现代生物技术应用生物技术应用和农业

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1、7生物技术与农业 学习目的了解现代生物技术在农业生产中的广泛运用 认识生物技术在培育高产 抗病 抗逆植物新品系以及在培育优良生产性能的动物新品系 动物快速繁殖 生物反应器等领域的应用 7 1生物技术与种植业 长期以来人们不断地寻求提高作物产量和品质的方法 有性杂交等传统育种方式 化学农药和肥料等的使用曾做出了巨大的贡献 但其弊端也日渐突出 现代生物技术将为种植业的发展提供跟广阔的前景 生物技术与农业7生物技术与农业 7 1 1生物技术在诱导植物雄性不育中的利用 植物雄性不育及杂种优势利用是传统育种方法中的一个重要领域并已取得令人瞩目的巨大成绩 利用现代生物技术方法可诱导植物雄性不育 从而产生新

2、的不育材料为育种服务 基因工程技术 组织培养 原生质体融合 体细胞诱变和体细胞杂交等技术都可以创造植物雄性不育新材料 生物技术与农业7 1生物技术与种植业 7 1 1 1组织培养诱导植物雄性不育中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培养 然后将愈伤组织进行辐射 从而选育出巴斯马提雄性不育系 1984 1988年间凌定厚等以IR24 IR36 IR54等9个品种 通过种子 幼穗离体培养 筛选到不育突变体48个 生物技术与农业7 1 1生物技术在诱导植物雄性不育中的利用 7 1 1 2基因工程诱导植物雄性不育花粉绒粘层表达barnase基因阻断花粉正常的发育而造成败育 形成不育系 花粉绒粘层表

3、达bastar基因转化植株中为恢复系形成的二系配套的油菜 烟草 反义RNA技术创造了拟南芥 玉米 油菜等植物不育系 生物技术与农业7 1 1生物技术在诱导植物雄性不育中的利用 7 1 1 3原生质体融合创造不育系萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种 萝卜质油菜 在一般环境条件下表现为 雄性不育 匈牙利国家自然科学院Menczel等 1982 以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合 实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移 生物技术与农业7 1 1生物技术在诱导植物雄性不育中的利用 7 1 2生物技术培育抗逆性作物品种 植物与环境间有着密不可分的关系 而逆性环境的出现 特别是病虫害的频

4、繁发生 造成农业上大面积的减产 组织培养 原生质体融合 体细胞杂交等生物技术手段创造突变 培育抗逆新品种 不过这些方法盲目性较大 而且植株遗传变异频率较低 植物基因工程技术目前已成为一种广泛且有效的培育抗逆性植株的手段 生物技术与农业7 1生物技术与种植业 7 1 2 1培育抗除草剂作物农田化学除草已成为全球现代农业生产的重要组成部分 全世界除草剂的总用量 施用面积及费用均已超过杀虫剂与杀菌剂 随着大量除草剂的出现 新品种选育和开发难度极大 因此 利用基因工程培育植物的抗除草剂品种越来越受到国内外科学家的关注 它不仅可扩大现有除草剂的应用范围 选用高效率 低毒 低残留 杀草谱广 低成本的除草剂

5、转基因作物 也可减少环境污染 降低农业生产成本 生物技术与农业7 1 2生物技术培育抗逆性作物品种 利用基因工程技术培育抗除草剂作物 理想的除草剂必须具有高效 广谱的杀草能力 且对作物及人畜无害 在土壤中的残留短 成本不高 但现在要开发出1种新的符合上述要求的除草剂的成本越来越高 选择的机率也在明显降低 抗除草剂基因工程溴苯腈是一种苄腈化合物 抑制光合作用过程中的电子传递 能除宽子叶杂草 从土壤中分离出一种叫臭鼻杆菌的细菌 能产生一种溴苯腈的特异水解酶 可将溴苯腈水解为3 5 二溴 4羟基苯甲酸 失去除草功效 控制该水解的基因 Bxn 已分离出来2 4 D是一种激素型除 草剂 浓度过高会对植物

6、有毒害作用 阔叶植物特别是棉花对2 4 D极其敏感 土壤中富氧产碱菌对2 4 D的分解作用最强 美国和澳大利亚已从该细菌中分离出2 4 D单氧化酶基因 可分解2 4 D 草甘膦草甘膦 又名镇草宁 是应用最广泛的一种非选择性除草剂 作用机制是破坏植物体内三种芳香族氨基酸 Phe Tyr Try 生物合成中的关键酶Epsp 1985年 美国Calgene公司分离出Epsp合成酶基因 抗EPSP抑制剂基因草甘膦 glyphosate 是一种广谱除草剂 它具有无毒 易分解 无残留和不污染环境等特点 目前已从细菌中分离出一个突变株 它含有抗草甘膦的EPSP合成酶突变基因 把抗草甘膦基因引入植物 可使这种

7、基因工程作物获得抗草甘膦的能力 此时若用草甘膦除草 则可选择性地除掉杂草 而这种作物因不受损害而生长 生物技术与农业7 1 2 1培育抗除草剂作物 抗PPT基因膦丝菌素 phosphinothricin PPT 用作非选择性的除草剂 是植物谷氨酰合成酶 glutaminesynthetase GS 的抑制剂 现已从Streptomyceshyrscopicu中分离得到抗bialaphos的bar基因 该基因编码的产物称PAT 嵌合的bar基因在CaMV35s启动子的控制下 在烟草 马铃薯和番茄的细胞内得到了表达 转基因植株对高剂量的PPT和bialaphos具有耐受性 生物技术与农业7 1 2

8、 1培育抗除草剂作物 生物技术与农业7 1 2 1培育抗除草剂作物 转抗EPSP抑制剂基因的棉白杨对草甘膦具有耐受性 生物技术与农业7 1 2 1培育抗除草剂作物 7 1 2 2培育抗病虫作物化学革命给人类带来了农药 农药对人类的发展确实起了重要的作用 但同时也带来了不少严重的问题 如农药的残留在食物链的各个层次富积 危害环境及人类 同时杀虫剂的大量使用 使大量天敌和益虫也蒙受毒害 生物的多样性降低 农药的长期使用 使昆虫及病原体产生抗性 使杀虫剂的应用越来越形成恶性循环 生物技术与农业7 1 2生物技术培育抗逆性作物品种 抗病虫转基因作物的益处 是一种无环境污染的防治策略 可显著减轻农业对化

9、学农药的依赖 有助于可持续农业系统的建立 农药具有时间上的连续性和空间上的整体性 抗性基因的来源广阔 不受不同生物个体间生殖隔阂的限制 可以在整个生物体中挑选 组合目的基因 育种周期短 治虫成本低 生物技术与农业7 1 2 2培育抗病虫作物 转Bt毒蛋白基因作物苏云金杆菌 Bacillusthuringiensis Bt 是一种来源于土壤的微生物 具有高度的杀虫活性 被作为生物农药商品化应用 Bt之所以能杀虫 是因为其芽孢形成过程中可产生一种杀虫结晶蛋白 ICP 这种毒蛋白对鳞翅目昆虫有特异的毒性作用 它在昆虫消化道内的碱性条件下 裂解成为活性多肽并造成昆虫消化道损伤 最终可使昆虫死亡 而对其

10、他生物则无害 生物技术与农业7 1 2 2培育抗病虫作物 BtCry1Ac5 修饰的Bt毒蛋白转基因作物苏云金杆菌亚种Kurstaki中毒蛋白的晶体结构在大田条件下不稳定 在植物中的表达亦很不理想 因此为了提高表达水平 研究人员截短了该基因 使其仅表达毒素蛋白的N端部分 同时插入35S的启动子来控制该基因的表达 采取这两个办法后使得蛋白质的表达量略有提高 生物技术与农业7 1 2 2培育抗病虫作物 为了进一步提高表达量 人们将编码位于N端29 607位氨基酸残基之间的高度保守区域的基因片段进行克隆后 在细菌内表达 实验证明截短的蛋白质与天然蛋白活性相同 都能够抵御鳞翅目昆虫的侵害 人为设计 化

11、学合成的完全修饰后的Bt毒蛋白基因 它采用植物偏爱密码子 并删除了可能形成mRNA二级结构的序列 改造过的基因的G C含量高达49 野生型基因是37 核酸序列与野生型仅78 9 相同 用这种合成的Bt毒蛋白基因转化植物后 表达量比野生型基因要高100倍左右 并提高了杀虫活性 生物技术与农业7 1 2 2培育抗病虫作物 1991年我国科学家成功地将苏云金芽孢杆菌 Bt 杀虫晶体蛋白基因导入棉花 获得了转基因植株 1993年将Bt晶体蛋白基因导入我国棉花品种中 获得了高抗棉铃虫的抗虫棉 1998年通过国家审定的中棉所29就是1个适于北方棉区生产的中熟转基因Bt棉 到目前为止 我国已育成10多个杀虫

12、效果显著 丰产性好 纤维品质优良 适用于不同生态条件种植的品种或品系 已在9个省 市 大面积试种 示范和应用 中国转基因棉花生产面积在2007年达380万公顷 占全国棉花种植面积69 豇豆胰蛋白酶抑制剂豇豆胰蛋白酶抑制因子 cowpeatrypsininhibitor CpT1 一个大约由80个氨基酸组成的小肽 属于Bowman Birk类型的丝氨酸蛋白酶抑制剂 它的作用位点是酶的催化中心 这一位点的突变可能性甚小 因此可能减少害虫通过突变而产生对CpTl的耐受性 而且CpTl抗昆虫谱广 能抗鳞翅目 鞘翅目害虫等 几乎对所有的害虫有效 而对人畜无害 因此 CpTl比苏云金杆菌更有应用价值 生物

13、技术与农业7 1 2 2培育抗病虫作物 几丁质酶基因工程作物在植物抗真菌病害的基因工程研究中 几丁质酶基因是应用比较成功的一例 几丁质是真菌细胞壁的组分之一 几丁质酶 chitinase 可破坏几丁质 美国科学家已分离出几丁质酶基因并导入烟草中 大田试验结果表明 这种转基因烟草抗真菌感染与施用杀真菌剂同样有效 而且收成更好 目前 已将几丁质酶基因导入番茄 马铃薯 莴苣和甜菜 这一技术将对蔬菜和果实类植物抗真菌感染具有重要意义 生物技术与农业7 1 2 2培育抗病虫作物 转Bt基因的玉米受害虫和穗腐病的危害较轻 生物技术与农业7 1 2 2培育抗病虫作物 转Bt基因的抗虫油菜 生物技术与农业7

14、1 2 2培育抗病虫作物 转Bt基因的抗虫棉与马铃薯 生物技术与农业7 1 2 2培育抗病虫作物 7 1 2 3培育抗重金属镉的作物镉对植物的污染会影响固氮过程 降低植物体水分和养分的运输能力 最终抑制植物细胞的光合作用 用哺乳动物基因组编码的金属硫蛋白 metollothionein 基因转化植物 可使受体植株获得抗重金属镉的能力 加拿大科学家将中国仓鼠金属硫蛋白基因插入CaMV衍生的载体中 然后用这种重组子感染野生油菜叶片 受感染的叶片能高水平产生金属硫蛋白 并能产生对镉的抗性 生物技术与农业7 1 2生物技术培育抗逆性作物品种 7 1 2 4培育抗病毒作物植物病毒是造成农作物减产的主要原

15、因之一 利用基因工程技术将抗病毒基因转移到植物中 是一种比较理想的抗病毒方法 抗病毒基因工程通常采用的策略是 病毒外壳蛋白基因或其功能蛋白基因 病毒亚基因组序列 卫星DNA 缺失干扰型序列的遗传转化 反义RNA技术等 生物技术与农业7 1 2生物技术培育抗逆性作物品种 烟草花叶病毒TMV外壳蛋白基因引入到烟草细胞中 转化植株的细胞中可以产生这种外壳蛋白 并对TMV感染表现出一定的抗性 将TMV编码的一种蛋白质 分子质量54kDa 的DNA序列导入植株时 可对高浓度的TMV产生抗性 为了赋予植株以病毒抗性 此特殊的DNA序列要比迄今利用的外壳蛋白基因更有效 生物技术与农业7 1 2 4培育抗病毒

16、作物 美国科学家利用Ti质粒作为载体 成功地将苜蓿花叶病毒AMV外壳蛋白基因转移到烟草细胞内 外壳蛋白基因在CaMV35s启动子的控制下 在转化植株中所产生的外壳蛋白具有抗病毒的效果 含有黄瓜花叶病毒CMV的卫星RNA拷贝的转化植物在受到CMV感染时产生大量的卫星RNA 植物细胞内过量的卫星RNA可以抑制病毒RNA的复制 还可能显著减轻病状的发展 生物技术与农业7 1 2 4培育抗病毒作物 转病毒核蛋白基因的番茄和未转基因的番茄不但对CMV的抗性明显不同 而且植株的生长和果实的品质的差异显著 生物技术与农业7 1 2 4培育抗病毒作物 经花叶病毒感染后的南瓜的重量和品质在转基因和未转基因植株之间的差异 生物技术与农业7 1 2 4培育抗病毒作物 番木瓜是一种富含维生素C和A的美味热带水果 然而由于PRSV病毒的侵染和传播 番木瓜树果园遭受了毁灭性的打击 生物技术与农业7 1 2 4培育抗病毒作物 运用基因枪介导的转化方法 科学家将PRSV病毒的外壳蛋白转入到番木瓜树中 转基因的番木瓜树显示出对PRSV病毒很强的抗性 生物技术与农业7 1 2 4培育抗病毒作物 7 1 2 5培育适应极端