生物技术与农业讲义课件

应用生物技术与农业应用生物技术与农业1.1 1.1 生物技术与种植业生物技术与种植业 长期以来人们不断地寻求提高作物产量和品质的长期以来人们不断地寻求提高作物产量和品质的方法，有性杂交等传统育种方式、化学农药和肥料等方法，有性杂交等传统育种方式、化学农药和肥料等的使用曾做出了巨大的贡献，但其弊端也日渐突出。的使用曾做出了巨大的贡献，但其弊端也日渐突出。现代生物技术将为种植业的发展提供跟广阔的前景。现代生物技术将为种植业的发展提供跟广阔的前景。7 生物技术与农业生物技术与农业1.1.1 1.1.1 生物技术在诱导植物雄性不育中的利用生物技术在诱导植物雄性不育中的利用 植物雄性不育及杂种优势利用是传统育种方法中的一个重要领域并已取得令人瞩目的巨大成绩。利用现代生物技术方法可诱导植物雄性不育，从而产生新的不育材料为育种服务。基因工程技术、组织培养、原生质体融合、体细胞诱变和体细胞杂交等技术都可以创造植物雄性不育新材料。1.1 生物技术与种植业生物技术与种植业1.1.1.1 组织培养诱导植物雄性不育组织培养诱导植物雄性不育l中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培养，然后将愈伤组织进行辐射，从而选育出巴斯马提养，然后将愈伤组织进行辐射，从而选育出巴斯马提雄性不育系。雄性不育系。l19841988年间凌定厚等以年间凌定厚等以IR24、IR36、IR54等等9个品种，通过种子、幼穗离体培养，筛选到不育突变个品种，通过种子、幼穗离体培养，筛选到不育突变体体48个。个。1.1.1 生物技术在诱导植物雄性不育中的利用生物技术在诱导植物雄性不育中的利用1.1.1.2 基因工程诱导植物雄性不育基因工程诱导植物雄性不育l花粉绒粘层表达花粉绒粘层表达barnase基因阻断花粉正常的发育基因阻断花粉正常的发育而造成败育，形成不育系；花粉绒粘层表达而造成败育，形成不育系；花粉绒粘层表达bastar基基因转化植株中为恢复系形成的二系配套的油菜、烟因转化植株中为恢复系形成的二系配套的油菜、烟草草。l反义反义RNA技术创造了拟南芥、玉米、油菜等植物不技术创造了拟南芥、玉米、油菜等植物不育系育系。1.1.1 生物技术在诱导植物雄性不育中的利用生物技术在诱导植物雄性不育中的利用1.1.1.3 原生质体融合创造不育系原生质体融合创造不育系l萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种萝卜质油菜，在一般环境条件下表现为萝卜质油菜，在一般环境条件下表现为“雄性不育雄性不育”。l匈牙利国家自然科学院匈牙利国家自然科学院Menczel等（等（1982）以链霉）以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合，素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合，实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移。实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移。1.1.1 生物技术在诱导植物雄性不育中的利用生物技术在诱导植物雄性不育中的利用1.1.2 1.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种生物技术培育抗逆性作物品种 1.1 生物技术与种植业生物技术与种植业1.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物 农田化学除草已成为全球现代农业生产的重要组成部分,全世界除草剂的总用量、施用面积及费用均已超过杀虫剂与杀菌剂。随着大量除草剂的出现,新品种选育和开发难度极大。因此,利用基因工程培育植物的抗除草剂品种越来越受到国内外科学家的关注,它不仅可扩大现有除草剂的应用范围,选用高效率、低毒、低残留、杀草谱广、低成本的除草剂转基因作物,也可减少环境污染,降低农业生产成本。1.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种生物技术培育抗逆性作物品种l 抗抗EPSP抑制剂基因抑制剂基因 草甘膦(glyphosate)是一种广谱除草剂,它具有无毒、易分解，无残留和不污染环境等特点，目前已从细菌中分离出一个突变株，它含有抗草甘膦的EPSP合成酶突变基因。把抗草甘膦基因引入植物，可使这种基因工程作物获得抗草甘膦的能力。此时若用草甘膦除草，则可选择性地除掉杂草，而这种作物因不受损害而生长。1.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物l 抗抗PPT基因基因 膦丝菌素(phosphinothricin，PPT)用作非选择性的除草剂,是植物谷氨酰合成酶(glutamine synthetase,GS)的抑制剂。现已从Streptomyces hyrscopicu中分离得到抗bialaphos的bar基因，该基因编码的产物称PAT,嵌合的bar基因在CaMV35s启动子的控制下,在烟草、马铃薯和番茄的细胞内得到了表达，转基因植株对高剂量的PPT和bialaphos具有耐受性。1.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物1.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物 转抗转抗EPSP抑制剂基因的棉白杨对抑制剂基因的棉白杨对草甘膦具有耐受性1.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物1.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物 化学革命给人类带来了农药，农药对人类的发展确实起了重要的作用，但同时也带来了不少严重的问题，如农药的残留在食物链的各个层次富积，危害环境及人类。同时杀虫剂的大量使用，使大量天敌和益虫也蒙受毒害，生物的多样性降低。农药的长期使用，使昆虫及病原体产生抗性，使杀虫剂的应用越来越形成恶性循环。1.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种生物技术培育抗逆性作物品种抗病虫转基因作物的益处：是一种无环境污染的防治策略，可显著减轻农业对化学农药的依赖，有助于可持续农业系统的建立。农药具有时间上的连续性和空间上的整体性。抗性基因的来源广阔，不受不同生物个体间生殖隔阂的限制，可以在整个生物体中挑选、组合目的基因。育种周期短，治虫成本低。1.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物l 转转BtBt毒蛋白基因作物毒蛋白基因作物 苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis，Bt）是一种来源于土壤的微生物，具有高度的杀虫活性，被作为生物农药商品化应用。Bt之所以能杀虫，是因为其芽孢形成过程中可产生一种杀虫结晶蛋白（ICP）。这种毒蛋白对鳞翅目昆虫有特异的毒性作用。它在昆虫消化道内的碱性条件下，裂解成为活性多肽并造成昆虫消化道损伤，最终可使昆虫死亡，而对其他生物则无害。1.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物l修饰的修饰的BtBt毒蛋白转基因作物毒蛋白转基因作物 苏云金杆菌亚种Kurstaki中毒蛋白的晶体结构在大田条件下不稳定，在植物中的表达亦很不理想，因此为了提高表达水平，研究人员截短了该基因，使其仅表达毒素蛋白的N端部分。同时插入35S的启动子来控制该基因的表达，采取这两个办法后使得蛋白质的表达量略有提高。1.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物 为了进一步提高表达量，人们将编码位于N端29607位氨基酸残基之间的高度保守区域的基因片段进行克隆后，在细菌内表达，实验证明截短的蛋白质与天然蛋白活性相同，都能够抵御鳞翅目昆虫的侵害。人为设计、化学合成的完全修饰后的Bt毒蛋白基因。它采用植物偏爱密码子，并删除了可能形成 mRNA二级结构的序列。改造过的基因的G+C含量高达49%（野生型基因是37），核酸序列与野生型仅78.9%相同。用这种合成的Bt毒蛋白基因转化植物后，表达量比野生型基因要高100倍左右，并提高了杀虫活性。1.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物l 豇豆胰蛋白酶抑制剂豇豆胰蛋白酶抑制剂 豇豆胰蛋白酶抑制因子(cowpea trypsin inhibitor，CpT1)一个大约由80个氨基酸组成的小肽，属于Bowman-Birk 类型的丝氨酸蛋白酶抑制剂。它的作用位点是酶的催化中心。这一位点的突变可能性甚小。因此可能减少害虫通过突变而产生对CpTl的耐受性，而且CpTl 抗昆虫谱广，能抗鳞翅目、鞘翅目害虫等，几乎对所有的害虫有效，而对人畜无害。因此，CpTl比苏云金杆菌更有应用价值。1.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物l 几丁质酶基因工程作物几丁质酶基因工程作物 在植物抗真菌病害的基因工程研究中，几丁质酶基因是应用比较成功的一例。几丁质是真菌细胞壁的组分之一，几丁质酶(chitinase)可破坏几丁质。美国科学家已分离出几丁质酶基因并导入烟草中。大田试验结果表明，这种转基因烟草抗真菌感染与施用杀真菌剂同样有效，而且收成更好。目前，已将几丁质酶基因导入番茄、马铃薯、莴苣和甜菜。这一技术将对蔬菜和果实类植物抗真菌感染具有重要意义。1.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物1.1.2.3 培育培育抗重金属镉的作物抗重金属镉的作物 镉对植物的污染会影响固氮过程，降低植物体水分和养分的运输能力，最终抑制植物细胞的光合作 用。用 哺 乳 动 物 基 因 组 编 码 的 金 属 硫 蛋 白(metollothionein)基因转化植物，可使受体植株获得抗重金属镉的能力。加拿大科学家将中国仓鼠金属硫蛋白基因插入CaMV衍生的载体中，然后用这种重组子感染野生油菜叶片，受感染的叶片能高水平产生金属硫蛋白，并能产生对镉的抗性。1.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种生物技术培育抗逆性作物品种1.1.2.4 培育抗病毒作物培育抗病毒作物 植物病毒是造成农作物减产的主要原因之一。利用基因工程技术将抗病毒基因转移到植物中，是一种比较理想的抗病毒方法。抗病毒基因工程通常采用的策略是：病毒外壳蛋白基因或其功能蛋白基因、病毒亚基因组序列、卫星DNA、缺失干扰型序列的遗传转化；反义RNA技术等。1.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种生物技术培育抗逆性作物品种 烟草花叶病毒烟草花叶病毒TMV外壳蛋白基因引入到烟草细胞中，外壳蛋白基因引入到烟草细胞中，转化植株的细胞中可以产生这种外壳蛋白，并对转化植株的细胞中可以产生这种外壳蛋白，并对TMV感染表现出一定的抗性。感染表现出一定的抗性。将将TMV编码的一种蛋白质编码的一种蛋白质(分子质量分子质量54kDa)的的DNA序列导入植株时，可对高浓度的序列导入植株时，可对高浓度的TMV产生抗性。为了产生抗性。为了赋予植株以病毒抗性，此特殊的赋予植株以病毒抗性，此特殊的DNA序列要比迄今利序列要比迄今利用的外壳蛋白基因更有效。用的外壳蛋白基因更有效。1.1.2.4 培育抗病毒作物培育抗病毒作物美国科学家利用美国科学家利用Ti质粒作为载体，成功地将苜蓿花质粒作为载体，成功地将苜蓿花叶病毒叶病毒AMV 外壳蛋白基因转移到烟草细胞内。外壳蛋外壳蛋白基因转移到烟草细胞内。外壳蛋白基因在白基因在CaMV35s启动子的控制下，在转化植株中所启动子的控制下，在转化植株中所产生的外壳蛋白具有抗病毒的效果。产生的外壳蛋白具有抗病毒的效果。含有黄瓜花叶病毒含有黄瓜花叶病毒CMV的卫星的卫星RNA拷贝的转化植物拷贝的转化植物在受到在受到CMV感染时产生大量的卫星感染时产生大量的卫星RNA。植物细胞内。植物细胞内过量的卫星过量的卫星RNA可以抑制病毒可以抑制病毒RNA的复制，还可能显的复制，还可能显著减轻病状的发展。著减轻病状的发展。1.1.2.4 培育抗病毒作物培育抗病毒作物1.1.2.5 培育适应极端气候条件的新品种培育适应极端气候条件的新品种将大豆中分离出来的热休克蛋白基因转入烟草中，将大豆中分离出来的热休克蛋白基因转入烟草中，当把这种烟草放在当把这种烟草放在 42条件下时，大豆的热休克蛋条件下时，大豆的热休克蛋白基因就在烟草中表达，并起保护的作用。白基因就在烟草中表达，并起保护的作用。将鱼的抗寒基因导入番茄，获得首例抗寒转基因将鱼的抗寒基因导入番茄，获得首例抗寒转基因番茄，株高番茄，株高2m以上，秋季延长采收期以上，秋季延长采收期1个月。个月。1.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种生物技术培育抗逆性作物品种1.1.4.1植物次级代谢产物的生产植物次级代谢产物的生产 早在1939年,人们已能从特定植物体中分离一些细胞，这些离体细胞能在人造环境中生存并合成人类有用的次生代谢产物，如生物碱、黄酮类化合物等。近年来，利用植物细胞培养技术以及各种植物细胞固定化技术，就可以像固定化微生物那样，在预先设计的生物反应器中高效地、源源不断地生产出具有商业价值的次生代谢产物。1.1.4 植物细胞工程的应用植物细胞工程的应用1.1 生物技术与种植业生物技术与种植业 植物次级代谢产品的市场潜能植物次级代谢产品的市场潜能 1.1.4.1植物次级代谢产物的生产植物次级代谢产物的生产快速无性繁殖快速无性繁殖 1.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作植物细胞培养及遗传操作 1.1.4 植物细胞工程的应用植物细胞工程的应用花药、花粉、胚的培养（一）花药、花粉、胚的培养（一）单倍体育种技术易于产生纯系品种，便于优良性状的表达，利于筛选从而大大缩短育种时间。花药和花粉组织培养技术是一条非常有效的获取单倍体的途径，该技术在大麦、黑麦、燕麦、水稻、番茄等作物的改良上起到了重要的作用。l我国利用辣椒游离小孢子细胞团培养方法，创造了新型的辣椒聚合杂交育种技术，初步解决了辣椒育种中早熟与大果、早熟与早衰、抗病与优质的矛盾，该技术属国际性难题的突破，已引起国际种苗公司的关注。1.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作植物细胞培养及遗传操作l花药、花粉、胚的培养（二）花药、花粉、胚的培养（二）l科学家还通过花药培养创造新的种质资源用于育种工作。如我国育成的单209水稻具有抗稻瘟病和抗白叶枯病的特性，同时在单209水稻群体中还发现了矮秆突变型，这些都是优良的亲本类型。l植物胚培养在克服杂种胚败育、解决种子长时间休眠、提高后代抗性改良品质、测定种子生活力以及进行胚胎发育相关基因研究等方面都具有重要的意义。l同时，花药、花粉、胚、原生质体的培养也是进行转基因等遗传操作的重要基础。1.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作植物细胞培养及遗传操作原生质体的融合（一）原生质体的融合（一）l细胞融合能够在细胞水平实现遗传物质的转移和重组，打破种属的界限。这方面典型的技术是原生质体融合技术创造体细胞杂种以实现作物改良。1.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作植物细胞培养及遗传操作1.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作植物细胞培养及遗传操作细胞遗传操作细胞遗传操作 l外源基因向植物转移并能获得性状表达，其中常用和关键的技术是植物细胞培养和组织培养植物再生体系的建立。这样一方面突破传统杂交中种属的界限；同时使基因转移工作在组织或细胞水平上进行而易于操作，并且能快速繁殖以利于性状表达和筛选。1.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作植物细胞培养及遗传操作种质种质保存（一）保存（一）l种质资源是进行研究和生产的基本材料，因此种质资源的保存是一项非常重要的工作。常规的种质资源保存具有多方面的局限性，而细胞培养保存则具有非常大的优势，能极大地节约空间，而且不受环境条件的限制。一般是根据细胞的特点，人工创造条件使其生长代谢活动尽量降低，处于休眠状态，以抑制增殖和减少变异。1.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作植物细胞培养及遗传操作1.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作植物细胞培养及遗传操作 生物农药是“可用来防治病、虫、草等有害生物的生物体本身或源于生物，并可作为农药的各种生理活性物质”。1.1.5 生物农药及生物控制生物农药及生物控制1.1 生物技术与种植业生物技术与种植业l生物农药可分为生物体农药和生物化学农药。生物体农药是指用来防除治病、虫、草等有害生物的商品活体生物，生物化学农药则是指从生物体中分离出的具有一定化学结构，对有害生物有控制作用的生物活性物质。l生物农药本身具有的对人畜毒性小，只杀害虫，与环境相容性好以及病虫害相对不易产生抗性等优点，因此生物农药正日益成为农药产业发展的新趋势。1.1.5 生物农药及生物控制生物农药及生物控制1.1.5.1 苏云金芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis Berliner，Bt）Bt是当前国内外研究最多，应用最广泛的杀虫细菌。目前正朝着大吨位、多品种的方向发展。在苏云金杆菌几十年的开发利用过程中，人们在生物技术育种、发酵工艺改进、新剂型研制、新产品开发等方面取得了不同程度的进展。1.1.5 生物农药及生物控制生物农药及生物控制1.1.5.2 白僵菌白僵菌（Beauveria bassiana）白僵菌是用于防治多种鳞翅目害虫的真菌制剂，目前已进入工业化生产和较大规模应用的虫生真菌有球孢白僵菌、卵孢白僵菌、金龟子绿僵菌等。1.1.5 生物农药及生物控制生物农药及生物控制棉铃虫被白僵菌寄生棉铃虫被白僵菌寄生1.1.5.3 昆虫病毒昆虫病毒 昆虫病毒杀虫剂也是生物防治的重要手段之一，这类杀虫剂具有特异性强、毒力高、稳定性能好、安全无害等优点。进入20世纪80年代以后，这类杀虫剂的研究主要集中在昆虫病毒复合剂的研制、病毒的活体增殖、病毒的提取、基因工程病毒杀虫剂的研究及昆虫病毒培养等领域，并都取得了显著的成就。1.1.5 生物农药及生物控制生物农药及生物控制l农业动物为人类提供肉、蛋、奶，以及毛皮、绢丝农业动物为人类提供肉、蛋、奶，以及毛皮、绢丝等产品，满足人类对动物蛋白的营养需要或其他生活等产品，满足人类对动物蛋白的营养需要或其他生活需要。需要。l养殖业包括畜牧、水产和其他有关副业，涉及的动养殖业包括畜牧、水产和其他有关副业，涉及的动物门类有贝类、昆虫、鱼类、两栖类、爬行类和哺乳物门类有贝类、昆虫、鱼类、两栖类、爬行类和哺乳类。类。l现代生物技术的迅速发展将为养殖业的革命提供有现代生物技术的迅速发展将为养殖业的革命提供有效的技术手段。效的技术手段。7 生物技术与农业生物技术与农业1.2 生物技术与养殖业生物技术与养殖业1.2.1.1 动物转基因技术动物转基因技术1.2.1.1 动物转基因技术动物转基因技术1.2.1.1 动物转基因技术动物转基因技术2006年珠江水产研究所科研人员成功地将红色荧光蛋白基年珠江水产研究所科研人员成功地将红色荧光蛋白基因转入唐鱼，使唐鱼的身体由原来的暗绿色变成红色，具因转入唐鱼，使唐鱼的身体由原来的暗绿色变成红色，具有很好的观赏性。有很好的观赏性。1.2.1.1 动物转基因技术动物转基因技术1.2.1.1 动物转基因技术动物转基因技术转基因鸡操作要领转基因鸡操作要领（引自Mozdziak和Petitte，美国北卡州立大学网页）。第一步，构建载体第二步，转化受体细胞第三步，收获病毒颗粒第四步，显微注射到早期鸡胚，封壳，孵化第五步，出壳小鸡PCR筛选第六步，转基因鸡育成1.2.1.1 动物转基因技术动物转基因技术1.2.1.1 动物转基因技术动物转基因技术1.2.1.1 动物转基因技术动物转基因技术1.2.1 动物分子育种技术动物分子育种技术1.2.1.2 分子标记技术与动物育种分子标记技术与动物育种1.2 生物技术与养殖业生物技术与养殖业1.2.2 动物繁殖新技术动物繁殖新技术1.2.2.1 人工授精及精液的冷冻保存人工授精及精液的冷冻保存1.2.2.1 人工授精及精液的冷冻保存人工授精及精液的冷冻保存1.2.2 动物繁殖新技术动物繁殖新技术1.2.2.2 胚胎移植胚胎移植1.2.2 动物繁殖新技术动物繁殖新技术1.2.2.3 胚胎的冷冻保存胚胎的冷冻保存1.2.2 动物繁殖新技术动物繁殖新技术1.2.2.4 体外胚胎生产体外胚胎生产1.2.2 动物繁殖新技术动物繁殖新技术1.2.2 动物繁殖新技术动物繁殖新技术1.2.2.6 性别控制技术性别控制技术1.2.2 动物繁殖新技术动物繁殖新技术DNA重组生长激素的研究与应用重组生长激素的研究与应用发酵工程技术的研究与应用发酵工程技术的研究与应用寡肽、寡糖添加剂的研究与应用寡肽、寡糖添加剂的研究与应用天然植物提取物的研究开发天然植物提取物的研究开发 有机微量元素添加剂的研究与应用有机微量元素添加剂的研究与应用 营养重分配剂的研究与应用营养重分配剂的研究与应用1.2 生物技术与养殖业生物技术与养殖业1.2 生物技术与养殖业生物技术与养殖业1.2.41.2.4畜禽基因工程疫苗畜禽基因工程疫苗1.2 生物技术与养殖业生物技术与养殖业1.2.5 动物生物反应器动物生物反应器用于生产治疗肺气肿药物的转基因羊用于生产治疗肺气肿药物的转基因羊1.2.5.1 乳腺生物反应器乳腺生物反应器1.2.5 动物生物反应器动物生物反应器转基因克隆小猪将为研究和转基因克隆小猪将为研究和“生产生产”适用于人体移植手术使用适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。的动物器官提供巨大的帮助。1.2.5.2 其他生物反应器其他生物反应器1.2 生物技术与养殖业生物技术与养殖业1.2 生物技术与养殖业生物技术与养殖业1 生物技术与农业生物技术与农业谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH