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1、生物技术的应用摘要 追踪了大量文献报刊，研究了当今世界生物技术在农业、医学、食品工业等领域的广泛应用，并探讨了生物技术应用所带来的种种问题。关键词 生物技术 应用生物技术被认为是20世纪最有发展前途的技术领域。跨进90年代，生物技术已从基础科学研究进入应用科学研究。生物工程对生物的认识水平已达到分子水平，并且掌握了改造生物遗传物质的手段，目前主要应用于农业和医学领域，此外，在环境保护、化工等方面也有广泛应用。1 生物技术应用11 在农业上的应用在农业领域应用的生物技术分4类：组织培养、细胞培养、发酵工程、遗传工程。植物技术工程给全球农业生产带来了一次新的绿色革命，现代基因重组技术使农业生产成本
2、降低，农作物总产量提高，农作物品质优化，作物抗性增强，除草剂和杀虫剂的用量减少，并为人类找到营养丰富的新食品。生物技术培育了大量的新品种，为人类食物和动物饲料开创了新的来源。农业中出现的问题最终将由生物工程来解决。111 生物防治 在地球环境日益恶化的今天，生物防治方法日益受到重视。生物防治包括天敌防治和微生物制剂防治。微生物制剂分细菌制剂、病毒制剂和真菌制剂。细菌制剂以苏云金杆菌(BT)为主，现在全世界已有60多种BT制剂工业化商品，能有效防治150多种鳞翅目害虫，年产量达8000t左右。BT杀虫剂较其它微生物农药毒力高且速效，对抗药性害虫防治有效，可与其他农药混用，选择性高，不杀伤害虫天敌
3、，不会对环境产生污染，对人畜安全，保证食品卫生，因此大受人们欢迎。植物细菌杀菌剂是以放线菌类的链霉菌属为基础制成的，用于防治菜豆、大豆和其它作物的细菌病害，可降低细菌病害感染率70。目前正进行基因筛选组合，以制出广谱性新菌种或将Bt基因导入植株中培育出抗病虫植物，利用目前的优良菌种，培育出不产芽孢，只产晶体的高效菌株也是正在开发的新技术。病毒生物制剂是以核型多角体病毒(NPV)的颗粒体病毒(GV)为基础制成的，目前已生产可防治甘蓝夜蛾、苹果蠹蛾、棉铃虫、黄地老虎、美国白蛾等害虫的病毒制剂。真菌生物制剂中有蜡蚧轮枝菌制剂用于防治温室白粉虱；白僵菌制剂防治马铃薯甲虫或温室的烟蓟马；座壳孢菌制剂防治
4、黄瓜温室白粉虱。此外，也应用有害昆虫的外激素和其它生物活性物质防治害虫。木霉菌制剂可防治根腐及其它许多植物病害；单端孢霉素防治黄瓜白粉病；腔囊盘孢剂可防治白粉病。112 生物固氮 菌根菌的菌丝可以帮助作物根毛吸收范围更大的土体中移动速度缓慢的磷酸盐离子和钾离子。VA菌根真菌不但可以改善土壤环境，促进作物对养分的吸收，而且对抗御作物的某些土传性真菌病害具有十分重要的作用。VA菌根真菌与根瘤菌双接种对绿豆、蚕豆、花生、大豆等作物具有良好的生长效应。在根瘤菌方面，已确认有结瘤和固氮两大基因组参与完成共生固氮作用。113 植物遗传工程 现代基因重组技术使人类可以按照自己的意愿创造出具有特殊性的新品种。
5、目前关于植物-病原物相互关系的分子生物学研究实际上主要着眼于病原物的基因工程，即从病原菌中克隆出致病基因与调节基因，以及获得病原物的特异性DNA片段用于病原分类及病害检测。在育种实践上利用细胞工程培育抗病虫良种时，具体的做法是在愈伤组织阶段向培养基中加选择抗病虫细胞株。在本世纪初科学家就发现病毒的交叉保护现象，即接种弱毒株系可以保护植物免受强毒株系的侵染。1986年首次获得能够抗烟草花叶病毒的转基因烟草植株，对烟草花叶病毒的预防效果可达70，目前利用基因工程已获得了各种抗病毒植株：苜蓿花叶病毒、黄瓜花叶病毒、马铃薯X病毒和Y病毒。生物技术的发展创造了越来越多的转基因作物：消除了腐烂基因的耐贮存
6、番茄；抗病虫害长颈南瓜；抗虫害转基因土豆；可抵御棉铃虫、烟草虫和红铃虫的棉花；抗玉米螟虫、蛾的玉米等等。生物诱导研究开展得较早，已广泛用于植物对真菌、病毒及类病毒、细菌等病原物抗性的诱导，在烟草、黄瓜、西瓜、甜菜、菜豆、马铃薯、小麦、苹果、番茄、棉花、水稻等诸多作物中已见报道。生物诱导方法包括：用非病原菌诱导对病原菌的抗性；用异种病原菌诱导；用同种非亲和性菌株诱导；用弱致病力菌株诱导；用热杀死的病原菌诱导。利用植物细胞工程培育成功的植物种类更是成百上千。脱毒快繁技术在经济作物、花卉、果树应用上效益显著。快繁成功的植物已有400多种，其中有一些已投入生产，例如，中国华南地区普遍种植试管苗香蕉，其
7、产量比传统方法生产的香蕉苗提高25以上。在作物育种方面，用花药培养和染色体工程育种等技术与常规技术结合的方法已培育出许多具备特殊抗性、耐性的优质新品种，如菲律宾国际水稻研究所培育出“超级水稻”和“超超级水稻”，为人口日益增长、粮食日益短缺的世界带来一线光明。利用花药培养技术获得纯合基因型，在小麦、水稻等禾谷类作物上已广泛应用。对于杂交困难的多倍体禾本科植物，可利用花药培养技术获得单倍体。在遗传资源的保存方面，对于综合品种的亲本可用营养体进行无性繁殖和保存，利用液氮超低温保存植物茎尖组织的方法也可保存种质遗传资源。114 动物遗传工程 目前，正利用反义RNA培养抗特种病的动物品系，这种动物可以不
8、断地转录出内源性反义RNA，因而具有持久的抗病特性。利用胚胎移植(ET)技术可以创立新的动物育种谱系，加快优良品种的选育进程。现在日本已利用ET技术扩繁可提供精子用于人工授精的种公牛，1992年全日本的奶公牛有80以ET分娩育成。ET技术也可以改良动物的繁殖力，提高动物生产力。例如通过胚胎移植使母牛分娩双胞胎或多胞胎。把产奶基因导入一种细菌内，令其生产出牛生长激素，再注入奶牛中，提高奶牛产量。利用DNA指纹鉴定技术识别与蛋鸡重要特性有关的遗传特性(DNA区段)，可加速蛋鸡选择过程，降低成本。“白色农业”的开发更为全球农业发展带来几许乐观，白色农业即微生物农业和生物细胞农业，它可提供养殖业的饲料
9、和人的部分粮食，以及其它工业原料。以米糠为基础，添加含杆菌、链球菌、酵母菌等微生物作为饲料添加剂喂养猪、牛、鸡，能够分解畜粪中的有害气体，减少环境污染，提高饲料吸收率，提高肉、奶质量。用微生物发酵生产单细胞蛋白饲料前苏联年产量约为130万t，美国年产80万t。据测算，如果利用世界每年石油总产的2生产单细胞蛋白质，可供20亿人吃一年。实现农业由植物、动物二维结构向植物、动物、微生物三维结构的转移是拓宽粮食来源的新途径。12 医学领域应用121 医疗 核酸杂交是一项重要的分子生物学技术，主要用于流行病学调查和临床诊断，不仅敏感、特异而且快速、经济。目前已能用非放射性生物素标记DNA制备探针，也可利
10、用核酸探针检测病毒感染、人体致病细菌。反义RNA天然存在于原核细胞中，它与特定的mRNA结合后可阻止后者的转录和翻译，具有调节基因表达的功能，可用于抑制对机体有害的外源或内源基因的表达，因而在病毒病、癌症以及遗传性疾病的预防和治疗方面有重要意义。将癌症基因反义RNA导入细胞，可阻止癌基因的表达，但目前尚无突破性进展。由于乳腺癌基因的发现，目前已开发出一种可早期诊断乳腺癌的新血检技术。一些遗传性疾病如A型血友病、先天性综合症、家族性白痴、囊性纤维增生症等都能够利用产前胚胎基因检查技术检查出来。此外，运用单性系抗体技术使白血球与癌细胞结合形成一种细胞，该细胞能不断繁殖并产生大量抗体，抗体可用来作肝
11、炎、性病、细菌感染和艾滋病毒的测试。美国DNX生物技术公司计划用基因工程改造过的猪来廉价生产血细胞生长因子，促进人体白细胞和红细胞的产生，帮助癌症病人放疗和化疗后的康复。基因技术的迅猛发展使医学部门受益匪浅，不仅基因变异引起的遗传性疾病可得到早期治疗，而且生物技术药物也将发挥传统药物所不能及的作用。122 生物技术药物 最近5年，用生物工程方法制成了大量新药，用于心血管系统、人体免疫系统、癌症、艾滋病、乙型肝炎等疾病的治疗。生物技术药物主要通过两种方式获得，一种是基因工程，一种是微生物工程。基因工程药物是采用类似工程设计的方法，利用基因工程技术，在分子水平上按人类需要生产出的一类特殊药物，其核
12、心是DNA重组技术。常规程序是先从生物体内分离提取遗传基因，在体外进行切割、拼接、重组，再通过载体将重组DNA分子导入受体细胞，最终使这种重组DNA在受体细胞中大量复制并高效表达。基因工程制成的红细胞生成素(EPO)对肾功能不全引起的贫血疗效达98。全世界基因工程多肽药物中EPO销量最大，目前我国的基因工程EPO也用于临床。疫苗接种是目前预防病毒性疾病最有效的措施之一，但一些疾病尚无有效的疫苗。因此，应用反义RNA抑制病毒基因的表达与复制有可能成为防治这类病毒感染的有效途径。据报道，利用反义RNA在体外抑制劳斯肉瘤病毒、人免疫缺陷病毒、水泡性口炎病毒、疱疹病毒、流感病毒等的增殖已获成功。美国还
13、成功地开发出利用烟草作物获得大量成本低廉的疟疾疫苗的新技术，利用遗传工程技术改变烟草的镶嵌病毒，使之携带和显示出从疟原虫外膜取得的蛋白，然后将镶嵌病毒注入烟草作物的烟叶中，4周后即可收获烟叶提取新的镶嵌病毒，这种生产方法不仅成本低廉而且安全可靠，还可生产其他疾病疫苗。科学家们曾经应用该技术提取多种药用蛋白，其中包括人的血红蛋白，每0.5公顷烟叶地能产生2000kg左右的蛋白，价值1万美元。此外，科学家们也在不断开发海洋生物技术，探索生产新药的可能性。已从海绵中分离出一种止痛消炎药，从海鞘体内提炼出抗癌药和新的抗生素类型ASPLASMOMYCIN，后者可有效抵御各种细菌及导致疟疾的病菌。从海藻中
14、获得的多糖物质提供了化妆品、食物及药物生产所需的乳化剂，从海藻中提取的一种与大脑中的灰质及视网膜组成相似的脂肪酸可作为婴儿食物添加剂。对乌贼的研究揭示了人类神经系统的工作，并导致了治疗癫痫的新药机制。无论是美国、欧洲、还是日本，医用海洋生物技术正稳步地发展成一项投资达数10亿美元的风险研究事业。13 食品上的应用 基因工程食品又称为设计师食品，目前美国已有各种转基因作物上市，如转基因番茄、转基因土豆、转基因大米等。1987年，英国脑化学营养专家克罗夫特教授发现EPA(二十碳五烯酸)、DHA(二十二碳六烯酸)等必需脂肪酸摄取不足能导致脑功能障碍，引起了全世界的强烈反响，日本、英国、美国对此进行了
15、深入细致的研究。EPA和DHA是人体自身不能合成的高度不饱和脂肪酸，必须从食物中摄取。EPA和DHA主要存在于深海冷水鱼体内，尤其是鱼眼、鱼脑中。DHA大量存在于脑磷脂中，对人体大脑神经传导和突触细胞的生长、发育起着极其重要的作用，能够活跃大脑细胞，增强记忆力，是脑细胞必不可少的营养物质，故有“脑黄金”之称，同时还可促进人体内前列腺素的分泌，从而预防脑血栓、心肌梗塞等疾病的发生。日本政府通过立法，在婴幼儿乳品中添加EPA、DHA；美国国会也列出拟添加EPA、DHA食品的名单；中国也开发出“脑黄金”系列保健食品。据报道，日本已开发出用海洋微细藻类生产DHA的技术，在生物反应堆中培养藻类，即可获得
16、在藻类体内制造的DHA。目前食用菌系列保健食品在市场上的销售潜力很大。据调查，仅在中国可食用的真菌就有720种，味道鲜美的有100余种，50种可入药用，90余种有抗癌作用。食用菌食品含有人体必需的蛋白质、脂肪、碳水化合物、钙、磷、铁、多种维生素及人体必需的多种氨基酸。用酶工程的技术生产糖和糖浆，已引起了食品工业的高度注意。由葡萄糖转化酶和磷酸葡萄糖异构酶生产果糖已大规模用于生产，取代蔗糖作为甜味剂。目前可口可乐公司的饮料都是采用葡萄糖浆作为原料；用果胶酶或蛋白酶来澄清酒、啤酒和果酱，已成为工农业生产中的一个重要环节。14 环境保护及废物利用 运用生物技术将有毒化学废料分解为无毒的简单化合物。最近，北美海
