第18章生物技术与动物育种

主讲人：成述儒,联系信息电话mail:chengsr,第18章现代生物技术与动物育种,理论教学,第一节生物技术概论,生物技术（Biotechnology）概念的提出与发展,生物技术经典分支领域,基因工程（geneengineering)细胞工程(cellengineering)酶工程(enzymeengineering)发酵工程(fermentationengineering),基因工程,基因工程的理论依据不同基因具有相同的物质基础基因是可切割的基因是可以转移的多肽与基因之间存在对应关系遗传密码的通用性基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代,基因工程的基本流程,基因工程研究进展,成就：在医药领域在农业领域在工业领域研究进展：理论研究方面实际应用方面,细胞工程,主要技术:动植物组织细胞培养技术细胞融合技术（也称细胞杂交技术）细胞移植技术染色体技术等,淋巴细胞杂交瘤产生单克隆抗体,体细胞克隆,“多莉（Dolly）”的产生,举例,2004年2月15日，美国爱达荷大学的研究人员在西雅图的美国科学年会上展示三头克隆骡子,世界首例成年体细胞克隆水牛2005年3月17日在广西大学“863计划”良种牛南方繁殖中心诞生,2005年4月24日韩国科学家培育出首只克隆狗“史纳皮”（snuppy）,我国第一头体细胞克隆猪诞生经中国农业大学李宁教授领导的课题组一年多的科技攻关，2005年8月5日，我国第一头体细胞克隆猪终于在河北省三河成功诞生,2005年12月8日中国科学院动物研究所用山羊克隆的一只亚洲黄羊(左)与普通山羊一起在山东临沂亮相,国际首例体细胞异种克隆亚洲黄羊临沂降生,世界冠军赛马“斯卡普”被克隆成功世界速度赛马冠军查尔马妮詹姆士2006年11月16日对外宣布，她向德克萨斯州奥斯汀的ViaGen公司支付了15万美元,在四次尝试失败后，最终在今年8月8日成功克隆了她的赛马夺得过十项世界冠军的“斯卡普”，产下小马驹“克莱顿”,东北农业大学刘忠华教授带领的课题组，把水母绿色荧光蛋白基因转移到猪胎儿成纤维细胞的基因组中，再把转基因体细胞的细胞核移植到成熟的去核猪卵母细胞中构建成转基因胚胎。再将其植入受体母猪，经过114天的发育，2006年12月22日成功培育出国内首例绿色荧光蛋白转基因克隆猪,中国首例绿色荧光蛋白转基因克隆猪问世,发酵工程,发酵类型:,微生物菌体发酵微生物酶发酵微生物代谢产物发酵微生物的转化发酵生物工程细胞的发酵,发酵工程的应用,医药工业,抗生素、维生素、激素疫苗和菌苗等,食品工业,微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类食品添加剂（柠檬酸、乳酸、天然色素等）,能源工业,酒精沼气氢能,化学工业,可降解的生物塑料化工原料（乙醇、丙酮、丁醇、癸二酸等）生物表面活性剂及生物凝集剂,冶金工业,黄金开采和铜、铀等金属的浸提,农业,生物固氮生物杀虫剂微生物饲料,环境保护,使用生物肥料，生物杀虫剂降解有毒物质净化废水废气，处理石油污染,酶工程,研究内容:酶的发酵生产酶的分离与纯化酶的固定化技术酶修饰改造技术酶反应技术,生物技术安全,举例:转基因食品安全生物武器克隆人引发的伦理道德问题,第二节细胞层面的生物技术与动物育种应用,人工授精,人工授精对畜禽改良的重要性人工授精技术要点人工授精技术发展现状与应用前景,胚胎移植技术,胚胎移植技术在畜种改良中的重要性胚胎移植的基本原则和技术程序,奶牛MOET育种方案,性别控制技术,性别控制（sexcontrol）是指通过人为地干预并按人们的愿望使雌性动物繁殖出所需性别后代的一项繁殖新技术。,性别控制研究方法受精前性别控制:受精前将x精子Y精子分离细胞流式分选法,流式细胞检索分离技术进展与问题,2007年4月中国金牛集团XY种畜（天津）有限公司分离速度达到每秒40007000个精子每台分选仪器每小时生产56枚性控细管精子（每细管含有效精子200万个）分离后获得的X精子纯度在90%以上输精配种后的产母犊率在90%以上主要问题受胎率较低，50%左右。原因有待进一步探讨（如每剂所含有效精子数较少？精子活率达不到输精要求？）染色剂对精子的影响：,胚胎的性别鉴定:SRY-PCR鉴定法,动物细胞核移植技术,核移植及克隆技术的发展核移植（nucleartransplantation）是将发育不同时期的胚胎或成体细胞核显微注射至去核卵母细胞透明带下，再经过细胞融合移植到去核卵母细胞中，或直接将体细胞的核注入去核卵母细胞质中，构成重组胚胎的技术。,核移植技术及影响因素:供核细胞因素的影响受核细胞因素的影响动物种属差异的影响,多莉羊的生产过程和克隆动物意义体细胞全能性无性繁殖的可能性濒危动物种质资源保护提高生产转基因动物的效率,第三节分子层面的生物技术与动物育种应用,分子遗传标记技术遗传标记及其发展遗传标记（geneticmarker）是指可准确鉴别并可用于反映个体特异性的遗传特征。理想的遗传标记应具备：高度多态性，即群体中有多种基因型存在。多态程度越高，个体之间在标记上就越能表现出差异，所提供的信息就越多。数量多，而且均匀地覆盖整个基因组。测定不受年龄、性别、环境等因素限制。共显性，能够准确判别所有可能的基因型。,1.表型标记方法包括:形态学标记、细胞学标记、免疫学标记和生化标记2.DNA标记第1代标记限制性片段长度多态性方法第2代标记小卫星，微卫星DNA标记第3代标记单核苷酸多态性标记,主要分子遗传标记方法,限制性片段长度多态性：基因组DNA经特定限制性内切酶酶切后，形成大小不等、数量不同的分子片段，该特异DNA片段经电泳分离，通过Southern印记法将DNA片断转移至支持膜（尼龙膜或硝酸纤维素膜）上，然后用放射性同位素或非同位素（如地高辛、荧光素）标记的探针与支持膜上的DNA片段杂交。不同基因组DNA因为在检测区域内发生了点突变、片段缺失、插入或重排等，导致酶切位点发生改变，使得RFLP谱带表现出不同程度的多态性，从而构建出多态性图谱。,RFLP的优点：RFLP由限制性内切酶切割特定位点产生，故标记结果可靠，重复性好；RFLP标记位点的等位基因间呈共显性，通过杂交后电泳带型可以直接区分杂合子与纯合子；RFLP通过酶切反应来反映DNA水平上的所有差异，因而在数量上无限制；无表型差异。但是RFLP标记也有一定局限性，如操作过程复杂，相对费时；在检测中需用放射性同位素；多态信息含量低等等。,小卫星标记和微卫星标记,微卫星结构TGCCTTCTACCAAATACCCCACACACACACACACACAGGTGTTGCTTCTCTCAGGAAGACACGGAAGATGGTTTATGGGGTGTGTGTGTGTGTGTGTCCACAACGAAGAGAGTCCTTCTG,微卫星DNA主要用于：绘制各种生物的基因组图谱。在生物学或生物的进化关系方面，微卫星对亲子分析和品种划分很有用。作为一种工具估测生物群体的近交水平。群体内的微卫星变异可用于评估群体大小、群体间的基因流并进而阐明群体间的遗传相关和遗传差异。微卫星变异也被用于研究近缘物种间的杂交程度。微卫星还可用于近缘物种的进化史分析。,单核苷酸多态性标记(SNP),SNP具有以下特征：高密度代表性易实现自动化分析,单链构象多态性(SingleStrandConformationPolymorphism,SSCP),SNP主要用于：遗传作图进化分析位点标识疾病检测,线粒体DNA标记,分子遗传标记在动物育种中的应用,标记辅助选择个体及群体亲缘关系的鉴定种质资源的遗传评估、监测、保护和利用构建动物遗传图谱,动物转基因技术,动物转基因技术及用途目前主要采用反转录病毒法、显微注射法、胚胎干细胞法、精子载体法等方法。目前转基因动物的用途主要有开展畜禽品种改良、构建生物反应器、建立疾病模型、基因治疗和发育调控、器官移植等。,动物转基因技术的主要问题:生产转基因动物需要高水平DNA操作动物转基因技术效率低基因的非定向整合和非可控表达限制了转基因动物的用途。,转基因动物育种,转基因动物具有自身的优点：将理想的遗传物质直接转入染色体中，扩大了种内的遗传变异，且不受有性繁殖的限制，实现基因在物种间的交流；可以形成价值很高的新的经济性状和其他性状；可将高性能种质资源的畜种有利基因导入低性能畜种中，以淘汰其不利基因，为选育新品种或类群提供最有效的途径；可开展畜禽抗病育种，充分利用现有畜种的抗性资源，全面提高畜禽生产效率。,就目前的技术水平而言，要使动物转基因技术成为一项育种技术，还有许多问题亟待解决:目的基因有哪些？转基因技术自身的问题（如上所述）被转移基因的稳定遗传问题建立纯合的转基因动物育种系的问题,基因组学技术,基因组（genomics）学是美国的RoderickH于1986年提出来的。研究基因组的结构与功能的科学就是基因组学。基因组表示一个生物物种所有染色体的总和；从分子遗传学角度讲，基因组表示一个生物物种所有核酸分子的总和。为便于理解，采用现代生物学定义，即指一个物种结构与功能的所有遗传信息的总和就是基因组。,人类基因组计划,1987年，美国国立卫生研究院和美国能源部联合提出了人类基因组计划（HGP），于1990年正式启动,目标：完成人类基因组全部DNA序列测定,人类单倍体基因组含30亿碱基对(bp)的DNA序列，包括约2.6万个基因，分布于22条常染色体和X、Y性染色体。,基因组的结构,13蛋白编码基因,结构基因组四张图物理图转录图遗传图序列图,功能基因组,任务：利用结构基因组学中已有的信息，建立与发展各种技术和实验模型来测定基因及其非编码序列的生物学功能研究方法：序列比对技术基因表达分析技术蛋白质产物分析技术基因定位进展：,基因组进化,任务：比较不同物种基因组的异同，分析生物基因组进化关系研究方法：系统发育谱法（phylogeneticprofilemethod）基因邻居法（geneneighbourmethod）进展：,基因组学技术及意义,基因组学技术全自动核酸测序技术、分子遗传标记技术、功能基因组学技术、全基因组分析技术、比较基因组分析技术、蛋白质组学技术、生物芯片技术等意义鉴定新基因、分析基因功能表达谱、分析非编码区信息结构、设计蛋白质分子和药物、研制新药、基因诊断和基因治疗、动植物遗传改良和新品种选育等方面，有着不可替代的重要用途。,生物信息学技术,生物信息学（Bioinformatics）是指通过对生物学实验数据的获取、加工、存储、分类、检索与分析，以达到揭示生物学数据（大分子信息）所蕴含的生物学意义的目的。生物信息学的内涵比较丰富，但其核心是基因组信息学。包括基因组信息的获取、处理、存储、分配和解释。,生物信息学研究内容生物信息的收集、存储、管理与提供基因组序列信息的提取和分析功能基因组相关信息分析生物大分子结构模拟和药物设计生物信息分析的技术与方法研究应用与发展研究,生物信息学基本理论和常用软件,基本理论多重排列相似性搜索分类和种系发生学生物信息学软件序列对比软件进化分析软件基因组序列分析工具PCR引物设计程序,PCR引物设计软件,“,MVSP软件（主成份分析）,StructureandDistructure软件（遗传结构推导）,K=2,K=3,Network软件（网络关系分析）,基因芯片技术,生物芯片（genechip）技术是20世纪90年代中期以来随人类基因组计划的进展而快速发展起来的以基因芯片为先导的高新技术。是一种小型的分析装置,通过微加工和微电子技术在固相基质表面构建微型生物化学分析系统，实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物分子开展准确、快速、高通量检测。生物芯片分为三大类，即基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室，目前以基因芯片技术的发展为主流。,基因芯片原理,基因芯片技术主要包括4个基本技术环节芯片微阵列制备样品制备生物分子反应信号的检测与分析,基因芯片技术,生物信息学应用前景：生物信息学是分析处理生物分子信息、揭示生物分子信息内涵的一项技术。通过这项技术，将基因的序列与功能关联起来，认识基因在表达调控、机体分化等方面的生物学意义；揭示生物遗传进化、生长发育、分化衰老等许多生命现象的奥秘；深入了解人类及畜禽疾病的物质基础及发生、发展过程；开发基因诊断、治疗和基因工程药物并用来预防、诊断和治疗各种遗传性疾病，这些都是现代生物技术所面临的最大挑战。随着各种生物基因组研究工作及各项生物技术的不断发展，生物信息学将会发挥越来越重要的作用，如对畜禽种类性状的分子遗传标记、基因定位、动物转基因育种技术等产生重大影响。,案例教学,案例一,根据基因工程研究技术路线图谈谈目的基因获取的方法有哪些？,案例分析从基因工程技术路线图可以看出目的基因的获取有5种方法:直接酶切（较为常用）PCR扩增（较为常用）基因组文库cDNA文库人工合成,案例二转基因动物的生产过程复杂，而且转基因效率也不高，如何识别转基因动物？影响转基因效率的因素有哪些？,案例分析1个体水平鉴定根据性状特征和生理特征2细胞和组织水平鉴定检测报告基因在细胞或组织中的表达，如荧光素酶基因等3分子水平鉴定PCR法（如实时荧光定量PCR技术）,DNA杂交技术,DNA测序技术,DNA芯片技术等。关于转基因技术效率低的原因，在上课过程已提到，需要同学们在课后查阅资料，做完善和补充。,案例三转基因动物生产报道3则如转基因牛，羊，猪，马等，从这些实例出发，简述转基因动物生产的技术流程。,案例四从人类基因组学研究进展中分析畜禽基因组学研究的差距。如何更好地实现畜禽基因组快速有效地发展？,案例五动物分子