基因工程在食品工业中的应用课件

,一、基因研究的发展过程二、DNA的组成、结构和功能三、基因工程的概念及主要内容四、工具酶和基因载体五、基因工程的基本技术六、基因工程在食品产业中的应用,6.1基因工程在食品产业中的应用,改造食品微生物改善食品原料的品质生产功能性食品,（1）利用基因工程改造食品微生物,改良微生物菌种,面包酵母中的麦芽糖透性酶、麦芽糖酶基因,产品品质提高,大麦中的-淀粉酶基因导入啤酒酵母,直接利用淀粉发酵，简化工序,乳酸菌中的耐药质粒,保证食品安全性,小牛胃中的凝乳酶基因导入细菌或真核微生物,提高产品产率,（2）利用基因工程改善食品原料的品质,动物食品原料,生长速度快、抗病力强、肉质好的转基因动物,植物食品原料,碳水化合物改良,蛋白质改良,油脂改良,改变淀粉组成及含量,提高必需氨基酸的含量改善蛋白质的加工性能,增加脂肪酸的饱和度降低脂肪酸的饱和度,增强果蔬食品的贮藏性和保鲜性能,改善园艺产品的采后品质,改良主要营养元素,提高牛乳的热稳定性,改善食品加工特性,（3）利用基因工程生产功能性食品,功能食品是指具有与生物防御、生物节律调整、防止疾病、恢复健康等有关的功能因素,经设计加工,对生物体有明显调整功能的食品。例如，食品疫苗是将某些致病微生物的有关蛋白质(抗原)基因,通过转基因技术导入某些植物或动物受体细胞中,并使其在受体细胞中得以表达,从而使受体植物或动物直接成为具有抵抗相关疾病的疫苗。食品疫苗与传统的注射疫苗相比,有更大的优越性,如成本低、安全性好,易推广等。现在这一研究已取得了令人鼓舞的成果。,三、基因工程的应用1973年基因首次克隆成功以来，基因工程应用广泛。医药：基因工程菌生产药物基因疗法基因诊病食品、工程菌生产食品添加剂、色素、无壳鸡蛋白（卵清蛋白）发酵工业：生产氨基酸、蛋白质饲料化学工业能源环境保护矿产开采农业：分子育种、生物因氮、生物农药、畜牧兽医,（一）多聚酶链式反应及其应用它从复杂的DNA分子群体中选择性地复制一段特异的序列，使某一DNA片段得到特异性的扩增，是DNA特定片段体外扩增技术。过程：提取总DNA片段变性单链模板引物、核苷酸、聚合酶等合成互补链应用：测病,切割,（二）蛋白质工程根据蛋白质结构研究结果，设计一个新蛋白质的氨基酸序列，通过修饰编码原蛋白质的DNA序列，最后创造出新的蛋白质的技术。是运用基因工程全套技术，按人的意志设计创造出适合人类需要的不同功能，不同性能的新的蛋白质。,过程：测蛋白质结构功能获编码设蛋白质的DNA序列按蛋白质结构与作用机制设计改造方案选择适当修饰点，改造基因序列改造后基因片段插入表达分离纯化表达产物，功能检测新的蛋白质,(三)生物固氮1、概况氮是植物生长必需的主要营养元素，农业增产的关键。氮是人类赖以生存的蛋白质食物主要成份。植物氮来自：天然固N工业合成生物固N（微生物）工业生产氮肥：耗能费大环境污染,2、固氮菌类型（1）自生固氮微生物（2）共生固氮微生物（3）联合固氮微生物在各类群中，以共生固氮微生物为多，其中又以根瘤菌和豆科植物共生固氮最重要。,3、固氮菌固氮原因氮分子是三个共价键将两原子联结而成，性质很稳定，要打开化学键特别是第一条键耗能最大，要转化成植物可吸收的NH3需耗很大能量。固氮微生物自然N2NH3（细胞内外都常温常压固氮酶可进行）固氮酶特点：极怕氧，无氧条件下才有固氮活性，遇氧中毒（蛋白变性）迅速失去活性。固氮微生物固氮遗传功能的单元是固氮基因。,4、当前生物固氮的研究方向固氮细菌（如根瘤菌）感染非豆科植物，将自然界现有共生固氮体系扩大到非豆科作物上，创造新的共生固氮体系，使非豆科植物固氮。通过基因工程、细胞工程转移固氮基因，构建自身能固氮的植物。（1）将共生固氮根瘤菌引入非豆科植物，形成共生固氮体系。有植物激素诱导法、酶解法,激素诱导法：小麦砂培23片叶接种根瘤菌在含2，4D的培养液中培养2，4D引导根瘤菌进入小麦根内酶解法：纤维素酶、果胶酶降解根毛细胞壁，引导根瘤菌进入。,（2）通过基因工程转移固氮基因途径是首先将固氮基因转到一载体上，再将载体导入植物细胞：以叶绿体作载体农杆菌作载体现在进展是将固氮基因大肠杆菌（属原核生物，转入固氮基因后产生固氮活性）酵母菌（属真核生物，失去固氮活性）,（四）生产农药、生物肥料生物农药：由生物体产生的具有防治病虫害和除草功能的一大类物质总称。他们的大多数是生物体代谢产物。生物农药包括：微生物杀虫剂农田抗生素制剂微生物除草剂优点：对人畜及害虫的天敌，没有或有极小毒害作用；有效控制病虫害和杂草；保持生态平衡，减少化学污染，可进行生物降解。,1、杀虫剂：病原微生物（细菌、病毒、真菌）及其产生的毒素，有微生物杀虫剂、动物杀虫剂。微生物杀虫剂病毒杀虫剂核型多角体病毒质型多角体病毒颗粒体病毒细菌杀虫剂：苏云金杆菌杀虫剂金龟子芽孢杆菌真菌杀虫剂虫霉类真菌造成僵病的真菌动物杀虫剂原生动物杀虫剂线虫杀虫剂新线虫草线虫,杀虫剂,昆虫病毒基因工程改造：主要对杆状病毒改造，因其基因组较大（80-160Kb）插入外源容量大，插入外源基因表达水平高，表达产生正常糖基化，具与天然蛋白相似的抗原性和功能。引入外源蛋白基因到杆状病毒，增其毒性，如非洲毒蝎的特异性神经毒素基因到杆状病毒，使昆虫麻痹，喂蜈虫残废率达55%。引入于扰虫正常生活周期基因到杆病毒，虫食后未成熟状停取食或失水死亡减少作物受害。,修饰杆状病毒基因扩大宿主范围，如：斜纹夜蛾核型复角体病毒x甜菜夜蛾核型复角体病毒扩大宿主范围。,2、杀菌剂细菌和放线菌真菌和病毒抗生素通过拮抗作用抑制植物病原物生长。基因工程改造抗病细菌：删除导致防病能力下降的基因分离编码毒素基因，转移到：（1）植物根部生活或在植物内部寄生的细菌中表达；（2）植物体内。,3、生物除草剂杂草的病原微生物有真菌、线虫、病毒等。4、生物肥料：人工选育某种“有益菌”，经发酵浓缩等工艺制作而成有：直接促植物生长：从大气中固氮增加Fe、P矿质元素吸收合成植物激素间接促植物生长：有益微生物阻止有害微生物的生长（抗生现象这是由于有益微生物耗尽某种营养，或释放某种有害微生物生长的物质）。,（五）分子育种1、意义、概念：通过杂交育、诱变育种等方法使基因重组、基因突变、染色体数目变化，引起作物产生变异，传统的常规育种方法存在以下问题：同源性限制远缘杂交重组分离难得到双亲性状在个体水平上，根据表型进行选择分子育种：在分子水平上按预先设计的蓝图，借助实验室技术，将某种生物的基因或基因组转移到另一生物中去，使后者定向地获得新的遗传性状，培育新品种。,2、内容分子育种包括二个层次的生物工程技术：（1）外源DNA导入技术第一层次将带有目的基因的DNA片段导入植物，筛选获得目的性状的后代；（2）基因工程技术第二层次将目的基因分离出来，构造重组分子导入植物筛选获得目的基因表达的后代、培育新的品种；第二层次的工程技术，技术高、复杂、难度大，要有一定财物力。,3、外源DNA导入技术其步骤有DNA获得及外源DNA导入。（1）DNA获得：DNA特性：细胞内的DNA、RNA都是以核旦白的形式存在；不稳定易高热、强酸、强碱、紫外光、电离辐射影响而变性或降解；细胞内的RNA酶、DNA酶在分离提取DNA过程中，DNA、RNA会被降解。,抽提植物总DNA的原理：先用机械的方法使组织和细胞破碎；加入离子表面活性剂溶解细胞膜和核膜蛋白，使细胞膜和核膜破裂；进入核内的表面活性剂解聚核中的核蛋白，并与蛋白质形成混合物，使核DNA释放出来；加入表面活性剂，使蛋白变性，离心除去上清液，加入无水乙醇使DNA析出絮状沉淀。步骤：研磨抽提蛋白质变性DNA沉淀缓冲液溶解去RNA总DNA溶液。,（2）导入方法a、以花粉作为DNA载体导入花粉萌发时吸收DNA溶液后授粉或外源DNA溶液与花粉混合授粉，通过授粉作用外源DNA导入受精卵中。b、微量注射法用玻璃毛细针借助微量进样器，将外源DNA注入自花授粉后的胚珠中轴胎座禾谷类作物乳熟期硕果c、花粉管途径法受体植物自花授粉后一定时间，将供体DNA从雌花柱头引入子房，使其沿着花粉管生长时在花柱中开辟的通道进入胚囊，转化受精前后的卵细胞。d、浸苗法,4、导入技术的验证外源DNA导入棉花、水稻、小麦等作物，可见形态特征生理特性变异，为更确切了解其技术的效果，进行分子验证。5、导入技术评价优点：转化率高不需细胞、原生质体等组培、诱导再生植株方法简便，易掌握育种时间短缺点：可能带入非目的性状限开花时期进行有一定随机性,(六)转基因作物的安全性评价（GMC）,1.GMC作物的种植情况:a.通过基因工程可将单个或一小簇基因转入植物体，获得转基因植物，对作物进行改良。b.1986年获得第一株抗除草剂榻基因烟草植株。c.最常改良的性状：抗除草剂、抗虫、品质、抗病毒、抗真菌，抗逆（寒冷，盐碱）。d.到1997年底全球12个作物6类性状批准了48个转基因作物种商业化生产。,第一个被批准商业化生产的品种是美国的Calgene公司开发的延熟番茄。1996年全球种转基因作物面积280公顷;1997年全球种转基因作物面积1280公顷;1998年全球种转基因作物面积2780公顷;1999年全球种转基因作物面积3990公顷。主要种植国家：美国、中国、阿根廷、加拿大、澳洲和墨西哥。,由于转基因作物广泛种植产量增加，减少使用农药除草剂，带来了巨大的经济效益。国际农业生物技术应用机构统计和预测全球转基因作物获利：2000年30亿美元；2005年达到80亿美元；2010年280亿美元。今后转基作物将继续发展，长远研究主要是基因控制的，非生物性的胁迫性状。如：抗旱、耐盐、耐铝性等。我国农业基因工程研究于80年代初期后开始启动，到1996年底我国正在研究的转基植物种类达47种，涉及各类103个。,商品化生产6种转基植物：1.华中农大转基耐烂番茄2.北京大学转查尔酮合成酶基因矮牵牛抗病毒甜椒抗病毒番茄。3.中国农科院抗虫棉花美国抗虫棉4.广东省农科院华农大2000抗青枯病辣椒株系。5.广东（科院单位高校）获水稻、沙田柚、马铃薯10个作物转基成功。,2.转基因植物安全性的提出随着转基因作物商品化发展，转基因作物的生态风险，可能带来的环境问题，GMC产品的遗传学或营养成分的非预期的改变，对人类健康是否产生潜在危害，产品贴标签问题，运输，国际贸易问题，知识产权问题等已引起世界性的所谓“生物安全”的论战。,对GM食品安全性担忧有几方面：GM食品携带的抗抗生素基因是否使动物，人的肠道病原微生物产生耐药性；抗虫作物是否有残留的抗虫内毒素，对人健康有害否；抗除草剂的GMC是否导致除草剂用量增多（农药残留造成污染）抗基因是否飘移到杂草上；抗病毒GMC引入病毒外壳蛋白基因是否对人体有毒，GMC是否存在过敏原。,3.GMC及GM食品安全性的评价：对于以上问题有些是需要澄清，有些需要严格试验，有些需要有效监测。对抗虫GMC的内毒性对人体的毒害。GM食品所有的抗生素标记是否对人体产生抗药性问题。对于除草剂抗性问题。抗病毒GMC引入病毒外壳蛋白基因。GMC是否存在过敏原。,常见过敏食物过敏食物分不常见过敏食物对GMC和GM食品的安全评价应达到以下共识：1GMC广泛种植已带来巨大经济效益，社会效益，对解决世界人口对粮食增长40%的需求发挥巨大作用。2GMC，GM食品安全性应着重从宿主、供体（提供、接受GM的分类、基因型、表型）、载体、插入基因、基因表达产物对食品营养影响等进行考察，考虑鉴定，并与传统食品比较。食用后人体、生物体生长发育、繁殖有无障碍