生物技术与农业生物工程概论 (2).ppt
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1、现在学习的是第1页,共85页7.1 7.1 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方法,有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、化学农药和肥料等的使用曾做出了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。现代生物技术将为种植巨大的贡献,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。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现在学习的是第2页,共85页7.1.1 7.1.1 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
2、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。7.1 生物技术与种植业生物技术与种植业现在学习的是第3页,共85页7.1.1.1 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养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雄性,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。不育系。l19841988
3、年间凌定厚等以年间凌定厚等以IR24、IR36、IR54等等9个品个品种,通过种子、幼穗离体培养,筛选到不育突变体种,通过种子、幼穗离体培养,筛选到不育突变体48个。个。7.1.1 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现在学习的是第4页,共85页7.1.1.2 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而造基因阻断花粉正常的发育而造成败育,形成不育系;花粉绒粘层表达成败育,形成不育系;花粉绒粘层表达bastar基因转化植基因转化植株中为恢复系形成的二系配套的油菜、烟草株中为恢复系形成的二系配
4、套的油菜、烟草。l反义反义RNA技术创造了拟南芥、玉米、油菜等植物不育系技术创造了拟南芥、玉米、油菜等植物不育系。7.1.1 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现在学习的是第5页,共85页7.1.1.3 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萝卜质油菜,在一般环境条件下表现为质油菜,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)以链霉素)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,实现了烟抗
5、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。草细胞质雄性不育基因的转移。7.1.1 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现在学习的是第6页,共85页7.1.2 7.1.2 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 7.1 生物技术与种植业生物技术与种植业现在学习的是第7页,共85页7.1.2.1 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
6、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。7.1.2 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现在学习的是第8页,共85页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。
7、7.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物现在学习的是第9页,共85页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。7.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物现在学习的是第10页,共85页7
8、.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物现在学习的是第11页,共85页 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7.1.2.1 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物现在学习的是第12页,共85页7.1.2.2 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。7.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种生
9、物技术培育抗逆性作物品种现在学习的是第13页,共85页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。7.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第14页,共85页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
10、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。7.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第15页,共85页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。7.1.2.2 培
11、育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第16页,共85页 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。7.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第17页
12、,共85页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。7.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第18页,共85页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
13、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。7.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第19页,共85页转转Bt 基因的玉米受害虫和穗腐病的危害较轻基因的玉米受害虫和穗腐病的危害较轻 7.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第20页,共85页 转转Bt基因的抗虫油菜基因
14、的抗虫油菜7.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第21页,共85页转转Bt基因的抗虫棉与马铃薯基因的抗虫棉与马铃薯7.1.2.2 培育抗病虫作物培育抗病虫作物现在学习的是第22页,共85页7.1.2.3 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,
15、并能产生对镉的抗性。7.1.2 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现在学习的是第23页,共85页7.1.2.4 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。7.1.2 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现在学习的是第24页,共85页 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,转外壳蛋白基因引入到烟草细胞中,转
16、化植株的细胞中可以产生这种外壳蛋白,并对化植株的细胞中可以产生这种外壳蛋白,并对TMV感染感染表现出一定的抗性。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序列序列导入植株时,可对高浓度的导入植株时,可对高浓度的TMV产生抗性。为了赋予植株产生抗性。为了赋予植株以病毒抗性,此特殊的以病毒抗性,此特殊的DNA序列要比迄今利用的外壳蛋序列要比迄今利用的外壳蛋白基因更有效。白基因更有效。7.1.2.4 培育抗病毒作物培育抗病毒作物现在学习的是第25页,共85页美国科学家利用美国科学家利用Ti质粒作为载体,成功地将苜蓿花叶病质粒作为载体,成功地将
17、苜蓿花叶病毒毒AMV 外壳蛋白基因转移到烟草细胞内。外壳蛋白基因在外壳蛋白基因转移到烟草细胞内。外壳蛋白基因在CaMV35s启动子的控制下,在转化植株中所产生的外壳启动子的控制下,在转化植株中所产生的外壳蛋白具有抗病毒的效果。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拷贝的转化植物在受拷贝的转化植物在受到到CMV感染时产生大量的卫星感染时产生大量的卫星RNA。植物细胞内过量的卫星。植物细胞内过量的卫星RNA可以抑制病毒可以抑制病毒RNA的复制,还可能显著减轻病状的发展的复制,还可能显著减轻病状的发展。7.1.2.4 培育抗病毒作物培育抗病毒作物现在学习的是第
18、26页,共85页 转病毒核蛋白基因的番茄和未转基因的番茄不但对转病毒核蛋白基因的番茄和未转基因的番茄不但对CMV的抗性明显不同,而且植株的抗性明显不同,而且植株的生长和果实的品质的差异显著。的生长和果实的品质的差异显著。7.1.2.4 培育抗病毒作物培育抗病毒作物现在学习的是第27页,共85页 经花叶病毒感染后的南瓜的重量和品质在转基因和未转基因植株之间的差异经花叶病毒感染后的南瓜的重量和品质在转基因和未转基因植株之间的差异。7.1.2.4 培育抗病毒作物培育抗病毒作物现在学习的是第28页,共85页 番木瓜是一种富含维生素番木瓜是一种富含维生素C和和A的美味热带水果,然而由于的美味热带水果,然
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