生物技术在农业方面的应用

生物技术在农业方面的应用生物技术在农业方面的应用 一 生物技术概念介绍一 生物技术概念介绍 生物技术又称为生物工程 或称为生物工程技术 是指利用生物的特定功能 通过现 代工程技术的设计方法和手段来生产人类需要的各种物质 或直接应用于工业 农业 医 药卫生等领域改造生物 赋予生物以新的功能和培育出生物新品种等的工艺性综合技术体 系 生物技术包括传统生物技术和现代生物技术两部分 现代生物技术是在传统生物技术 的基础上发展起来的 但与传统生物技术又有着质的差别 二 现代生物技术的发展二 现代生物技术的发展 现代生物技术的发展是以 世纪 年代 重组技术的建立为标志 年提出了 的双螺旋结构模型 阐明了 的半保留复制模式 从而开辟了分子生 物学研究的新纪元 年破译了遗传密码 揭开了 编码的遗传信息是如何传 递蛋白质这秘密 年实现了 体外重组技术 标志着生物技术的核心技术 基因工程技术的开始 它向人们提供了一种全新的技术手段 使人们可以按照意愿在 试管内切割 分离基因并进行重组后导入其它生物或细胞 以改造农作物或畜牧品 种 也可以导入细菌 由细菌产生大量有用的蛋白质或作为药物 也可以直接导入人体进 行基因治疗 显然 这是一项技术上的革命 以基因工程为核心 带动了现代发酵工程 现代酶工程 现代细胞工程以及现代蛋白质工程的发展 形成了具有划时代的意义和战略 价值的现代生物技术 农业生物技术是指运用基因工程 发酵工程 细胞工程 酶工程以及分子育种等生物 技术 改良动植物及微生物品种生产性状 培育动植物及微生物新品种 生产生物农药 兽药与疫苗的新技术 应用生物技术可以培育出优质 高产 抗病虫 抗逆的农作物以及 畜禽 鱼类等新品种 可以进行再生能源的利用解决能源短缺问题 可以扩大食饲料 药 品等来源 满足人类日益增长的需要 可以进行无废物的良性循环 减少环境污染 充分 利用各种资源等 三 生物技术在农业中的应用三 生物技术在农业中的应用 1 植物生物技术 植物生物技术是一门研究植物遗传规律 探索植物生长发育机理 应用现代生物技术 改良遗传性状 培育新品种 创造新种质的学科 1 植物育种和繁殖 随着生物技术的发展 人们已经可以把一个品种 品系的理想遗传性状转入另一品种 品系 以提高植物的价值 产量和质量 在番茄中导入编码 酶的反义基因 使得 酶活性降至正常的 以下 成功限制了乙烯的生成 果实生理成熟后长期保持坚 硬 仓贮一个月以上不会软化 不会腐烂 很大程度上提高了番茄的耐贮藏性能和经济效 益 将大豆中分离出来的热休克蛋白基因导入烟草中 当把这种烟草放在 条件下时 大豆的热休克蛋白基因就在烟草中表达 并起保护作用 总的来说 获得的优良的新的植 物品种或品系具有更好的植物抗逆性 抗虫性 抗病性 抗机械损伤性等 这比通过传统 育种技术 如品种杂交技术更省时 更具效益 2 植物基因工程 植物基因工程是指用人工的方法 从不同生物中提取外源基因片段及载体 经 过体外切割 拼接和重组 然后采取某种方法 把重组后的带有外源基因的载体 引 入植物细胞 并使其在植物细胞内进行复制和表达 以达到预期的改变受体植物细胞遗传 特性的目的的过程 包括抗病基因工程 抗毒基因工程 抗除草剂基因工程等 1986 年 Beachy 小组首次将烟草花叶病毒 TMV 外壳蛋白 CP 基因导入烟草 培育出抗 TMV 的 工程植株 开创了植物抗病毒素基因工程的新纪元 1 目前发现了一批新的具有杀虫性的 基因 其中包括有植物来源的抗虫基因 几丁质酶基因和过氧化物酶基因 还有动物来源 的主要有蝎 蜘蛛等一些昆虫毒素基因 2 它们已被导入烟草 棉花 油菜 水稻 玉米 马铃薯等多种农作物 在抗虫方面得到了广泛应用 有的已进入了商品化生产 1 1 2 植物细胞工程 植物细胞工程是指以植物细胞为基本单位在体外条件下进行培养 繁殖和 人为操作 改变细胞的某些生物学特性 从而改良品种加速繁育植物个体或获得有用物质 的技术 植物细胞培养和组织培养主要应用于农作物的品质改良 相比传统的方法有诸多 的优点 不同物种原质体的融合细胞融合能够在细胞水平实现遗传物质的转移和重组 打 破种属的界限可应用于植物体的快速繁殖 扩繁优质种苗和新品种或拯救濒危植物 组织 培养容易产生变异 增加某种选择压力可从无性系变异株中选出优质 高产 抗病抗逆的 新品系 组织培养在种质资源保存上 免去了种植和保存种子的麻烦 为珍稀植物资源的 研究和应用提供了可能 2 动物生物技术 和植物生物技术相似 动物生物技术是一门研究动物遗传规律 探索动物生长发育机理 应用现代生物技术改良遗传性状 培育新品种 创造新种质的学科 1 动物育种和繁殖 现代生物技术在动物养殖业中的应用主要包括动物分子育种 动物繁殖和畜禽基因工 程疫苗等方面 动物分子育种是指动物基因技术 胚胎工程技术 动物克隆技术及其它以 重组技术为基础的各种技术 近年来通过有关各种现代生物技术的综合运用 结合 传统的育种方法 科学家们可以把单个有功能的基因簇插入到高等生物的基因组中去 并 使其表达 再通过有关的分子生物技术 试剂盒诊断和检测加以选择 目前已有转 基因鱼 鸡 牛 马等多种动物 人工受精也成为现代畜牧产业的重要技术之一 近年来 已逐步扩展到特种动物 鱼类及昆虫等养殖业中 显示了其发展潜力 它能大限度地发挥 公畜的种用价值 提高了公畜的配种效能 加速育种步伐 降低生产和提高受胚率 为开 展远缘种间的杂交试验工作提供了有效的技术手段 此外 胚胎移植可以迅速提高家畜的 遗传素质 加强防疫和克服不孕 还可以在世界范围内运输种质 保种 同时运输胚胎代 替运输活畜还可以降低成本 野生动物资源也可以利用这种方式长期保存 以防某些物种 灭绝 2 动物基因工程 动物基因工程是利用 DAN 重组技术对动物所进行的工程 其实质是改变动物的遗传组 成 增加动物的遗传多样性 赋予转基因动物新的表型特征 使之能更好地服务以人类社 会 包括动物转基因技术 畜禽基因工程疫苗等 其中动物转基因技术一种是将外源基因 转移到动物受精卵中使其整合和表达 以产生具有新遗传特性的动物 另一种是将外源基 因在特定调控元件作用下 在一定时间内表达外源蛋白 主要研究是将激素基因导入哺乳 动物受精卵内获转基因动物 动物转基因技术在提高畜禽生产性能 改善畜产品品质 提 高畜禽抗寒抗病能力等方面应用广泛 3 动物细胞工程 动物细胞工程以动物细胞为基本单位在体外条件下进行培养 繁殖和人为操作 使细 胞产生某些人们所需要的生物学特性 从而改良品质 加速繁殖动物个体或获得有用品系 的技术 包括动物胚胎工程技术 单克隆抗体技术等 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 20 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 胚胎生物工程技 术是用人工方法对动物卵母细胞或胚胎进行改造的技术 包含胚胎移植 排卵控制 体外 受精 胚胎性别控制 胚胎分割 胚胎冷冻 胚胎嵌合等内容 3 生物固氮 农业生产中常需要施用大量化肥氮肥来调节土壤和作物间的氮素供需矛盾 化学氮肥 的大量生产需要消耗大量能量 同时也会造成严重的土壤污染 而生物固氮不仅节约能源 而且不会对环境造成威胁 但迄今为止所发现的固氮微生物均不可以在粮食作物如水稻 小麦 玉米以及多种果树 蔬菜上固氮 即使少数可以 起固氮量也很少 所以这些农作 物的高产不得不以来化学氮肥 多年来 科学研究人员一直致力于生物固氮的研究 近 年来 固氮基因工程得到飞速发展 基因组学和功能基因组学的建立赋予了生物固氮 研究新的内涵和研究策略 为实现固氮研究的目标增添了新的动力 4 生物农药 20 世纪 90 年代以来 生物农药开发利用极为迅速 尽管长期以来 化学农药在农药 生产中仍然占据重要地位 但由于人们对绿色食品的日益青睐 以及生物农药本身具有的 对人畜毒性小 只杀害虫 与环境相容性好 以及病冲害相对不易产生抗性等优点 因此 生物农药正日益成为农药产业发展的新趋势 近年来 生物农药在它的主要研究领域 微生物农药 生物化学农药 转基因农药及天敌生物农药等方面都有不同程度的进展 其中微生物杀虫剂的商业性生产研究最为活跃 用于防治作物害虫的主要微生物制剂包括 细菌制剂 真菌制剂及病毒制剂等 苏云金芽孢杆菌是当前国内外研究最多 应用最广泛 的杀虫细菌 在防治如 玉米螟 水稻螟虫 棉铃虫等方面有了突破性进展 四 生物技术在农业应用中的利弊四 生物技术在农业应用中的利弊 1 生物技术对农业的有利影响 一方面 生物技术有助于提高畜禽的生命力以及消灭竞争者 促进畜禽生长的物质有 生长激素以及促进其生长的调节剂 这些物质可由基因工程而获得 另一方面 生物技术在 提高农作物产量 质量的同时 有助于提高畜牧业的生产力发展水平 例如 通过控制饲料 作物体内碳水化合物含量可提高畜牧业生产力 利用基因调控技术可以提高包括豆科作物在 内一些作物的蛋白质含量 减少饲料作物中难消化的木质素含量等 在许多农业生产区 土壤 氮素可利用量是制约农业生产力提高的一个重要因子 而一高科技农业生产区使用人造氮 肥是以牺牲生态环境为代价的 制造氮肥要利用大量能源 据统计 英联邦农场平均投入的能 源大约有 50 来自肥料 由施用肥料而产生的温度气体 二氧气化碳 氮氧化合物等 不可 避免地促进地球气候变暖 除此之外 农业土壤的氮素流失是水体富营养化的主要原因 2 生物技术对农业的不利影响 生物技术在食品上的应用对发展中国家的农民也会造成许多困难 生物技术也会对人 类的健康制造麻烦 近年来在英国已有这方面的报道 特别是当能引发人体过敏反应的基 因转入农作物时 例如 坚果能引发人体过敏反应 若它的基因被导入其他作物 则有可能其他 作物也会引起人体过敏 为了预防起见 转基因作物产品必须经免疫测定筛选后才能利用 人们利用生物技术生产出抗旱 耐盐 抗病虫害作物同时 也导致生物多样性遭受严重破 坏 甚至导致一些物种灭绝 这一结果是由于生物技术促进农作物向它原本不适应的地域扩 张而造成的 另一个令人担心的是 转基因植物 动物 微生物脱离当地农业生态系统所造 成的危害 许多有意或无意的动植物引起当地严重的生态问题 最明显的例子是澳洲引进 的兔子 至于转基因作物脱离当地农业生态系统后有可能引发 第一 转基因作物使自生作物 成为严重的杂草问题 第二 转基因作物通过杂交后产生杂种 第三 转基因作物影响食物安全 任何一种转基因作物都存在对生态环境产生冲击的可能性 五 我国现代生物技术农业上的应用现状五 我国现代生物技术农业上的应用现状 农业生物技术已经成为新的农业科技革命的强大推动力 不仅在实现传统农业向现代 农业跨越中发挥重大作用 而且将成为本世纪解决食物安全 生态环境 资源保护等重大 社会与经济问题的有效手段 正在成为新的经济增长点 在我国 现代生物技术在以上几 方面的应用也取得了显著进展 如目前我国正在研发的转基因植物达 47 种 转基因鱼 畜 禽动物及正在研究的已达 30 余种 研究成功的两系法杂交水稻已经为粮食增产做出了巨大 贡献 各种抗病性 抗逆性等动植物品种也通过转基因方法获得 我国在转基因育种 动 植物优良品种培育 生物农药等发面都取得了突破性进展 六 我的认识六 我的认识 如今 世界人口增长的很快 所以需要的粮食越来越多 同时 商业工业的快速发展 让本来就少的耕地越来越少 这点在我国尤为严重 中国有 14 亿的人口 但可用耕地确越 来越少 与此同时中国的房产业也占了大量的土地 中国因滥砍滥伐和过度放牧导致水土 流失和土地荒漠化严重 开始大力开展退耕还林 还草 这样一来土地资源越来越少 如 何解决吃饭问题就尤为严重 而生物技术解决粮食问题是很有前途的 这一点袁隆平的杂 交水稻是个很好的例子 袁隆平的杂交水稻让中国十亿多人解决了温饱问题 用 5 的土地 养活了世界 22 的人口 这就是生物技术的魅力所在 生物技术可以解决我们的温饱问题 是最朴实的问题 同时也可以看到生物技术的潜力 他有希望解决全世界的粮食问题 可 以让非洲人民都可以吃饱饭 说不定未来的某天 我们可以光吃米饭就可以摄取人体所需 的能量 同时它还有不同的口味让我们选择 而且 生物技术可以运用在养殖业上面 动物的育种和繁殖可以用生物技术解决 生 物技术可以保留良种家畜 让养殖的人们用更少的钱但是让家畜更加优良 卖的钱更多 肉质更好 生物技术应用在牧业领域中 可以达到提高牧产品产量 改善产品品质 简化 生产过程 协调牧业生产与人类生存环境的关系的目的 农业生物技术有可能成为农业资 源可持续利用的核心技术 给农业生产带来革命性的变化 据联合国有关机构预测 全世 界范围内农业生物技术所带来的直接产值 在 2005 年可达 60 亿美元 到 2010 年将超过 200 亿美元在养殖业中利用基因工程 细胞工程等培育动物新品种 运用基因重组生产基 因工程疫苗 畜禽生长激素 动物胚胎移植 饲料添加剂等技术和产品 为现代养殖业的 发展开辟了广阔的领域 说不定在未来的某天 真的可以完成高中生物书上画的 奶牛只 用晒晒太阳 就可以挤出牛奶来 生物技术产业是 21 世纪最具潜力的产业 其发展之迅速 能够之剧烈 以及对传统农业生 产影响之大 都是前所未有的 如今 生物技术被世界各国视为高新技术 它对提高综合 国力 帮助解决人类所面临的食品短缺 健康 环境及经济问题至关重要 所以许多国家 将生物技术确定为增强国家经济实力和综合实力的关键性技术之一 尤其是美国 现在生 物技术产业是美国的支柱 现在美国的生物技术所占比例是世界的 90 多 所以说中国的 生物技术的还是很稚嫩的 我国需要大力发展生物技术 再说 现在近 20 年现代生物技术 的发展取得了世人瞩目的成就 在农业生产领域展现了广阔的发展前景 目前 世界正面 临着人口剧增和食品短缺的严重危机 农业生产受到的压力也日益增强 发展和应用现代 生物技术 是解决当前世界所面临的粮食 人口 污染等重大问题 发展现代化农业的必 由之路 虽然现在都在怀疑转基因产品的安全问题 很多人反对其食用的安全性 其论据是站 不住脚的 据调查 美国那边自己也在吃转基因食物 并不是自己国家不吃 全