《植物生物技术概论》.ppt

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1、植物生物技术概论植物生物技术概论植物生物技术概论植物生物技术概论主讲：陈发兴主讲：陈发兴 刘生财刘生财绪论植物生物技术n一.植物生物技术的含义（一）生物技术的定义：生物技术（biotechnology），有时也称生物工程（bioengineering），是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。先进的先进的工程技术工程技术手段手段基基因因工程工程Genetic engineering细胞工程细胞工程Cell engineering酶工程酶工程Enzyme engineering发酵工

2、程发酵工程Permentation蛋白质工程Protein发酵工程发酵工程Permentation蛋白质蛋白质工程工程Protein基因工程v基因工程基因工程(geneengineering)主要原理主要原理是应用人工方法把是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸(DNA)分离出来，在分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的DNA导入某导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息新的遗传信息(基因基因)在新的宿主细胞或个体中大

3、量表达，在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物以获得基因产物(多肽或蛋白质多肽或蛋白质)。这种通过体外。这种通过体外DNA重组重组创造新生物并给予特殊功能的技术就称为基因工程，也称创造新生物并给予特殊功能的技术就称为基因工程，也称DNA重组技术。重组技术。v应用举例：Golden Rice（金米）Golden Rice grains v the stronger the colour,the more-carotenevprovitamin A vIn Golden Rice two genes have been inserted into the rice genome by ge

4、netic engineering,to account for the turned-off genes.细胞工程细胞工程就是指在细胞水平上细胞水平上的遗传操作，利用细胞的全能性细胞的全能性，采用组织与细胞培养技术对动、植物进行改良，为人类提供优良品种、产品和保存珍贵物种。优势优势：避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作，提高基因的转移效率。可以在同类间进行杂交，也可以在动物与植物或植物与微生物之间进行融合。举例 在黑毛鼠、白毛鼠、黄毛鼠的受精卵分裂成8个细胞时用特制的吸管把8细胞胚吸出输卵管，用一种酶将包裹在各个胚胎上的粘液溶解，再把这三种鼠的8细胞胚放在同一溶液中使之组装成一个具有24个

5、细胞的“组装胚”。马格特和彼德斯把“组装胚”移植到一只老鼠的子宫内，不久，一只奇怪的组装鼠问世了，这只组装鼠全身披着黄、白、黑三种不同颜色的皮毛。20世纪90年代，美国耶鲁大学马克特和彼德斯。3对父母，加上“嵌合胚胎”怀孕的“代理”母鼠，总共将有3个父亲和4个母亲。可能获得集合多种优良性状的新鲜物种，对于农牧业生产大有益处 德、英、美等国的科学家组装出了绵羊和山羊的嵌合体绵山羊。酶工程酶工程酶工程是指将酶所具有的生物催化功能，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。例如：加酶洗衣粉、溶菌酶针剂。发酵工程v发

6、酵工程 利用微生物生长速度快微生物生长速度快、生长条件简单生长条件简单以及代谢过程特殊代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程(Permentation engineering)，也称微生物工程。v举例：v酒精类饮料、醋酸和面包；胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物；天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料；氨基酸、香料、酶、维生素和单细胞蛋白等。v甲型H1N1流感疫苗v工作人员在进行鸡胚病毒接种工作。v疫苗生产需经历病毒接种、病毒培养、病毒灭活、纯化、配比、分包装及批签发等步骤才能最终投入使用

7、。蛋白质工程蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构蛋白质的精细结构和生物活力的作用机制之间生物活力的作用机制之间的关系，利用基基因工程的手段因工程的手段，按照人类自身的需要，定向地改造天然的蛋白质，甚至于创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。基因工程与蛋白质工程的关系基因工程是把外源基因转入生物体内，并表达，它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质。蛋白质工程则根据分子设计的方案，通过对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对其所编码的蛋白质的改造，它的产品已不是天然的蛋白质，而是经过改造的。n改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。五大工程间的关系n按照自己的愿望改造物种，

8、往往要采用基因基因工程工程或细胞工程细胞工程的方法。基因工程和细胞工程的研究成果，要通过发酵工程发酵工程和酶工程酶工程来实现产业化。基因工程和细胞工程被看作生物工程的上游处理技术上游处理技术，将发酵工程和酶工程看作生物工程的下游处理技术下游处理技术。基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶，往往通过酶工程来获得。酶工程中酶的生产，一般要通过微生物发酵的方法来进行。生物原料则指生物体的某一部分或生物生长过程所能利用的物质，如淀粉、蜜糖、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石。n人类生产出所需的产品人类生产出所需的产品包括粮食、医药、食品、化包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等

9、各种产品。工原料、能源、金属等各种产品。n达到某种目的包括疾病的预防、诊断与治疗、环境污染的检测和治理等。（二）植物生物技术的含义植物生物技术（植物生物技术（Plant Biotechnology）广义的植物生物技术指利用提高和改良农作物产量、品质的所有技术；狭义的植物生物技术是指利用植物器官、组织、细胞和通过分子水平的操作，促进植物繁殖、有用植物生产和植物品种遗传改良的技术。植物生物技术包括植物生物技术包括：n植物组织培养（或细胞工程）植物组织培养（或细胞工程）Plant Tissue Culturen基因克隆与转基因植物生产基因克隆与转基因植物生产 Gene Cloning and Gen

10、etically Modified Crops(GM crops)n分子标记及辅助育种应用分子标记及辅助育种应用 Molecular marks and MAS 二、植物生物技术发展简史（一）植物生物技术发展简史n植物生物技术的起源可以追溯到19世纪30年代，Schleiden在细胞理论中提出了细胞的全能性，但没有引起同时代学者的关注。直到1902年，德国植物生理学家Gottlieb Haberlandt（1854-1945）提出植物细胞全能性的理论，即植物体细胞在适当的条件下，具有不断分裂和繁殖、发育成完整植株的能力。他也被称为植物组织培养之父。从从Haberlandt到现今的到现今的100

11、多年间，通过许多开创性的多年间，通过许多开创性的研（见下表），使园艺植物生物技术逐步成熟并取得巨大研（见下表），使园艺植物生物技术逐步成熟并取得巨大成果。成果。n1902年 G.Haberlandt 开创植物组织培养的实验，提出细胞全能性学说n1904年B.Hannig首次探讨十字花科植物的胚胎培养n1922年 L.Knudson 非共生萌发兰花种子n1922年 W.J.Robbins 根尖离体培养n1924年 F.Blumenthal 和P.Z.Meyer 利用乳汁诱导胡萝卜根外植体形成愈伤组织n1925年 F.Laibach 培养亚麻植物种间杂交的胚胎n1929年F.Laibach 通过胚

12、胎培养克服亚麻植物种间杂交的胚胎n1934年R.J.Guatheret 离体培养不同树木和灌木的形成层组织，失败n1934年P.R.White 长期培养番茄根获得成功n1939年F.Kogl等鉴定出植物第一种激素IAAn1940年R.J.Gautheret诱导榆属愈伤组织形成不定芽n1941年 J.van Overbeek 等研究椰子乳对曼陀罗属的植物幼胚生长和发育的影响n1942年 R.J.Gautheret观察到植物愈伤组织培养中产生次生代谢物质n1944年 F.Skoog 诱导烟草离体培养物形成不定芽n1945年 S.W.Loo（罗士韦）培养芦笋茎尖n1946年 E.Ball 获得羽扇豆

13、属与旱金莲植物茎尖的完整植株n1980年 D.Bostein 等创立限制性片段长度多态性（RFLP）技术n1982年 U.Zimmermann研究原生质体电融合n1983年 B.Wolters和U.Eilert 首次在紫草悬浮细胞使用诱发子工业化生产次生代谢产物n1983年 P.Zambryski等构建共整合载体n1983年 K.Mullis发展链式聚合酶反应（PCR）技术n1984年J.Paszkowski等用质粒DNA转化烟草原生质体并再生转基因植株n1985年 R.B.Horsh等和De Block等将农杆菌与叶圆片共培养后等到转基因植株n1985年 M.E.Formm用电激法将外源基因

14、导入双子叶和单子叶原生质体n1985年 G.An 等构建双元载体n1987年 Barton 等从苏云英杆菌中分离出Bt基因n1988年 R.Levi自动化大量生产不定芽和体细胞胚胎n1988年 T.M.Klein基因枪稳定转化再生植株n1989年 X.Delannay等获得转基因抗虫番茄n1990年 R.A.Dekeyser等电击整体植株组织直接导入DNAn1990年 J.G.K.Williams等注射整体植物细胞获得转基因植株 n1990年 G.Neuhaus微观注射整体植株细胞获得转基因植株n1991年 P.T.Lynch 和E.E.Benson冷冻保存长春花细胞系，解冻后恢复生物碱合成能

15、力n1992年 S.K.Dutta等PEG介导的原生质体转化得到抗除草剂的水稻植株n1993年 E.Kranz和H.Lorz利用单配子离体受精产生合子胚并获得可育的玉米植株n1994年 遗传工程番茄品种“Flavr-Star”进入市场n1995年 P.Vos等报道扩增片段长度多态性（AFLP）技术n1996年 G.Hansen和M.D.Chilton发展农杆菌微弹（agrolistic）转化方法n1996年 C.M.Hamilton等发展双元细菌人工染色体载体（BBIC），转化能力达150Kbn1997年 C.J.Arntzen和H.S.Mason转基因植株生产可食疫苗n2000年 拟南芥基因

16、组测序完成n2001年 I.Potrykus 报道转移了维生素A基因的“金水稻”n2001年 M.A.Escobar 等利用RNA干扰技术抑制冠瘿瘤的发生n2002年 水稻基因组测序完成（二）植物生物技术主要领域的发展n100年来，植物生物技术（包括园艺植物生物技术）经历了植物组织培养、植物细胞工程技术和植物基因工程技术的发展过程，各个发展过程有先后顺序又相互交叉，并与其他相关学科的发展紧密相连。v植物细胞工程（cell engineering）技术是在植物组织培养（plant tissue culture）的基础上发展的，植物基因工程（genetic engineering）技术依赖于分子生

17、物学（molecular biology）、植物组织培养和细胞工程技术，三者之间的相互渗透促进了植物生物技术深入发展。无论如何，植物组织培养是植物生物技术最根本的基础。1、植物组织培养的奠基和发展n植物组织培养的研究历史可以追溯到19世纪中期，其开拓和发展的理论基础是植物细胞的全能性，该研究领域的发展历史可分为开创、奠基和建立三个阶段。n植物组织培养的理论基础源于1838-1839年德国的植物学家T.Schleidon和动物学家T.Schwann提出的细胞学说（cell theory）。该学说的基本内容是：一切生物都是由细胞构成的，细胞是生物体的基本功能单位，细胞只能由细胞分裂而来。v植物组织

18、培养的第一篇论文是1902年德国的植物生理学家G.Haberlandt发表的，他根据细胞学说的理论提出：高等植物的器官和组织，可以不断分割，直至单个细胞，这种单个细胞是具有潜在全能性的功能单位，即植物细胞具有全能性。在Haberlandt的实验中，没有一个培养细胞发生细胞分裂。其实验失败的原因在于，一是使用过于简单的培养基，即仅在Knop溶液中加入蔗糖；二是选用高度分化的实验材料，细胞脱分化和分裂较难。20世纪30-50年代，影响离体培养材料生长和发育的一些重要物质，如天然提取物、B族维生素、生长素（auxin）、细胞分裂素（cytokinin）等的发现，促使植物组织培养的研究迅速发展，特别是

19、分裂素与生长素的比例控制控制器官分化（differentiation）的激素模式的建立，使植物组织培养的技术与理论体系得以形成。White（1934）在培养基中加入酵母浸出液和蔗糖，培养番茄根获得成功。接着，他用3种B族维生素吡哆醇（B6）、硫胺素（B1）和烟酸（B3）代替了酵母浸出液，建立了适合于根培养的White培养基。Gautheret（1934）在Knop溶液中加入B族维生素和IAA后，使山毛柳形成层生长显著增加。后来，Skoog和崔瀓（1948）发现，腺嘌呤与生长素的比例是控制烟草髓愈伤组织上芽和根形成的主要条件之一。随着细胞分裂素的发现，Skoog和Miller（1957）提出植物

20、激素控制器官形成的概念，指出在烟草髓组织培养中，根和芽的分化取决于两类生长调节剂的相对浓度，比例高时促进生根，比例低则促进芽的分化。这一概念至今仍然被人们所接受。Reinert和Steward（1958）对胡萝卜悬浮培养细胞和愈伤组织形成体细胞胚作了报道，用实验科学地论证了植物细胞全能性，标志着植物生物技术快速发展的开始。n从植物细胞全能性理论的提出到其被实验科学地证实，植物组织培养研究领域走过了近60年的发展历程。众多学者睿智性的实验够西和卓有成效的启发性研究，激励着一代又一代学者执着的进行植物生长发育奥秘的探知。当影响植物细胞分裂和器官形成的机理被揭示后，学者们对该领域进行了全面研究，获得

21、的成果枝繁叶茂，发表的文章浩如烟海，形成了一套成熟的植物组织培养的理论体系和技术方法，拥有着极其广泛的应用领域，从而在生物科学中建成了这门具有理论、技术和应用的科学。n1958年，M.Wickson和发现，应用外源细胞分裂素可以打破顶端优势，促使休眠的测压启动生长，从而形成微型的多枝多芽小灌木丛状结构。n1960年，G.Morel 提出了利用茎尖离体快速繁殖兰花属的方法，该方法繁殖系数极高，并能脱除植物病毒。利用此技术国际上相继建立了“兰花工业”（orchid industry）。n1960年，英国学者用真菌纤维素酶酶解分离番茄根和烟草叶片，获得了原生质体，开创了植物原生质体培养的研究。n19

22、69年，Kaul发现三角叶薯蓣悬浮培养物可以生产薯蓣皂苷配基。目前利用组织培养途径生产的此生代谢物有皂苷类、甾醇类、生物碱、醌类、氨基酸和蛋白质等。n1972年，利用硝酸钠进行了烟草种间原生质体的融合实验，获得了第一株体细胞种间杂种植株。2、植物细胞工程技术的应用试管苗快速繁殖n试管苗快速繁殖可以通过茎尖、侧芽、种子和愈伤组织再生苗以及脱毒苗等进行。最早研究试管苗繁殖的有，Knudson（1992）研究了兰花种子的非共 生萌发，中国罗 士韦教授在1945 年率先进行的植 物茎尖培养，对 植物生物技术发 展作出了重要贡 献。据许智宏院士统计，1996年中国已经有700种植物通过茎尖和愈伤组织培养

23、再生植株。目前，已经试管苗繁殖并实现产业化的植物有兰花、马铃薯、甘薯、香蕉、草莓、杨树、桉树、苹果、安祖花、月季等。试管苗年生产量达到千万株以上的植物有兰花、马铃薯、香蕉、草莓和杨树等。花药、胚胎培养 v花药或小孢子和未成熟胚珠培养花药或小孢子和未成熟胚珠培养是获得纯合杂种的主要途径。vVasil（1957）最早对洋葱花药的培养进行了研究，到1964年，Guha和Maheshwari获得了曼陀罗植物花药培养来源的单倍体植株，而从未成熟胚珠培养产生单倍体植株直到1976年才成功。朱至清教授设计的N6培养基，适合水稻和其他禾本科植物花药培养，在世界各国实验室中得到应用，促进了花药培养的研究。据Bh

24、ojwani和Razdan（1996）统计，有25科134种，种植面积到达116万公顷；22个水稻新品种，种植面积100万公顷；玉米1个新品种推广面积10000公顷；甜椒1个新品种种植面积5800公顷。中国在花药和胚珠培养研究领域中出于世界领先地位。次生代谢产物n在1942年，Gautheret就报道了组织培养中的次生次生代谢产物代谢产物，但直到Kaul和Staba（1976）发现阿密茴（Ammi visnaga）培养细胞的次生代谢产物与整体植物相等后，通过细胞培养生产有用化合物的研究才得以发展。现今国内外开始研究工厂化培养细胞生产有用化合物。例如紫草细胞生产紫草宁，长春花细胞生产吲哚碱，烟草

25、生产烟碱，人参细胞生产人参皂苷和红豆杉细胞生产紫杉醇等。体细胞变异植物组织培养中体细胞变异的研究起步较晚，Carlsin（1970）进行生物化学诱变并筛选出烟草突变体。1981年，Larkin和Scowcroft提出体细胞变异的概念。据Maluszynshi等（1995）统计，利用组织培养诱导、筛选和培育的突变体品种有1700多个，涉及154种植物。原生质体培养n原生质体培养在Cocking（1960）利用纤维素酶和果胶酶降解细胞壁获得产量高的原生质体之后发展起来。1971年，Takebe等获得烟草叶肉原生质体再生植株。据许智宏院士（1999）统计，通过原生质体培炎成功的植物涉及46个科，16

26、1个属，368种或亚种。中国学者首次报道的原生质体再生植株的植物有50多种。在原生质体培养成功的基础上，Carlson等（1972）获得了粉蓝烟草（Nicotiana glauca）和N.langsdorfii种间体细胞杂种植株。Melchers等（1978）获得了马铃薯和番茄的属间体细胞杂种，而且该杂种具有耐寒性。n1990年，加拿大烟草业公布了第一个原生质体融合的烟草新品种。除了获得植物内、中间、属间和科间体细胞杂种植株外，Makankawkeyoon等（1995）还获得了植物界与动物界之间（即烟草与小鼠体细胞间）的杂种植株，杂种叶片有小鼠免疫球蛋白G基因的表达，据贾敬芬统计，198419

27、93年增加的体细胞杂种植物，种内组合有14个，种间62个。属间47个，并有2个种间组合的胞质杂种。LI等（1999）报道，19831996年之间利用原生质体融合技术对作物品种的改良中涉及12个科、22个属33个种的植物作为原生质体融合的受体，优良农艺形状的供体物种有89个种2个杂种，涵盖40个属。这些体细胞杂种中有种间体细胞杂种占65%，属间体细胞杂种占25%，种内体细胞杂种占10%。v中国学者成功地进行了大豆与野大豆，烟草与龙葵，烟草与中宁枸杞，日本水稻与O.officinals，水稻与大黍，小麦与冰草（Agropyron elongatum），小麦与Haynldia villosa，小麦与

28、Leymus chinensis，小麦与Psathyrostachys juncia，中华猕猴桃与美味猕猴桃、中华猕猴桃与狗枣猕猴桃以及柑橘种、属间体细胞杂交，并获得再生植株。脱毒苗的培育v自然界中存在很多病毒，已发现的病毒超过500种，很多植物易受病毒侵染。长期无性繁殖的植物，在繁殖过程中病毒可通过营养体进行传递，逐代累积，使病毒病的危害更为严重。因此，根除病毒和其他病原菌非常必要。v病毒在植物体内的分布是不匀衡的，在受侵染的植株中，顶端分生组织一般说是无病毒的，或者只携带有很低浓度病毒。在较老的组织中，病毒数量随着与茎尖距离的加大而增加。因此，茎尖脱毒培养已成为植物脱毒育苗的主要方法3、植

29、物基因工程技术的发展n植物基因工程对植物育种的影响有植物基因工程对植物育种的影响有间接作用间接作用和和直接作用直接作用。n间接作用间接作用是筛选分子标记和构建分子标记遗传是筛选分子标记和构建分子标记遗传图谱，为植物育种特别是数量性状遗传育种图谱，为植物育种特别是数量性状遗传育种提供参考。提供参考。n直接作用直接作用就是对植物直接进行遗传操作。就是对植物直接进行遗传操作。v植物基因工程的植物基因工程的核心核心是是DNA重组技术重组技术，T-DNA转化原理和植物细胞全能性转化原理和植物细胞全能性。DNA重重组技术来源于分子生物学，但后两者完全组技术来源于分子生物学，但后两者完全体现植物基因工程自身

30、的特征。人们通过体现植物基因工程自身的特征。人们通过揭示揭示T-DNA转化的原理，改造转化的原理，改造Ti质粒并构造质粒并构造植物表达载体系统，诱导转基因细胞分化，植物表达载体系统，诱导转基因细胞分化，使植物基因工程成为植物生物技术中发展使植物基因工程成为植物生物技术中发展最快的研究领域。最快的研究领域。2003年转基因作物的主要种植国家的数目，从年转基因作物的主要种植国家的数目，从2002 年年的的4 个增加到了个增加到了6 个，种植面积占了全球转基因作物的个，种植面积占了全球转基因作物的99%(占了转基因作物全球的种植面积的占了转基因作物全球的种植面积的99%)；这反映了；这反映了水平领先

31、的转基因作物种植国家的广泛参与，现在，水平领先的转基因作物种植国家的广泛参与，现在，10 个个国家种植的转基因作物超过了国家种植的转基因作物超过了50000公顷。其中，美国种公顷。其中，美国种植了植了4280 万公顷（占全球种植总面积的万公顷（占全球种植总面积的63%），其次为阿，其次为阿根廷根廷1390万公顷（万公顷（21%），加拿大），加拿大440 万公顷（万公顷（6%），巴），巴西西300 万公顷（万公顷（4%），中国），中国280 万公顷（万公顷（4%）和南非）和南非40 万公顷（万公顷（1%）。在这）。在这6 个领先的转基因作物种植国家里，个领先的转基因作物种植国家里，中国和南非的年

32、增长率最高（中国和南非的年增长率最高（33%）。）。Global Area of GM Planting Million Hectares(1996-2006)v美国是全球头号玉米和大豆生产大国，其中有一半的面积种美国是全球头号玉米和大豆生产大国，其中有一半的面积种植的是耐除草剂大豆，有近植的是耐除草剂大豆，有近1/3的面积种植的是抗螟虫玉米。的面积种植的是抗螟虫玉米。同时美国出口的大豆和玉米基本上是转基因产品同时美国出口的大豆和玉米基本上是转基因产品。v我国已成为转基因作物种植大国。我国已成为转基因作物种植大国。自自1997年至年至2003年年9月，月，经过安全评价，农业部批准经过安全评价，

33、农业部批准水稻、玉米、棉花、大豆、油菜、水稻、玉米、棉花、大豆、油菜、马铃薯等马铃薯等10多种转基因植物多种转基因植物进入田间环境释放，批准进入田间环境释放，批准转基因转基因棉花、番茄、甜椒等植物棉花、番茄、甜椒等植物进入商业化生产。进入商业化生产。中国抗虫棉（中国抗虫棉（Bt cotton）的种植面积持续）的种植面积持续5 年增长，从年增长，从2002 年的年的210万公顷万公顷提高到了提高到了2003 年的年的280 万公顷，万公顷，等于等于2003 年棉花种植总面年棉花种植总面积积480 万公顷的万公顷的58%。4 基因工程技术是未来植物生物技术的核心n基因工程技术的发展以基因工程技术的

34、发展以20世纪世纪70年代年代DNA重组技术的建立重组技术的建立为标志。人们把为标志。人们把1953年年Walson和和Crick提出的提出的DNA双螺旋结构模双螺旋结构模型，作为分子生物学和基因工程技术的里型，作为分子生物学和基因工程技术的里程碑。与组织培养技术的发展历程相似，程碑。与组织培养技术的发展历程相似，基因工程技术的发展得益于生物化学、遗基因工程技术的发展得益于生物化学、遗传学、细胞学等多个学科的发展。传学、细胞学等多个学科的发展。v1983年，世界上年，世界上首批转基因烟草和马铃薯首批转基因烟草和马铃薯问世；问世；1986年，年，首批转基因植物首批转基因植物进入田间实验；进入田间

35、实验；1993年，年，转基因转基因番茄番茄在美国面市。尽管转基因番茄没有在美国得到大在美国面市。尽管转基因番茄没有在美国得到大面积推广应用，但转除草剂基因的大豆、转抗虫基因面积推广应用，但转除草剂基因的大豆、转抗虫基因的玉米却在美国等国家大面积推广，产品已销往世界的玉米却在美国等国家大面积推广，产品已销往世界上许多国家。根据美国农业部的资料，到上许多国家。根据美国农业部的资料，到2000年，全年，全世界转基因作物面积达到世界转基因作物面积达到4 420万万hm2，比，比1996年增年增长了长了26倍。倍。2001年全球转基因作物种植面积超过年全球转基因作物种植面积超过5000万万hm2，200

36、2年更是创出了历史新高，达年更是创出了历史新高，达5 867万万hm2。v我国转基因研究开始于我国转基因研究开始于20世纪世纪80年代初，年代初，1986年年国家国家“863”计划的启动实施，在组织和经费上为计划的启动实施，在组织和经费上为我国植物转基因研究提供了保障。根据有关部门我国植物转基因研究提供了保障。根据有关部门统计，农业部生物技术安全委员会批准进入田间统计，农业部生物技术安全委员会批准进入田间环境实验的转基因作物有水稻、玉米、大豆、番环境实验的转基因作物有水稻、玉米、大豆、番茄和马铃薯等茄和马铃薯等60余种，余种，2001年中国转基因作物年中国转基因作物（主要是转基因棉花）种植面积

37、达到（主要是转基因棉花）种植面积达到70万万hm2，列世界第四位。列世界第四位。v蔬菜作物是我国作物种较早开展转基因研究的类型，蔬菜作物是我国作物种较早开展转基因研究的类型，我国首例商品化生产的转基因作物就是我国首例商品化生产的转基因作物就是耐贮藏的番耐贮藏的番茄茄。之后，有抗病毒的番茄、辣椒，花色改变了的。之后，有抗病毒的番茄、辣椒，花色改变了的矮牵牛等获得商品化生产批准。矮牵牛等获得商品化生产批准。2003年，国家年，国家“863”计划开始资助果树、花卉的转基因研究，计划开始资助果树、花卉的转基因研究，目前正在开展转基因研究的作物除上面提到的外，目前正在开展转基因研究的作物除上面提到的外，

38、还有柑桔、苹果、甘蓝、土豆、康乃馨等。值得指还有柑桔、苹果、甘蓝、土豆、康乃馨等。值得指出的是，我国作物转基因研究相对于大田作物而言出的是，我国作物转基因研究相对于大田作物而言起步晚一些。更为重要的是我国自己克隆的目标基起步晚一些。更为重要的是我国自己克隆的目标基因十分有限，在转基因作物的产业化过程中将遇到因十分有限，在转基因作物的产业化过程中将遇到一些障碍。一些障碍。v我们也不得不看到，目前转基因研究改良的性状主要我们也不得不看到，目前转基因研究改良的性状主要还是还是抗性抗性，如抗虫、抗除草剂和抗病等一些相对而言，如抗虫、抗除草剂和抗病等一些相对而言比较简单的质量性状。转基因作物由于从别的生

39、物获比较简单的质量性状。转基因作物由于从别的生物获得了抗性基因，特别是转基因的同时，转入了一些抗得了抗性基因，特别是转基因的同时，转入了一些抗性标记基因，对其安全性人们比较重视。世界各国对性标记基因，对其安全性人们比较重视。世界各国对于这种新生事物表现出的态度也不尽相同，总体上对于这种新生事物表现出的态度也不尽相同，总体上对于转基因的安全性的态度可以分为：反对、支持和无于转基因的安全性的态度可以分为：反对、支持和无所谓三种。由于经济一体化带来的问题，各国对于转所谓三种。由于经济一体化带来的问题，各国对于转基因作物农产品的安全性的看法掺杂着科学、经济、基因作物农产品的安全性的看法掺杂着科学、经济

40、、贸易政治多种因素。就科学层面而言，目前转基因作贸易政治多种因素。就科学层面而言，目前转基因作物以及农产品是否安全没有定论。物以及农产品是否安全没有定论。v但是，各国科学家和政治家对于这一技术的深远意义但是，各国科学家和政治家对于这一技术的深远意义的认识是一致的，发展转基因技术是一个的认识是一致的，发展转基因技术是一个正确正确的方向，的方向，因此，各国均在大力研究其理论基础、实用技术、潜因此，各国均在大力研究其理论基础、实用技术、潜在的问题及克服方法。可以认为基因工程技术的研究在的问题及克服方法。可以认为基因工程技术的研究将是未来一段时间各国生物科学研究的热点，也是竞将是未来一段时间各国生物科

41、学研究的热点，也是竞争未来农作物品种国际市场的一个制高点，因此必将争未来农作物品种国际市场的一个制高点，因此必将成为生物技术研究的核心，特别是与之相关的基因克成为生物技术研究的核心，特别是与之相关的基因克隆研究将成为竞争的焦点。隆研究将成为竞争的焦点。三、植物生物技术对经济社会发展的影响 n生物技术最主要的应用在两个方面：农业与医学。n植物生物技术在农业方面的应用可以归结为两个字：育种培育优良品质的新品种。v1.提高抗逆的作物优良品系提高抗逆的作物优良品系 通过基因工程技术对生物进行基因转移，使生物体获得新的优良品性，称之为转基因技术。通过转基因技术获得的生物体成为转基因生物，例如转基因植物，

42、就是对植物进行基因转移，其目的是培育出具有抗旱、抗寒、抗盐、抗病虫害等抗逆特性及品质优良的作物新品系。v优良品质：高产；抗病；抗虫；抗逆性；抗除草剂；作物品质改良；v 转基因香蕉v以色列的RahanMeristem生物技术公司v转基因香蕉对众多致病线虫的抗性。v当前正致力于多方面的分子育种工程研究，包括杏、苹果、鳄梨、橄榄和草莓等。转基因木瓜v吃转基因木瓜可能吃转基因木瓜可能致耐药性致耐药性 v含有卡那霉素抗性含有卡那霉素抗性基因和四环素抗性基因和四环素抗性基因基因 天津转基因棉花技术工程天津转基因棉花技术工程中心中心 2015 2015年将建设棉花良年将建设棉花良种繁育基地种繁育基地1010

43、万亩，为全万亩，为全国棉农增收国棉农增收3030亿元。亿元。v2.植物种苗的工厂化生产植物种苗的工厂化生产 利用细胞工程技术对优良品利用细胞工程技术对优良品种进行大量的快速无性繁殖，实现工厂化生产。该技种进行大量的快速无性繁殖，实现工厂化生产。该技术又称为植物的微繁殖技术。利用植物细胞的全能性，术又称为植物的微繁殖技术。利用植物细胞的全能性，可以从植物的根、茎、叶、果穗、胚珠、胚乳花药或可以从植物的根、茎、叶、果穗、胚珠、胚乳花药或花粉等植物器官或组织取得一定量的细胞，在试管中花粉等植物器官或组织取得一定量的细胞，在试管中培养这些细胞，使之长成为所谓的愈伤组织。愈伤组培养这些细胞，使之长成为所

44、谓的愈伤组织。愈伤组织具有很强的繁殖能力，可在试管内大量繁殖。在一织具有很强的繁殖能力，可在试管内大量繁殖。在一定的植物激素作用下，愈伤组织又可以分化出根、茎、定的植物激素作用下，愈伤组织又可以分化出根、茎、叶，成为一株小苗，利用这种无性繁殖技术，可在短叶，成为一株小苗，利用这种无性繁殖技术，可在短时间内得到遗传稳定的，大量小苗时间内得到遗传稳定的，大量小苗(这种小苗称为试这种小苗称为试管苗，以区别于种子萌发的实生苗管苗，以区别于种子萌发的实生苗)，并可实现工厂，并可实现工厂化生产。一个化生产。一个10m2的恒温室内，可繁殖的恒温室内，可繁殖1万万50万株万株小苗。小苗。v所以该项技术可以使有

45、价值的、自然繁育慢的植物在很短时间内和有限的空间内得到大量繁殖。还可以生产脱毒苗。植物的微繁殖技术已广泛的应用于花卉、果树、蔬菜、药用植物和农作物快速繁殖，实现商品化生产。我国建立了多种植物试管苗的生产线，如葡萄、苹果、香蕉、柑橘、花卉等。3 提高作物品质提高作物品质 生物技术除了可培育高产、抗逆、抗病虫害的新品系外，还可培育品质好、营养价值高的作物新品系。例如美国威斯康星大学的学者将菜豆储藏蛋白基因转移到向日葵中，使向日葵种子含有菜豆储藏蛋白。利用转基因技术培育的西红柿可延缓其成熟变软，从而避免运输中的破损。大米是我们的主要粮食，含有人体自身不能合成的8种必需氨基酸，但其蛋白质含量很低。人们

46、正试图将大豆储藏蛋白基因转移到水稻中，培育高蛋白质的水稻新品系。发表日期：2005年4月1日 出处：国际在线 英国科学家培育出可减少儿童失明的黄金米 国际在线消息：英国科学家最近成功培育出了一种新型的转基因大米，该种大米可以填补人体维生素A的缺乏，还可以降低发展中国家儿童失明率。据法新社3月28日报道，从事生物工艺学研究的英国辛根塔在实验室培育出了一种名叫“黄金米”的新型转基因大米。这种大米所含的胡罗卜素是其它转基因大米的20倍。胡罗卜素在人体里可转换变维生素A。据世界卫生组织估计，由于缺乏维生素A，全球每年约有50万名儿童失明。一些农业学家和环境保护组织表示，弥补维生素A的不足可以确保人体饮

47、食的平衡。辛根塔实验室表示，它将为亚洲的研究中心免费提供这种“黄金米”，如果这些中心得到所在国家的许可，就可以立即开始“黄金米”的种植。到目前为止，亚洲国家还没有将新型的“黄金米”种植到试验田里，因为好多国家都担心转基因食品对人体有危害。报道说，5年前，第1代“黄金米”在瑞士 被培育成功，但它不 能填补人体胡罗卜 素的缺乏。v4.生物固氮，减少化肥使用量生物固氮，减少化肥使用量 现代农业均以化学肥料，如尿素、硫酸铵作为氮肥的主要来源。化肥的使用不可避免的带来了土壤的板结，肥力的下降；化肥的生产也导致了环境的污染。科学家们正努力将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围的微生物体内，希望这

48、些微生物进行生物固氮，减少化肥的使用量。例如日本学者将固氮基因转移到了水稻根际微生物中，使这些微生物提供了水稻所需氮量的五分之一。我国已经成功构建了12株水稻粪产碱菌的耐胺工程菌。使用这种细菌可节约化肥五分之一，平均增产5%12.5%。5 生物农药，生产绿色食品生物农药，生产绿色食品 近年来，人们越来越注意农业生产的可持续发展以及人与环境的协调，特别是由于化学农药的毒副作用及筛选新农药的艰难，使得企业和研究人员开始把注意力转向了生物农药的研究开发与使用。因其不污染环境、对人和动植物安全，不伤害害虫天敌，所以发展生物农药已成为保障人类健康和农业可持续发展的重要趋势。v我国加入世界贸易组织之后，在

49、国际农产品和食品贸易中，将面对苛刻的农药残留标准，而这同时也为生物农药的发展提供了巨大的机遇。当前，国际上生物农药占全部农药的市场份额仅2.5左右，其中仅苏云金杆菌(Bt)杀虫剂就占了90。在我国，Bt杀虫剂只占市场的2，棉铃虫病毒杀虫剂占0.2，农用抗生素占9。今后10年内，生物农药将取代20以上的化学农药。因此，生物农药发展潜力是巨大的。v6.有用次生代谢物质的生产：植物的次生代谢产物有用次生代谢物质的生产：植物的次生代谢产物种类很多，包种类很多，包括酚类、黄酮类、香豆素、木质素、括酚类、黄酮类、香豆素、木质素、生物碱、有机酸、糖苷、萜类、皂苷和多炔类等生物碱、有机酸、糖苷、萜类、皂苷和多

50、炔类等。每一大类的化合物都有数百种乃至数千种，它们每一大类的化合物都有数百种乃至数千种，它们一直是一直是药用和工业原料的重要来源药用和工业原料的重要来源。v长期以来，为了取得这些产物，人们大量采挖资长期以来，为了取得这些产物，人们大量采挖资源植物，造成许多稀有野生资源植物的短缺，甚源植物，造成许多稀有野生资源植物的短缺，甚至威胁到物种生存。自从植物细胞离体培养成功至威胁到物种生存。自从植物细胞离体培养成功以后，人们就试图利用细胞大量培养的方法来生以后，人们就试图利用细胞大量培养的方法来生产次生代谢产物。产次生代谢产物。v7.种质资源保存种质资源保存：v常用的离体保存方法有限制生长保存和超低温保