通识植物生物技术

• 世界的谷物库存率在1999年时为31.6%， 至2006年已降至15.5%，约50天。
• 气候变暖可能使土豆和花生等农作物的野 生亲缘植物灭绝，给帮助这些农作物抵抗 害虫和干旱的宝贵基因源带来威胁。未来 50年，51种野生花生中有超过60%会灭绝， 108种野生土豆中12%会灭绝。
为什么要发展植物生物技术？
转基因作物的潜在风险
• （1）转基因作物可能变为杂草； • （2）转基因作物使野生近缘种变为杂草； • （3）可能产生新的病害； • （4）转基因作物对环境生态的长期破坏； • （5）对非目标生物的伤害等。
选择性标记的Βιβλιοθήκη 全性• 大部分植物载体含有kan抗性基因，以便筛选转基 因植株。kan抗性基因，又称为nptII，来自于细菌 编码新霉素转移酶II，担忧： 1） 食品中的kan抗性基因是否能传给人体肠 道中的细菌，产生对抗生素的抗性。 2） kan抗性基因能否传给环境中的其他生物， 导致生态系统的破坏；
• 首先是有无毒性，转基因植物必须确保 转入的外源基因或基因产物对人畜无毒。
• 其次是有无过敏性。
• 另外还要考虑营养物质、抗营养因子的 含量及标记基因的安全性等。
2. 转基因植物的环境安全性
• 对转基因植物的环境安全性评价的核心问 题是转基因植物释放到田间去是否会将基 因（包括转基因）转移到野生植物中，或 是否会破坏自然生态环境，打破原有生物 种群的动态平衡。
四、转基因植物的应用
• 1、植物病毒抗性 • 2、细菌及真菌抗性 • 3、植物的抗逆性 • 4、植物的性状改良 • 5、转基因花卉
抗病毒植物
• I 病毒外壳蛋白基因 Cp基因可能以下述作用方式使植物获
得保护： • （1）当裸露的病毒遗传物质进入植物细胞
后，立即被外壳蛋白包装，阻止病毒核酸 的翻译与复制。 （2）在Cp水平上阻止病毒脱壳。TMV外壳 蛋白CP的转基因烟草植物，该转基因植物 在TMV存在条件下，能抗病毒感染30天左 右，正常植物3~4天之后使被TMV感染。马 铃薯、番茄、苜蓿、番木瓜等也已成功；
• 目前40个国家需要国际粮食援助。 • 10亿人处饥饿状态。 • 每天1万儿童因营养不良死亡。 • 未来粮食产量剧增的前景希望很小，
因为大部分可耕地在亚洲季风区己被 开发和利用。
• 满足全球的粮食需求，只能靠提高作 物的单产量来实现。
气候变化的挑战
• 气候变化使全球农业粮食产量下降，2004 －2006，每年12－15％。
（一）生物技术与种植业
• 什么是植物生物技术？植物生物技术 是在植物细胞和分子水平修饰和改造 遗传性状的生物技术，主要包括植物 基因工程、植物细胞工程等。是生物 技术中除医药生物技术外另一个最受 瞩目的学科。
全球人口的增长
• 新石器革命(约公元前l0000年)和工业革 命(约于1760年在英格兰开始)之后世界人 口的急剧增长趋势。
• 转基因食品通过人体的消化道与肠道中的细菌接 触之前kan抗性基因已经被破坏，转化到细菌的机 会也非常少；然而危险因素并不等于0；
去除标记基因
• 利用噬菌体P1含有Cre基因，它识别一个 34kb的跨越序列，并可以将中间序列切除；
• 利用这一系统，必须使用两个克隆载体进 行转化，其中一个含有目的基因及选择标 记基因，选择标记基因两端被Cre靶序列包 围；另一个载体含有Cre基因，转化完成后， Cre基因的表达可以将kan抗性基因从植物 中切除；
基因枪法
• 最早是由Cornell大学研制的火药基因枪。 1990年，美国杜邦公司推出了商品基因枪 PDS-1000系统。基因枪的组成部分有：点 火装置、发射装置、挡板、样品室、真空 系统组成。基因枪转化的基本步骤如下： DNA微弹的制备 DNA-微弹载体的制备 靶外植体准备 DNA微弹轰击 轰击后外植体的培养
• 1997年以来，转基因抗虫棉花逐步推广， 棉铃虫病基本得到控制。
我国转基因抗虫棉花效益分析
• 2002年推广种植抗虫棉花252万公顷 • 效益：增产、减少使用农药及劳动力，每
亩约140元，经济效益达55亿元。 • 社会效益
转基因大豆在中国
• 1995年，我国大豆对外依存度只有7%左右， 2005年已经上升到60%~70%。
• 上世纪后半叶人口爆炸已导致了第三世界 人口稠密国家过分拥挤和营养不良。使粮 食产量的显著增长不能适应人口的增 加．这主要是由于上世纪70年代初期以 来很高的人口增长比率。
• 到2005年，世界人口的增长从l 983年的 47．2亿增加到60亿，而到2025年，全球 人口将达到80亿。
世界粮食危机
• 3. 转基因植物的培育及传代：筛选和培 养含有外源基因的细胞或组织，通过细 胞或组织培养技术再生成健康的转基因 植物，再通过有性繁殖将优良性状传递 给下一代。
我国转基因抗虫棉花产业化
• 现状分析：我国是棉花生产大国，棉铃虫 病持续大爆发，1997年以前年经济损失50 －100亿，而棉农大量使用农药，严重污染 环境。
延迟果实成熟转基因番茄
• 多聚半乳糖醛酸酶 • 番茄从开花到收获需要大约8周的时间，第
6周开始，果实的颜色和风味开始变化，此 时成熟过程的基因开始启动，包括多聚半 乳糖醛酸酶，使果实开始软化。运输过程 中，造成伤害，降低了商品品质。
利用反义RNA延迟番茄果实的成熟
• 从正常多聚半乳糖醛酸酶基因的5’端获得 了一个730bp的限制性片断，包含了一半的 编码序列，将植物的多腺苷酸化信号连接 到片段的头部，CaMV启动子连接到尾部， 插入Ti质粒pBIN19中。引入植物后，转录 后形成了反义RNA。
• 人们对植物进行遗传转化的最终目的是让 外源基因在受体植物基因组中得到稳定整 合并在当代及其子代中得到有效、稳定的 表达。一般来讲，获得转基因植物主要分 为三个步骤：
• 1、目的基因的获得：以人工方法在现有 的生物中分离和克隆所需要的目的基因， 或人工合成目的基因。
• 2、外源基因的转化和整合：外源基因通 过载体、媒体或其它物理化学方法导入植 物细胞并得到整合和表达的过程。
• （1）如果转基因食品与传统食品具的实 质等同性，则认为是安全的。
• （2）如果转基因食品与传统食品除引入 的新性状外具有实质等同性，则需时行严 格的安全性状价。
• （3）如果转基因食品与传统食品不具有 实质等同性，则应从营养性和安全性角度 进行全面分析。
• 在对转基因的食品进行实质等同性评价 时，一般应主要考虑以下几个方面：
• 在细菌中积累的δ-内毒素是无活性的前体，昆虫 食用后，前毒素被蛋白酶消化后产生有毒性的蛋 白，结合到昆虫肠道内，破坏表皮细胞，使昆虫 不能进食，从而饥饿而死。不同昆虫中，晶体结 构不同产生了特异性。
苏云金芽胞杆菌（BT）毒素蛋白
• CryI鳞翅目幼虫 • CryII鳞翅目和双翅目幼虫 • CryIII鳞翅目 • CryIV双翅目 • CryV线虫纲 • CryVI线虫纲
转基因植物及其加工食品的安全性
• （1）转基因作物安全性争议的几大事件： • 1995加拿大“超级杂草”事件：转基因油菜； • 1998年苏格兰“马铃薯”事件：转基因马铃薯引
起老鼠器官发育异常？ • 1999美国“斑蝶”事件：《自然》论文，斑蝶食
用转Bt玉米花粉后，44％死亡，破坏生态？ • 2002中国转Bt棉事件：破坏农田昆虫生态？
modification, GM），是在分子水平对植物基因进 行操作的技术。它通过基因工程手段，利用特定 的载体将外源的基因转移到受体植物中，改造植 物的遗传物质，达到改良生物性状或获得有用基 因产物的目的。通俗的说，转基因(transgene)就 是一种生物体内的基因转移到另一种生物或同种 生物的不同品种中的过程。
基因枪法的优缺点
• 无宿主限制，受体类型广泛，原生质体、 叶圆片、悬浮培养细胞、茎、根、以及种 子的胚、分生组织等几乎所有具有分生潜 力的组织或细胞都可以；
• 可控度高，商品化的基因枪都可以根据实 验需要调控微弹的速度和射入浓度，命中 特定层次的细胞；
• 操作简便迅速；
• 缺点：相对于农杆菌介导的转化率要低得 多，而且基因枪转化成本高；嵌合体比率 大；遗传稳定性差；
1、基因植物的食品安全性评价
• 对于转基因植物的食品安全性评价，世界 上多数国际采用经济合作发展组织 （Organization of Economic Co-operation and Development, OECD）1993年提出的 实质等同性（substantial equivalence）原 则。
农杆菌介导的转化法的优缺点
• 操作简便、成本低、转化率高，广泛应用 于双子叶植物的遗传转化；
• 单双子叶植物受限制；
苏云金杆菌的δ-内毒素
• 苏云金杆菌在孢子形成的过程中，细胞内形成杀 虫晶体蛋白—称为δ-内毒素，其活性很强，有时 要比有机磷毒性高80000倍，而且选择性很强， 不同品系的细菌和成不同的毒蛋白。
• （3）电激法(electroporation)：利用高 压电脉冲的电激作用将外源基因导入植物 细胞的转化方法。
• （4）花粉管导入法：即利用花粉管通道， 将外源DNA注入进入胚囊，转化受精卵或 其前后的细胞(卵、早期胚细胞)，并自然 发育成种子。花粉管通道法不仅可以用于 外源总DNA的导入，也可以用于基因的导 入，有方法简便，基因转化效率高等优点。
建立了十余种基因转化方法，常见的方 法包括：
（1）土壤农杆菌介导法：
• 几乎所有双子叶植物都容易受到土壤农杆 菌（A. tumefaciens）感染，而产生根瘤。 其致瘤特性由Ti（tumor－inducing）质粒 介导;
• Ti质粒大约在160～240kB之间。其中TDNA大约在15kb-30kb ;
• 2008年，中国进口大豆达到3744万吨，自 产大豆约1650万吨，进口大豆占总供应量 的比例达到69%。
• 中国对进口大豆的需求未来几年内预计还 将持续增加。