生物化学在农业上的应用

生物化学在农业上的应用

12级生物技术林喆

生物化学是研究生物分子和生物体内化学反应的科学，是运用化学原理在分子水平上解释生命现象的科学。从严格的意义上说，生物化学的发展历史很短。分子生物学、分子遗传学、微生物学、生物工程学、免疫学、细胞生物学和生物反应器等生化技术的发展为这门综合性科学技术的形成提供了基础；而60年代末至70年代初以来基因重组、细胞融合、固定化酶和固定化细胞等技术的出现，可认为是生化工程的开端。它主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等4个方面,已不同程度地开始在农业上研究、应用。

基因工程绝大多数生物的遗传信息是由一种生物大分子-脱氧核糖核酸(DNA)即基因决定的。基因工程即将不同生物的DNA在生物体外进行分离、剪切、拼接,然后把这种经过人工重组的转入宿主细胞内大量复制，使新的遗传特性得到表达,从而人工构建出新的生物,或赋予原有生物以新的功能。与农业关系较为密切的主要有以下3项。

植物基因工程已对近50种植物的基因用分子生物学方法进行了研究。通过遗传转化进行基因转移，已在、矮牵牛等植物上建立模式系统，正在向重要农作物过渡。研究的范围较广，包括：与提高效率有关的1，5-二磷酸核酮糖羧化-加氧酶基因的结构和功能，生物固氮基因的分离和改建，贮藏蛋白和提高必需氨基酸含量的基因工程，抗病虫、耐盐碱、抗等基因的分离以及激素和光敏色素对调节基因表达的作用等。苏云金杆菌的毒素蛋白基因在转给烟草等后已得到表达，并能遗传给后代，培育出能杀死鳞翅目昆虫的抗虫作物。

动物基因工程外源基因可通过显微注射等技术，导入单细胞期胚胎的原核中，使之在每次细胞分裂时自动复制，并在个体水平上得到表达。用这种方法已将大鼠的生长激素基因导入小鼠，产生的“超级”小鼠生长速度比普通小鼠快50％。、、的生长激素基因工程也在研究开发中。已知注射生长激素后，可在不增加饲料消耗的情况下提高产奶量；猪注射生长激素后可明显增加日增重，提高瘦肉率。

兽用基因工程疫苗目的是通过对微生物进行的基因操作，生产高效、安全的兽用疫苗。目前猪、牛大肠杆菌性幼畜腹泻疫苗、猪疫苗的研制已在实验室阶段取得成功。

细胞工程利用细胞、组织培养和细胞融合技术，改良生物品种，生产生物产品及其组分的技术。主要包括以下3种。

植物细胞的组织培养利用植物细胞的“全能性”，现在已有几百种植物能从叶片、茎尖、茎段、子叶、胫轴、根、幼穗、花药、子房、胚珠、幼胚、愈伤组织、悬浮培养细胞或原生质体等再生成完整的植株。再生的途径，一是通过愈伤组织诱导器官发生，产生不定芽和根；一是通过体细胞胚胎发生形成与正常

种子胚相似、具有胚根和胚芽的胚状体，由它萌发直接形成幼小植株。这种方法由于分化频率高，繁殖速度快，可用于珍稀和濒危、苗木的大量快速繁殖，以加快优良品种的推广，保存种质资源。现在，已因许多快繁公司的建立而形成一个新行业──“组织培养工业”。由胚胎发生产生的胚状体，与正常种子胚相似，遗传稳定性较好，可用褐藻酸钠等加以包埋，形成一种外被胶囊的人工种子，直接用于生产。茎尖分生组织不带或带病毒较少，可结合进行热处理和离体培养，获得无病毒植株，在、、香石竹等作物上已广泛应用。茎尖分生组织和悬浮细胞培养物还可在低温或-196℃液态氮中保存，解冻后仍保持再生植株的能力;此法多用于保存种质资源,并带动了冷冻生物学的发展。花药和子房的离体培养，可以产生染色体数比正常二倍体少一半的单倍体，经秋水仙素等处理，使染色体加倍，可较快地形成遗传上纯合的优良二倍体株系，大大缩短育种年限。在中国，由花培育成的水稻、、烟草等新品种，已在生产上大面积推广。

细胞和组织培养中产生的体细胞变异已知是一种普遍现象，它为育种家们提供了一个重要的遗传变异库。试管受精和杂种胚培养，已用于克服远缘杂交中合子前和合子后的不亲和性，获得了如小麦×、栽培棉×野生棉、×大白菜等远缘杂种。不同种间、属间植物的细胞融合（或称体细胞杂交）已获得番茄与马铃薯、拟南芥菜与油菜等的远缘体细胞杂种，都是自然界中原来不存在的新类型，被命名为“番茄薯”、“薯番茄”和“拟南芥油菜”等。通过细胞质融合还获得了有性杂交难以得到的胞质杂种，转移了由胞质基因组控制的雄性不育性和除草剂抗性。栽培种与野生种的细胞质融合，还转移了对马铃薯卷叶病毒、线虫、螨类等的抗性。

动植物细胞的大量培养技术，也可用于生产有用的次生代谢产物，如各种香料（薄荷、香精油）、食品添加剂（辣椒素、姜油酮、植物色素、甜味剂）以及中草药的有效成分(长春新碱、人参皂苷、毛地黄碱)等，用作化妆品、食品、医药工业的重要原料。由紫草细胞培养生产的紫草宁，用于唇膏生产，已实现商用化。

胚胎移植和性别控制雌性动物经超数排卵处理和形成的胚胎，直接或经液氮冷冻复苏后移植至受体的生殖道内，可获得正常的后代。这种技术已在羊、毛兔、奶牛等经济动物上取得成功，受体可以是同种或异种动物。应用这种技术，优良母畜可加速排卵，借体怀胎，从而大大提高繁殖率。单个胚胎还可用显微外科手术分割，得到同卵双胎或一卵多胎。不同来源的胚胎嵌合则可获得嵌合体(如山羊 -绵羊嵌合体)。

性别控制对提高动物产品的产量和质量有重要作用。如乳牛、乳羊、蛋用鸡的生产需要雌性群体；而公羊的产毛量则比母羊高一倍，雄性肉牛、肉羊的饲料报酬也比雌性高，公鹿还可生产鹿茸，等等。因而性别的鉴别和控制，已成为胚胎移植技术实用化的关键之一。在水产业中，鱼虾全雌或全雄群体的单性养殖和杂种优势利用，也可产生巨大的经济效益。雌鱼个体生长通常比雄鱼快5～10％,雌性对虾比雄性生长快30～50％；罗非鱼则相反，雄鱼比雌鱼生长快40～60％。利用细胞核移植，受精卵处理诱导雌(雄)核发育，结合性控技术，可以培育鱼虾的全雌或全雄群体，大幅度提高产量。

杂交瘤技术和单克隆抗体体外培养的骨髓瘤细胞和经过抗原免疫的淋巴细胞，在诱导细胞融合后产生的杂交瘤细胞既具有骨髓瘤细胞能在体外无限增殖的能力，又具有淋巴细胞分泌抗体的能力。其后代因选自一个杂种细胞,所分泌的抗体可针对某一特定的抗原决定簇,质地均一，被称为单克隆抗体(McAb)。它与常规血清相比，具有特异性强、灵敏度高、易于大规模生产等优点，已在农业上应用于家畜和植物病害的快速诊断，区分病毒的型、亚型和不同株系。兽医和植物病害诊断上应用的McAb已研制成功上百种，有的已制成诊断药盒销售。

酶工程是在一定的生物反应器中，利用酶的催化功能，将相应的原料转化成人类需要的产品。其主要内容包括酶的分离和纯化、酶或细胞的固定化，以及固定化酶的反应器等。所谓固定化酶，系由水溶性酶通过吸附、包埋、交联、共价结合等方法固定而得，既保持了催化的功能，又具有化学固相催化剂的优点，易于同反应液分开，可反复连续使用。酶工程应用于农产品的深加工，如利用α -淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶的催化功能，以玉米淀粉等为原料生产高果糖浆，可大大提高产品的产值。乳制品加工则需用凝乳酶和乳糖酶。农副产品的加工和综合利用需要纤维素酶、果胶酶和木质素酶。从木瓜中提取的木瓜蛋白酶，可用作肉类嫩化剂，在提高活性和固定化后则可用于啤酒及果汁的澄清等。

发酵工程利用微生物的某些特定性能，通过现代工程技术手段进行工业规模生产的技术。主要包括微生物菌种的选择、菌种最佳培养条件的优选、发酵反应器的设计和电子计算机程控技术的应用，以及产品的分离提纯等。发酵工程除用于农产品深加工外,在农业上,还可用于微生物次生代谢产物促进动植物生长，防治疫病。微生物农药，是用来防治病、虫、草害的微生物体或其代谢产物的发酵产品的统称。赤霉素已证明是杂交水稻制种中控制花期相遇的一项重要措施。玉米赤霉稀酮用于和，可获得增重效果。莫能菌素不但可以促进肉牛增重和提高饲料利用率，而且可防治鸡、牛、的。

利用微生物发酵，在农业上还可生产出单细胞蛋白、畜用抗生素、氨基酸、维生素等，用作饲料添加剂。作物秸秆、谷壳、木屑、糖渣、木薯等经微生物发酵可转化成高效再生能源，如酒精、甲烷（沼气）等。这种生物能源有“绿色石油”之称。

我国农产品加工业落后于发达国家,在进入21 世纪的今天,为了实现农业的可持续发展,除了在种植业和养殖业方面继续实现突破外,加工业已上升到举足轻重的地位。不能有效地进行农产品的深加工和精加工,就难于实现农业生产的高效益,就难于使我国农业生产水平赶上世界先进水平。发达国家特别重视农产品的加工利用,不少国家采用先进的微生物工程和酶技术,利用农产品生产出各种各样具特色的优质加工品,使原料升值几倍甚至数十倍。美国利用大豆生产出200 余种产品,包括营养食品、药品、食品添加剂,例如高纯度大豆卵磷脂、大豆蛋白、大豆异黄酮、大豆多肽、降血压肽、大豆低聚糖、大豆皂甙等等。欧洲将鸡蛋中各种成分分离,得到酪蛋白、清蛋白、卵磷脂、活性多肽等,再利用产品制备工程食品。日本利用淀粉生产出几十种变性淀粉产品,均取得高额效益。

用于农产品加工的生物工程主要有酶工程和微生物工程,目前用于农产品加工的生物酶已有几十种。由于固定化酶工艺的进步,使酶催化反应更方便、更经济、应用更广泛。我国应在淀粉酶加工技术、蛋白质酶加工、果品酶加工以及纤维素加工中加快开发步伐,生产出在工业上和人们日常生活中广泛应用的新产品,特别是生产出对人体具有功能保健的健康产品,从而提高农业生产的经济效益,使农业资源得到高效合理的应用。历史已经进入21 世纪,新世纪要求我国农业资源更合理更有效地得到利用。因此,在农业资源研究中,不应该再停留在传统的观念上,应加强信息工程、生物工程等新技术的应用,使研究达到一个新的水平。