《现代农业基因工程》PPT课件.ppt

现代农业基因工程 Predictedchangesinpopulationandfoodconsumption 生产更多的粮食及农产品 生产更好的粮食及农产品 生物技术 基因工程细胞工程蛋白质与酶工程发酵工程 中心法则DNA RNA 蛋白质转录转译 基因工程 在体外将核酸分子插入病毒 质粒或其它载体分子 并使之进入原先没有这类分子的寄主细胞内 并能持续稳定地繁殖 基因工程步骤1 从复杂的生物体中分离出带有目的基因的DNA片段 2 体外将外源DNA片段连接到能够自我复制并具有选择信号的载体分子上 形成重组DNA分子 3 将重组DNA分子转移到适当的寄主细胞中 并与之一起增殖 4 筛选出获得重组DNA分子的寄主细胞克隆 5 从筛选获得的转化子克隆提取出已得到扩增的目的基因 6 将目的基因克隆到表达载体上 导入寄主细胞 使之在新的背景下实现功能表达 植物转基因技术 获得高效表达外源基因的纯合稳定的转基因植物 也就是外源基因能在这一新的环境中 安家落户 稳扎稳打 要实现这一目的 需要考虑以下三个要素 植物受体系统 植物表达载体系统 转基因方法 植物受体系统 愈伤组织再生系统直接分化再生系统原生质体再生系统 植物表达载体系统 质粒载体系统病毒载体系统 外源基因导入植物细胞的方法 Ti质粒介导的基因转移基因枪法病毒载体直接将DNA导入植物细胞原生质体显微注射法电击法脂质体融合 外源基因导入植物的主要方法 农杆菌介导法基因枪法PEG介导的原生质体转化花粉管通道法 分泌 乙酰丁香酮 Pi VirA 诱导Vir基因表达 从质粒中切出T DNA 核DNA T DNA VirG Pi VirD2 ATP 可能存在植物细胞受体 VirB VirD4 VirD4 核孔 冠瘿碱 T DNA 细胞分裂素植物生长素 分泌 农杆菌 植物细胞 CN CW CM 伤害 农杆菌与植物互作的可能机制 PlasmidDNA Regeneration Southernblot bombardmentDNAtransformation Bombardmentofcallus 植物抗病虫基因工程病害 真菌 细菌 病毒 线虫虫害 常规方法 传统育种方法施用化学杀虫剂其它措施转基因植物 StripedStemBorer 抗真菌植物基因工程 1 抗病基因2 降解真菌细胞壁的抗真菌蛋白 几丁质酶 1 3葡聚糖3 抗真菌蛋白 核糖体失活蛋白thioninsdefensins4 渗调蛋白5 抗真菌次生代谢产物的基因6 降解真菌产生的毒素 抗细菌基因工程 1 抗病基因2 抗毒素基因3 其它植物抗病因子 thionins4 非植物抗病基因溶菌酶抗菌肽植物抗体反义基因 抗病毒基因工程 一 来源于植物的基因1 抗病基因2 PR蛋白3 商陆抗病毒蛋白 二 来源于病毒的基因1 外壳蛋白2 复制酶3 移动蛋白4 其它蛋白 三 卫星RNA分子 四 作用于病毒的抗性1 抗体2 RNase3 干扰素 五 反义RNA 六 核酶 抗除草剂基因工程 1 将某种酶的基因转移到作物中 这种酶能够分解除草剂2 针对除草剂可通过识别和破坏光合作用及氨基酸合成所需要的酶来杀死植物的特点 把该酶的基因导入植物3 改变除草剂识别酶的位点 改变该酶蛋白的氨基酸序列 4 用于快速检测和提高杂交稻纯度 生物固氮提高光合作用效率 基因工程改良品质 一 种子贮藏蛋白 与小麦面粉作成生面团后的粘弹性与面包烘烤质量密切相关 麦醇溶蛋白和麦角蛋白 二 通过加入一些原本缺乏的必需氨基酸的密码子来提高种子贮蛋白营养品质 单子叶甲硫氨酸多 双子叶赖氨酸多 玉米醇溶蛋白导入烟草 表达量占种子总蛋白16 巴西坚果2S清蛋白 富含甲硫氨酸Met 导入烟草和油菜 烟草表达量为种子总蛋白80 Met净增30 油菜表达量为种子总蛋白40 Met净增33 利用基因工程进行保鲜 ACC合成酶乙烯合成酶 反义RNA技术 利用基因工程获得作物雄性不育系 从花药发育和花粉形成过程中分离到特异性启动子与核糖核酸酶 RNase 基因连接 而后导入油菜 获得油菜不育系 毒性基因导入作物 使其在花药或花粉发育过程中表达 植物抗逆基因工程 渗透蛋白基因与耐盐有关热休克蛋白基因热稳定酶基因抗冻蛋白基因 植物基因工程与医疗保健用品生产 植物可为人提供药物 酶制剂 生化试剂 化妆用品 食品添加剂 美国Scripps研究所用烟草表达单克隆抗体 表达量达叶子总蛋白1 3 1 左右烟草土地面积可生产270千克抗体 供27万癌症患者1年治疗美国Bio resources公司用植物基因工程手段生产白细胞介素 2荷兰用转基因马铃薯生产人的血清蛋白韩国用转基因和番茄生产人的胰岛素我国利用转基因烟草生产天花粉蛋白 Productionofspecialitychemicals EnkephalinsFattyacidsHumanserumalbuminSugarmonomersSugarthermoplasticpolymersVaccines e g hepatitis Dupont公司1997年收购美国最大种子公司 先锋种子公司的20 股权 1999全部兼并 Novatis公司以6亿美元建农业发现研究所AgrEvo公司加强基因组与组合化学的结合Monsanto公司与千年制药公司合作成立Cereon基因组公司 杜邦公司 人数 5000多名科学家 300华人 投入 每年13亿美元目标 10年内25 纤维素来自采用生物技术的天然材料玉米 聚酯材料单体 新型合成纤维丝亚利桑那州的蜘蛛 克隆腺体相关的基因 细菌表达蛛蛋白溶液 抽丝装置 晶莹的蛛丝 NewProduct CropBiotechnologyProductsfortheFuture SpecialityChemicals Pharmaceuticals FoodProcessing AgronomicTraits 1995 2000 2005 2010 Other389 7 3 InsectResistant1258 23 9 ViralResistant518 9 87 AgronomicProperties288 5 4 HerbicideTolerant1513 28 7 FungalResistant252 4 7 ProductQuality1042 19 8 FieldReleases MostFrequentCategories1987to1998 3 31 99 JohnMaddox WhatRemainstobeDiscovered 植物是合成的庞然大物除钢筋和混凝土外 它们可以合成任何物质 动物基因工程改良动物品种 1 抗病毒抗猪瘟病毒的转基因猪抗口蹄疫病毒的转基因兔抗白血病病毒的转基因鸡和小鼠基因工程疫苗 家禽球虫病疫苗 狂犬病疫苗 2 提高生长速度大型鼠的生长激素基因与小型鼠的基因融合 21只小鼠7只在一周内生长迅速 有6只小鼠比一般的同科小鼠大2 8倍 把生长激素导入鲤鱼 获得生长速度明显加快的转基因鲤鱼 通过遗传工程培育的微生物来生产生长激素 然后注射猪 猪瘦肉增加15 18 牛注射生长激素 使牛奶产量增加30 3 改良动物适应性鲶鱼耐寒性较差 将耐寒性基因和生长激素导入鲶鱼4 改良动物的生产性状澳大利亚将老鼠的唾液腺中提取出的老鼠表皮生长因子给羊注射 能在毛囊深处使毛纤维变细变脆 3 改良动物适应性鲶鱼耐寒性较差 将耐寒性基因和生长激素导入鲶鱼4 改良动物的生产性状澳大利亚将老鼠的唾液腺中提取出的老鼠表皮生长因子给羊注射 能在毛囊深处使毛纤维变细变脆 聪明鼠 美国华裔生物学家钱卓领导的研究小组 通过为小鼠注入一种叫RNIB的基因成功培育出一批 聪明 的实验鼠 与普通小鼠相比 它们学习得更快 记忆时间更长 对新事物更为敏感 对环境的变化更能灵活适应 动物反应器 人血液凝固因子IX和人 1抗胰蛋白酶基因注入羊 羊奶中表达了人血液凝固因子IX和人 1抗胰蛋白酶 转基因羊表达人干扰素转基因羊生产组织型纤溶酶原激活剂和凝血IX因子上海用转基因羊生产人凝血因子 植物细胞工程 组培 选择合适的外植体除去病原菌和杂菌配制适宜培养基诱导去分化阶段继代培养阶段生根生芽阶段移栽成活阶段原生质体融合花药培养 组织培养繁殖 优良品种快速繁殖遗传育种研究种质资源保存及交换 植物组织培养的原理 植物细胞全能性细胞分化和形态建成植物的再生作用 组织培养的过程 组织培养即无菌培养 也就是要求培养的材料不带有杂菌 外植体取材 包括器官 组织 细胞等 外植体经灭菌 接种到相应的培养基中 待到生长一定阶段 继代到相应培养基 使其分化芽 根成为完整的新植株等到植株有发达的根系 可以把其从试管内移入土壤中 经过一段时间驯苗 可以移栽大田生产 草莓 国兰 大花惠兰 文心兰 一品红 扶郎花 动物细胞工程 单克隆抗体核移植1997年 英国Roslin所Wilmut博士用乳腺细胞的细胞核克隆一只绵羊 多莉 1998年 日本用母牛输卵管细胞的细胞核成功克隆出 能都 和 加贺 1999年 美国用卵泡细胞的细胞核克隆成功小鼠 卡缭丽娜 并再克隆出下一代 祖孙三代22只1999年美国华裔科学家杨向中用母牛 13岁 耳朵细胞的细胞核成功克隆出 艾米 A羊 乳腺细胞取出乳腺细胞取出细胞核电激融合 植入乳腺细胞核B羊 去核的卵细胞体外进行早期胚胎发育绵羊C 胚胎植入绵羊C子宫中绵羊C产下遗传性质与绵羊A完全相同的 多莉 羊 作用1 遗传背景完全一致的克隆动物将有利于开展对动物生长 发育 衰老和健康等机理研究2 有利于大量培养品质优良的家畜3 经转基因的克隆哺乳动物将为人类提供源源不断的廉价药品4 濒临灭种哺乳动物的保护工作 蛋白质与酶工程 蛋白酶的种类与分类 典型细胞酶种类可能有1000 10000种 酶分子总数有5 50X108 目前已知3000多种 按国际分类命名系统 1961 可分为6大类 氧化还原酶 A2H B A B2H转移酶 AR B A BR水解酶 AB H2O AOH BH裂合酶 从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应 异构酶 同分异构体的相互转化连接酶 合成酶 X Y ATP XY ADP Pi 酶制剂应用 自然界已经发现并命名的酶约有5000多种 已开发应用的酶只有150种 其中工业应用有价值的仅60种 而在工业上大量生产的却只有20种左右 其中80 为水解酶 而自然界大量存在的氧化还原酶还有待开发 蛋白质与酶工程的主要研究内容 1 新型蛋白质与酶的开发2 蛋白质与酶新的生物资源开发3 蛋白质与酶的分离纯化4 蛋白质与酶的修饰改造5 蛋白质与酶的应用 蛋白质与酶的遗传改造 物理诱变 放射性同位素等电离辐射紫外线化学诱变 溴尿嘧啶等碱基类似物烷化剂吖啶类物质亚硝酸盐等生物诱变 转座子 细胞融合等 蛋白质与酶的基因改造例子 酵母磷酸丙糖异构酶 将Asn14或Asn178改变为Thr或Ile后 酶的热稳定性增加 干扰素 内含有三个Cys 31 141和17 当Cys17改变为Ser后 活性从106U mg提高到108U mg 水蛭素 共65个氨基酸组成 Asn47改变为Lys Arg时试管中的活性提高4培 动物模型上提高了20培 枯草杆菌蛋白酶 它为一种生物去污剂成分 暴露于氧化环境中 它的活性中心含有Met222 Met222改变为Ser Ala或Leu时 在1mol L双氧水环境中任保持活性 蛋白质与酶的分离纯化技术 蛋白质 酶 的提取 乙醇等有机溶剂的大量使用蛋白质 酶 的纯化 色谱分离技术 膜分离技术蛋白质 酶 的浓缩与干燥 膜技术 真空浓缩 电喷雾等 发酵工程 微生物制剂 白色农业 1 微生物食品日本小球藻制成的食品面包 已规模化生产螺旋藻被联合国粮农组织称为 人类未来粮食 食用菌2 微生物饲料3 微生物肥料4 微生物农药5 微生物能源 生物芯片技术 通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建微流体分析单元和系统 以实现对细胞 蛋白质 核酸以及其它生物组分的准确 快速 大信息量的检测 高密度生物芯片DNA芯片蛋白质芯片 人类基因组计划 本世界三大科学工程 曼哈顿原子弹计划 阿波罗登月计划 人类基因组计划牵头单位 美国能源部 国家卫生研究所负责人 J Watson参加国 美国 英国 德国 法国 日本 中国起动时间 1989年21 22条染色体已完成 5 16 19号染色体基因草图完成 初步测序上半年完成 中国 第3号染色体 占1 预测人类基因组工作进展 2002 2003年 全部人类基因组序列图绘制完成2002 20010年 对癌症 糖尿病 中风等疾病进行基因治疗危险性的测试 采用基因疗法可以治疗血友病 心脏病及一些癌症2015年 DNA芯片能够分析任何一个人的基因组成 药物可以对一个人的基因组进行修饰 从而为包括癌症在内的所有疾病的治疗提供可能2025年 医生将能够修饰人类基因的缺陷 从而使象镰刀细胞贫血症这样的疾病永远成为历史 其它生物基因组研究 小杆线虫 9700万碱基 20000个基因 40 与基因动物相似 50 的人类致病基因可以找到相应的基因 拟南芥 5条染色体 1 3亿碱基 2万基因 2 4条染色体有7781基因 占总数31 水稻 12条染色体 4 2亿个核苷酸 中国已测定第4号染色体基因组及12条染色体物理图 DNA芯片制作步骤 样品预处理DNA芯片的类型和制作1 片上就组合成寡核苷酸点阵芯片 DNA 1 6cm2的40万点合成20个核苷酸2 用微量电样技术制作cDNA点阵芯片 CDA 芯片的杂交和反应芯片的检测和