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1、第六讲 生物技术与农业,生物技术与种植业 现代生物技术与养殖业,生物技术与种植业,植物细胞工程的应用 植物基因工程的应用 分子标记及其在植物遗传育种上的应用,植物细胞工程的应用,植物细胞工程与植物育种 植物细胞工程与植物快速无性繁殖和脱毒 植物细胞工程与人工种子 植物细胞工程与植物次生代谢产物的生产,1.器官培养：指对植物根、茎、叶、花、果实 以及各部分原基（芽原基、根原基）的 培养。 2.胚胎培养：指以胚珠、幼胚、成熟胚为材料的 离体培养，也包括胚乳的离体培养。 3.组织培养：指植物各部分组织的离体培养，使 之成为愈伤组织称为组织培养。如茎组织 叶肉组织、根组织、形成层、髓组织、贮 藏薄壁组
2、织、珠心组织等为材料的离体培 养。,植物细胞工程的内容,4.细胞培养：指用能保持较好分散性的植 物细胞或很小的细胞团（67个细 胞）为材料进行离体培养。如小孢 子培养。 5.原生质体培养：指借助某些方法除去植物 细胞的胞壁，培养裸露的原生质体， 使其在特定的培养基上，重新形成细 胞壁并继续分裂、分化形成植物的方法。 由以上五个方面延伸的内容有：植物脱毒培养、突变体筛选、细胞杂交和人工种子等。,一、植物细胞工程与植物育种,(一)用组织培养技术进行倍性育种 (二)利用植物组织培养技术进行远缘杂交育种,(二)利用植物组织培养技术进行远缘杂交育种,远缘杂交的概念： 亲缘关系较远，遗传差异较大的不同种、
3、属甚至科间的物种杂交，包括栽培作物与野生植物之间的杂交，称为远缘杂交。,远缘杂交的三大困难,亲本的杂交不亲和性； F1杂种生活力弱和F1杂种不育； 杂种后代分离大，时间长，不 易稳定。,1.利用体细胞融合技术培育远缘杂种,体细胞融合的概念： 两种异源（种、属、科间）原生质体，在诱导剂诱发下相互接触，从而发生膜融合，胞质融合和核融合并形成杂种细胞，进一步发育成杂种植物体，又称体细胞杂交。,诱导细胞融合的方法及融合剂,(1).盐类融合法： 硝酸盐类：NaNO3，K NO3 ，Ca（NO3）2 氯化物类：NaCl，CaCl2，MgCl2，BaCl2 葡聚糖硫酸钾、葡聚糖硫酸钠,(2).高钙（Ca2+
4、）和高pH值融合 (3).聚乙二醇（PEG）融合法 (4).聚乙二醇与高钙（Ca2+）、高pH值结合的融合法 (5).电融合法:平行电极、微电极、微融合,植物细胞融合的程序,原生质体分离,原生质体纯化,细胞杂种的选择,原生质体融合,愈伤组织形成 器官分化 植株再生,杂种植物鉴定,细胞融合技术获得成功的植物,烟草：品种间、种间（郎氏烟草+粉蓝烟草） 大麦：大麦+花生、大麦+蚕豆 小麦：小麦+红花、小麦+玉米、 小麦+矮牵牛 大豆：大豆+野豌豆、大豆+烟草、 大豆+秋水仙 燕麦+玉米等,两个种间原生质体融合与植株再生,叶肉原生质体的分离,二、植物细胞工程与植物快速无性繁殖和脱毒,（一）利用组织培养
5、技术快速繁殖植物 与工厂 化生产试管苗 （二） 无病毒植物的培养,1、 利用离体培养技术，将来自优良植株的茎尖、 腋芽、叶片、鳞片等器官、组织和细胞进行 离体培养。在短期内获得大量遗传性一致的 个体的方法(技术)称离体无性繁殖。由于这 种繁殖方式繁殖数量大、速度快，因此也称 离体快速无性繁殖。 用这种方法得到的植株群体来自一个单株(或一个单芽)，它们的遗传组成相同，这些株群可称单株无性系或单芽无性系。,（一）利用组织培养技术快速繁殖植物 与工 厂化生产试管苗,加快繁殖速度 培养无毒植株 杂合植株的繁殖 加速繁殖特殊材料 快速无性繁殖的另一优越性是将植物的无性繁殖从田间移至室内，使生产不受大自然
6、的干扰，使育苗工厂化。,2.离体无性繁殖的程序和技术关键,无菌母株的制备,再生植株的鉴定,小植株的驯化和移栽,完整小植株的形成,不定芽的增殖,(二)无病毒植物的培养,植物病毒的危害和培养无病毒植物的意义 脱除植物病毒的原理及方法 无病毒植株脱毒程序,1.植物病毒的危害和培养无病毒植物的意义,植物病毒的危害 利用茎尖培养技术产生无病毒植株的优点,(1)植物病毒的危害,植物受病毒危害是一个影响生产的严重问题。目前已发现的植物病毒种类不下500种，严重危害着农业生产。在果树、蔬菜、花卉、林木以及农作物上皆有发现。随着生产栽培时间的推移，危害越来越严重，发现的病毒种类也越来越多。许多栽培植物因为感病而
7、严重减产，品质变劣。,(2)利用茎尖培养技术产生无病毒植株的优点,有些病毒不能侵染种子，因此用种子繁殖能排除大多数病毒，达到复壮的目的。但有性过程不能维持无性繁殖作物种性，使用这方法则受到了限制。利用茎尖分生组织培养是目前最有效的除去病毒的方法，几乎对所有病毒都有效，且周期短，效率高，还可与植物的快速繁殖相结合。,四.细胞工程与人工种子,（一）人工种子的概念及研制的意义,人工种子（synthetic seed），又称人造种子（artificial seed），是指由植物体细胞胚或其类似物和营养性胶被及保护性薄膜所组成的类似天然种子的结构。 具有良好发育的体细胞胚并能发育成正常完整植株。 具有人
8、工胚乳可提供种胚发育的营养。 具有能起到保护作用的人工种皮。,人工种子,1.人工种子是在室内合成的，机械化配套后，便于大量地 低成本地进行生产。生产可长年进行，不受季节影响 和气候条件限制，同时占用空间很小，不需大片的农 田。因此，可利用人工种子技术大量、快速繁殖性状 优良、遗传性稳定的植物种和品种。 2.人工种子的体细胞胚是通过无性繁殖体系产生的。发育的植株性状基本稳定。可大量繁殖无病毒材料，以提高植物抗性、产量和商品品质。 3、制作人工种子时还可加入菌肥、微生物、农药，以抵抗外来病毒和微生物的侵染。,（二） 人工种子的优越性,4.人工种子不需要等到成熟时采收，只要在营养生 长期便可利用组织
9、培养技术产生新个体。因此， 育种周期明显缩短，对生育周期长的多年生植 物；育性不良的难于有性繁殖的植物可用人工 种子技术进行繁殖 5.人工种子如天然种子样，具有坚硬的种皮，大小 一致，适于机械化播种。 6、可以固定杂种优势,选取目标植物,从合适外植体 诱导愈伤组织,将愈伤组织转移 到液体培养基,愈伤组织在液体 培养基中增生扩大,愈伤组织移入无 激素分化培养基,体细胞胚的包埋 我工胚乳的操作,包裹人工种皮,温室（大棚）播种,获得目标植物,人工种子的制作流程,（六）人工种子的应用前景,人工种子的生产效率高 人工种子可用于杂交育种和杂种优势利用 可调节幼苗生长 可保存珍贵品种,五.细胞工程与植物次生
10、代谢产物的生产,利用植物细胞培养生产次生代谢产物的意义 利用植物组织细胞培养技术生产次生代谢产物 的方法 利用植物组织细胞培养技术生产植物药的类别,（一）利用植物组织培养生产次生代谢产物的意义,细胞培养方法生产次生代谢产物的优点 培养的植物细胞积累的次生代谢产物类别,次生代谢产物的生产是在可控制的条件下进行的，因此可以通过改变培养条件来筛选新细胞系，得到超越整体植物产量的代谢产物，节约能源，减少占用耕地面积。 与植物栽培不同而与发酵工业相似，不受天气、地理、季节等外界环境因素的影响。而且培养细胞是在无菌条件下生长的，因此可以排除病菌和虫害的侵扰。 可以进行特定的生物转化反应。 可以探索新的合成
11、路线的获得新的有用产物。,目前已经对400多种植物进行过研究, 从培养的植物细胞中分离到次生代谢产物有600多种，其中60多种在含量上超过或等于原植物, 包括几十个类别，如核酸、蛋白质、酶类、多肽、糖类、脂肪、或单宁类物质、维生素、激素、各种植物碱、固醇、植物生长激素等。,（二）利用植物组织细胞培养技术生产次生代谢物的方法,高产的细胞株的选择 培养基的选择 扩大培养,（三）.利用植物组织培养技术生产的植物药的类别,苷类 甾醇 生物碱 醌类 蛋白质类,1苷类,对含苷类的药用植物进行组织培养能积累多种苷类，如皂苷(人参皂苷、三七皂苷、薯芋皂苷原、柴胡皂苷)、强心苷(强心醇苷、毛地黄毒配质衍生物、芰
12、毒配质衍生物)和其它一些苷类(甘草甜苷、香豆精苷)，其中从人参的组织培养物中收集人参皂苷的培养较为成功。,2甾醇,在植物组织培养中积累的植物甾醇有菜油甾醇、豆甾醇、谷甾醇、胆甾醇、异岩藻甾醇、环烷苦艾醇、紫杉醇等。,3生物碱,利用植物组织培养技术生产生物碱是植物药生产的一个方面。通过此技术生产出的生物碱主要有莨菪烷、吡啶、喹啉、异喹啉等。,4醌,利用植物组织细胞培养技术生产的醌类有蒽醌、萘醌、泛醌等，但这方面进展不多，仅从猪殃殃悬浮培养的细胞中得到蒽醌、萘酚、红紫素、羧酸配糖体等，其总蒽醌色素O.4mol(ml.d)比原植物的含量高。,5蛋白质类,利用植物组织培养技术生产的蛋白质类有胰岛素、氨
13、基酸、蛋白酶抑制剂、植物病毒抑制剂、植物抗生素、抗消化性溃疡及抗鸡球虫病物质等。,植物基因工程的应用,基因工程在植物育种中的应用 基因工程与生物固氮 利用植物作为生物反应器,一.基因工程在植物育种中的应用,培育抗虫植物 培育抗病毒植物 培育抗除草剂作物 培育耐受环境压力和抗衰老的作物 改进农产品的品质 改变花卉颜色、花形和花期 植物杂种优势利用的基因工程,培育抗虫植物,抗虫基因的种类： 细菌抗虫基因如Bt毒蛋白基因； 植物抗虫基因： 豇豆胰蛋白酶抑制剂基因、马铃薯蛋白酶抑制剂-基因、-淀粉酶抑制剂基因、外源凝集素基因。 其它抗虫基因： 真菌的壳多糖酶基因、核糖体灭活蛋白（RIP）基因产物及一些
14、昆虫的毒素基因都具有一定的抗虫作用,培育抗病毒植物,TMV外壳蛋白介导的抗性 利用植物病毒外壳蛋白基因，培育抗病毒的转基因植物。 病毒复制酶介导的抗病毒作用 卫星RNA介导的抗病毒作用,培育抗除草剂作物,抗除草剂转基因策略： 一是修饰除草剂作用的靶蛋白，使其对除草剂不敏感，或导入靶蛋白基因使之过量表达以使植物吸收除草剂后仍能正常代谢； 二是引入酶或酶系统，在除草剂发生作用前将其降解或解毒。,培育耐受环境压力和抗衰老的作物,抗旱作物基因工程 抗盐作物基因工程 抗寒作物基因工程 抗早熟作物基因工程 抗氧离子基团基因工程,改进农产品的品质,改善脂肪酸的质量 提高种子蛋白的营养价值 延迟水果的成熟期
15、修饰淀粉的成分,延迟水果的成熟期,A. 应用PG反义基因技术，抑制多聚半乳糖醛酸酶（PG酶）的活性，培育转基因番茄 B.应用反义基因技术抑制植物体内乙烯的合成，延长水果的成熟期 通过干扰乙烯合成的关键酶ACC（氨基环丙烷酸）合成酶和ACC氧化酶的编码基因，培育转基因植物。,修饰淀粉的成分,淀粉合成途径中有三种关键酶ADP葡萄糖焦磷酸化酶（GP基因）、淀粉合成酶和分枝酶,其功能及表达活性与植物淀粉的结构和特性密切相关，因此,通过改变这三种酶的数量和性质，就可达到改变植物体中合成淀粉的结构与质量的目的。,改变花卉颜色、花形和花期,利用基因工程的方法对黄酮类物质合成途径中的酶的基因进行操作，就可培育
16、出具有独特色泽的花卉。 经研究表明，同源异型基因表达的加强或减弱都可能会改变花的大小和形状，而它的表达时间则直接影响植物的花期。因此，可望在不久的将来通过转基因途径人工控制花形和花期。,二.基因工程与生物固氮,采用基因工程技术将固氮基因直接导入非豆科植物，特别是禾谷类农作物，将其转变为固氮作物。 采用基因工程技术，提高硝酸盐还原酶的催化活性，或是在体外修饰基因的表达信号，提高硝酸盐还原酶的水平，从而使植物使用硝酸盐的能力得到加强。,三.利用植物作为生物反应器,利用植物生产糖类物质 利用植物生产蛋白质和多肽 利用植物生产可降解的生物塑料的原料,分子标记及其在植物遗传育种上的应用,遗传标记的概念 分子标记的种类、基本原理与特点 分子标记在植物遗传育种研究上的应用,遗传标记的概念,遗传标记是指可以明确反映遗传多态性的生物特征。在经典遗传学中，遗传多态性是指等位基因的变异。在现代遗传学中遗传多态性是指基因组中任何座位上的
