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1、现代农业基因 工程,Predicted changes in population and food consumption,生产更多的粮食及农产品,生产更好的粮食及农产品,生物技术,基因工程 细胞工程 蛋白质与酶工程 发酵工程,中心法则 DNARNA 蛋白质 转录 转译,基因工程,在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，并使之进入原先没有这类分子的寄主细胞内，并能持续稳定地繁殖。,基因工程步骤 1、从复杂的生物体中分离出带有目的基因 的DNA片段。 2、体外将外源DNA片段连接到能够自我复 制并具有选择信号的载体分子上，形成 重组DNA分子。 3、将重组DNA分子转移到适当的寄主细胞
2、中，并与之一起增殖。 4、筛选出获得重组DNA分子的寄主细胞克隆。 5、从筛选获得的转化子克隆提取出已得到扩 增的目的基因。 6、将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主 细胞，使之在新的背景下实现功能表达。,植物转基因技术,获得高效表达外源基因的纯合稳定的转基因植物，也就是外源基因能在这一新的环境中 “安家落户”、“稳扎稳打”。要实现这一目的，需要考虑以下三个要素：植物受体系统、植物表达载体系统、转基因方法,植物受体系统,愈伤组织再生系统 直接分化再生系统 原生质体再生系统,植物表达载体系统,质粒载体系统 病毒载体系统,外源基因导入植物细胞的方法,Ti质粒介导的基因转移 基因枪法 病毒载体 直接
3、将DNA导入植物细胞原生质体 显微注射法 电击法 脂质体融合,外源基因导入植物的主要方法,农杆菌介导法 基因枪法 PEG介导的原生质体转化 花粉管通道法,分泌,乙酰丁香酮,Pi-VirA,诱导Vir基因表达,从质粒中切出T-DNA,核DNA,T-DNA,VirG,Pi,VirD2,ATP,可能存在植物细胞受体,VirB,VirD4,VirD4,核孔,冠瘿碱,T-DNA,细胞分裂素植物生长素,分泌,农杆菌,植物细胞,CN,CW,CM,伤害,农杆菌与植物互作的可能机制,Plasmid DNA,Regeneration,Southern blot,bombardment DNA transforma
4、tion,Bombardment of callus,植物抗病虫基因工程 病害：真菌、细菌、病毒、线虫 虫害： 常规方法：传统育种方法 施用化学杀虫剂 其它措施 转基因植物,Striped Stem Borer,抗真菌植物基因工程,1、抗病基因 2、降解真菌细胞壁的抗真菌蛋白： 几丁质酶 -1,3葡聚糖 3、抗真菌蛋白： 核糖体失活蛋白 thionins defensins 4、渗调蛋白 5、抗真菌次生代谢产物的基因 6、降解真菌产生的毒素,抗细菌基因工程,1、抗病基因 2、抗毒素基因 3、其它植物抗病因子：thionins 4、非植物抗病基因 溶菌酶 抗菌肽 植物抗体 反义基因,抗病毒基因工
5、程 （一）来源于植物的基因 1.抗病基因 2.PR蛋白 3.商陆抗病毒蛋白 （二）来源于病毒的基因 1.外壳蛋白 2.复制酶 3.移动蛋白 4.其它蛋白 （三）卫星RNA分子 （四）作用于病毒的抗性 1.抗体 2.RNase 3.干扰素 （五）反义RNA （六）核酶,抗除草剂基因工程,1.将某种酶的基因转移到作物中，这 种酶能够分解除草剂 2.针对除草剂可通过识别和破坏光合作用及氨基酸合成所需要的酶来杀死植物的特点，把该酶的基因导入植物 3.改变除草剂识别酶的位点，改变该酶蛋白的氨基酸序列， 4.用于快速检测和提高杂交稻纯度,生物固氮 提高光合作用效率,基因工程改良品质,一、种子贮藏蛋白：与小
6、麦面粉作成生面团后的粘弹性与面包烘烤质量密切相关（麦醇溶蛋白和麦角蛋白） 二、通过加入一些原本缺乏的必需氨基酸的密码子来提高种子贮蛋白营养品质（单子叶甲硫氨酸多、双子叶赖氨酸多） 玉米醇溶蛋白导入烟草，表达量占种子总蛋白16%。 巴西坚果2S清蛋白（富含甲硫氨酸Met）导入烟草和油菜，烟草表达量为种子总蛋白80%，Met净增30%。油菜表达量为种子总蛋白40%，Met净增33%。,利用基因工程进行保鲜,ACC合成酶 乙烯合成酶,反义RNA技术,利用基因工程获得作物雄性不育系,从花药发育和花粉形成过程中分离到特异性启动子与核糖核酸酶（RNase）基因连接，而后导入油菜，获得油菜不育系。 毒性基因
7、导入作物，使其在花药或花粉发育过程中表达。,植物抗逆基因工程,渗透蛋白基因与耐盐有关 热休克蛋白基因 热稳定酶基因 抗冻蛋白基因,植物基因工程与医疗保健用品生产,植物可为人提供药物、酶制剂、生化试剂、 化妆用品、食品添加剂： 美国Scripps研究所用烟草表达单克隆抗体，表达量达叶子总蛋白1.3%，1%左右烟草土地面积可生产270千克抗体，供27万癌症患者1年治疗 美国Bio-resources公司用植物基因工程手段生产白细胞介素-2 荷兰用转基因马铃薯生产人的血清蛋白 韩国用转基因和番茄生产人的胰岛素 我国利用转基因烟草生产天花粉蛋白,Production of speciality che
8、micals,Enkephalins Fatty acids Human serum albumin Sugar monomers Sugar thermoplastic polymers Vaccines (e.g. hepatitis),Dupont公司1997年收购美国最大种子公司先锋种子公司的20%股权，1999全部兼并。 Novatis公司以6亿美元建农业发现研究所 AgrEvo公司加强基因组与组合化学的结合 Monsanto公司与千年制药公司合作成立Cereon基因组公司,杜邦公司,人数：5000多名科学家（300华人） 投入：每年13亿美元 目标：10年内25%纤维素来自采用生物
9、技术的天然材料 玉米聚酯材料单体新型合成纤维丝 亚利桑那州的蜘蛛克隆腺体相关的基因细菌表达 蛛蛋白溶液（抽丝装置）晶莹的蛛丝,New Product,Crop Biotechnology Products for the Future,Speciality Chemicals,Pharmaceuticals,Food Processing,Agronomic Traits,1995,2000,2005,2010,Other 389(7.3%),Insect Resistant 1258(23.9%),Viral Resistant 518(9.87%),Agronomic Properties
10、 288(5.4%),Herbicide Tolerant 1513(28.7%),Fungal Resistant 252(4.7%),Product Quality 1042(19.8%),Field Releases: Most Frequent Categories 1987 to 1998(3/31/99),John Maddox:What Remains to be Discovered,植物是合成的庞然大物 除钢筋和混凝土外，它们可以合成任何物质,动物基因工程改良动物品种,1、抗病毒 抗猪瘟病毒的转基因猪 抗口蹄疫病毒的转基因兔 抗白血病病毒的转基因鸡和小鼠 基因工程疫苗（家禽球
11、虫病疫苗、狂犬病疫苗）,2、提高生长速度 大型鼠的生长激素基因与小型鼠的基因融合，21只小鼠7只在一周内生长迅速，有6只小鼠比一般的同科小鼠大2.8倍。 把生长激素导入鲤鱼，获得生长速度明显加快的转基因鲤鱼。 通过遗传工程培育的微生物来生产生长激素，然后注射猪，猪瘦肉增加1518%。 牛注射生长激素，使牛奶产量增加30%。,3、改良动物适应性 鲶鱼耐寒性较差，将耐寒性基因和生长激素导入鲶鱼 4、改良动物的生产性状 澳大利亚将老鼠的唾液腺中提取出的老鼠表皮生长因子给羊注射，能在毛囊深处使毛纤维变细变脆。,3、改良动物适应性 鲶鱼耐寒性较差，将耐寒性基因和生长激素导入鲶鱼 4、改良动物的生产性状
12、澳大利亚将老鼠的唾液腺中提取出的老鼠表皮生长因子给羊注射，能在毛囊深处使毛纤维变细变脆。,聪明鼠,美国华裔生物学家钱卓领导的研究小组，通过为小鼠注入一种叫RNIB的基因成功培育出一批“聪明”的实验鼠。与普通小鼠相比，它们学习得更快，记忆时间更长，对新事物更为敏感，对环境的变化更能灵活适应。,动物反应器,人血液凝固因子IX和人-1抗胰蛋白酶基因注入羊，羊奶中表达了人血液凝固因子IX和人-1抗胰蛋白酶。 转基因羊表达人干扰素 转基因羊生产组织型纤溶酶原激活剂和凝血IX因子 上海用转基因羊生产人凝血因子,植物细胞工程,组培： 选择合适的外植体 除去病原菌和杂菌 配制适宜培养基 诱导去分化阶段 继代培
13、养阶段 生根生芽阶段 移栽成活阶段 原生质体融合 花药培养,组织培养繁殖,优良品种快速繁殖 遗传育种研究 种质资源保存及交换,植物组织培养的原理,植物细胞全能性 细胞分化和形态建成 植物的再生作用,组织培养的过程,组织培养即无菌培养，也就是要求培养的材料不带有杂菌。 外植体取材（包括器官，组织，细胞等） 外植体经灭菌，接种到相应的培养基中，待到生长一定阶段，继代到相应培养基。 使其分化芽、根成为完整的新植株 等到植株有发达的根系，可以把其从试管内移入土壤中。 经过一段时间驯苗，可以移栽大田生产,草莓,国兰,大花惠 兰,文心兰,一品红,扶 郎花,动物细胞工程,单克隆抗体 核移植 1997年，英国
14、Roslin所Wilmut博士用乳腺细胞的细胞核克隆一只绵羊“多莉” 1998年，日本用母牛输卵管细胞的细胞核成功克隆出“能都”和“加贺” 1999年，美国用卵泡细胞的细胞核克隆成功小鼠“卡缭丽娜”，并再克隆出下一代，祖孙三代22只 1999年美国华裔科学家杨向中用母牛（13岁）耳朵细胞的细胞核成功克隆出“艾米”,A羊： 乳腺细胞 取出乳腺细胞 取出细胞核 电激融合，植入乳腺细胞核 B羊：去核的卵细胞 体外进行早期胚胎发育 绵羊C： 胚胎植入绵羊C子宫中 绵羊C产下遗传性质与绵羊A完全相同 的“多莉”羊,作用 1.遗传背景完全一致的克隆动物将有利于开展对动物生长、发育、衰老和健康等机理研究 2
15、.有利于大量培养品质优良的家畜 3.经转基因的克隆哺乳动物将为人类提供源源不断的廉价药品 4.濒临灭种哺乳动物的保护工作,蛋白质与酶工程,蛋白酶的种类与分类,典型细胞酶种类可能有1000-10000种，酶分子总数有550X108。目前已知3000多种。 按国际分类命名系统（1961）可分为6大类： 氧化还原酶: A2H + B = A +B2H 转移酶: AR + B = A +BR 水解酶: AB + H2O = AOH + BH 裂合酶: 从底物上移去一个基团而形成双键的反 应或其逆反应. 异构酶: 同分异构体的相互转化 连接酶(合成酶): X + Y +ATP = XY +ADP +Pi
16、,酶制剂应用,自然界已经发现并命名的酶约有5000多种，已开发应用的酶只有150种，其中工业应用有价值的仅60种，而在工业上大量生产的却只有20种左右，其中80%为水解酶。而自然界大量存在的氧化还原酶还有待开发。,蛋白质与酶工程的主要研究内容,1、新型蛋白质与酶的开发 2、蛋白质与酶新的生物资源开发 3、蛋白质与酶的分离纯化 4、蛋白质与酶的修饰改造 5、蛋白质与酶的应用,蛋白质与酶的遗传改造,物理诱变：放射性同位素等电离辐射 紫外线 化学诱变：溴尿嘧啶等碱基类似物 烷化剂 吖啶类物质 亚硝酸盐等 生物诱变：转座子、细胞融合等,蛋白质与酶的基因改造例子,酵母磷酸丙糖异构酶：将Asn14或Asn178改变为Thr或 Ile后, 酶的热稳定性增加。 -干扰素：内含有三个Cys (31,141和17 )，
