第十六转基因植物张幻灯片讲课文档

第十六转基因植物张幻灯片第一页，共84页。1983年世界上诞生了第一株转基因植物。比转基因动物（1982年）出现的晚。然而，转基因植物后来居上，大量的转基因植物已在实验室里研究成功，而且有不少重要的转基因农作物已经进行了大规模的商业化生产，从20世纪90年代中期开始陆续进入人们的生活。2025/8/22第二页，共84页。转基因作物种植呈高速发展态势。自第一例转基因番茄商业化种植以来，转基因作物种植始终保持两位数的增长。从1996年到2010年的15年间，转基因作物种植由最初的170万公顷增长到1.48亿公顷，约占世界15亿公顷农田的10％，面积扩大了87倍。2025/8/23第三页，共84页。从品种来看，转基因大豆、转基因玉米、转基因棉花和转基因油菜是四大转基因作物；2010年，转基因大豆种植面积为7330万公顷，约占全球转基因作物种植面积的50％；其次是转基因玉米为4680万公顷，约占全球转基因作物种植面积的31％；2025/8/24第四页，共84页。转基因棉花为2100万公顷，约占全球转基因作物种植面积的14％；转基因油菜为700万公顷，约占全球转基因作物种植面积的5％。种植转基因作物的国家已由1996年的6个上升到2010年的29个，超过100万公顷的有10个国家。2025/8/25第五页，共84页。高等植物的基因转移系统Ti质粒介导的整合转化系统

Ti（tumorinducing)质粒存在于根瘤农杆菌中，能感染双子叶植物的根部和受伤组织，生成冠瘿瘤。野生型Ti质粒经切除某些片段和插入大肠杆菌复制子和选择标记，引入植物细胞启动子、人工接头等元件，以利于外源基因的克隆。2025/8/26第六页，共84页。

烟草花叶病毒系统TMV是一种宿主范围很广的RNA病毒,感染植物后快速复制,可回收到大量的病毒粒子,最高可达植物干重的50%。因此,TMVRNA经改造后被用作载体在植物中表达外源基因。2025/8/27第七页，共84页。

1995年Turpen等将编码疟原虫抗原决定簇基因插入到TMV外壳蛋白的基因编码区中,使疟原虫抗原与烟草花叶病毒外壳蛋白的表面环区或与其Ｃ端融合,构建成植物病毒载体,然后用它感染烟草,经感染的烟草都产生高水平的融合蛋白。2025/8/28第八页，共84页。

豇豆花叶病毒(CPMV)系统豇豆花叶病毒是RNA病毒,病毒颗粒由60拷贝的Ｌ和Ｓ两种蛋白亚基组成二十面体对称颗粒。1993年Usha等把口蹄疫病毒(FMDV)抗原基因转入CPMV中得到表达。1994年Porta等将FMDV19肽的VP1基因、人鼻病毒14肽的VP1和HIV病毒gp41的22肽成功地转入CPMV,并获得稳定表达。2025/8/29第九页，共84页。

尚有其他的病毒表达载体被用来在植物中表达外源基因,如番茄丛矮病毒、重组苜蓿花叶病毒都成功地表达外源重组蛋白。另一种比较突出的可表达大融合蛋白的病毒载体是土豆Ｘ病毒(PXV)。这种病毒的外壳是由数以千计的外壳蛋白组成的。因此可以在病毒颗粒表面形成大量的抗原分子。Cruz等报道将Mr27,000的标记蛋白融合到Mr25,000的PXVcp蛋白后仍能组装成病毒颗粒。2025/8/210第十页，共84页。转基因植物的类型

抗虫转基因植物：抗虫棉抗病转基因植物：抗病毒转基因烟草抗逆转基因植物：抗旱、抗涝、抗盐碱抗除草剂转基因植物：抗除草剂转基因玉米、大豆、棉花、油菜改良品质转基因植物：转VA水稻转基因药用植物：生产霍乱疫苗的胡萝卜2025/8/211第十一页，共84页。

转基因抗虫植物为了能在有限的耕地上生产出更多的粮食，依赖化肥和化学农药的程度越来越高。过量施用化学农药和化肥所造成的环境污染和耕地、水质的破坏，用传统的手段难以去除。同时，食物和饮用水中农药的残留量居高不下，并由此带来了种种疾病。2025/8/212第十二页，共84页。

转苏云金芽孢杆菌（Bt）毒蛋白基因抗棉铃虫的棉花受到各国农民的青睐。这种转基因棉花明显减少杀虫剂使用量。据报道，种植这种棉花，杀虫剂使用量可以减少50%；保护了水质和土壤；调查还表明肥料利用率也得到明显提高，促进了土地的保护性耕种。这样就有可能使世界农产品的生产走出怪圈，步入良性循环，从而解决世界上的饥饿和贫困。2025/8/213第十三页，共84页。

鳞翅目鞘翅目双翅目第十四页，共84页。Bt基因的作用原理Bt基因：是从微生物苏云金杆菌（Bacillusthu-ringicnsis）分离出的苏云金杆菌杀虫结晶蛋白基因，简称Bt基因。苏云金杆菌属于革兰氏阴性，形成孢子细菌。在芽胞形成过程中，可产生伴胞晶体，它由一种或多种蛋白组成，具有高度特异性杀虫活性，这种蛋白通常被称作δ-内毒素（δ-endotoxins）或杀虫结晶蛋白（in-secticidalcrysta1protein，ICP）。

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ICP通常以原毒素（protoxin130～160kD）形式存在，当昆虫取食ICP后，原毒素在昆虫的消化道碱性和还原性的环境下被活化，转型为毒性多肽分子，65～75kD。活化的ICP与昆虫肠道上皮细胞上的特异性结合蛋白结合（现已证明受体为氨肽酶N和钙粘着蛋白类似物），嵌合于细胞膜中，使细胞膜产生一些孔道，细胞因渗透平衡遭破坏而破裂。导致昆虫幼虫停止进食，最终死亡。

2025/8/216第十六页，共84页。基因工程培育抗虫棉的简要过程苏云金芽孢杆菌提取抗虫基因与运载体DNA拼接棉花植株导入2025/8/217第十七页，共84页。转基因抗虫棉2025/8/218第十八页，共84页。转基因棉花2025/8/219第十九页，共84页。转基因抗虫番茄2025/8/220第二十页，共84页。2025/8/221第二十一页，共84页。2025/8/222第二十二页，共84页。来源于高等植物的抗虫基因

1蛋白酶抑制基因

蛋白酶抑制剂(ProteinaseInhibitor,PI)是自然界含量最为丰富的蛋白种类之一,是植物天然防御系统中的一部分,可抵抗食草动物的侵食.其机理在于它能与昆虫消化道内的蛋白消化酶相互作用,形成酶抑制剂复合物,阻断或减弱消化酶的蛋白水解作用,使昆虫产生厌食反应,导致非正常发育或死亡.2025/8/223第二十三页，共84页。目前,至少有14种蛋白酶抑制基因已转入作物中.其中令人注目的是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因（CowpeaTrypsinInhibitor,CPTI),马铃薯蛋白抑制剂-Ⅱ基因(PotatoProteinaseInhibitor-Ⅱ,PI-Ⅱ),及水稻巯基蛋白酶抑制基因(Oryzacystatin).2025/8/224第二十四页，共84页。2025/8/225第二十五页，共84页。蛋白酶抑制基因在抗虫植物基因工程中之所以地位突出,是因为①不易产生耐受性问题;②抗虫谱广;③其来源于植物易为公众所接受,并已证明对人畜无副作用.而且最近的研究资料表明,食用天然的植物蛋白酶抑制剂具有抗肠癌的作用.2025/8/226第二十六页，共84页。2淀粉酶抑制剂基因

淀粉酶抑制剂基因分布也较广，以禾谷类作物和豆科植物种子中的含量最为丰富，在植物对病虫害侵染的天然防御系统中起着重要的作用。这类酶抑制剂能抑制昆虫消化道内α－淀粉酶活性，使食入的淀粉无法水解，阻断了昆虫主要能量来源；并刺激昆虫过量分泌消化酶，通过神经系统反馈产生厌食反应。2025/8/227第二十七页，共84页。3植物凝集素基因

植物凝集素是一类糖结合蛋白,也是植物防御系统的一个组成部分。第一个被描述具有抗虫作用的凝集素是菜豆凝集素(PHA),它实际上是一种α-淀粉酶抑制剂。1993年英国科学家从雪花莲中克隆出雪花莲凝集素基因(GNA),对稻飞虱、叶蝉、蚜虫等有毒性作用。我国科学工作者也报道来源于掌叶半夏的凝集素对麦管蚜、棉蚜、桃蚜等有致死作用。目前成功用于植物抗虫基因工程的凝集素基因有:雪花莲凝集素(GNA)基因、豌豆凝集素(P-Lec)基因、麦胚凝集素(WGA)基因及半夏凝集素(PTA)基因。

2025/8/228第二十八页，共84页。2025/8/229第二十九页，共84页。4昆虫特异性神经毒素基因

昆虫神经激素是已知三大昆虫激素的一种,它控制着昆虫许多关键的生理过程,影响昆虫的生长、变态、生殖、代谢和行为等。近年来,已开始在基因工程中利用昆虫神经激素防治害虫。目前,蝎毒素和蜘蛛毒素两种昆虫特异性神经毒素已被用于植物抗虫基因工程。由于昆虫毒素专一作用于昆虫而对哺乳动物无害或毒性很小,因此可作为一种高效生物杀虫剂。2025/8/230第三十页，共84页。转基因农作物前景诱人

自从1983年世界上诞生了第一株转基因植物以后，许多国家都陆续地投入了大量人力、物力和财力，竞相开发、研究。目前世界上已有百余种转基因植物问世，尤其重要的是已有水稻、玉米、棉花、大豆、油菜、烟草、甜菜、亚麻、南瓜、马铃薯、番茄、西葫芦、番木瓜等10余种、上百个品种的转基因农作物已获准进入商品化生产。2025/8/231第三十一页，共84页。转基因试验田2025/8/232第三十二页，共84页。袁隆平－－世界杂交水稻之父首届国家最高科学技术奖

2025/8/233第三十三页，共84页。2025/8/234第三十四页，共84页。基因工程与农牧业、食品工业生长快、肉质好的转基因鱼(中国)乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)2025/8/235第三十五页，共84页。基因工程与农牧业、食品工业转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基因的番茄2025/8/236第三十六页，共84页。2025/8/237第三十七页，共84页。（2）抗病毒农作物1986年将烟草花叶病病毒外壳蛋白基因转移入烟草后，人类便获得了第一种抗病毒转基因植物。病毒外壳蛋白基因导入宿主细胞后，可以产生出该病毒的外壳蛋白，诱导转基因植物对相应的或相近的病毒产生抗性。目前已有一些抗病毒农作物进行了大面积的种植生产，比如中国的转抗病毒基因烟草、西红柿和甜椒；美国的转抗病毒基因马铃薯、西葫芦、番木瓜等。2025/8/238第三十八页，共84页。（3）抗除草剂农作物

把抗除草剂基因转移入农作物中，使农作物获得抗除草剂能力。这时若施用除草剂，就可以有选择的除掉杂草，而农作物却可以免受伤害。目前，已有水稻、玉米、棉花、大豆、油菜、甜菜等抗除草剂农作物进入商品化生产。2025/8/239第三十九页，共84页。（4）抗逆性农作物

培育耐旱涝、耐盐碱、耐低温或高温、耐土壤农药残毒等环境逆境的农作物一直受到科学家关注。这些来自其他生物的抗逆性基因，经过重组后导入农作物中，使它们能在恶劣环境中生长、丰产，这是人类获得足够食物、改良环境的一大福音。2025/8/240第四十页，共84页。

比如，科学家将甘油-3-磷酸乙酰转移酶基因转移入植物，通过增加细胞膜的不饱和脂肪酸含量，而获得抗寒性增加的转基因植物；把来自鱼的抗冻蛋白基因，转移入番茄中，使番茄在0℃环境下也不受冻害。目前已获得了耐盐碱的转基因烟草、玉米、水稻等植物；在美国耐土壤农药残毒的转基因亚麻已进入了商品化生产。2025/8/241第四十一页，共84页。（5）改良农作物品质

利用转基因技术改良农作物的营养品质，比如将编码人体必需氨基酸的DNA片段转移入马铃薯中，在马铃薯块茎的特定贮藏蛋白基因启动子作用下，使之在块茎中得到高效表达，人们希望这种马铃薯的蛋白质和必需氨基酸含量能超过牛肉。2025/8/242第四十二页，共84页。

通过转基因增加油料植物种子中维生素E的含量，减少植物油中饱和脂肪酸含量；提高水稻中β-胡萝卜素含量；增加蔬菜中蛋白质含量等研究都取得重要进展。目前农作物品质改良主要集中在贮藏蛋白、淀粉、油脂等含量和组成上。在美国，经过油脂改良的转基因大豆、油菜已进入商品化生产。2025/8/243第四十三页，共84页。脂肪含量高含Β-胡萝卜素2025/8/244第四十四页，共84页。抗病毒和抗软化基因西红柿2025/8/245第四十五页，共84页。

（6）植物的遗传改良

兔毛棉花在我国培育成功：用兔的一种角蛋白转化棉花，棉花纤维质量好，具有兔毛般的光泽。2025/8/246第四十六页，共84页。提高植物的光合作用效率

改造光合作用中起关键作用的CO2固定酶，能提高植物对CO2的固定效率；还可以通过增强植物对光能吸收与转化的功能来提高光合作用效率，提高作物的产量。2025/8/247第四十七页，共84页。

延长果实的储藏期乙烯是催熟果实的一种激素，在其形成过程中需要乙烯形成酶。通过基因工程获得能抑制乙烯形成酶基因表达的新品种，这些转基因植物的果实既保持了原有的品质，又延长了储藏期。2025/8/248第四十八页，共84页。四、转基因农作物成为21世纪新兴产业2025/8/249第四十九页，共84页。利用转基因植物生产疫苗

转基因植物生产疫苗的必要性植物重组疫苗的生产可以解决一些用传统疫苗无法解决的主要问题。在发展中国家,传统疫苗的难题主要包括疫苗的供应、疫苗使用位点的冷链要求以及对注射的依赖性,植物疫苗不必面对这些困难。植物疫苗增加了安全性,降低了制备的成本,2025/8/250第五十页，共84页。传统的生产重组疫苗的系统如细菌、酵母、昆虫细胞和哺乳动物细胞都存在着相应的缺点。例如:细菌细胞不能完成蛋白质的修饰作用,不利于蛋白质的重新折叠,导致其免疫原性较弱;酵母菌对其表达的蛋白质的过分糖基化可能影响针对特定蛋白质的免疫反应;多数动物培养系统表达水平低、培养基昂贵,生产成本高。2025/8/251第五十一页，共84页。

与上述疫苗生产系统相比,利用转基因植物生产疫苗具有明显优点:植物细胞具有全能性,植物的组织、细胞或原生质体在适当的条件下均能培养成完整的植株;植物是一个能进行大规模生产的廉价生产系统,在获得稳定遗传的转基因植株后,扩大耕种面积就能提高疫苗的产量,上游生产成本较低;2025/8/252第五十二页，共84页。

迄今为止,在转基因植物中获得表达并具有免疫学特性的相关报道还有,在烟草和马铃薯中表达的产肠毒素大肠杆菌热不稳定肠毒素Ｂ亚基(LTB)、霍乱抗原的Ｂ亚基(CTB)、口蹄疫FMDVVP1表位抗原、诺沃克病毒衣壳蛋白;在西红柿中表达狂犬病毒表面抗原、在烟草中表达人巨噬细胞病毒抗原。2025/8/253第五十三页，共84页。

另外,对猪饲喂表达传染性肠胃炎病毒Ｓ蛋白的转基因马铃薯后,经病毒攻击试验发现,猪的发病率可降低46%,死亡率降低40%。将仔猪黄痢致病菌ETEC的Ｋ88鞭毛抗原基因faeＧ转入烟草后,提取烟草叶片粗蛋白免疫昆明小鼠,能诱导产生抗ETECＫ88鞭毛的特异抗体,受体结合实验等还证实,抗血清能抑制ETEC与小肠绒毛表面特异受体的结合。2025/8/254第五十四页，共84页。

转基因食品

安全吗?!2025/8/255第五十五页，共84页。一、食物安全公众对转基因生物之所以存在戒心，很重要一点就是担心转基因生物，尤其是转基因农作物或由它们加工成的食品会给人类身体健康带来损害。2025/8/256第五十六页，共84页。

转基因植物可能会表达出过敏蛋白有的基因表达出的蛋白质与已知的过敏蛋白质在免疫学上具有同源性；有可能使过敏体质的人产生过敏反应。2025/8/257第五十七页，共84页。

转基因农作物表达出的某些蛋白质，可能会潜移默化的影响人的免疫系统，从而对人体健康造成隐性的损伤。2025/8/258第五十八页，共84页。

将动物蛋白质基因转入农作物中，是否会侵犯素食者或宗教信仰者的权益？把人的某些基因转入农作物或牛、羊等家畜体内，结果在农作物或家畜的肉、奶中含有人的某些蛋白质，这样做是否违反了人类伦理道德？2025/8/259第五十九页，共84页。

生物安全是指现代生物技术研究、开发、应用，以及转基因生物跨国转移，可能对生物多样性、生态环境和人体健康产生潜在不利影响。特别是各类转基因生物活体释放到环境中，可能会对生物多样性构成潜在的风险和危险。二、生物安全2025/8/260第六十页，共84页。1、科学家赋予了转基因生物某些全新的性状，增强了它们与其他生物的生存竞争能力，它可能会使本地区本来生活力就很纤弱的个体或物种加速从地球上消失。即转基因生物可能会成为某一地区新的优势种，成为“入侵生物”。2、载体介导的外源基因可能发生横向转移，重组出新的菌株或病毒。2025/8/261第六十一页，共84页。3、具有抗虫功能的转基因植物，其体内产生的抗虫蛋白可能使害虫产生抗性，使害虫变得更加难以防治？现在也已发现具有抗病毒功能的转基因植物，可以使相应的病毒出现抗性。4、转基因植物可能会变成野生种类，或者它侵入新的生态区域，破坏了生态平衡后而成为杂草。2025/8/262第六十二页，共84页。5、抗除草剂基因等可能会通过花粉传播或近缘杂交进入到杂草或半驯化植物中，结果产生出超级杂草。美国俄亥俄州大学的科学家们就发现，如果野草与转基因农作物杂交，将令野草长得更茁壮，产籽更多。2025/8/263第六十三页，共84页。

转基因生物可能对生态环境稳定性造成破坏，对环境造成污染，这也是公众疑虑的重要内容。三、环境安全2025/8/264第六十四页，共84页。

重组DNA进入水体、土壤后，将流向何方？存活多久？他们会不会与细菌杂交，出现对人体有害的、新的致病菌？现在已知DNA在土壤中至少可以存留40万年。1992年意大利科学家就发现，被认为最安全的大肠杆菌K12菌株，进入下水道后竟可以存活72小时，在这么长时间里它完全可以与其他细菌进行基因交换。2025/8/265第六十五页，共84页。法国绿色和平组织摧毁

5个转基因作物基地2025/8/266第六十六页，共84页。GM抗议者在英国2025/8/267第六十七页，共84页。绿色和平组织领导者被捕2025/8/268第六十八页，共84页。绿色和平组织将转基因食品妖魔化2025/8/269第六十九页，共84页。绿色和平组织抗议雀巢咖啡事件2025/8/270第七十页，共84页。

1999年11月1日绿色和平组织公布测试结果，发现雀巢公司出产的两种产品百福鲜豆浆及百福豆腐花含有一名为RoundupReady的经基因改造大豆。两天后，绿色和平成员，前往雀巢牛奶香港有限公司位于元朗的厂房，要求雀巢牛奶香港有限公司宣布其转基因政策。要求该公司与英国雀巢公司看齐，公开宣布不再生产含基因改造成份的食物。2025/8/271第七十一页，共84页。讨论案例2025/8/272第七十二页，共84页。斑蝶事件

1999年5月康奈尔大学一个研究组报道，说一种斑蝶食用转苏云金杆菌的杀虫蛋白基因（Bt）玉米花粉后44%死亡，表明转基因食品可能存在安全隐患。此事件引起科学家对转基因食品的广泛争论。2025/8/273第七十三页，共84页。抗虫玉米与大花斑纹蝴蝶2025/8/274第七十四页，共84页。

事实上这并不意外，因为Bt玉米中的杀虫晶体蛋白是特异毒杀鳞翅目害虫的，斑蝶属鳞翅目昆虫，自然会受到Bt蛋白的影响。斑蝶事件曾成为《纽约时报》、《华尔街日报》、《今日美国》等报刊的头版消息。最后，该事件被科学界否定。2025/8/275第七十五页，共84页