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1、第一章 绪论教学安排：三大部分：绪论、植物组织细胞培养、基因工程应用：发酵工程、茎、茎尖培养、育种技术、种质资源保存、转基因植物。第一节 生物技术概述一、生物技术的概念 What is biotechnology？“New” Biotechnology the use of cellular and biomolecular processes to solve problems or make useful products .（CB。 Feldbaum，2004） 1917 年，匈牙利工程师 Karl Ereky 首次提出“生物技术”这一名词。所有利用生物体对原料进行加工而获得产品的生产流
2、程 国家“863”计划生物高科技丛书：生物技术是以现代生命科学理论为基础，利用生物体及其细胞的、亚细胞的和分子的组成部分，结合工程学、信息学等手段开展研究及制造产品，或改造动物、植物、微生物等，并使其具有所希望的品质、特性，从而为社会提供商品和服务的综合性技术体系。生物技术是一门应用生物科学研究成果，以工程手段增加数量或提高质量从而满足人类日益增长的对生物制品需求的技术，是一门建立在现代生命科学理论基础上的技术。生物技术与相关学科的关系：1生物技术的建立与发展依赖于相关学科理论的发展。2生物技术为生物学研究提供了新的实验体系，从而促进了生物科学的飞速发展。3是相辅相承，互相促进的。二、生物技术
3、研究的主要技术范畴1 细胞工程（cell engineering）2 发酵工程（fermentation engineering） 发酵工程又称为微生物工程3 酶工程和蛋白质工程（enzyme engineering and protein engineering）4 基因工程（genetic engineering） 基因工程又称为重组 DNA 技术5 分子标记技术（molecular marker）分子标记又称为 DNA 分子标记，是指电泳后能以一定的方法检测到的可以反映基因组某种变异特征的 DNA 片段，是建立在 DNA 的多态性基础之上的可识别的等位基因。这种 DNA片断可以通过限制性
4、内切酶切割、PCR 扩增或两者结合来获得。三、生物技术的产生和发展发展过程按其技术特征分为三个发展阶段：传统生物技术阶段（旧有的制造酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶等。它以酿造技术作为技术特征。 ）近代生物技术阶段 1928 年,青霉素的发现20 世纪 40 年代，出现以获取细菌的次生代谢产物抗生素为主要特征的抗生素工业。50 年代，氨基酸发酵工业。60 年代，酶制剂工业。现代生物技术阶段 以生物化学或分子生物学等方法来改变细胞或其分子的遗传形态，以达到生产对人类有用物质或生物的目的。现代生物技术出现的标志： 20 世纪 70 年代，DNA 重组技术的建立。现代生物技术以基因工程为核心，包括基因工
5、程、细胞工程、微生物工程、酶工程、蛋白质工程和生化工程等。 （此分类方式为相对的，它们之间常常相互渗透，互为补充。 ）第二节 药用植物生物技术概述一、药用植物生物技术的概念药用植物生物技术（biotechnology in medicinal plant）是指将药用植物生物学原理和科学技术相结合生产有经济价值的产品或达到某种目的的一系列技术。通常是指应用发酵工程（fermentation engineering） 、细胞工程(cell engineering)、酶和蛋白质工程（enzyme and protein engineering） 、基因工程(genetic engineering)
6、等生物研究成果对药用植物进行品种改良、保护、遗传研究、中药鉴定等方面研究的技术，它是生物工程的一个重要组成部分。 研究对象：药用植物 研究方法：细胞工程、发酵工程、酶和蛋白质工程、基因工程等生物研究成果 基本手段：植物的组织和细胞培养中药资源普查植物药有 11 146 种，涉及 383 科，2 309 属，11 146 种（含亚种、变种等种下等级）动物药有 1 581 种，涉及 415 科，861 属矿物药有 80 种传统中药包括矿物药、动物药、植物药三部分。矿物药的生物技术：人工养殖珍珠。 （研究较少）动物药的生物技术：人工养殖蝎子、蜈蚣、地鳖虫等药用动物。 （20 世纪 80 年代）植物药
7、的生物技术 ：主流或核心。生物技术进行传统药用植物生产的优点：1、药材（或有效成分）的生产可以在人为控制条件下进行，通过操作培养条件和培养方式极大地提高生产率。2、培养是在无菌条件下进行的，因此可以排除病菌和虫害的侵扰，严格控制药材质量。3、通过特定的生物转化反应，大规模生产需要的有效成分。4、通过对有效成分合成路线进行遗传操纵，提高所需物质的产量。5、通过加入或删除基因而改变药材的遗传特性，有效地保持其生物优势。生物技术在中药领域中的应用（相关介绍）1、 单倍体、多倍体育种2、 体细胞突变育种3、 转基因抗病育种4、 药用植物及活性成分的工业化生产5、 转基因药材6、 中药鉴定7、 药用植物
8、种质资源保存 等等中国药用植物生物技术研究成果： 罗汉果快速繁殖 （广西药物研究所） 怀地黄去病毒 （山东大学） 紫草毛状根大规模培养 （中国科学院植物研究所） 红豆杉毛状根大规模培养 （华中理工大学） 黄芪毛状根大规模培养 （上海中医药大学）生物技术在药用植物中的应用前景（一）应用生物技术开展药用植物资源及品种选育工作。1.保护珍稀濒危物种，积极寻找代用品、类同品2.利用生物技术进行种质保存3.利用生物技术再生药用植物资源4.利用生物技术进行人工种子技术的研究 5.利用转基因技术培育药用植物新品种及品种的遗传改良（二）利用植物细胞培养生产次生代谢产物1利用发根农杆菌遗传转化获得毛状根生产次生
9、代谢产物2次生代谢途径的基因工程3分子标记技术在药用植物研究上的应用前景第三节 生物技术与中药现代化中药现代化就是将传统的中医药的理论、优势及特色与现代科学技术相结合，并借鉴国际通行的医药标准和规范，研究开发安全、有效、可控、符合国际市场准入要求的中药产品，以适应当代社会发展的需求。生物技术在中药现代化中的作用1生物技术在中药现代化研究中的作用（1）细胞工程在中药研究中的作用 （2）基因工程在中药研究中的作用 2利用生物技术保护和开发中药材资源() 利用生物技术保护中药资源() 利用生物技术研究中药资源生物多样性及可持续利用第二章 植物组织培养的基础技术药用植物组织培养的重要性中国植物红皮书第
10、一卷：共收载了 388 种国产珍稀濒危野生植物，其中有药用价值的100 余种，在中国历史上就已赫赫有名的人参、天麻、黄连、黄芪、杜仲、厚朴、巴戟天、贝母 、肉苁蓉等，均位列其中。药用植物大田栽培过程中不可避免地农药残留污染、与农作物争地等问题。许多名贵药材生产周期长，若用常规方法育种或育苗，需要花费很长时间。 有些药用植物繁殖系数小、耗种量大，导致生产成本增加。 （贝母、番红花等）有些药用植物易受病毒感染而使品质退化、产量降低。 （地黄、太子参等）因此，积极研究药用植物的再生技术，使有限的药用资源为人类持续利用已迫在眉睫。作为生物技术的有力手段，组织培养在药用植物的脱毒快繁、突变诱发、细胞工程
11、和基因工程等方面都发挥着巨大的作用。药用植物组织培养的优势不受地区、季节与气候的限制。便于工厂化生产。组织培养中细胞生长速度比植物正常生长速度快，接近于分生组织的生长速度。第一节 植物组织培养的基础理论一、植物细胞全能性(Cellular totipotency)植物组织培养的理论基础植物细胞全能性：指细胞携带着某种生物的一套完整的基因组，并具有产生该种生物完整个体的能力。细胞全能性的定义主要有 3 个含义：植物细胞无论是体细胞还是生殖细胞均具有该物种的全套遗传信息；只有在适宜条件下，植物细胞才具有发育成完整植株的能力；植物每个细胞均具有发育成完整植株的能力。植物细胞全能性的发展简史：植物细胞
12、全能性的初步提出(19 世纪 30 年代) ：德国 2 位学者 Schleiden、Schwann 创立了细胞学说，认为细胞是生物体结构和功能的基本单位。根据这一学说，如果给细胞提供和生物体内一样的条件，每个细胞都应该能够独立生活。1902 年，德国植物生理学家 Gottlieb Haberlandt 正式提出植物细胞全能性：就我所知，在营养液上培养高等植物细胞至今还没有进行过，但这样的工作有助于对细胞特性的认识，也有可能从植物细胞培养中得到完整的植物体，希望引起人们的重视。1898 年，Haberlandt 从叶片的栅栏组织和髓薄壁组织、表皮与表皮毛等组织中分离出生物活性细胞，并在含蔗糖的
13、knop 盐溶液中进行培养，观察到栅栏细胞有明显的生长，遗憾的是他没有看到细胞的进一步分化。他虽然未能获得再生植株，却是植物组织培养的开创者。1902 年他发表了著名论文植物细胞离体培养实验，论文中提出的植物细胞全能性的理论是植物组织培养的理论基础。因此被益为植物组织培养之父。植物组织培养四大典型实验植物：胡萝卜、矮牵牛、烟草、芸苔利用植物细胞全能性，可以开展：植物组织、器官培养；细胞培养；原生质体融合与培养；亚细胞水平的操作技术等工作和研究。利用动物细胞的全能性，可以开展：细胞培养（包括组织培养、器官培养） ； 细胞融合；胚胎工程（核移植、胚胎分割） ；克隆技术（单细胞系克隆、器官克隆、个体
14、克隆）等工作和研究。问题一：生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化成不同的组织器官？ 在生物体内，由于基因的选择性表达，细胞不能表现出全能性，而是分化成为不同的组织器官。 由此说明条件十分重要，或者说是关键的，只要条件合适，细胞潜在的遗传能力就会表现出来。植物细胞按照分裂能力分为三类：1、始终保持分裂能力（茎尖、根尖及形成层细胞）2、永久失去分裂能力的终端分化细胞（筛管、导管、气孔保卫细胞等特化细胞）3、在通常情况下不分裂，但在受外界刺激后可重新启动分裂的细胞，如表皮细胞及各种薄壁细胞。从理论上讲，只要是一个生活的细胞，都有再生出一个完整植株的潜力，但实际情况并非如此简单，细胞的再生潜
15、力与其分化程度呈负相关，即：细胞分化程度越高，其再生能力越低。细胞全能性具有绝对性与相对性：不是所有基因型的所有细胞在任何条件下都具有良好的培养反应；即使对于植物细胞而言，细胞全能性也并不意味着任何细胞均可以直接产生植物个体；动、植物细胞全能性的表现程度存在明显的差异。问题二：植物细胞表现出全能性的必要条件是什么？全能性只是一种可能性，要把这种可能性变为现实性必须满足两个条件：一是要把这些细胞从植物体其余部分的抑制型影响下解脱出来，也就是说必须使这部分细胞处于离体的条件下；二是要给予它们适当的刺激，即给予它们一定的营养物质，并使它们受到一定的激素的作用。 二、细胞分化、脱分化与再分化细胞分化(
16、cell differentiation) 导致细胞或组织形成不同结构并引起功能或潜在发育方式改变的一种过程。 （许智宏，1998）在个体发育中，相同细胞的后代在形态、结构、生理功能上发生稳定性差异。 细胞分化是相同基因型的细胞所具有的各个不同的表现型。 时间上的分化一个细胞在不同的发育阶段上可以有不同的形态结构和功能； 空间上的分化对于多细胞生物来讲，同一细胞后代，由于所处的环境不同而可以有相异的形态结构和功能。脱分化脱分化(dedifferentiation)在组织培养中，不分裂的静止细胞，放在一定的培养基上后，细胞重新进入分裂状态。一个成熟的细胞转变为分生状态的过程叫脱分化。一个植物细胞向分生状态回复过程所能进行的程度，取决于它在自然部位上所处的位置和生理状态。根据细胞类型不同从强到弱：营养生长中心 形成层 薄壁细胞
