植物生物技术概论

植物生物技术在农业上的应用

学院：农学院

年级：作物2013级

姓名：谈建鑫

学号：2013407007

7007

植物生物技术在农业上的应用状况

摘要: 中国土地占世界7%,但人口又占世界人口的22%,中国人口规模的还会迅速扩张,但土地资源却在日益减少、质量变差，要满足人们的物质保障亟待解决。而植物生物技术可以有效的缓解这个状况甚至能够解决。现代植物生物技术主要包括细胞工程技术、基因工程技术。本文将分别从这两个方面阐述其在农业上的影响和应用。

关键词：植物生物技术农业应用

正文：

1.植物细胞工程

植物细胞工程是以细胞的全能性和体细胞分裂的均等性作为理论依据，在细胞水平上对植物进行操作的育种新技术。植物细胞工程包括染色体工程技术、原生质体培养、花药培养、细胞培养与无性系筛选、组织培养与体系胞杂交、器官与胚胎培养、植物脱毒快速繁殖与人工种子生产技术等。以下着重介绍植物组织培养、人工种子、染色体工程技术等三个方面。

1.1植物组织培养

植物的组织培养是根据植物细胞具有全能性这个理论，近几十年来发展起来的一项无性繁殖的新技术。植物的组织培养广义又叫离体培养，指从植物体分离出符合需要的组织。器官或细胞，原生质体等，通过无菌操作，在人工控制条件下进行培养以获得再生的完整植株或生产具有经济价值的其他产品的技术。[1] 狭义是指组培指用植物各部分组织，如形成层。薄壁组织。叶肉组织。胚乳等进行培养获得再生植株，也指在培养过程中从各器官上产生愈伤组织的培养，愈伤组织再经过再分化形成再生植物。

1.1.1在农业上的应用

原生质体培养和体细胞杂交等方面研究; 10年来,我国组培技术在农业中应用的范围相当广泛,培养技术和研究水平都有了较大的提高，主要体现在新品种选育、快翻、无毒化等方面。[2]

新品种选育类包括细胞培养、单倍体培养、影响因素类包括生物激素的种类,培养基成份以及选取试验材料的不同等对其的影响的研究;其它类包括综述等研究。据报道,我国在“七五”期间,仅通过花粉培养选育的品种与品系已超过20个,产生了较大的经济效益。近年来,又利用组培技术选育出不少新品种, 如水稻新品种中花12号、京花101、京花103种,为进一步选育提供和扩展了新的资源[3];

共推广81万亩;小麦新品种小僵168、845564目前,许多重要农作物原生质体培养再生植株和小僵246共推广近100万亩,等等;通过原相继获得成功。[4]快速繁殖与无毒化方面的研究在我国起很早，70年代我国科技工作者利用茎尖脱毒技术使马铃薯、香蕉、唐营莆等十几种作物的用苗问题得到解决,到1990年我国仅无毒马铃薯苗栽培面积就超过400万亩,约占全国马铃薯栽培面积的十分之一,增产幅度在20一25%[3，4];目前,我国已在甘蔗、苹果、名贵花卉等无性系快速繁殖方面取得了很大的进展,并建立了马铃薯、甘蔗、香蕉、葡萄等工厂化育苗基地。

1.2人工种子。

农业生产中使用的天然种子，一般都是由种皮、胚乳和胚三部分构成。种皮通常在种子的外层起保护作用；胚乳含有大量的营养物质，是种苗萌发生长不可缺少的营养来源；胚由胚芽、胚轴、胚根和子叶构成，将来发成植株。农业生物技术的发展，通过组织培养技术，可把植物组织的细胞培养成在形态及生理上与天然种子胚相似的胚状体，也叫作体细胞胚。这种体细胞胚有于叶、根、茎分生组织的结构。科学家把体细胞胚包埋在胶囊内形成球状结构，使其具备种子机能。所以，人工种子是一种人工制造的代替天然种子的颗粒体，可以直接播种于田间。人工种子技术是20世纪80年代中期兴起的一项高新生物技术。它最早是由美国生物学家于1978年在国际园艺植物学术会议上提出。[6]

1.2.1人工种子的制作

人工种子的制作主要包括胚状体的诱导、包裹制种与发芽试验。用体细胞胚包埋制作人工种子的系统制作流程如下:

选取目标植物→从合适外植体诱导愈伤组织→体细胞胚的诱导(最好在发酵罐中进行)→体细胞胚的同步化→体细胞胚的分选→体细胞胚的包裹(人工胚乳) 作→包裹外膜→贮藏→发芽成苗实验→体细胞变异程度与农艺研究。[5]

1.2.2人工种子的优点

由于在室内生产,不受自然环境的影响,一年四季均可进行,还可节省大面积种子田。由于可通过细胞悬浮培养和用发酵罐生产,所以繁殖速度快,能大大提高育种效率,缩短育种时间。人工种子可以进行工业化生产,且不存在品种退化,一旦获得优良基因表达,便可以多年使用,不需要另找父系、母系等配套育种的复杂过程。

研究表明,人工种子既适于生产、运输、播种,又便于种子发育、出苗。目前,一些蔬菜已进入工厂化生产,并在实用上取得了突破。一些发达国家正在研究解决人工种子进入市场的包装和运输问题。我国复旦大学的科研人员在上海市科委的大力支持下,通过多单位、多学科的协同作战,对多种植物的形态发生和人工种皮材料性能进行了系统研究,并取得了重大进展。在不久的将来,人工种子可望全面实现产业化和商品化。[6]

1.2.3人工种子在农业上的的应用

利用重组DNA、细胞融合等现代生物技术可以生产出人类所需要的任意优良性状的作物。在人工种皮中可以加入天然种子所没有的特殊成分,以促进农作物的生长,如加入杀虫剂、除草剂、各种肥分等,这样种植时就不需要再施基肥, 可使苗木生长健壮且可提高苗木的抗性。[7]节省劳动力并可降低成本。人工种子可保证种子同步发芽生长并同时成熟,这对管理和收获都是非常有利的。[6]

1.3染色体工程的应用

植物染色体工程是将某种植物的某一对染色体，按照人们的意图进行附加、消减、代换或易位，丛而使外源基因导入作物品种，以丰富栽培作物的遗传基因，扩大有利变异范围，是农作物育种工作能获得突破性进展的育种新技术。[8]近年来国内外将染色体工程技术在农作物育种上进行开发应用研究后取得了较大进展，尤其在小麦育种上的成效尤为突出。美、英、法、原西德与前苏联等国家，通过染色体工程技术，已成功地从黑麦、山羊草、偃麦草属的某些物种，向栽培小麦品种中转移并导入了抗锈病、白粉病和条斑花叶病地等基因，育成了一批有应用价值的抗病品种和品系，有的已在生产上大面积推广应用。

2.植物基因工程技术

2.1 植物基因工程的含义及研究的主要内容

植物基因工程是指植物学领域的基因工程,其研究对象是植物。植物基因工程的研究始于20世纪70年代。在基因突变和有性杂交研究的基础上,拓宽植物可利用的基因库, 进行基因转移,采用分子生物学和基因工程技术将外源基因有目的、有计划地插入、整合到事先准备好的受体植物基因组中,使其在后一植株中得以遗传和表达,从而使受体植物获得新的性状,培育出新的优良品种。近20年植物基因工程研究成果显著, 在当前农业生产中已显示出巨大的经济效益,并展示了植物基因工程在未来农业生产中的广阔前景。植物基因工程不断发展,目前已

形成了一套较为成熟的植物基因转化技术,它构成了植物基因工程的研究内容,主要又包括了以下几个方面。[9]

目的基因的获取:供植物基因转化的基因可以来自植物本身,也可以来自微生物和动物,少数还可以人工合成,通常以来自植物本身为主。

目的基因的修饰。

目的基因转化到植物受体细胞的方法:将目的基因与运载体结合,实际上是不同来源的DNA重组过程。电击法、基因枪法等是常用的方法。此外,还有激光微束穿孔法、显微注射法、脂质体介导法等。

植物转化细胞的筛选和转基因植物细胞的组织培养:目前,转化细胞与未转化细胞的区分及未转化细胞的淘汰常采用抗生素抗性基因和抗除草剂基因,即筛选标记基因和筛选试剂。[10]为了实现有效的转化, 必须依据转化材料和转移方法选择合适的抗性基因和筛选试剂。

目的基因的表达和鉴定等。

2．2 基因工程在农业中的运用

1983年首次获得转基因烟草后, 1986年抗虫和抗除草剂转基因棉花首次被批准进入田间试验,而到目前为止,国际上已有近50个国家批准数千例转基因植物进入田间试验,涉及的植物种类有60多种。[9-11]近年来,转基因植物在全球的种植面积的增长更为迅速。

2.2. 1 抗病毒方面

病毒是农作物一个大敌,由它引起的产量损失极大。运用转基因的方法可以很好地在抗病毒这方面取得成效。

2. 2.2抗虫害方面

迄今研究得最多并取得成效的有两类基因,即苏云金杆菌的杀虫蛋白基因以及从豇豆等作物中分离的蛋白酶抑制剂基因。[11-10]当害虫在这种转基因植株上取食后会使其致命。 1987年Vaeck等首次证明转苏云金杆菌杀虫蛋白基因的烟草能抗烟草天蛾,其表达量占水溶性蛋白的0. 000 1%已可完全抑制烟草天蛾。此后这种方法在番茄上也获得了成功,可抗番茄果虫和番茄蠹蛾。第二类杀虫基因是从豇豆、马铃薯等作物中分离的蛋白酶抑制剂基因.已知茄科植物中有两类伤诱导的蛋白酶抑制剂,抑制剂ò可抑制胰凝乳蛋白酶及胰蛋白酶,抑制剂?则抑制胰凝乳蛋白酶.表达这些基因的转基因草已证明对不少昆虫有广谱抗性。可以预料,

未来的发展趋向是将两类基因同时转入植物,以提高抗虫能力,并解决昆虫的抗性问题。

2. 2.3抗杂草方面

目前广泛使用的除草剂大部分为非选择性除草剂.因此只能在播种前使用。通过基因工程培育出抗除草剂的作物,不但可以降低化学除草剂的施用量,减少环境污染,而且给轮作或间作中作物的选择以更大的灵活性。草甘膦是目前用得最广的一种非选择性除草剂,可杀死世界上78种恶性杂草中的76种,对人畜无毒, 且易为土壤微生物分解。预计抗除草剂的转基因植物将是最早商业化的工程植物之一。但实用之前还需考虑转基因植物的生活力和产量是否会降低,与杂草杂交的潜在可能性,以及作物本身转成杂草的可能性。

2.2.4 在优质丰产及综合性状改良育种上的应用

基因工程育种的主要目标就是优质丰产育种。 20世纪90年代前,基因工程育种在农作物方面获得了广泛应用,但主要是用于提高农作物产量,近期则侧重于提高品质。目前改良作物产品质量的基因及应用主要有:控制果实成熟的基因;谷物种子贮藏蛋白基因;控制脂肪合成基因;提高作物产量基因等。目前,世界上有43种农作物品种得到改良,如水稻、番茄、马铃薯、瓜类、烟草等等。[12]未来的发展趋势是利用基因工程技术进行农作物品质性状的改良。如增加大豆、油菜籽脂肪的含量和必需脂肪酸的含量;增加农作物可食部分的必需氨基酸的含量;改变农产品的淀粉质量和含量等等。

参考文献：

[1]梁一池,杨华.植物组织培养技术的研究进展[J].福建林学院学报, 2002,22(1):1~3.

[2]李永红,李艳平,孟亮耿.浅谈植物组织培养技术在苗木繁殖中的应用[J].山西水土保持科技, 2012,2:25.

[3]王文静,袁道强,高松洁.植物组织培养的应用现状[J]. 河南师范大学学报(自然科学版),2000,28(3):17.

[4]赵蓬晖,张江涛,马红卫.植物组织培养中的几个常见问题与对策[J].河南林业科技, 2011,21(2):2.

[5]李修庆.植物人工种子研究[M].北京:高等教育出版社, 1990.

[6]陈正华,Redenbaughk.人工种子[M].北京:高等教育出版社, 1990 [7]许光华等.人工种子种皮的研究现状.生物工程进展, 1990,1 11 [8李培夫.细胞工程技术在作物上育种上的应用新进展[J].新疆农垦科学,2000,(3):1~40(5):14—23.

[9]瞿礼嘉.现代生物技术导论[M].北京:高等教育出版社,施普林格出版社, 2002. 8.

[10]朱玉贤,李毅.现代分子生物学[M].北京:高等教育出版社, 1997. 8.

[11]陈章良.植物基因工程研究[M].北京:北京大学出版社, 1993. 3, 3, 3.

[12]刘厚利.植物育种研究进展[M].北京:农业出版社, 1995. 3.