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1、1.3基因工程的应用基因工程自20 世纪 70 年代兴起后， 在短短的30 年间，得到了飞速的发展，目前已成为生物科学的核心技术。基因工程在实际应用领域农牧业、工业、环境、能源和医药卫生等方面，也展示出美好的前景。植物基因工程硕果累累植物基因工程在农业中的应用发展迅速。从1996 2001 年，在短短的5 年中，全世界转基因作物的种植面积就增长了30 倍。以转基因植物研究、开发和应用为标志的农业技术革命，已经在一些国家展开。2001 年，就世界范围来看，转基因植物种植面积首次突破5x106hm2。其中，转基因大豆、棉花、油菜、玉米已进入大规模商业化应用阶段，这四种转基因作物种植面积占相关作物种
2、植面积的比例已达到：大豆 63%，玉米 19%，棉花13%，油菜 5%。我国转基因作物的种植面积也迅速增长，目前已位居世界第四（图 1- 16) 。植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力( 如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等），以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。抗虫转基因植物全世界每年因虫害造成农作物的损失约占总产量的13%，达数千亿美元。对农业害虫的防治，大多是依靠化学农药。大量使用化学农药不仅造成了严重的环境污染，损害了人类健康，而且大大增加了生产成本。因此，从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因，将其导入作物中，使其具有抗虫性，已成为防治作物虫害的发展趋势。目前，已
3、问世的转基因抗虫植物主要有水稻（图1-17) 、棉、玉米、马铃薯、番茄、大豆、蚕豆、烟草、苹果、核桃、杨、菊花和白花三叶草等。用于杀虫的基因主要是Bt 毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。例如，我国转基因抗虫棉就是转入Bt 毒蛋白基因培育出来的，它对棉铃虫具有较强的抗性。近几年来，我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉的研究和应用，取得了突飞猛进的发展，从1998 年占据市场份额的 10%，已经提高到 2000 年的 64.4%，居主导地位。仅 2002 年我国抗虫棉的栽培面积已达4295x 10 hm,增加收益约20 亿元人民币。生物技术资料卡可用于转基因植物的抗虫
4、基因Bt毒蛋白基因是从苏云金芽孢杆菌中分离出来的抗虫基因。当害虫食用含有转基因的植物时, Bt基因编码的蛋白质会进入害虫的肠道，在消化酶的作用下. 蛋白质能够降解成相对分子质量比较小的、有毒的多肽。多肽结合在肠上皮细胞的特异性受体上，会导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解，最后造成害虫死亡。由于Bt 毒蛋白对哺乳动物无毒害作用，因而广泛用于抗虫转基因植物。蛋白酶抑制剂基因广泛存在于植物中，它产生的抑制剂可与害虫消化道中的蛋白酶结合形成复合物，从而阻断或降低蛋白酶的活性，使昆虫不能正常消化食物中的蛋白质。这种复合物还能剌激昆虫分泌过量的消化酶，引起害虫的厌食反应。淀粉酶抑制剂基因产生的淀粉酶抑制剂可以抑
5、制昆虫消化道中的淀粉酶活性，使害虫不能消化所摄取的淀粉，从而阻断害虫的能量来源。植物凝集素基因控制植物合成一种糖蛋白，这种糖蛋白可与昆虫肠道黏膜上的某种物质结合，从而影响害虫对营养物质的吸收和利用。抗病转基因植物植物像人一样也会生病。引起植物生病的微生物称为病原微生物，主要有病毒、真菌和细菌等。例如，许多栽培作物由 于自身缺少抗病毒的基因，因此，用常规育种的方法很难培育出抗病毒的新品种，而基因工程技术，为培育抗病毒植物品种开辟了新的途径。目前，人们已获得抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦（图 1-18) 、甜椒（图 1-19) 、番茄等多种作物。抗病转基因植物所采用的基因，使用最多
6、的是病毒外壳蛋白（coat protein, CP)基因和病毒的复制酶基因；抗真菌转基因植物中可使用的基因有几丁质酶基因和抗毒素合成基因。抗逆转基因植物环境条件对农作物的生产会造成很大影响。例如，盐碱、干旱、低温、涝害等不利的环境条件，是造成低产、减产的常见因素。目前，全球的盐碱和干旱地区分别占陆地面积的1/3, 还有许多地区属于高寒地区。这些不利的环境条件也会对农业生产造成影响。由于盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内渗透压调节有关，目前科学家们正在利用一些可以调节细胞渗透压的基因，来提高农作物的抗盐碱和抗干旱的能力，这在烟草等植物中已获得了比较明显的成果。科学家们还研究开发出了一批耐寒作物，使
7、它们在寒冷的环境条件下，良好地生长。例如，将鱼的抗冻蛋白基因导入烟草和番茄 ( 图 1 -20) ，使烟草和番茄的耐寒能力均有提高。此外，将抗除草剂基因导 入大豆、玉米等作物（图 1 - 21) ，喷洒除草剂时，杀死田间杂草而不损伤作物。利用转基因改良植物的品质随着人们生活水平的提高，人们对食品的要求不仅仅是吃饱，而且要富于营养。但是，我们吃的许多食品含有的营养成分并不平衡，例如，豆类食品中，含有蛋氨酸比较少，大米、玉米、小麦则含赖氨酸比较少。这些人体必需的氨基酸缺少后对人的健康不利。科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基
8、酸的含量。例如，我国科学家将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量比对照提高30% ( 图 1-22) 。番茄含有丰富的维生素，但不耐储存。我国科学家将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得转基因延熟番茄，储存时间可延长 12 个月，有的可达 80 多天。目前，我国农业部已批准这种耐储存番茄进行商品化生产。我国科学家还成功地将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异 , 大大提高了花卉的观赏价值（图 1-23) 。异想天开发光树能做路灯吗?自然界有许多生物可以发光，它们发出的光有磷光和荧光两种。大家最熟悉的是萤火虫，在夏天
9、的夜晚，它们那“腾空类星陨，拂树若花生”的美丽荧光，曾引起人们的许多遐想。科学家研究发现，萤火虫发光是发光器中的荧光素，在荧光酶的催化下发出的间歇光。荧光素和荧光酶都是由发光基因“指挥”合成的。如果将发光基因导入植物，培育出发光植物是一件十分有趣的事情。目前，科学家已培育出发光的烟草、棉花等。科学家们正计划培育一种发光的夹竹桃，将其种植到高速公路的两旁，白天做行道树，夜晚做路灯照明。到那时，每当夜幕降临，公路两旁的夹竹桃荧光闪闪，树树相连，公路将变成美丽的荧光世界。也许不久的将来，你可以用各种各样的发光植物来装点你的庭院和家居，那是多么漂亮、有趣！动物基因工程前景广阔动物基因工程是 20 世纪
10、 80 年代开始发展起来的，它从诞生那天起，就在动物品种改良、建立生物反应器、器官移植等很多方面显示了广阔的应用前景。用于提高动物生长速度动物基因工程技术可以提高动物的生长速率。由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，因此，科学家们将这类基因 导入动物体内，以提高动物的生长速率。例如，将外源生长激素基因导入绵羊体内，转基因绵羊的生长速率比一般的绵羊提高30%，体型增大50%;将外源生长激素基因导入鲤鱼，后有的转基因鲤鱼比对照重1.5kg (图 1-24) 。9 个月用于改善畜产品的品质动物基因工程技术的另一个重要作用是改善畜产品的品质。例如，有些人食用牛奶后, 对牛奶中的乳糖不能
11、完全消化；也有些人食用牛奶后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状。为了解决这一问题, 科学家将肠乳糖酶基因导人奶牛基因组 ，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大减低，而其他营养成分不受影响。用转基因动物生产药物最令人兴奋的是利用基因工程技术，还可以使哺乳动物本身变成“批量生产药物的工厂”。科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，然后，将受精卵送入母体内 ，使其生长发育成转基因动物。转基因动物进人泌乳期后 ，可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品 , 而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。目前 ，科学家已在牛和山羊等动物乳腺生
12、物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和 cx 抗胰蛋白酶 ( 图 1 一 25) 等重要医药产品。用转基因动物作器官移植的供体动物基因工程技术有可能使建立移植器官工厂的设想成为现实。目前，人体移植器官短缺是一个世界性难题。为此，人们不得不把目光移向寻求可替代的移植器官。由于猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似，而且猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要远远少于灵长类动物，是否可以用猪的器官来解决人类器官的来源问题呢 ?科学家将目光集中在小型猪身上。实现这一目标的最大难题是免疫排斥。目前, 科学家正试图利用基因工程方法对猪的器官进行改造，采用的方法是将器官供体基因组导入某种调节因子
13、，以抑制抗原决定基因的表达 ，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术 ，培育出没有免疫排斥反应的转基因克猪器官。基因工程药物异军突起基因工程制药是制药行业突起的一支新军，不仅具有独特的优势 ，发展速度也很快。自 20世纪 20 年代初，第一种基因工程药物重组人胰岛素投放市场以来，利用转基因的工程菌生产的药物已有60 多种。这些药物包括细胞因子、抗体、疫苗、激素等。这些药物可以用来预防和治疗人类肿瘤、心蓝病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。目前，美国、日本、德国等是世界上主要开发生产基因工程药物的国家。20 世纪 90年代以来 ，我国自己生产的白细胞素 -2 、干扰素、乙肝疫苗等近20 种基因工程药物投放市场场, 年产值达 30亿元人民币 ( 图 1-20 ）。假如某位心脏病人换上了经过改造的猪的心脏，在生活中他会遭到歧视吗？基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系一般称为“工程菌”
