基因工程技术在农作物中的应用

基因工程技术在农作物中的应用

1基因的编码与基因基因（gene）这个词由丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出，这是指基因因素。孟德尔在五次实验中发现的遗迹。美国实验胚胎学家、遗传学家摩尔根和他的学生在果蝇研究中发现各个基因以一定的线状秩序排列在染色体上,从而建立了遗传的染色体学说。基因的主要功能是编码蛋白质,也就是说决定特定蛋白质的一级结构。一个基因是核酸或核蛋白的某一片段。生物的一切性状几乎都是由许多基因以及周围环境相互作用的结果。基因首先在真核生物中发现,而真核生物的染色体都在细胞核中,所以基因是核基因或染色体基因的同义词。线粒体、叶绿体等细胞器中也存在着编码某些蛋白质的遗传因子。为了区别于核基因,这些基因称为“线粒体基因”“叶绿体基因”,或统称为“细胞质基因”。“基因工程”(geneengineering)亦称“遗传工程”,是指不同生物体的DNA在体外经过酶切、连接,构成重组DNA分子,然后转入受体细胞,使外源基因在受体细胞中表达。常用的转移脱氧核糖核酸载体有质粒、噬菌体和病毒等。2般的遗传密码将一个鸡蛋放到普通显微镜下观察,不过是由一些蛋白质、维生素A、硒元素等简单物质构成。但它竟能变成一只有鼻有眼、五脏俱全、有皮有毛、有密如蛛网的毛细血管和神经网络的活生生的小鸡!这是什么因素具有如此大的功能。现代科学实验已经查明是蛋白具有的遗传密码———基因。基因工程是当代最复杂、最尖端的科学技术之一,其应用范围十分广阔。2.1基因重组技术由于世界人口迅速增加,土地不断减少和沙化,人类生存面临威胁,为此人们便把目光投向科学技术。而从20世纪50年代以来兴起的现代生物技术,使人类看到了解决这一紧迫问题的曙光,因为生产实践已经证实,运用基因工程的基因重组高新技术,能使农作物的品种不断更新,提高品质,增加产量。如德国生命科学工作者利用该技术培育出的土豆西红柿杂种作物便是其中一个例子,该生物工程新种是地下结块茎,上部长番茄;美国生物学界霍尔主持的课题组已运用现代生物技术把菜豆的基因转导到向日葵细胞中后,育成了全新的向日葵豆新作物。这些已成功的基因工程事例还可举出很多,这足以表明,人类运用科学技术在改造农作物,为提高产量和改善品质是可以大有作为的。2.2功能基因开发的成功应用由于基因工程的出现,自20世纪80年代以来,在这方面取得的成果很多。如遗传学家利用转基因技术,在功能基因开发取得成果的基础上,将一种外源基因———大鼠生长素基因导入小鼠卵细胞后,成功表达,结果小鼠长成了巨鼠。在这种突破性试验成果的启发下,目前,科学工作者在着手试验将大象基因转导到猪身上,使猪的个体变大。随着生物技术的快速发展,基因转导获表达的水平不断提高,“养猪长成象”将不再是一句戏言。2.3苗等令人鼓舞的新品种仅举小试牛刀一例,现已通过生物工程技术开发成功了人血球蛋白、干扰素、乙肝疫苗等令人鼓舞的新药。目前,随着人们对生物高新技术的掌握,已把目标集中在研究病毒以及抗癌特效药方面。学者们根据当代基因工程的发展速度,纷纷预测,在21世纪初叶或中叶,人们将有望征服癌症,全世界数千万癌症患者正翘首相望,静候佳音。2.4基因能解决人类的生存危机现在,地球环境遭到旷日持久的破坏,动物和植物的种类每日都在减少。人们担心,这样下去地球上的生物种类会逐渐减少,这种发展趋势对人类的生存是极为不利的或者说是有威胁的。事实上确实存在这种危机。人们一直在寻找解决这一问题的方法,今天,人们可以明确回答,基因工程可以解决这一难题。它不但能人为地制造出大量新的生物种,甚至还能使灭绝多年的动物或植物被重新复制出来。有科学家是这样预言的:“曾称雄于世的久远的恐龙雄姿,有可能在不远的将来再现于世。”只要我们能采取到恐龙的完整的DNA,恐龙就有可能被复制出来。2.5抗炎与抗菌药的使用植物在长期的进化工程中之所以能最低限度地避免伤害,是因为植物体内有一种“抗性基因”,它能识别一种特殊的传染病。如烟草具有一种能够识别烟草花叶病病毒蛋白质的抗性基因,它一旦识别出病毒蛋白质便立即作出反应,即指挥临近细胞自杀、使病毒失去食源,死亡区以外的细胞则立即产生诸如聚合木素和碳氢愈伤葡聚糖(胼胝质)的化合物,以加厚细胞壁,隔离病毒,防止继续侵染健康组织和细胞。同时在病毒侵染部位附近产生大量的抗生素,专一性地直接抑制病毒的生长。目前的检测已经证实,在17种植物中有抗毒素的积累,并且同一科植物所具有的抗生素有明显的相似性。为此,用能激活“抗性基因”的化合物注射或喷洒植物,成了当今使植物获得免疫力的一种新方法。现在,一种与阿司匹林相似的化合物———水杨酸是已被公认的能激活植物抗性基因的有效物质。实验表明,当给植物喷洒水杨酸后,其抗性基因被激活,从而对病虫害产生广泛的抗性。研究发现,植物受害虫损伤后能产生报警信号,以此可激活植物体内的“防御基因”,从而提高植物的抗性及免疫能力,这在番茄的研究中最为显著。害虫损伤番茄叶子后,叶上细胞会释放出一种类激素因子(PIIF),该物质通过细胞组织扩散到茎和其他叶片,启动蛋白酶抑制剂基因,开始高效合成并在茎叶中迅速积累,以对付害虫的再次侵袭。这种蛋白酶抑制剂不仅对害虫产生的消化酶有抑制作用,而且对病毒产生的蛋白酶也有抑制作用。在此方面,眼下存在的不足是,发现类似自身具有较强免疫能力的植物并不多。然而,利用基因工程技术则可使更多的植物具有这一绝妙的招数。如1987年英国科学工作者将豇豆的胰蛋白酶抑制剂基因导入烟草,以赋予其较强的免疫能力取得了成功。1992年美国pyan实验室分别将番茄蛋白酶抑制剂和马铃薯蛋白酶抑制剂基因导入烟草,也取得了明显的成效,即育成了免疫力较强的转基因烟草,害虫只要取食就会有来无回。目前,转蛋白酶抑制剂基因植物研究空前活跃,为世界各大生物技术公司瞩目。美国Biot-echnica公司计划将豇豆胰蛋白酶抑制基因导入玉米,以对付异常猖獗的欧洲玉米螟,并将其应用于大豆、苜蓿和小麦。可以预测,日新月异的基因工程技术可以使得更多的免疫植物进入田间,而旷日持久的人虫之战进入冷战时期的日子也为期不远了。2.6基因疗法的根本机理在于克服细胞缺陷而产生的疾病在过去的20多年里出现了“基因工程疗法”,即通过直接处理缺陷本身的位点——突变基因。到20世纪70年代早期,由于对肿瘤病毒转化细胞机制的了解,使基因治疗得到早期的理论支持。DNA和RNA肿瘤病毒的分类使其对基因治疗至关重要的那些功能得以精确的阐明,这就是将具有功能的新的遗传信息稳定地导入,以纠正由于细胞缺陷而引起的疾病。缺陷基因被替换,进入的是正常功能基因,这便是基因疗法治病的根本机理所在。新近,基因工程治疗又出现了一种比较理想的方式,这就是突变基因修正,即对突变基因序列特异的修正,而不引起靶基因组任何额外的改变。虽然基因修正至今还有不少困难,但外序列的基因组定位导入(导致特异基因序列的修正),现已在若干哺乳动物中的实验得到证实。在这些成功试验的基础上,现已为人类疾病建立了动物模型。应当特别指出的是,在最近的若干年里,人类已经掌握了好几个基因增添的技术,那就是通过导入外源正常遗传信息,修饰缺陷细胞内突变基因内容及表达方法。据《新英格兰医学杂志》报道,作为具有里程碑意义的实验是20世纪80年代末的在人体内进行基因工程疗法临床工作实践。研究人员将肿瘤杀伤细胞输入人病体内。许多科学家认为,通过在患者体内植入具有疗效的功能基因去医治一些遗传病,这项技术不仅使根治癌症成为可能,而且对危害极大的镰状红细胞贫血、膀胱纤维变性等遗传病得到根治也成为可能。3发展结构的变革,需要生物的多样性自从1973年Jackson等人在一次分子生物学学会上首次提出基因可以人工重组,并能在细菌中复制。从此以后,基因工程成为一项新兴的研究领域得到了迅速的发展,无论是基础研究,还是应用研究均取得了喜人的成果。这是生命科学发展的一次飞跃,生命科学已经进入了一个定向、快速改造生物性状的新时代,受到了国内外广泛的重视。开展基因工程研究几十年来,建立了多种分别适用于微生物、动植物转基因的载体受体系统,克隆出了一批有用的目的基因,研制出了数十种昂贵的基因工程药物,培育出了一批具有特殊性状的转基因动植物。当今,国际上一项合作性的基因组测序计划正在大规模的实施之中,我国已成为这项国际上合作研究开发的少数几