根瘤菌 提高结瘤量 也明显增加了大豆的产量 使非豆科植物固氮非豆科植物有许多主要粮食作物 玉米 水稻 小麦这些作物是很吃肥的 如果使这些作物固氮 无疑对世界的粮食生产呈重大贡献 这方面我国科学家做出一些成绩 河北省微生物研究所的科技人员分离 培养了三株固氮能力较强的固氮细菌 制成菌肥拌种 使小麦增产10 20 固氮的植物基因工程 把固氮基因植入到非豆科植物中去 这是世界一级的难题 生物固氮在我国的进展 上世纪80年代 中国农科学院土肥所谢应先 采用聚乙醇方法融合原生质体方法 将一种具固氮能力的蓝绿藻 粘球菌引入了烟草 玉米 水稻和小麦 白花苗的原生质内 山东大学微生物所聂延富教授等人 用植物生长激素 2 4 D 引导根瘤菌进入小麦根系 并形成根瘤 中国科技日报报道 我国采用基因工程培育的固氮菌正在广东 江西 广西 福建等8个省和自治区的150万亩水稻田中推广 应用面积处于世界领先地位 目前应用的水稻和小麦的联合固氮菌剂 一般增幅度在5 10 1991年中国科学家卢嘉锡与洪国藩 两位专家支持的生物固氮分子基础及其化学模仿研究取得重大成果 他们发现了控制结瘤基因活动的核酸蛋白等合物 从而揭示了控制植物结瘤基因的秘密 这一发现为科学家们利用生物技术将某些植物基因转移到水稻等作物 迈出了重要的一步 中国科学家的工作 关于控制植物结瘤基因 也为美国的科学家的实验证实 澳大利亚悉尼大学农业化学讲师伊凡 肯尼迪和名誉教授詹耀曾共同领导的一个研究工作小组 在中国的山东大学聂延富的研究成果基础上 培育出了自身能固氮的小麦 澳大利亚科学家选用了一种作固氮螺菌的微生物 这种微生物是天然地伴随草类生长的 他们把这种微生物叫做自由的活固氮微生物 肯尼迪说 我们所做的就是把这两种方法 使用2 4 D和使用固氮螺菌 结合起来使用 这种方法通过了标准试验 尽管中澳科学家这种 生物固氮 方法仍处于试管阶段 但在日本京都和意大利佛罗伦萨举行的国际会议上都欢呼这是一项国际性突破 如果能把这种方法成功地用于大田耕作 那么它将肯定可以提高农作物的产量 并能明显地减少人对化学肥料的需要量 因而可以减少环境污染对温室效应气体的排放量 1991年 中国农科院原子能所生物技术室和中国水稻所生物工程室的六位科研工作者的试验 已将固N菌导入水稻的生质体 并获再生植株 再生植株确有固氮能力 其固氮率达83 7 有力的证明固氮细菌可以在非豆科作物体内进行内共生固氮作用 4 植物保护中的生物技术农作物的一生多灾多难 病 虫害 草害 恶劣的环境如 干旱 盐渍 过冷 过热等 全世界每年度病 虫 草 害夺走的谷物占收成有1 3 1 2 美国仅由于病毒所造成的损失 每年多达20亿美元 多年来用化学农药防治病虫害对农作物稳产 高产起到了积极的作用 但耗资大 污染环境 每年因使用农药中毒的农民数以万计 因此培育抗病虫农作物良种是一种既经济实惠 又无不良副作用的有效途径 育种学家已做出了巨大贡献 但在寻找有效的可利用抗原的方面却遇到了困难 基因工程技术的发展给育种工作者带来了机遇 基因工程技术可把不同植物 甚至动植物的基因重组 为培育具抗病虫 耐旱 耐寒 抗除草剂的农作物新品种服务 1 植物抗逆基因工程 细菌的种类很多 在细菌身上几乎可以找到植物所需的各种抗性 如抗虫 抗病 抗除草剂 抗盐碱 抗干旱 抗高温等 所以只要在理论上 技术上有突破 有价值的成果就会接踵而来 专家们估计 植物基因工程转移首先能在生产上应用的可能就是抗病 抗虫和抗除草剂的良种 抗虫育种 使用的抗虫基因主要来自苏云金杆菌 简称B t B t是一种杀虫细菌 通过菌体中的毒蛋白杀伤害虫 把B t中的杀虫基因移植到植物细胞后 也就赋予植物本身具杀虫能力 当害虫在含有B t杀虫基因的植物上取食时就会中毒死亡 目前B t基因已被成功地转移到蕃茄 烟草 棉花 水稻 大豆 三叶草等植物 因此含B t 杀虫基因的作物良种在生产上发挥作用已为时不远 抗病育种 植物病害可以由多种病原微生物引起 其中真菌最严重 其次是病毒 细菌和线虫 目前抗病毒的基因工程进展最快 抗真菌作物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 美国科学家已从灵杆菌中分离出几丁质酶基因并导人烟草中 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人番茄 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 抗除草剂育种 除草剂的使用是现代农业的特征之一 它省时 省工 便于机械化操作 但若使用不慎会有严重后果 若使作物具备抗除草剂的特性 那么除草剂的使用就安全了 培育抗除草剂的作物新品种 通常也是先从细菌中寻找和分离抗性基因 然后向作物转移 国外厂商急于推销他们的产品 所以非常支持转基因抗除草除剂的作物的发展和研究 另抗盐基因工程植株的研究在我国也取得了部分成果 抗重金属镉的作物用哺乳动物基因组编码的金属硫蛋白 metallotionein 基因转化植物 可使受体植株获得抗重金属镉的能力 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 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 2 微生物农药化学农药污染 健康成本 限制出口 抗药性 植保专家希望找出一种接近自然的方法 把植保和环保结合起来以及把病虫害防治与促进植物生长结合起来 但是 在病虫害发生季节 有的田块严重 有的轻微 甚至不发生 其原因是植物表面或内部和微生物的特殊关系 植物 病菌 害虫之间相互较量 如果植物或有益微生物占上风 病虫害就会受到不同程度的抑制 若病菌或微生物占上风 病虫害就会严重发生 所谓有益微生物是指对病菌和害虫有抑制作用 而对植物有促进生长作用的特殊类群 对病虫害的抑制作