生命科学与农业

第六章生命科学与农业一、粮食危机挑战社会文明“民以食为天，食以粮为先”粮食安全是国际社会永恒关注的焦点之一。能源危机、人口增长、环境污染严重和自然灾害等一系列复杂问题的负面影响波及到全球各个角落。（一）粮食安全的概念1996年11月，第二次世界粮食大会通过的《罗马宣言》和行动计划，又对“粮食安全”的作了表述：“只有所有人在任何时候都有能够在物质上和经济上获得足够、安全和富有营养的粮食，来满足其积极和健康生活膳食需要和食物喜好时，才实现了粮食安全。”（二）粮食安全的含义1

、要有效供给

(

有充足的粮食)；2

、是要有效需求

(

有充分获得粮食的能力)；3、是要保证此二者的可靠性。已被联合国、世界银行等多个国际机构和、科研人员所普遍认同和采用。粮食安全的本质粮食安全是指一个国家满足粮食需求以及抵御可能出现的各种不测事件的能力。决定性因素是粮食生产及消费的能力和水平，同时和国家经济发展水平及外贸状况有着密切的联系。（三）粮食安全的衡量标准：FAO给出的粮食安全衡量标准：①是粮食生产上的安全，国家粮食的自给率必须达到95%以上；②是粮食消费上的安全，年人均粮食达400公斤以上（500公斤）；③是粮食储备或粮食库存应该达到本年度粮食消费的18%，而14%是警戒线，低于14%为粮食紧急状态。（四）中国粮食安全的5个主要指标：①粮食库存安全系数：稳定在20

～

25%左右为宜。粮食年末库存量保持在1000～1250亿公斤；②粮食产量波动系数：粮食产量年波动幅度应稳定在2%左右。粮食常年生产能力应该保证在4850亿公斤以上；③粮食外贸依存系数：保持在5%左右，可在适度范围内提高；（四）中国的粮食安全5个主要指标：④人均年粮食占有量：保持在385～400公斤（低于FAO的标准）。研究表明，人均粮食370公斤就能够基本满足目前的食品消费需要。但是FAO认为，随着居民收入增加和粮食贸易进一步发展，2006～2015年全球人均粮食消费量将继续提高。因此，人均400公斤仅可以作为国家调控粮食安全的基本参考线；⑤贫困人口粮食安全的最低要求：保证温饱（人体最低热量摄入标准为每人每天2100大卡，其中粮食每人每年220公斤）。（五）我国粮食和食品安全面临的严峻挑战

消费需求呈刚性增长

耕地数量逐年减少

水资源短缺矛盾凸现

供需区域性矛盾突出

品种结构性矛盾加剧

种粮比较效益偏低

全球粮食供求偏紧二、粮食安全呼唤农业革命1、人类农业活动的三大发展展阶段：2、发展现代农业甚至后现代代农业3、生态农业是现代农业发展展的制高点1、人类农业活动的三大发展阶段：第一个阶段是原始农业阶段，持续了大约7000年，是刀耕火种的原始操作，主要是熟荒、撂荒，基本本只有种和收两个环节。特点在于只取不给，土地营养平衡完全靠自然植被被的自我恢复；1、人类农业活动的三大发展阶段：第二个阶段是自给自足的传统农业阶段。持续了近3000年，主要是以人力、畜力为动力，以人粪尿、动物粪便、绿肥等有机肥为土地提供营养；采用间作、轮作、套作等方式来充分利用土地资源进行农业

生产。注意到了保持地力常新和顺应自然规律、天时地利来进行农业生产。但是由于以人畜力为主，劳动生产低效；对自然的依附状态不能得到改善；难以在较大规模上合理充分利用自然资源以及进行林、牧、农、渔的综合生产。1、人类农业活动的三大发展阶段：第三个阶段是19世纪40年代开始的集约化生产。历时约150多年至今，鼎盛于20世纪60年代。其特点是以机械化、水利化、化学化和电气化来进行农业生产；直接和间接依赖石化能源；农业劳动生产率大大提高；土地生产率和农产品商品率提高（在美国，1％的人种粮）。问题在于：高输入、高能耗，加剧世界能源危机；机械化耕

作与不合理的种植导致严重的土壤流失；化肥和农药用量上

升，但大部分进入了环境，引起严重环境污染；单一种植使生生态失衡，引发大规模病虫害；人工创造的高产品种广泛取

代了各地农畜品种的多样性，使后者的基因快速灭绝。2、发展现代农业内涵是以统筹城乡社会发展为基本前提，以“以工哺农”的制度变革为保障，以市场驱动为基本动力，用:现代工业装备农业、现代科技改造农业、现代管理方法管理农业、健全的社会化服务体系服务农业，实现农业技术升级、结构转型和制度变迁，使农业成为现代产业部门的一个重要组成部分和支撑农村社会繁荣稳定的产业基础。现代农业发展与传统农业的区别：现代农业是以现代科技为支撑的创新农业，广泛采采用以现代科学技术为基础的工具和方法，并随现现代科学技术的发展不断改造升级，同时农业技术术的发展也促使农业管理体制、经营机制、生产方式、营销方式等不断创新。彻底改变了传统经验农业技术长期停滞不变的局面。3、生态农业是现代农业发展的制高点生态农业是指在经济和环境协调发展原则下，总结结吸收各种农业生产方式的成功经验，按生态学、生态经济学原理，应用系统工程方法建立和发展起来的农业体系。生态农业一般具有8个原则：①

战

略略性：

用农业

发发展的

长长远眼

光光来制

定生态农业战略；②

地

域域性：

按照自

己己的地

域域特色

和和特有

农来设计能发挥当地优势的生态农业模式；③

多

样样性：

注重品

种种和栽

种种的多

样样性，

利和能量的充分利用和减少病虫害；④

整

体 体性：

注重农 、

、林、 牧

牧商、运输等方面整体发展；生态农业一般具有8个原则：⑤协调性：注重林、田、水、草等与经济、技术术、生态环境有机配合；⑥

层

次次性：

利用生

物物界的

食食物链

关关系来

设生产模式，由此获得多方面收益；⑦

高

效效性：

重视提

高高植物

中中储存

的的太阳

能率，充分合理利用其它自然资源；⑧

持

续续性：

重视保

护护资源

和和合理

利利用资

源资源利用率，使资源利用具有持久性。三色生态农业绿色农业是指传统的种植业，以水、土和阳光为基础。绿色农业的发展方向是利用生态农业技术和可持续

发展技术发展生产，实现高效的物质能量循环和生

产资料的加工和转换，保持环境、生态与经济的协调调发展。三色生态农业蓝色农业以海洋为基础，是对海洋和浮游生物等资源进行综

合利用的特色农业，重点就是海洋和海水的养殖业。海洋资源是世界上最丰富的资源，积极开发利用海洋资源将是保持农业可持续性发展的重要举措。海洋占地球表面的71％，是地球巨大的生物资源宝库。人们已不怀疑，蔚蓝无际的海洋将是21世纪人人类的第二粮仓。中国有18000多km大陆海岸线，近海水深在200m以内的大陆架至少有约1.47亿hm，超过陆地耕地总面面积。三色生态农业白色农业是指微生物农业以及酶工程等等，是以基因工程等高科技发展微生物的资源工程农业。它通过优化配置微生物资源，利用微生物坚韧的繁殖生产能力，在工厂化条件下生产植物、动物所必需的营养品

和保健品。因为生产过程非常严格，分子操作常在白色的小试管中而且操作者穿着白色的衣服，所以形象地称之为“白“色农业”。4、杂交稻或是解决粮食危机关键杂交优势利用是选育高产优质新品种的最有效最成成熟的方法之一，它在未来选育新品种工作中仍将将起重要作用。杂交优势的利用最为成功的是中国的杂交稻。杂交水稻70年代育成并应用于生产以来，种植面积逐年扩大，产量持续增长。种植面积发展到3亿多亩亩，平均亩产500公斤以上，最高亩产达1000公斤。农业的出路何在？邓小平同志明确指出：“将来农业问题的出路，最终要由生物工程来解决，要靠尖端技术”。”钱学森院士提出：“21世纪30年代，人类社会将进入入第六次产业革命，即现代生物科学技术革命，主主战场在大农业”；诺贝尔奖获得者美藉华人科学家李远哲说：“人类经历了工业化和信息化两次产业革命之后，下个世纪的科技增长点应是生物技术”。”三、分子育种武装现代农业杂交育种已经给农业带来了巨大的革命，下一场革革命就进入分子水平了。目前最新的育种技术是有“白色革命”之称的分子育种技术。植物分子育种技术为物种间和属间甚至科间远缘遗遗传物质的导入和交换，进而为快速培育高产、多多抗和优质的新品种提供有效的育种途径。1、分子育种广义的分子育种①外源DNA导入植物的技术：即将带有目的性状的基基因的供体总DNA片段导人植物，筛选获得目的性

状表达的后代，培育新品种；②植物基因工程技术：即将目的基因分离出来，在体体外构建重组分子再导人植物细胞，然后通过离体

培养并筛选获得目的基因表达的植株，培育新品种。狭义的分子育种指的是第一个层次。降低植物油中的饱和脂肪酸的含量①

增

加

3-

酮酮酯酰

ACP

合合成酶

Ⅱ

的水

平平，酶是植物脂肪酸合成过程中的一种极其重要的关键键酶，它负责不饱和脂肪酸的形成；②

减

少少酯

-ACP-

硫酯

酶酶的活

性性，这

种种肪酸合成过程中的另一种极其重要的关键酶，它负负责饱和脂肪酸的形成；③

增

加加具有

把把饱和

脂脂肪酸

转转变为

不不饱和

脂能的膜结合脱饱和酶水平。植物抗病虫害基因工程杀虫结晶蛋白（Bt）基因作用原理：苏云金杆菌（革兰氏阴性菌）→形成芽孢，产生伴孢晶体→获取Bt基因→基因操作，转移到受体植物→转基因植物中Bt基基因表达，产生杀虫结晶蛋白→昆虫食用，杀虫蛋白进入昆

虫消化道→杀虫蛋白经过多步骤活化，成为毒性多肽分子，

这种分子不会受到其他蛋白酶（如胰蛋白酶）等的破坏→与肠肠道上皮细胞的特异性结合蛋白结合→合于细胞膜上→细胞

膜产生孔道→渗透平衡被破坏、细胞破裂→昆虫逐渐停止进

进食→最终导致死亡。植物抗病虫害基因工程蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂与昆虫消化道内的蛋白消化酶相接合，形成酶-抑制剂复合物，从而阻断或减弱昆虫自身的蛋白酶对于蛋白质的水解作用，导致昆虫吸收的蛋白质不能被正常消消化，同时使昆虫产生厌食反应。对于人畜，蛋白抑制剂在胃中的酸性条件下，被胃中的胃蛋白酶分解，所以这类转基因植物对于人畜是无害的。

这类抗虫基因已经被转到水稻、油菜、白薯、苹果、杨

树等植物。植物凝集素基因植物凝集素的抗虫原理在于：当被昆虫取食后，

外源凝集素在昆虫的消化道中与肠道围食膜上的

糖蛋白结合，从而影响营养的吸收。同时外源凝

集素还可能在昆虫的消化道内诱发病灶，促进消化化道中细菌的繁殖。这些作用对害虫都起到危害

害作用，从而达到杀虫目的。已成功的导入烟草和莴苣。植物抗病虫害基因工程植物抗病虫害基因工程杀菌肽基因最初的杀菌肽是从天蚕中分离出来的一种抗菌化

合物，一般是碱性蛋白，可以在原核生物细胞膜

上形成巨大的时间性和电压依赖性的离子通道，

致使细胞内外渗透压改变，细胞内容物尤其是钾离离子大量渗出，细菌因此死亡。植物抗除草剂基因工程通过基因工程的方法，把对除草剂的抗性或耐性引入到栽培种中。利用这个基因，已经获得了耐除草剂的转基因烟草、转基因马铃薯、转基因番茄等。抗冻蛋白基因抗冻蛋白（antifreezeprotein，AFP）是指具有降低冰点和减少冰晶生长速度的蛋白质，抗冻蛋白基因可以作为转基因植物的目的基因。抗冻效果较好的有北美黄盖鲽AFP、海渡鸭AFP、大大洋条鳕AFP。把这些基因改装后，转入番茄，获得了抗冻性之后，可以大大地延长番茄的保鲜期和储藏期。改变过时成熟期的基因工程利用基因工程还可以改变许多重要经济作物如番茄、香蕉、草莓、柑橘、葡萄、苹果、菠萝、西瓜等的成熟期，从而推后或提前上市。在成熟过程中，乙烯是非常重要的。乙烯形成的过程中有一个重要的酶就是乙烯形成酶（EFE），利用基因技术，将这个酶活性抑制或者是将乙烯形成酶基因

的表达抑制，就可以达到预期的目的，使果实成熟延迟。通过过这样的基因工程我们就可能吃到熟而不败的瓜果了。植物基因工程转基因植物1983年培植基因移植作物成功世界上第一一种基因移移植作物是是一种含有有抗生素药药类抗体的的烟草，

1983年得以培植出来1994年，美国政府批准了他们研制制成功抗干旱、

早熟、保鲜的转

基因番茄商品化

之后，我国也相继继成功培育出优

良品种的转基因

番茄，以满足人

们的需求。转基因番茄转基因甜椒甜椒在栽培的

过程中，容易受受病毒的感染。我国科学工作

者，采用转基

因技术，培育

出抗病毒的甜

椒。转基因油菜油菜是人们食用油的主要来源之一。一般油菜籽的含油量约为

40％左右。通过转基因技术，培育出来的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油的纯度质量更好。转基因玉米玉米是主要粮食之一，又可以提炼油脂，也可以用作食品和工业的原料以及作饲料，浑身是宝。人们称它是含金的植物。如今培育出转基因玉

米，品质更好，产量更高转基因牵牛花我国科学工

作者，用转

基因技术，

可以转变矮牵牵牛花的花

色，使矮牵

牛花的花色

更加丰富多彩彩。转基因小麦从植物体中分离出合合成赖氨酸的基因，把这基因转入小麦

植株中，培育出转

基因小麦。用这种

转基因小麦制造出

来的面粉，更适合

用来烤面包，而且

面粉中赖氨酸含量

高，这种面包的营

养价值高

植物基因工程的发展现状

植物基因工程方法

转化子细胞的筛选

转化体的鉴定与证明

植物基因工程研究的应用和展望植物基因工程的概念植物基因工程是以植物为受体的一种基因操作，即以分子生物学为理论基础，采用基因克隆、遗传转 化

化（根癌 农

农杆菌

Ti

质粒介法、原生质体介导，法等），以及细胞、组织培养技术将外源基因转移并整合到受体植物的

基因组中并使其在后代植株中得以正确表达和稳定定遗传，从而使受体获得新性状的技术体系。转基因植物的应用前景和理论意义改变它们的遗传特性，使植物免受病虫的危害，或获得抗除草剂的特性，或改变种子种淀粉、蛋白

质的含量和组成、或改变花的形状和颜色，或改变植物的育性和不亲合性以及改变植物的抗逆性等。转基因植物可作为一种生物反应器，生产药用蛋白和植物次生代谢产物，或生产某些有机化合物。转基因植物为人们研究某一基因功能及其在生长发育中的作用提供了强有力的工具。国际转基因作物发展现状在1996年2004年间，全球转基因植物的生产和利用超出了当初预料，基因作物种植面积增长了近

48倍，从1996年的170万公顷增加到2004年的8100万公顷顷。在2004年全球转基因作物种植面积仍有66%在工业业化国家，但发展中国家转基因作物的种植面积

已逐年增加。国内转基因作物发展现状在某些领域达到了国际先进水平。2004年全国转基因作物种植面积为370万公顷，成成为继美国、阿根廷、加拿大、巴西之后的转基因植物种植第五大国。二、植物基因工程方法原生质体介导法基因枪法根癌农杆菌介导法一原生质体介导法概念：以原生质体为受体，借助于特定的化学或

物理手段将外源ＤＮＡ直接导入植物细胞的方法。主要方法:1)PEG介导的基因转化2)脂质体介导的基因转化3)电激法4)激光导入法5)显微注射法1 PEG介导的基因转化原理：利用化学试剂，如聚乙二醇（PEG）聚乙烯醇(细胞促融剂)等，诱导原生质体摄取外源DNA分

子子， 进

入入原生质

体体的外源

DNA

分子子过某种机制整合到基因组中，完成遗传转化过程。案例：转基因烟草2

脂质体介导基因转化原理：利用脂类化学物质包裹外源DNA成球体,通过植物原生质体的吞噬或融合作用把包含外源DNA的脂质体转入受体细胞。特点：转化率高;操作繁琐;技术性高。3

电激法介导基因转化原理：利用高压电脉冲作用，在原生质体膜上“电激穿孔“，形成可逆的瞬间通道,从而促进外源

DNA进入原生质体。特点：转化率高；操作简便；容易造成原生质体损伤。４显微注射介导的基因转化原理：利用显微注射仪将外源DNA直接注入受体的细细胞质或细胞核，从而实现外源基因的转移。优点：方法简单、转化率高；纯物理方法，适用于各种植物和材料，无局限性；对受体细胞无毒害，有利于转化细胞生长发育；培养过程无需特殊殊选择系统。５激光微束介导的基因转化原理：将激光引入光学显微镜聚焦成微米级的微束照射培养细胞，在细细胞膜上形成能自我愈合的小孔，使加入细胞培养基里的外源DNA流入细细胞，实现基因的转移。优点：操作简便；工作效率高；无宿主限制，适应于各种动植物；对受体细胞生命活动影响小；受体的类型广泛；用于细胞器的基因转化．二基因枪法（微弹轰击法）工作原理：将外源DNA包被在微小的金粒或钨粒表面，然后在高压的作用下将

微粒高速射入受体细胞或组织，微粒上的的外源DNA进入细胞后，整合到植物染色体上并得到表达，从而实现外源基因

的转化。动力类型：火药爆炸力；高压气体；高压放电．操作步骤制备DNA微弹；准备靶外植体材料；DNA微弹轰击；培养轰击后的外植体．转化率影响因素金属微粒金粉颗粒较钨粒性质优良,但是价格昂贵.DNA沉淀辅助剂这些化合物对DNA在微粒上的黏附附有重要作用,但对植物受体细胞也产生一定的伤害.DNA纯度及浓度微弹速度植物材料内在因素三、根癌杆菌介导法根癌农杆菌广泛侵染双子叶植物和裸子植物。根据根癌农杆菌诱导植物形成的根瘤中冠瘿碱的不同可将根癌农杆菌分为章鱼碱型、胭脂碱碱型、农杆菌素碱和农杆碱型4种类型。在根癌农杆菌内有一个大的致瘤质粒，简称Ti质质粒。冠瘿瘤植物与人一样，可以产生各种各样的瘤和癌。其中中一类瘤被叫作瘿，瘿的种类很多。引起瘿的因素有：受伤、昆虫、病毒、细菌和特定的基因组织表达等。人们最感兴趣的瘿是冠瘿瘤。1.1.1冠瘿瘤的起因：由根癌农杆菌对植物的侵染而而引起。1.1.2冠瘿瘤的侵染过程细菌通过伤口进入植物，在基因水平上转化植物。细菌DNA中的编码基因在植物细胞中表达，刺激植物细胞不受控制的分裂，形成瘤。冠瘿瘤上：电镜下的根癌农农杆菌下：冠瘿瘤冠瘿瘤的一般生物学特性45℃杀死侵染植物的根癌农杆菌，植物组织仍然能形成癌。把瘤组织培养在不加生长素和细胞分裂素的的培养基上，能够无限止的分裂和生长。根癌农杆菌转化植物细胞的能力是因为它含有一个叫作Ti（tumor-inducing）的质粒（Tiplasmid）。Ti质粒Ti质粒是根癌农杆菌染色体外的遗传物质，为双股共价闭合环状DNA分子，其分子量为95～156×106D，约有200kb。Ti质粒Ti质粒是植物基因工程的一种天然载体，但野生型Ti质粒直直接作为植物基因工程载体存在着许多障碍：（1）质粒过大，造作困难（2）大型的Ti质粒有多个酶切位点（3）植物激素类的影响（4）Ti质粒中存在不起作用的序列（5）Ti质粒的局限性因此，必须对野生型的Ti质粒进行改造后才能作为转基因植植物的载体。基因枪法与根癌农杆菌介导发的比较(1)基因枪法:多拷贝整合概率高，外源基因默表达。农杆菌介导:低拷贝整合（多为单拷贝整合）转化效率较高。

(2）基因枪法:纯物理转化，不存在物种的限制。农杆菌介导:存在宿主范围的局限性。（3）基因枪法适于以细胞器为转化目标的转基因研究。三、转化子细胞的筛选当采用某种转基因方法处理外植体后，通常外植体

体中仅仅只有几个少数细胞获得转化，只有采取有

有效的转化方法，才能提高准确地选择到转化细胞。一般情况下，转化载体上除了带有目的基因外，大大多还携带选择基因，以供转化细胞筛选使用。转转化筛选细胞的方法主要有两种：选择基因的特点一是根据选择基因的特点在筛选选择培养基中加入入能抑制非转化细胞生长的有毒物质.如抗生素、除草剂等，选择基因通常为一种解毒基因，可以解除培养基中有害物质对细胞生长的抑制作用，这样只有转化细胞才能生长繁殖；另一种方式是，受体细胞为营养缺陷型细胞，在选选择性培养基中不能生殖，而选择培养基可以补偿偿这种缺陷，使转化细胞在选择性培养基上正常生生长。一、植物基因工程中的选择基因植物基因工程中的基因主要是一类编码可使抗生素或除草剂失活的蛋白酶基因。最常用的有：新霉素抗性基因（neor）、庆大霉素抗性基因（gentr）、潮霉素磷酸转移酶（HTP）基因（hpt）膦丝菌素乙酰转移酶基因（bar）等。二、报告基因报告基因是指其编码产物能够被快速测定、常用于判断外源基因是够成功地导入体细胞，是否启动表达的一类特殊用途的基因。它应用不依赖于外界选择压力的存在，这一点也是它与选择基因的区别之处。理想报告基因的基本要求1、受体细胞不存在相应的内源等位基因的活性。2、它的产物是唯一的，且不会损害受体细胞。3、具有快速、廉价、灵敏、定量和可重复性的检测特性。目前最常用的报告基因ß-葡萄糖苷酸酶基因（gus）氯霉素乙酰转移酶基因荧光素酶基因四、转化体的鉴定和证实转化体的鉴定和证实的必要性为了验证外源基因整合到染色体。常采用PCR技术、Southern杂交技术.为了验证外源基因是否表达。常采用RT-PCR技术、Northern杂交技术、Western杂交技术。PCR检验外源基因的整和在转基因个体的检测中,通过设计外源基因两端的特异引物,采用PCR基因可以使外源基因得到大量扩扩增,然后通过琼脂糖凝胶电泳检测特意扩增带的有无,从而判断外源基因是否整合到受体植物的基因组。少少

, 适合与优点

:

由

于于对模板

DNA 的要求的早期检