生物工程技術

第三章生物工程技術的運用第一節(jié)生物工程技術與農(nóng)業(yè)在人口不斷增長，耕地面積不斷減少的今天，要開展國民經(jīng)濟和改善人民生活，必需大力開展農(nóng)業(yè)。但一定要“科技興農(nóng)〞。生物工程技術在農(nóng)業(yè)消費中有著可觀的現(xiàn)實效益和宏大的開展?jié)摿?，開展生物技術是開展農(nóng)業(yè)的重要出路，因此我們一定要研討生物技術與開展農(nóng)業(yè)的關系，并將生物技術運用于農(nóng)業(yè)，促進農(nóng)業(yè)高速高質(zhì)量開展，為工業(yè)消費提供更多更優(yōu)的原料，為人民群眾提供更多更優(yōu)的食品。1、生物工程技術在種類改良中的運用。〔1〕細胞技術：實際根據(jù)：“全能性〞，把植物體的某個器官，甚至單個細胞分別出來后單獨培育都能分化再生出完好植株，“變異頻率〞比傳統(tǒng)的用物理、化學方法要高，實現(xiàn)“短、平、快〞育種，常規(guī)育種比較“慢〞。目前已育成投產(chǎn)的：玉米和煙草抗除草劑的種子，我國在作物育種細胞技術方面處于世界領先行列，已有明顯效益的有以下幾種：①花粉培育：單倍體育種，世界上有200余種勝利培育的植株，我國占1/5種植面積數(shù)百萬畝，水稻、小麥、煙草。②細胞和原生質(zhì)體培育；有益變異，頻率高，可挑選良種：用這種方法已在抗鹽、抗病和抗除草劑的突變體方面獲得顯著成果。植物細胞培育還可用發(fā)酵技術在發(fā)酵罐中大規(guī)模進展來消費植物色素、香料、藥物和殺蟲劑等重要化工原料。有些珍稀物種在自然界存在的數(shù)量有限，大規(guī)模種植又受勞力和土地的限制，用細胞培育進展工業(yè)化消費可以大大提高經(jīng)濟效益，又不會因大規(guī)模采伐而破壞生態(tài)平衡。一個不大的發(fā)酵罐就像一片大森林可以源源不斷地為人類提供有益的產(chǎn)品，用這種方法科學家們曾經(jīng)從長青花、毛地黃、人參和西洋參的細胞中產(chǎn)出了大量人類所需求的治白血病的強心類藥，抗癌物和抗AIDS病藥物也正在嘗試。紫草色素的勝利提取消費，可作為天然的食品添加劑，抗菌化裝品……但紫草資源短缺：我國已把用細胞發(fā)酵工程消費紫草素作為國家重點開展工程。紫草(Lithospermumerythrorhizon)色素(shikonin)的勝利提取消費，可作為天然的食品添加劑，抗菌化裝品……。③細胞交融：遠緣雜交育種。④脫除植物病毒：植物病毒是一類重要植物病害，其特點：在植物營養(yǎng)器官中是系統(tǒng)分布的，許多用無性繁衍的植物一旦感染病毒后，就會世世代代傳下去，對產(chǎn)量影響極大，如土豆、山芋、大蒜、百合等塊根，越來越小，以及草莓果實變小，都與感染病毒有關，但種子帶毒的種類不多，植物生長點是沒病毒的。因此：生物技術專家用顯微手術從感毒的植株上把莖尖剪下，組掊后再生植株成為“脫毒苗〞，經(jīng)脫毒處置的土豆、草莓、大蒜、百合、甘蔗等作物的產(chǎn)量都可成倍添加，脫毒技術對園藝花卉的作用更奇妙，蘭花、菊花、香石竹等名貴花卉脫毒后，花大色艷，提高競爭力。部分脫毒花卉引見：香石竹〔康乃馨〕大花惠蘭脫毒草莓脫毒甘草脫毒甘蔗對照組〔2〕花園技術“移花接木術〞、“突破物種的界限〞，只需是有用的基因，不論哪來的，細菌、動物、其他植物，甚至人的基因都可以“嫁接〞到植物上去，成為植物基因組的一部分。因此從長久看，植物將無奇不有的，它可以按人的志愿設計和發(fā)明出有重要經(jīng)濟價值的，充分聚集不同生物中對人類有益性狀的植物新種類。國內(nèi)外生物技術專家已勝利在數(shù)十種植物上完成了上百項實驗。許多轉基因植物曾經(jīng)育成。最近5-6年里，植物基因工程所獲得的成就有：①植物抗病基因工程：抗黃瓜花葉病毒，抗馬鈴薯X病毒的轉基因植株。典型案例：抗煙草花葉病毒優(yōu)質(zhì)香料煙種類的勝利培育。植物病毒是農(nóng)業(yè)消費中的主要病害，世界上每年因植物病毒雜呵斥的的損失達100億美圓，其中以對番茄、煙草危害最為嚴重。

香料煙葉常用來提高卷煙的質(zhì)量，成為其中主香的關鍵成分。由于國際上混合型卷煙和低焦油卷煙的開展，香料煙葉需求迅速擴展，市場供不應求，價錢日趨昂貴。我國香料煙現(xiàn)有栽植面積僅10萬畝左右，混合型高檔卷煙運用的香料煙的90%依托進口。泰國香料煙進口價為4-5萬元/t。進口香料煙除國際價錢昂貴外，經(jīng)常還要遭到口岸檢疫的限制。因此，我國應急速解決高質(zhì)香料煙葉自產(chǎn)問題。

基因工程優(yōu)質(zhì)抗病毒香料煙草抗病毒基因工程是1986年在美國R.N.Beachy實驗室實驗的最新高技術。但至今在國內(nèi)外均未見到有關轉基因香料煙的研討報告和任何田間實驗資料。由北京大學蛋白質(zhì)工程及植物基因工程國家重點實驗室發(fā)明的高質(zhì)量抗病毒香料煙新種類PK873，以及與之有關的全套選地、施肥、栽培管理措施及采收調(diào)制晾曬技術，屬于國內(nèi)首創(chuàng)，具有國際先進程度，是一項很有開展出路的適用化研討。它經(jīng)過植物基因工程新技術，導入了抗煙草花葉病毒(TMV)的基因，提高了該種類的抗病才干。鑒定以為本成果到達了國際先進程度。所進展的大規(guī)模轉基因煙草的大田實驗及相應的配套工程處于國內(nèi)外領先位置，為我國在農(nóng)業(yè)消費中推行植物基因工程高技術產(chǎn)品提供了一個重要方式。該成果于獲得國家教育部科技提高一等獎。運用PK873香料煙可替代泰國香料煙。按我國需用香料煙60萬畝計算，可消費甲級葉1.2萬t，即可節(jié)約外匯3億元，可增產(chǎn)值利稅5億元。②植物抗蟲基因工程案例：生物農(nóng)藥蘇云金桿菌的運用1991年，德國南部一個叫蘇云金的小城鎮(zhèn)中，一家面粉加工廠中發(fā)生了一件怪事：一種叫地中海粉螟的倉庫害蟲，平常粉蛾亂舞，幼蟲在面粉中爬來鉆去，這一天，有人發(fā)現(xiàn)那些小爬蟲們忽然卷曲死亡。這件事引起了生物學家貝爾內(nèi)里的留意，他以獨到的洞察力，敏銳地覺得到，揭開粉螟幼蟲自然死亡的，能夠?qū)θ祟惥哂猩钸h意義。經(jīng)過無數(shù)次努力，貝爾內(nèi)里排除了其他能夠緣由，從蟲尸中分別出來種桿狀細菌。這種細菌以它被發(fā)現(xiàn)的地方命名，叫蘇云金桿菌。蘇云金桿菌的發(fā)現(xiàn)，使人們自然想到利用它來給害蟲制造的"流行病"。經(jīng)過幾十年的努力，科學家用實驗證明蘇云金桿菌可以防治鱗翅目、膜翅目、直翅目、鞘翅目的130多種害蟲。這種細菌進入害蟲消化道內(nèi)，細菌內(nèi)的晶體被堿性的腸液分解，產(chǎn)生毒性，使害蟲中腸麻木，直至中毒死亡。人和動物、畜禽的胃腸是酸性的，不能溶解這種晶體蛋白，所以不會中毒。因此，這種生物農(nóng)藥又叫無公害農(nóng)藥。人們用幾百噸的大發(fā)酵罐培育出大量的蘇云金桿菌，把它們放射到植物葉子上，當害蟲蠶食葉片時，蘇云金桿菌便隨之進入蟲體。害蟲中毒后6小時開場惶恐不安，四處亂跑，然后用身體的腹足或臀足緊緊抓住枝葉，兩天后蟲體因腸麻木和全身性癱瘓而死。

如今把毒蛋白基因轉入煙草、番茄、棉花、馬鈴薯、玉米、大豆、油菜、蔬菜和甘薯等植株。害蟲在轉基因植株上取食后會出現(xiàn)厭食癥而死亡。③植物抗除草劑基因：這是一項比較勝利的植物基因工程，目前至少已培育出敵稗、鎮(zhèn)草寧等4種以上抗除草劑的轉基因植物。給農(nóng)業(yè)上帶來很多方便，促進除草劑的大面積運用，而不用擔憂作物受害，估計今后5年內(nèi)會有抗除草劑的玉米、大豆、水稻、棉花、煙草及各種蔬菜進入大田實驗。④改動作物蛋白質(zhì)含量和組成的基因工程：大豆種子貯藏蛋白質(zhì)含量高達40%，而大多數(shù)谷物種子的蛋白質(zhì)，賴氨酸含量很少，人們希望提高作物種子的蛋白質(zhì)、含量，也希望改善蛋白質(zhì)中氨基酸組成。澳大利亞科學家將豆類蛋白質(zhì)基因轉移進牧草、奶牛吃了這種牧草后奶中有較多的人體必需氨基酸。⑤消費有用藥物的基因工程。將這些藥物的基因?qū)胫参?，使植物產(chǎn)藥物。如美國用轉基因煙草表達出天花粉蛋白，用于治療艾滋病，韓國用轉基因植物質(zhì)產(chǎn)胰島素。歐洲一些國家研討用植物消費干擾素。2、生物工程技術在良種繁育中的運用〔1〕快速繁衍〔2〕人造種子：人工種子是人們模擬天然種子構造制造出來的生命有機體，它能象種子一樣萌生再生，長成植物。人工種子的中心“部件〞是一個被外層物包埋的具有類似種胚功能的胚狀體。胚狀體不同于普通的種子胚。種胚是由該植物雌雄配子交融后構成的合子細胞進一步分化構成的，是種子的生命所在。而胚狀體是由非合子細胞分化構成的類似于胚的構造，所以，又稱“體細胞胚〞、“不定胚〞或“花粉胚〞。胚狀體雖并非來源于合子細胞，但在一定的條件下，卻可以經(jīng)過胚胎發(fā)育程序構成植株。自然界中僅在少數(shù)植物中偶爾發(fā)現(xiàn)有天然構成的胚狀體。胚狀體在其發(fā)育早期與不定芽非常類似，但最主要的區(qū)別在于胚狀體具有極性，可以分化出莖端和根端，同時它的維管束與其母體的維管束系統(tǒng)不是緊緊相連，所以，較易從母體上脫離。胚狀體可從懸浮培育的單細胞得到，也可經(jīng)過試管培育的愈傷組織、花粉或胚囊而獲得。胚狀體普通在培育物的外表產(chǎn)生，共外形與合子胚類似，但胚狀體卻是無性繁衍的產(chǎn)物。自從1968年F·C·斯圖爾德和J·賴爾特分別對胡籮卜誘導出了胚狀體，30多年來約在200多種植物上培育出了胚狀體。我國利用組織培育法已勝利地在煙草、水稻、小麥、玉米、甘蔗、棉花等作物上誘導出了胚狀體。將胚狀體包埋在一個能提供營養(yǎng)的膠質(zhì)種衣里，便成了所謂的“人工種子〞。目前看來，人工種子間隔大面積農(nóng)業(yè)運用尚有很大間隔。但各國都對其投人了很大的科研力量，緣由不僅僅是由于經(jīng)過這一技術可以實現(xiàn)種子的工業(yè)化消費、節(jié)約糧食，它至少還有如下幾方面的價值：其一是利用很小一點植物組織經(jīng)培育即可產(chǎn)生大量的胚狀體，在苗木的快速繁衍、去病毒菌培育等方面具有很大的開發(fā)價值；其二；這一技術實踐上是作物的無性繁衍，可用子固定雜種優(yōu)勢，強優(yōu)勢組合一經(jīng)獲得便可多年利用，而不用經(jīng)過諸如“三系配套〞等復雜程序消費雜交種；第三，這一技術不僅證明了細胞具有再生植株的“全能性〞，而且對研討細胞生長、分化過程中的遺傳、生理、生化和代謝無疑有著重要意義。

人工種子有許多優(yōu)點：a、處理了有些作物種類繁衍才干差，結籽困難或發(fā)芽率低的問題，保高產(chǎn)優(yōu)勢，防第二代退化，如：無籽西瓜的推行等；b、人造種子，可工業(yè)化消費，農(nóng)業(yè)的自動化程度高。80年代初美國已在多種作物上勝利地消費出了人工種子，并著手逐漸將其推向商品化階段。在未來的某個時間，人工種子也會在我們國家的千里沃野上開花結果。c、可添加附加成分：如：細菌、防病蟲藥劑、除草劑、肥料，有利于培育壯苗，使作物穩(wěn)定消費。d、節(jié)約糧食：以胡蘿卜為例，一個12升的發(fā)酵罐在20天內(nèi)消費的胚可制種子1000萬粒，可種幾萬畝。假設全國農(nóng)作物用種量多達150多億公斤，假設用人工種子等于添加上億畝耕地。3、生物固氮100多年前，科學家發(fā)現(xiàn)大豆根瘤中的細菌能收N2并轉化為NH3，據(jù)現(xiàn)有資料：豆科植物是主要的固氮植物，除此之外某些樹木也有固氮作用，全世界近百年的固氮總量為2.25億萬噸，其中1.75億萬噸是生物固氮，占78%，在耕地中，微生物的固氮量為施用化肥量的2倍，可見人類在經(jīng)過半個多世紀的努力所建立的一切氮肥廠還不及土壤中那些不露聲色的細菌，所以生物固氮確實是不冒煙的化肥廠。根瘤及根瘤菌〔1〕生物固氮的意義a．首先生物固氮的主角是自然界取之不盡用之不竭的固氮微生物和藻類，科學家們估計，地球上每年固氮藍藻可以從空氣中固定純N2100萬噸左右，相當于5000萬噸硫銨，興辦許多天然化肥廠。b.不需投資，不耗費能源，不污染環(huán)境。c.能源價錢上漲，氮價錢上漲，因此協(xié)作中國家化肥價錢貴，供不應求的現(xiàn)狀要根本性的改動只需在如何更廣泛有效地利用生物固氮上做文章，難怪生物固氮會成為全球性帶戰(zhàn)略意義的課題。〔2〕生物固氮的研討目的：①研討固氮機制：從機制中找出提高固N微生物固氮才干的方法以及闡明生物固N的固N效率為什么比人工固N的效率高出上千倍的緣由，美國科學家改造了大豆和苜蓿根瘤菌的固氮酶基因，最終使兩種作物的產(chǎn)量提高15%。我國科學家把一種因子導入到大豆根瘤菌，提高結瘤量，也明顯添加了大豆的產(chǎn)量。②使非豆科植物固氮非豆科植物有許多主要糧食作物，玉米、水稻、小麥這些作物是很吃肥的，假設使這些作物固氮，無疑對世界的糧食消費呈艱苦奉獻。這方面我國科學家做出一些成果。河北省微生物研討所的科技人員分別，培育了三株固氮才干較強的固氮細菌，制成菌肥拌種，使小麥增產(chǎn)10-20%。③固氮的植物基因工程：把固氮基因植入到非豆科植物中去，這是世界一級的難題。生物固氮在我國的進展。上世紀80年代，中國農(nóng)科學院土肥所謝應先，采用聚乙醇方法交融原生質(zhì)體方法，將一種具固氮才干的藍綠藻--粘球菌引入了煙草、玉米、水稻和小麥、白花苗的原生質(zhì)內(nèi)。山東大學微生物所聶延富教授等人，用植物生長激素“2.4-D〞引導根瘤菌進入小麥根系，并構成根瘤。中國科技日報報道，我國采用基因工程培育的固氮菌正在廣東、江西、廣西、福建等8個省和自治區(qū)的150萬畝水稻田中推行，運用面積處于世界領先位置，目前運用的水稻和小麥的結合固氮菌劑，普通增幅度在5%-10%。1991年中國科學家盧嘉錫與洪國藩，兩位專家支持的生物固氮分子根底及其化學模擬研討獲得艱苦成果，他們發(fā)現(xiàn)了控制結瘤基因活動的核酸蛋白等合物，從而提示了控制植物結瘤基因的。這一發(fā)現(xiàn)為科學家們利用生物技術將某些植物基因轉移到水稻等作物，邁出了重要的一步，中國科學家的任務〔關于控制植物結瘤基因〕也為美國的科學家的實驗證明。澳大利亞悉尼大學農(nóng)業(yè)化學講師伊凡·肯尼迪和聲譽教授詹耀曾共同指點的一個研討任務小組，在中國的山東大學聶延富的研討成果根底上，培育出了本身能固氮的小麥。澳大利亞科學家選用了一種作固氮螺菌的微生物，這種微生物是天然地伴隨草類生長的。他們把這種微生物叫做自在的活固氮微生物，肯尼迪說：我們所做的就是把這兩種方法〔運用2.4-D和運用固氮螺菌〕結合起來運用，這種方法經(jīng)過了規(guī)范實驗。雖然中澳科學家這種“生物固氮〞方法仍處于試管階段，但在日本京都和意大利佛羅倫薩舉行的國際會議上都喝彩這是一項國際性突破，假設能把這種方法勝利地用于大田耕作，那么它將一定可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，并能明顯地減少人對化學肥料的需求量，因此可以減少環(huán)境污染對溫室效應氣體的排放量。1991年，中國農(nóng)科院原子能所生物技術室和中國水稻所生物工程室的六位科研任務者的實驗，已將固N菌導入水稻的生質(zhì)體，并獲再生植株。再生植株確有固氮才干，其固氮率達83.7%，有力的證明固氮細菌可以在非豆科作物體內(nèi)進展內(nèi)共生固氮作用。4、植物維護中的生物技術農(nóng)作物的終身多災多難，病、蟲害、草害，惡劣的環(huán)境如：干旱、鹽漬、過冷、過熱等。全世界每年度病、蟲、草、害奪走的谷物占收成有1/3~1/2，美國僅由于病毒所呵斥的損失，每年多達20億美圓，多年來用化學農(nóng)藥防治病蟲害對農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)起到了積極的作用，但耗資大，污染環(huán)境，每年因運用農(nóng)藥中毒的農(nóng)民數(shù)以萬計，因此培育抗病蟲農(nóng)作物良種是一種既經(jīng)濟實惠，又無不良副作用的有效途徑，育種學家已做出了宏大奉獻，但在尋覓有效的可利用抗原的方面卻遇到了困難，基因工程技術的開展給育種任務者帶來了機遇，基因工程技術可把不同植物，甚至動植物的基因重組，為培育具抗病蟲、耐旱、耐寒、抗除草劑的農(nóng)作物新種類效力。〔1〕植物抗逆基因工程：細菌的種類很多，在細菌身上幾乎可以找到植物所需的各種抗性，如抗蟲、抗病、抗除草劑、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等，所以只需在實際上、技術上有突破，有價值的成果就會接踵而來，專家們估計，植物基因工程轉移首先能在消費上運用的能夠就是抗病、抗蟲和抗除草劑的良種。①抗蟲育種：運用的抗蟲基因主要來自蘇云金桿菌，簡稱B.t，B.t是一種殺蟲細菌，經(jīng)過菌體中的毒蛋白殺損傷蟲，把B.t中的殺蟲基因移植到植物細胞后，也就賦予植物本身具殺蟲才干，當害蟲在含有B.t殺蟲基因的植物上取食時就會中毒死亡。目前B.t基因已被勝利地轉移到蕃茄、煙草、棉花、水稻、大豆、三葉草等植物，因此含B.t、殺蟲基因的作物良種在消費上發(fā)揚作用已為時不遠。②抗病育種：植物病害可以由多種病原微生物引起，其中真菌最嚴重，其次是病毒、細菌和線蟲，目前抗病毒的基因工程進展最快。抗真菌作物幾丁質(zhì)是真菌細胞壁的組分之一。幾丁質(zhì)酶(chitinase)可破壞幾丁質(zhì)。美國科學家已從靈桿菌中分別出幾丁質(zhì)酶基因并導人煙草中。大田實驗結果闡明，這種轉基因煙草抗真菌感染與施用殺真菌劑同樣有效，而且收成更好。目前，已將幾丁質(zhì)酶基因?qū)朔?、馬鈴薯、萵苣和甜菜。這一技術將對蔬菜和果實類植物抗真菌感染具有重要意義。③抗除草劑育種：除草劑的運用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的特征之一，它省時、省工，便于機械化操作，但假設運用不慎會有嚴重后果：假設使作物具備抗除草劑的特性，那么除草劑的運用就平安了，培育抗除草劑的作物新種類，通常也是先從細菌中尋覓和分別抗性基因，然后向作物轉移，國外廠商急于推銷他們的產(chǎn)品，所以非常支持轉基因抗除草除劑的作物的開展和研討，另抗鹽基因工程植株的研討在我國也獲得了部分成果。④抗重金屬鎘的作物用哺乳動物基因組編碼的金屬硫蛋白(metallotionein)基因轉化植物，可使受體植株獲得抗重金屬鎘的才干。鎘對植物的污染會影響固氮過程，降低植物體水分和營養(yǎng)的運輸才干，最終抑制植物細胞的光協(xié)作用。加拿大科學家將中國倉鼠金屬硫蛋白基因插入CaMV衍生的載體中，然后用這種重組子感染野生油菜葉片，受感染的葉片能高程度產(chǎn)生金屬硫蛋白，并能產(chǎn)生對鎘的抗性?！?〕微生物農(nóng)藥化學農(nóng)藥污染，安康本錢，限制出口，抗藥性。植保專家希望找出一種接近自然的方法，把植保和環(huán)保結合起來以及把病蟲害防治與促進植物生長結合起來。但是，在病蟲害發(fā)生季節(jié)，有的田塊嚴重，有的細微，甚至不發(fā)生？其緣由是植物外表或內(nèi)部和微生物的特殊關系。植物、病菌、害蟲之間相互競賽，假設植物或有益微生物占上風，病蟲害就會遭到不同程度的抑制，假設病菌或微生物占上風，病蟲害就會嚴重發(fā)生。所謂有益微生物是指對病菌和害蟲有抑制造用，而對植