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1、生物农药,第五章 转基因植物,内容,转基因植物概念 转基因植物概况 转基因植物研究方法 转基因植物登记程序,一、转基因植物概念,转基因植物是指具有防治植物病、虫、草等有害生物以及耐除草剂的、利用外源基因工程技术改变基因组构成的农用植物。,不包括自然发生、人工选择和杂交育种，或由化学物理方法诱变，通过细胞工程技术得到的植物 转基因生物 不包括自然发生、人工选择、人工受精、超数排卵、胚胎嵌合，胚胎分割、核移植、倍性操作得到的动物 不包括通过化学、物理诱变、转导、转化、接合等非重组DNA方式进行遗传性状修饰的微生物。,二、转基因植物概况,从1996年首个转基因作物被商业种植以来不到10年间，已有18
2、个国家种植转基因作物，另有45个国家正对转基因作物进行研究与开发。 2003年转基因大豆的种植面积约为4140万公顷，占世界大豆总种植面积的55% 转基因玉米种植面积约为1550万公顷，占玉米总种植面积的11% 转基因棉花的种植面积约为720万公顷，占棉花总种植面积的21%,2003年美国转基因作物的种植面积为4280万公顷，占世界转基因作物总种植面积的63%； 居第二位的是阿根廷，种植面积为1390万公顷，占总种植面积的21%； 加拿大居第三位，种植面积440万公顷，占6%； 巴西居第四位，种植面积300万公顷，占4%； 中国居第五位，种植面积280万公顷，占4%。,2004年达全球到了81
3、00万公顷，比2003年增长了20%，增加了1330万公顷。 2004年有近825万农民种植了生物技术作物，比上一年增加了125万。新增的农民中有90%来自发展中国家。这是发展中国家的生物技术作物的绝对增长幅度（720万公顷）。首次超过发达国家的增幅（610万公顷）。 我国2004年种植了370万公顷的转基因棉花（占我国棉花种植总额的66%），比2003年增加了32%,抗草甘磷转基因大豆,抗玉米螟转基因玉米,抗棉铃虫转基因棉花,转基因棉花生测,抗菌核病转基因油菜,抗白叶枯病转基因水稻,中科院地理科学与资源所黄季焜和胡瑞法研究员、美国加利福尼亚大学戴维斯分校Scott Rozelle教授、Rut
4、gers大学Carl Pray教授合作研究发现，转基因抗虫水稻在试验中比非转基因水稻产量高出6%-9%，农药施用量减少80%，同时还降低了其对农民健康的不良影响。,抗螟虫转基因水稻,研究成果刊登在2005年4月29日的科学杂志上,抗花叶病毒转基因烟草,抗卷叶病毒转基因马铃薯,转基因番茄,抗病转基因香蕉,三、转基因植物研究方法,（一）常规植物转基因技术,农杆菌介导转化法（需要通过组织培养再生植株） 基因枪法（需要通过组织培养再生植株） 有花粉管通道法（不需要通过组织培养）,1农杆菌介导转化法,农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。 农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，它能在自然条件下趋化
5、性地感染大多数双子叶植物的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤或发状根。 根癌农杆菌和发根农杆菌中细胞中分别含有Ti质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中。,人们将目的基因插入到经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株。 农杆菌介导法起初只被用于双子叶植物中，近年来，农杆菌介导转化在一些单子叶植物（尤其是水稻）中也得到了广泛应用。,2基因枪介导转化法,利用火药爆炸或高压气体加速（这一加速设备被称为基因枪），将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹直接送入完整的
6、植物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，再生出植株，选出其中转基因阳性植株即为转基因植株。 与农杆菌转化相比，基因枪法转化的一个主要优点是不受受体植物范围的限制。而且其载体质粒的构建也相对简单，因此也是目前转基因研究中应用较为广泛的一种方法。,3花粉管通道法,在授粉后向子房注射入目的基因的DNA溶液，利用植物在开花、受精过程中形成的花粉管通道，将外源DNA导入受精卵细胞，并进一步地被整合到受体细胞的基因组中，随着受精卵的发育而成为带转基因的新个体。 该方法于80年代初期由我国学者周光宇提出，我国目前推广面积最大的转基因抗虫棉就是用花粉管通道法培育出来的。 该法的最大优点是不依赖组织培养人
7、工再生植株，技术简单，不需要装备精良的实验室，常规育种工作者易于掌握。,（二）新一代植物转基因技术,叶绿体基因工程 去除抗性标记基因 多基因共转 基因约束 外源基因实时监控,1、叶绿体基因工程,叶绿体基因组较小,性质研究得比较透彻,目前已掌握了18 个物种的叶绿体基因组全序列信息 这意味着对外源基因即将进入的基因环境有详细了解,利用DNA 同源重组机制能够精确地控制外源基因的插入位点,避免位置效应产生。 叶绿体系母性遗传,遗传性状稳定快,外源基因一般不会通过花粉介导而转移到近源物种中,或对非靶生物产生危害。 叶绿体环形基因在每个细胞中的数目高达50010 000 ,较核基因组可显著提高所转入的
8、外源基因的拷贝数,从而使基因表达产物成倍增加,甚至可达到总可溶蛋白的46 %;且表达产物富集在叶绿体中,不会对细胞产生损害。 叶绿体基因工程是新一代生物技术发展的里程碑,它为外源基因提供了一个比核基因组更为精确、安全和高效的位置。,微弹轰击法：即以构建完整的质粒载体包裹钨粉,用基因枪轰击至植物组织器官中,再对重组叶绿体进行筛选; 农杆菌TDNA 介导法：是通过将外源基因构建至农杆菌Ti 质粒中从而将其转化至叶绿体中; PEG法是把构建好的质粒与原生质体共培养从而将外源基因融合至叶绿体基因组中。在所构建的载体上均有叶绿体基因同源片段,可将外源基因定位地整和至叶绿体基因组中。,抗除草剂基因( EP
9、SPS) 抗细菌和真菌病原体蛋白基因(MSI299) 抗虫基因( Cry) 耐盐基因(tps1 、BADH) 双价抗虫基因(水稻巯基蛋白酶抑制剂OC 基因和苏云金杆菌晶体毒蛋白基因Cry IAc) 的叶绿体共转化烟草,2 、去除抗性标记基因,转化过程中使用的抗生素或除草剂抗性标记基因,转化完成后就失去了价值,且还存在向其它微生物或杂草转移的可能,其编码产物对人体的安全性也尚不确定。,抗性标记的替代物 甜菜碱乙醛脱氢酶基因 色氨酸脱羧酶的标记 异戊烯转移酶的标记 木糖异构酶、磷酸甘露糖异构酶 HIT AND RUN 策略： 在标记基因完成使命后再将其从基因组中删除,同源重组或位点专一性重组 ：重
10、组酶通过杂交或再次转化导入,通过育种在后代中分离除去或仅瞬时转入宿主内。利用23 个正向重复序列的同源重组,成功地去除了转入烟草叶绿体中的标记基因aadA 。 转座子 ：标记基因实现功能后, 转座子可携带其从植株中去除,因为约10 %左右的转座子转位后不再插入基因组中,或插入染色体后在体细胞分裂中丢失。将标记基因插入玉米转座子Ac 中,获得了无选择标记的转基因烟草和白杨。 不同载体：用不同载体或双元载体中的不同T2DNA 元件分别携带目的基因与标记基因,若两者插入不同染色体,则可通过分离在后代中筛选到无标记的转基因植物。这一方法已成功地运用于大麦中。,3、多基因共转,许多重要的农艺性状属于定量
11、性状或受多基因控制,基因工程已从最初的转入单一基因逐渐向转入多基因发展,从而可实现完整代谢途径、细菌操纵子或复杂多亚基蛋白大分子的编码基因的转化,这一发展趋势将给食品、营养、医药、保健等领域带来革命性的影响。,为实现多基因的同时转化, Dasgupta 等将烟草脉班驳病毒(TVMV) 的NIa 蛋白酶插在其他两个基因中共同进行转化,该酶的水解活力可迅速释放多聚蛋白中另外两个基因的编码产物。 2000 年Ye X D 等耗时7 年,终于成功地将2胡萝卜素生物合成途径中所需的3 个酶基因转入了水稻中,使其可富集维生素A 原。维生素A 缺乏症可导致夜盲甚至失明,这一成就被誉为”金色大米”。,4 、控制基因漂移基因约束,基因漂移可导致“超级杂草”或新杂草的产生、破坏生态平衡及生物多样性。 干扰生殖过程 基因组不相容性 利用化学诱导型启动子去除外源基因 降低杂交后代的适应性,5 、实现对转入基因的实时监控,绿色荧光蛋白(green fluorescent protein , GFP) 可在紫外光或蓝光下发出绿色荧光的27kDa 的单聚体蛋白, 通用的、可对外源基因进行实时监控的可视化标记。 这一非破坏性、实时、动态、可视的监控技术无疑将推动植物基因工程及其在农业、生态安全性方面的研究。,
