分子生物学在现代农业发展中的应用和前景展望.doc

.分子生物学（论文）题目：分子生物学在现代农业发展中的应用和前景展望姓名：侯西学号：20140457023专业：2014级农学（药用植物）西南林业大学林学院2016年5月10日分子生物学对农业发展中的应用及前景展望摘 要分子生物学侧重于从分子水平上研究遗传信息的传递、表达和调控，分子生物学的发展日新月异，许多的新知识、新技术不断出现，我国农业工程的研究相应的发展的很快。20世纪70年代发展起来基因工程对分子生物学的发展产生了深远的影响，基因在动植物细胞中的表达和调控机制也逐渐为人们所理解。基因工程还为人们提供了具有农业方面经济价值的工具。关键词：分子生物学；动物基因工程；植物基因工程；前景展望 Molecular biology of application and prospect in the development of agricultureAbstractmolecular biology focuses on the research from the molecular level in the transfer of genetic information, expression and regulation, the development of molecular biology with each passing day, many new knowledge, new technologies appear constantly, the development of Chinese agricultural engineering research corresponding quickly. Developed in the 1970 s genetic engineering had a profound impact on the development of molecular biology, gene expression and regulation mechanism in plant and animal cells also gradually to understand. Genetic engineering also provide people with the tools of agriculture economic value.Keywords: molecular biology animal genetic engineering plant gene engineering prospects目 录第一章 引言1第二章：分子生物学在农业发展中动物基因工程的应用12.1动物基因敲除技术12.2动物胚胎工程技术12.2.1 转基因动物22.2.1.1转基因动物的基本原理22.2.1.2培育转基因动物的方法22.2.1.3转基因动物技术的应用22.2.2 动物克隆技术22.2.3 胚胎性别控制2第三章：分子生物学在农业发展中植物基因工程的应用33.2 转基因植物33.2.1转基因植物基本原理33.2.2转基因植物方法:载体介导法和DNA直接导入法43.2.2.1载体介导法：农杆菌介导法，病毒介导法43.2.2.2 DNA直接导入法43.2.3转基因植物技术的应用43.3 植物固氮基因的调控43.3.1固氮酶43.3.2 与固氮有关的基因及其调控53.3.3根瘤的产生以及根瘤相关基因的调控53.4 植物花发育的基因调控63.5植物抗病毒育种作用6第四章：分子生物学在农业发展中的前景展望6;.第一章 引言近年来，分子生物学发展迅速，在真正揭示生物世界的奥秘上有质的进步，在由被动转向主动地改造和重组自然界的方向上也取得了巨大的发展。我国科学家经过多年的不懈努力，在分子生物学应用于农业发展方面取得了一系列令人瞩目的进展。本篇论文主要简述了分子生物学在农业发展中的应用和前景展望。第二章：分子生物学在农业发展中动物基因工程的应用2.1动物基因敲除技术基因敲除又称为基因打靶，是指从分子水平上将一个基因去除或替代，然后从整体观察实验材料，推测相应基因功能的实验方法。基因敲除技术是功能基因组学研究的重要工具。其方法如下：构建一个携带选择性标记（通常为抗新霉素基因）的打靶载体，其侧翼是与基因组中靶基因同源的序列，将载体以转染方式导入一个胚胎干细胞系。定向插入的选择性标记使目的基因突变，突变后的基因与野生型序列同源组合、交叉互换。接着，将打靶成功的胚胎干细胞系注入成纤维细胞中，最后发育成为各种种系的动物组织。一般来说，用显微注射胎胚干细胞时命中率比较高，技术难度相对大些。电穿孔法命中率比显微注射低，但操作相对简单易行。2.2动物胚胎工程技术动物胚胎工程技术是动物生物技术的重要组成部分之一，动物胚胎工程技术在二十世纪后期发展极为迅速，近年来胚胎工程技术的应用效益最为显著，也是21世纪世界经济增长的重要支撑技术之一； 现代动物胚胎工程的概念涵盖所有对动物配子和胚胎进行工程化操作的技术方法。2.2.1 转基因动物2.2.1.1转基因动物的基本原理转基因动物技术是指利用基因工程的方法获得目的基因导入到动物的受精卵中，使外源基因整合到动物的基因组内，使该转基因的动物能够稳定地将此基因遗传给后代的实验技术，通过静音操作，人类可以改变动物的基因型使其表现型更加符合人类需要，并且此技术也为生物学、医学基础理论的研究提供了一种有效的研究手段。2.2.1.2培育转基因动物的方法：显微镜注射法，逆转录病毒法，胚胎干细胞介导法，精子载体法，酵母人工染色体介导法，受体介导法，体细胞核移植法。2.2.1.3转基因动物技术的应用：随着转基因工程技术的不断研究和发展，动物转基因技术不断得到完善，从而在未来的畜牧生产中大显身手，目前，动物转基因技术标应用于改良动物品种;提高动物的抗病力;提供可移植的器官;基因治疗;作为生物反应器。预计21世纪用转基因动物生产药用蛋白将成为医药行业的支柱产业。2.2.2 动物克隆技术动物克隆即无性繁殖，是指用人工方法取出核供体（胚胎细胞或者体细胞）和核受体（去核的原核胚或成熟的卵母细胞），进行体外重构，体外培植、胚胎移植过去扩繁同基因型动物，1997年第一例体细胞克隆绵羊-多利的诞生轰动世界，它的深远意义是极其不可能的成功我国也相继研制成功克隆山羊的克隆动物，并繁殖的后代动物，克隆技术突破了传统的有性繁殖理论，该技术的应用又可避免有性繁殖带来了带来到遗传缺点，完整的，原样的复制后代对遗传资源的保护，优良个体的扩群具有特殊意义。2.2.3 胚胎性别控制家畜的性别与其生产性能密切相关，如奶牛，通过对胚胎，进行有效的性别控制可他叫停当地繁殖成本提高繁殖生产性能。性别控制主要包括两个方面，精子分离和胚胎性别鉴定。这种随人意愿的性别改造技术用于动物育种和畜牧生产的意义是目前无法估计的。第三章：分子生物学在农业发展中植物基因工程的应用3.1 植物基因敲除技术由于动植物细胞结构强度不相同，植物细胞基因敲除常采用不同于动物细胞的策略。T-DNA插入时候技术是目前在植物中使用最为广泛的基因敲除技术。T-DNA插入失活就是利用根瘤农杆菌T-DNA介导转化，将一段带有报告基因的DNA序列标签整合到基因组DNA上，如果这段这段DNA插入到目的基因内部或者附近，就会影响该基因的表达，从而使该地“失活”。由于该机内部或者附近插入了一段已知序列的DNA，可据此设计引物，用PCR方法将被破坏的靶基因序列分离出来。若将靶基因两端引物LP、RP及插入载体上的引物LB加入同一反应体系中进行，理论上能得到3种类型的条带。野生型植株中，只有LP和RP引物配对扩曾出来靶基因条带，如果实验材料来自纯合型基因敲除技术，那么只有靶基因一端的引物可以与LB引物配对完成PCR扩展，如果实验材料来自杂合型基因敲除技术，那么PCR扩增后同时出现两种条带。3.2 转基因植物3.2.1转基因植物基本原理植物转基因技术，通常指在离体的条件下，对不同植物的DNA进行加工，并依据人们的一定的需要和适当的载体重新组合，借助于物理、化学和生物的手段，将重组DNA转入生物体或者细胞内，使之稳定遗传从而赋予植物新的农艺性状，如抗病、抗虫、抗逆、高产等，通过这种技术得到的植物就是转基因植物。它不仅为基因的表达调控和遗传的研究提供了一个理论实验体系，更重要的是用为植物尤其是农作物的定向改良和分子育种提供的有效途径。3.2.2转基因植物方法:载体介导法和DNA直接导入法3.2.2.1载体介导法：农杆菌介导法，病毒介导法3.2.2.2 DNA直接导入法化学物质刺激法，脂质体法，电击法，显微镜注射法，基因枪法，花粉管通道法的，其他方法如超声波介导法，激光微束穿孔法，花粉管和种子浸泡法。3.2.3转基因植物技术的应用目前转基因植物技术已经成为基因功能验证的重要方法之一，主要在改善植物品质，提高植物抗性以及利用植物作为生物反应器等方面进行了大量的研究，并已经取得了令人瞩目的成就。如作物的性状、产品的品质，培育抗虫、抗病、抗除草剂、抗寒、耐盐，抗寒，耐高温的转基因植物等，利用转基因植物作为生物反应器生产疫苗，抗体等。此外，利用转基因植物植物，还可以生产糖类物质，可降解塑料等，还可以生产自然界中难以得到的物质如蜘蛛丝等，随着转基因技术的不断发展，作为生物反应器的植物将有可能成为药物，食品的主要生产者。3.3 植物固氮基因的调控为了获得能独立固氮的新型作物品种，利用基因工程技术，若将固氮菌的固氮基因转移到生长在重要作物的根际微生物或者致瘤微生物中去，与通过常规方法发展氮肥工业达到同样效果相比其研究经费仅为其1/200-1/2000，若将固氮基因直接接入到作物的细胞中则更为节省，其成本甚至不到上述的1/2000。3.3.1固氮酶固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含铁和钼，称为钼铁蛋白。固氮酶催化的固氮反应是氮还原反应，每还原一个氮气分子，需要传递八个电子。在还原氮的同时，固氮酶还有一个次要的活性，它能把氢分子还原成分子氢。只有钼铁蛋白和铁蛋白同时存在，固氮酶才具有固氮的作用(因为这两种物质作为电子载体能够起到传递电子的作用）。 生物固氮原理简介 ：生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。 固氮微生物需氧，而固氮必须是在严格的厌氧微环境中进行。组成固氮酶的两种蛋白质，钼铁蛋白和铁蛋白，对氧极端敏感，一旦遇氧就很快导致固氮酶的失活，而多数的固氮菌都是好氧菌，它们要利用氧气进行呼吸和产生能量。3.3.2 与固氮有关的基因及其调控固氮酶催化氮还原是一个很慢的反应，所以在细菌需要通过固氮反应获得氮源的情况下，细菌需要合成大量的氮酶。固氮酶对氧高度敏感，较低的氧分压就能破坏固氮酶的活性，但已经研究的固氮酶中，只有一种高温环境的固氮菌携带的固氮酶是耐受氧的。为了防止氧损害固氮酶造成资源浪费，固氮菌有一套响应氧浓度的基因调控机制，如级联调控模式，另外反应产物氨的浓度也会影响固氮酶基因的调控。不同固氮生物中的调控模式在细节上有很大的差异，但是基本上都是响应氧浓度和氨浓度的级联调控模式。3.3.3根瘤的产生以及根瘤相关基因的调控根瘤菌在豆科植物根际的生长以及宿主植物根毛幼嫩部位的接触是感染发生的第一步。根瘤是由于土壤中的一种叫根瘤菌的细菌侵入根内而形成的.根瘤细菌原先生活在土壤中,当土壤中有豆科植物时,根瘤菌便同豆科植物的根相结合,形成共生关系.而且这种共生关系很严格,每一种根瘤菌只和一种豆科植物相结合.根瘤菌主要由根毛部分侵入根的皮层内,并在皮层细胞内进行迅速大量的繁殖.同时皮层细胞由于受根瘤菌分泌物的刺激也迅速分裂,产生大量新细胞,使皮层部分的体积膨大和凸出,从而形成根瘤.根瘤最大的作用就是固氮.它能把空气中的游离氮转变为能被植物利用的氨.固氮菌之所以能固氮是因为它体内有一种特殊的、能催化氮还原为氨的生物催化剂固氮酶.固氮酶是由铁钼蛋白和铁蛋白共同组成的酶系.在进行固氮时,铁钥蛋白不断地从四周捕捉氮气,并使之固定成氨；铁蛋白则像电厂一样源源不断地向铁钼蛋白提供所须的能量,二者紧密结合,缺一不可.固氮形成的氨态氮,一部分用来满足根瘤菌自身的需要,另一部分则经根瘤中与根维管束相连的维管组织输送给植物.同时,根瘤菌能从植物根内摄取它生活所需要的大量水分和养料.3.4 植物花发育的基因调控植物种子萌发后,经过一段时间的营养生长,在内外界环境因子共同作用下,植物开始由营养生长向生殖生长转变.花的发育(成花过程)就是这种转变的重要标志.成花过程不仅是植物生长发育中的重要转折时期,也是对农业生产产生直接影响的重要时期。可以启动花发生的分生组织决定基因。3.5植物抗病毒育种作用选育抗病品种是防治病毒病最经济有效的方法，但常规育种的缺陷限制了符合农业生产要求的抗病品种的产生，现在现代分子生物学技术的迅猛发展给抗病毒育种开辟了新的途径。迄今为止，人们研究出了许多获得转基因抗病毒的方法。其中包括外壳蛋白介导的抗性、利用缺损的复制酶、干扰蛋白的应用、RNA介导的抗性、中和抗体基因等第四章：分子生物学在农业发展中的前景展望4.1转基因动物在生物医学研究用途很多，现在已经继续已经相继培育出转基因鱼、鸡、兔、绵羊等，但其中仍有很多问题有待解决，如转基因操作的周期长、复杂性、工作强度大;转型整合率低及转基因异常表达，但随着转基因动物