植物蛋白酶抑制剂及其在抗虫植物基因工程中的应用
转基因抗虫棉
转基因抗虫棉的研究进展摘要：综述了转基因抗虫棉的研究进展，包括抗虫基因的研究、载体构建技术的研究、转化技术的研究及存在的问题等，并展望了转基因抗虫棉未来发展前景。
关键词：转基因抗虫棉花研究进展引言棉花生长周期长、虫害多，造成的损失非常严重。
据统计，在转基因抗虫棉商品化之前，全球每年用于防治棉花虫害的费用高达20亿美元，约占所有农作物防虫费用的四分之一。
[1]传统的化学农药防治棉铃虫不仅费用高，且已引发了棉虫的抗药性，同时化学杀虫剂的过量使用也带来了环境污染的问题，而转基因植物所产生的杀虫蛋白主要是通过抑制害虫消化等生理功能而达到抗虫的目的。
与施药防治棉田害虫相比，转基因技术具有较多优势：不会在土壤和地下水中造成残留；不会被雨水冲刷流失；对非靶标生物无毒性；保护作用无盲区；减少农药及用工投入[2]等。
雪花凝集素（Gulanthus nivalis agglutinin gene，GNA）是第一个转入重要作物、并对刺吸式口器害虫有抗性的基因，转GNA的水稻可降低害虫的存活率，阻止害虫的发育[3]。
另外烟草阴离子过氧化物酶[4]、昆虫几丁质酶基因[5]也被用于抗虫基因工程的研究。
迄今为止在棉花抗虫基因工程研究领域，最成功的例子是苏云金芽孢杆菌Bt杀虫基因的应用，其次是蛋白酶抑制剂基因。
另外，凝集素、α-淀粉酶抑制剂、胆固醇氧化酶等转基因抗虫植物的研究也取得了进展，所以利用基因工程技术培育转基因抗虫棉受到了各国的高度重视。
自1996年商品化种植转基因作物开始，全球转基因植物的种植面积已由1996年的170万hm2猛增到2008年的1.25亿hm2，增长了73倍，2008年全球市场价值已达75亿美元，约占全球商业种子市场的22%，其市场价值优势明显，转基因产业得到了蓬勃发展，尤其在发展中国家。
印度Bt棉2002年引入，连年种植面积快速增加，至2008年达760万hm2，产量翻番，曾经是全球棉花产量很低的国家，现已成为棉花出口国。
基因工程在作物抗虫育种中的应用研究
现代农业基因工程在作物抗虫育种中的应用研究
苏云金杆菌毒素）在作
转雪花莲凝集素基因的植物都表现出对
相关昆虫实验研究证
基因的水稻能够显著缩减稻褐飞虱
的生存率，并使昆虫发育进程在一定程度上有所延
反而会促进害
因此这要求植物中凝集素应具有较高
是一类在植物中十分
小麦等作物中均被发现。
αAI
真菌淀粉糖苷酶相互结合，对其
促使昆虫难以对食物中淀粉成分
从而影响昆虫对营养物质的吸收，以此来
然而这类基因对细菌、高等植物的
表1样品中二氧化硫含量
（rep ）=
S(S)
(n √×S ⎺)= 1.1(6√×36)
=0.0125
2.3合成标准不确定度
U r (S)=
μ2r (V A )+μ2r (V B )+μ2r (M W )+μ2r (V I 2
)+μ2
r (rep)
√
=0.0644苏云金杆菌毒素抗虫基因导入栽培棉花、
地弥补了用根癌农杆菌介导转化率不足，
难度大的不足。
结束语
近年来，在作物抗虫育种方面我国已获取了显著
的研究成效，而借助基因工程获取抗虫性强、
宽等的转基因作物势必成为作物抗虫育种的一个重要研究方向，相关人员务必要不断钻研研究、验，强化基因工程在作物抗虫育种中的有效应用，
极促进该项事业的有序健康发展。
参考文献:
[1]吴娜拉胡,郎志宏及在芸薹属作物上的应用1-7.
[2]徐鸿林,翟红利（上接第71页）
现代农业
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转基因抗虫棉
抗虫性较为理想的是豇豆胰蛋白酶抑制剂。可抑制昆虫的消化作用，并引发一系 列生理反馈作用，如干扰昆虫蜕皮过程，降低免疫功能，或使肽类激素产生不足 等，最制蛋白酶水解活性的蛋白质，小到由十几个氨 基酸、大到由几百个氨基酸组成。根据蛋白酶抑制剂所抑制蛋白酶的性质，可将 其分为4大类：丝氨酸蛋白酶抑制剂、巯基蛋白酶抑制剂、金属羧肽酶抑制剂和 天冬氨酰蛋白酶抑制剂。目前所发现的植物来源的蛋白酶抑制剂均属于前3种类， 其中在抗虫植物基因工程中，研究最深入的是丝氨酸蛋白酶抑制剂。如豇豆胰蛋 白酶抑制剂基因，马铃薯蛋白酶抑制剂I基因和II基因，番茄蛋白酶抑制剂I基因 和II基因 。
转基因抗虫棉
祖涵之名
第一 几种抗虫基因的介绍
1 Bt基因
Bt基因是苏云金芽孢杆菌的简称，它是一种革兰氏阳性菌，在地球上分布十分广 泛。Bt基因是抗虫棉中研究最多、进展最快、应用最广泛的一类基因，它对鳞翅 目昆虫有专一杀伤作用。大部分Bt杀虫蛋白具有杀虫专一性和高度选择性，所以 对植物和包括人在内的动物没有毒害，而且是环境可以接受的。这种芽孢杆菌的 杀虫特性在于它在形成芽孢时产生一种杀虫晶体蛋白 。Bt基因编码产生的杀虫 蛋白存在于伴胞晶体中，当害虫取食后，在昆虫中肠的碱性（pH 10-12）条件下 晶体溶解产生原毒素，由中肠内酶系统的作用，释放出活性毒素，由毒素与昆虫 中肠内特异的受体结合而产生毒杀作用。 2 蛋白酶抑制剂基因
化学生态学—植物诱导防御
一.植物诱导防御 3.释放吸引天敌的挥发物
2.系统性和群体性 系统性是指当植物某一部位遭受植食性昆虫为害时,能 导致植物整株系统性地释放类似的挥发物。 群体性反映了植物个体间的化学通讯,是指当某一植株 遭受植食性昆虫为害时,能释放挥发物告警其邻近的同 种个体,从而使这些个体亦释放类似的挥发物。 这种系统性和群体性释放的特征,反映了植物对植食 性昆虫为害的积极反应过程。
一.植物诱导防御 1.诱导合成蛋白酶抑制剂
Broadway和Duffey(1986)的研究表明:昆虫在摄食富 含蛋白酶抑制的食物并在体内积累后,蛋白酶抑制剂会 抑制昆虫肠道内蛋白酶的水解活性,并能刺激消化酶的 过量分解和分泌,来补偿蛋白酶抑制剂的抑制作用“这 个补偿作用会消耗昆虫体内的大量氨基酸,从而影响植 食性昆虫的正常生长发育。
一.植物诱导防御 1.诱导合成蛋白酶抑制剂
以马铃薯叶甲为例 马铃薯叶 1-2 h 蛋白酶抑制剂 诱导因子 叶甲取食
24-48h
蛋白酶抑制剂
抑制甲虫对蛋白 的消化 甲虫离去
只是在植物需要时才会合成防御化合物
一.植物诱导防御 2.增加毒素合成
植物被昆虫取食后，使其毒素含量增加，迫使昆虫 离去。 毒素对植株的持续作用时间可能是短期的，或者是 长期的。对植物的作用部位可能是局部被害处附近， 或者是整个植株。 昆虫取食 植物在 均可产生毒素 机械伤害
一.植物诱导防御 2.增加毒素合成
毒素外界吸取 有些植物虽然自身并不合成毒素, 却可以从土壤中吸收 大量的毒性微量元素直接进入自身的汁液中, 紫菀, 可以直接从土壤中吸收硒等有毒元素, 使误食的 动物产生“急性硒中毒”。 大多数情况下, 毒素都集中于植物最易受害的叶、花、 果部位, 如苍耳以发芽的种子及幼苗毒性最强
植物抗病虫害的基因工程技术与应用
汇报人：可编辑 2024-01-07
目 录
• 植物抗病虫害基因工程概述 • 植物抗病虫害基因工程技术 • 植物抗病虫害基因工程的应用 • 植物抗病虫害基因工程的前景与挑战
01
植物抗病虫害基因工程概述
植物抗病虫害基因工程定义
植物抗病虫害基因工程是指利用基因 工程技术将抗病虫害基因导入植物细 胞，使植物获得抗病虫害的性状，提 高植物的抗病虫害能力。
植物抗病虫害基因工程面临的挑战
01
安全性问题
转基因植物的安全性尚未得到全 球范围内的广泛认可，需要进一 步研究和验证。
02
03
环境适应性
技术瓶颈
转基因植物在环境中的适应性尚 未得到充分验证，可能对生态环 境造成不良影响。
目前基因工程技术仍存在技术瓶 颈，如转化效率、基因表达调控 等方面的问题。
提高植物抗病虫害基因工程效果的策略
促进农业可持续发展
植物抗病虫害基因工程的实施可以提高农作物的抗性，减少化肥和农 药的使用，降低农业成本，促进农业的可持续发展。
植物抗病虫害基因工程的历史与发展
起始阶段
20世纪80年代初，科学家开始尝 试利用基因工程技术培育抗病虫 害的植物。
发展阶段
随着基因克隆和转化技术的不断 进步，越来越多的抗病虫害基因 被发现和克隆，植物抗病虫害基 因工程得到了迅速发展。
应用阶段
目前，植物抗病虫害基因工程已 经广泛应用于农业生产和园艺等 领域，为农作物和植物的保护提 供了有效的手段。
02
植物抗病虫害基因工程技术
基因克隆技术
基因克隆技术是植物抗病虫害基因工程技术的基础，通过该技术可以分离和克隆抗病虫术能够快速、准确地获取目标基 因。
抗虫转基因植物
抗虫转基因植物。
全球每年农作物因虫害造成的损失约占总产量的13％，而目前对农作物害虫的防治主要依赖于化学农药，它不仅造成了严重的环境污染，而且给人类的健康带来巨大的威胁。
基因工程技术的发展为培育抗虫作物、增加作物产量提供了广阔的前景。
目前已有多种途径获得抗虫转基因植物，包括利用苏云金杆菌的δ-内毒素基因、蛋白酶抑制剂基因、外源凝集素基因、α-淀粉酶抑制剂基因和几丁质酶基因等转化植物细胞获得抗虫转基因植物。
蛋白酶抑制剂转基因植物。
蛋白酶抑制剂发现于1938年，其成分为分子质量6.460kDa 的多肽或蛋白质，它广泛存在于植物中。
蛋白酶抑制剂能与昆虫消化道的蛋白消化酶结合，形成酶—抑制剂复合物，从而阻断或降低蛋白酶对外源蛋白的水解作用，导致外源蛋白不能被正常消化。
同时酶抑制剂复合物也能刺激昆虫分泌过量的消化酶，引起昆虫厌食反应。
此外，蛋白酶分子还能通过消化道进入血液和淋巴系统，干扰昆虫的蜕皮过程和免疫功能，影响昆虫的正常发育。
植物中存在丝氨酸蛋白酶抑制剂、巯基蛋白酶抑制剂和金属蛋白酶抑制剂等，其中对丝氨酸蛋白酶抑制剂的研究最多。
丝氨酸蛋白酶抑制剂富含于植物的种子和储藏组织中，包括6个家族，其中豇豆胰蛋白酶抑制剂(CpTI)和马铃薯蛋白抑制剂II 的抗虫效果较为理想。
巯基蛋白酶抑制剂对以巯基蛋白酶消化植物蛋白的昆虫具有特异的抗性。
由于蛋白酶抑制剂对哺乳动物是无害的，早在1987年科学家就将CpTI的cDNA转移到烟草等植物中。
由于昆虫是一种相对高等的生物，对环境表现一定的适应性，因此在蛋白酶抑制剂转基因植物中出现的不足之处是昆虫对蛋白酶抑制剂表现一定的适应性，能被诱导合成对蛋白酶抑制剂不敏感的消化酶，或通过过量表达现有的消化酶来弥补被抑制的消化酶。
解决该缺陷的方法是将两种不同的蛋白酶抑制剂同时转化到植物中，或对蛋白酶抑制剂进行改造以提高抑制剂与靶蛋白的亲和力。
目前已有十多种蛋白酶抑制剂基因被转移到植物中，其中大部分工作集中于豆科、茄科和禾本科的丝氨酸蛋白酶抑制剂基因的转移。
抗虫基因工程存在的问题及其解决策略
吴 方 丽 等 T植 物 抗 虫 基 因 工 程 存 在 的 问 题 及 其 解 决 前 提 下!采 用 定 点 诱 变 法 降 低 保 守 序 列 的 "# 含 量!增 加 植 物 偏 爱 密 码 子 的 含 量 等 !降 低 外 源 基 因 和 内 源 基 因 之 间 的 差 异 !使 外 源 基因的甲基化程度降低$
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用培育的关键$虽然害虫对转基因抗虫植物的抗 性 发 展 较 慢 !但 也 是 一 个 不 容 忽 视 的 问 题 $目 前 人 们解决或延缓害虫产生抗性的对策主要有以下几
点!以消 除 害 虫 产 生 耐 受 性 对 农 业 经 济 产 生 的 不 利影响$ &>= 启动子的选择
早 期 的 抗 虫 转 基 因 植 物 中!导 入 的 是 单 个 抗 性 基 因 !利 用 的 启 动 子 是 组 成 型 启 动 子 !这 种 启 动 子的 组成 型 表 达 特 点!使 得 抗 虫 基 因 在 植 物 生 长 的整个周期以及植物的各种组织中都得到了表
昆虫对植物消化酶抑制蛋白的研究及应用
昆虫对植物消化酶抑制蛋白的研究及应用昆虫是生物界中数量最多的一类生物，他们以植物为食物，与植物之间形成了一种相互作用的生态关系。
植物为了保护自己不被昆虫吃掉，演化出了一些防御机制，其中包含了抑制昆虫消化酶的蛋白质，这些蛋白质被称为植物消化酶抑制蛋白（Plant Protease Inhibitor, PPI）。
而昆虫也不甘示弱，演化出了一些能够解除植物消化酶抑制蛋白的酶，从而达到能够吃到植物的目的。
这些酶被称为PPI酶。
PPI和PPI酶之间的相互作用一直是昆虫和植物相互作用关系研究的重要课题之一。
在过去的几十年间，学者们对这两类生物分别进行了大量的研究，揭示了大量的相关反应机制和生理功能。
例如，PPI酶能够与昆虫的肠道环境协同作用，从而消化植物蛋白。
而在植物方面，PPI蛋白由于具有独特的抗生理蛋白特性，因此被广泛应用于保护作物免受昆虫害虫的侵害。
除了上述基础研究外，还有一些关于PPI和PPI酶的应用研究值得我们关注。
例如，研究人员发现PPI酶在对抗植物消化酶抑制蛋白的过程中，会释放大量的氮气，从而产生一种类似于人工肥料的效果。
因为植物对氮素的吸收是生长过程中的一个瓶颈，因此这种现象能够为农业生产带来巨大的贡献。
基于这一点，关于利用PPI酶生产高效植物肥料的研究也开始逐渐升温。
此外，PPI酶还被广泛应用于新药的研发，这是由于PPI酶具有一定的药物代谢和分解能力，在一些新型药物的研发过程中有着广泛的应用。
研究人员通过对PPI酶的分离和提纯，可以较好地模拟人体内消化代谢过程，从而帮助新药的研发和评估。
总之，昆虫对植物消化酶抑制蛋白的研究及应用，不仅为我们揭示了昆虫与植物之间相互作用关系的本质，同时也带来了很多实际的应用价值。
在未来，我们有理由相信，这一领域的研究将会不断产生新的突破，为人类带来更多福祉。