植物生物技术概论1.ppt

1、植物生物技术概论,主讲：陈发兴 刘生财,绪论植物生物技术,一. 植物生物技术的含义 （一）生物技术的定义： 生物技术（biotechnology），有时也称生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。,基因工程,基因工程(geneengineering) 主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸(DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信

2、息(基因)在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物(多肽或蛋白质)。这种通过体外DNA重组创造新生物并给予特殊功能的技术就称为基因工程，也称DNA重组技术。 应用举例：Golden Rice（金米）,Golden Rice grains,the stronger the colour, the more -carotene provitamin A In Golden Rice two genes have been inserted into the rice genome by genetic engineering, to account for the turned-off ge

3、nes.,细胞工程,细胞工程就是指在细胞水平上的遗传操作，利用细胞的全能性，采用组织与细胞培养技术对动、植物进行改良，为人类提供优良品种、产品和保存珍贵物种。 优势：避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，提高基因的转移效率。 可以在同类间进行杂交，也可以在动物与植物或植物与微生物之间进行融合。,举例 在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8个细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输卵管，用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8细胞胚放在同一溶液中使之组装成一个具有24个细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”移植到一只老鼠的子宫内，不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着

4、黄、白、黑三种不同颜色的皮毛。,20世纪90年代，美国耶鲁大学马克特和彼德斯。 3对父母，加上“嵌合胚胎”怀孕的“代理”母鼠，总共将有3个父亲和4个母亲。 可能获得集合多种优良性状的新鲜物种，对于农牧业生产大有益处 德、英、美等国的科学家组装出了绵羊和山羊的嵌合体绵山羊。,酶工程,酶工程是指将酶所具有的生物催化功能，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。例如：加酶洗衣粉、溶菌酶针剂。,发酵工程,发酵工程 利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生

5、物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程(Permentation engineering)， 也称微生物工程。 举例： 酒精类饮料、醋酸和面包；胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物；天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料；氨基酸、香料、酶、维生素和单细胞蛋白等。,甲型H1N1流感疫苗 工作人员在进行鸡胚病毒接种工作。 疫苗生产需经历病毒接种、病毒培养、病毒灭活、纯化、配比、分包装及批签发等步骤才能最终投入使用。,蛋白质工程,蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活力的作用机制之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，定向地改造天然的蛋白质，甚

6、至于创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。,基因工程与蛋白质工程的关系,基因工程是把外源基因转入生物体内，并表达，它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质。 蛋白质工程则根据分子设计的方案，通过对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对其所编码的蛋白质的改造，它的产品已不是天然的蛋白质，而是经过改造的。,改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。,五大工程间的关系,按照自己的愿望改造物种，往往要采用基因工程或细胞工程的方法。基因工程和细胞工程的研究成果，要通过发酵工程和酶工程来实现产业化。基因工程和细胞工程被看作生物工程的上游处理技术，将发酵工程和酶工程看作生物工程的下游处

7、理技术。基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶，往往通过酶工程来获得。酶工程中酶的生产，一般要通过微生物发酵的方法来进行。,生物原料则指生物体的某一部分或生物生长过程所能利用的物质，如淀粉、蜜糖、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石。,人类生产出所需的产品包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品。,达到某种目的包括疾病的预防、诊断与治疗、环境污染的检测和治理等。,（二）植物生物技术的含义,植物生物技术（Plant Biotechnology） 广义的植物生物技术指利用提高和改良农作物产量、品质的所有技术； 狭义的植物生物技术是指利用植物器官、组织、细胞和通过分子水平

8、的操作，促进植物繁殖 、有用植物生产和植物品种遗传改良的技术。 植物生物技术包括： 植物组织培养（或细胞工程）Plant Tissue Culture 基因克隆与转基因植物生产 Gene Cloning and Genetically Modified Crops(GM crops) 分子标记及辅助育种应用 Molecular marks and MAS,二、植物生物技术发展简史,（一）植物生物技术发展简史 植物生物技术的起源可以追溯到19世纪30年代，Schleiden在细胞理论中提出了细胞的全能性，但没有引起同时代学者的关注。直到1902年，德国植物生理学家Gottlieb Haberla

9、ndt（1854-1945）提出植物细胞全能性的理论，即植物体细胞在适当的条件下，具有不断分裂和繁殖、发育成完整植株的能力。他也被称为植物组织培养之父。,从Haberlandt到现今的100多年间，通过许多开创性的研（见下表），使园艺植物生物技术逐步成熟并取得巨大成果。 1902年 G. Haberlandt 开创植物组织培养的实验，提出细胞全能性学说 1904年B. Hannig首次探讨十字花科植物的胚胎培养 1922年 L.Knudson 非共生萌发兰花种子 1922年 W. J. Robbins 根尖离体培养 1924年 F. Blumenthal 和P. Z. Meyer 利用乳汁诱导

10、胡萝卜根外植体形成愈伤组织 1925年 F. Laibach 培养亚麻植物种间杂交的胚胎 1929年F. Laibach 通过胚胎培养克服亚麻植物种间杂交的胚胎 1934年R. J. Guatheret 离体培养不同树木和灌木的形成层组织，失败 1934年P. R. White 长期培养番茄根获得成功 1939年F. Kogl等鉴定出植物第一种激素IAA,1940年R. J. Gautheret诱导榆属愈伤组织形成不定芽 1941年 J. van Overbeek 等研究椰子乳对曼陀罗属的植物幼胚生长和发育的影响 1942年 R. J. Gautheret观察到植物愈伤组织培养中产生次生代谢物

11、质 1944年 F. Skoog 诱导烟草离体培养物形成不定芽 1945年 S.W. Loo（罗士韦）培养芦笋茎尖 1946年 E.Ball 获得羽扇豆属与旱金莲植物茎尖的完整植株 1980年 D. Bostein 等创立限制性片段长度多态性（RFLP）技术 1982年 U. Zimmermann研究原生质体电融合 1983年 B. Wolters和U. Eilert 首次在紫草悬浮细胞使用诱发子工业化生产次生代谢产物 1983年 P. Zambryski等构建共整合载体 1983年 K. Mullis发展链式聚合酶反应（PCR）技术 1984年J.Paszkowski等用质粒DNA转化烟草原

12、生质体并再生转基因植株,1985年 R. B.Horsh等和De Block等将农杆菌与叶圆片共培养后等到转基因植株 1985年 M.E. Formm用电激法将外源基因导入双子叶和单子叶原生质体 1985年 G. An 等构建双元载体 1987年 Barton 等从苏云英杆菌中分离出Bt基因 1988年 R. Levi自动化大量生产不定芽和体细胞胚胎 1988年 T. M. Klein基因枪稳定转化再生植株 1989年 X. Delannay等获得转基因抗虫番茄 1990年 R. A. Dekeyser等电击整体植株组织直接导入DNA 1990年 J. G. K. Williams等注射整体植

13、物细胞获得转基因植株 1990年 G. Neuhaus微观注射整体植株细胞获得转基因植株 1991年 P. T.Lynch和E. E. Benson冷冻保存长春花细胞系，解冻后恢复生物碱合成能力,1992年 S. K. Dutta等PEG介导的原生质体转化得到抗除草剂的水稻植株 1993年 E. Kranz和H. Lorz利用单配子离体受精产生合子胚并获得可育的玉米植株 1994年 遗传工程番茄品种“Flavr-Star”进入市场 1995年 P. Vos等报道扩增片段长度多态性（AFLP）技术 1996年 G. Hansen和M. D. Chilton发展农杆菌微弹（agrolistic）转

14、化方法 1996年 C. M. Hamilton等发展双元细菌人工染色体载体（BBIC），转化能力达150Kb 1997年 C. J.Arntzen和H. S. Mason转基因植株生产可食疫苗 2000年 拟南芥基因组测序完成 2001年 I. Potrykus 报道转移了维生素A基因的“金水稻” 2001年 M. A. Escobar 等利用RNA干扰技术抑制冠瘿瘤的发生 2002年 水稻基因组测序完成,（二）植物生物技术主要领域的发展,100年来，植物生物技术（包括园艺植物生物技术）经历了植物组织培养、植物细胞工程技术和植物基因工程技术的发展过程，各个发展过程有先后顺序又相互交叉，并与其

15、他相关学科的发展紧密相连。,植物细胞工程（cell engineering）技术是在植物组织培养（plant tissue culture）的基础上发展的，植物基因工程（genetic engineering ）技术依赖于分子生物学（molecular biology）、植物组织培养和细胞工程技术，三者之间的相互渗透促进了植物生物技术深入发展。无论如何，植物组织培养是植物生物技术最根本的基础。,1、植物组织培养的奠基和发展,植物组织培养的研究历史可以追溯到19世纪中期，其开拓和发展的理论基础是植物细胞的全能性，该研究领域的发展历史可分为开创、奠基和建立三个阶段。,植物组织培养的理论基础源于18

16、38-1839年德国的植物学家T.Schleidon和动物学家T.Schwann提出的细胞学说（cell theory）。该学说的基本内容是：一切生物都是由细胞构成的，细胞是生物体的基本功能单位，细胞只能由细胞分裂而来。,植物组织培养的第一篇论文是1902年德国的植物生理学家G. Haberlandt发表的，他根据细胞学说的理论提出：高等植物的器官和组织，可以不断分割，直至单个细胞，这种单个细胞是具有潜在全能性的功能单位，即植物细胞具有全能性。在Haberlandt的实验中，没有一个培养细胞发生细胞分裂。其实验失败的原因在于，一是使用过于简单的培养基，即仅在Knop溶液中加入蔗糖；二是选用高度

17、分化的实验材料，细胞脱分化和分裂较难。,20世纪30-50年代，影响离体培养材料生长和发育的一些重要物质，如天然提取物、B族维生素、生长素（auxin）、细胞分裂素（cytokinin）等的发现，促使植物组织培养的研究迅速发展，特别是分裂素与生长素的比例控制控制器官分化（differentiation）的激素模式的建立，使植物组织培养的技术与理论体系得以形成。 White（1934）在培养基中加入酵母浸出液和蔗糖，培养番茄根获得成功。接着，他用3种B族维生素吡哆醇（B6）、硫胺素（B1）和烟酸（B3）代替了酵母浸出液，建立了适合于根培养的White培养基。Gautheret（1934）在Kno

18、p溶液中加入B族维生素和IAA后，使山毛柳形成层生长显著增加。,后来，Skoog和崔瀓（1948）发现，腺嘌呤与生长素的比例是控制烟草髓愈伤组织上芽和根形成的主要条件之一。随着细胞分裂素的发现，Skoog和Miller（1957）提出植物激素控制器官形成的概念，指出在烟草髓组织培养中，根和芽的分化取决于两类生长调节剂的相对浓度，比例高时促进生根，比例低则促进芽的分化。这一概念至今仍然被人们所接受。 Reinert和Steward（1958）对胡萝卜悬浮培养细胞和愈伤组织形成体细胞胚作了报道，用实验科学地论证了植物细胞全能性，标志着植物生物技术快速发展的开始。,从植物细胞全能性理论的提出到其被实验科学地证实，植物组织培