生物技术与农业第七章生物技术与农业课件.ppt

7 生物技术与农业,学习目的 了解现代生物技术在农业生产中的广泛运用。认识生物技术在培育高产、抗病、抗逆植物新品系以及在培育优良生产性能的动物新品系、动物快速繁殖、生物反应器等领域的应用。,7.1 生物技术与种植业,长期以来人们不断地寻求提高作物产量和品质的方法，有性杂交等传统育种方式、化学农药和肥料等的使用曾做出了巨大的贡献，但其弊端也日渐突出。现代生物技术将为种植业的发展提供跟广阔的前景。,生物技术与农业7 生物技术与农业,7.1.1 生物技术在诱导植物雄性不育中的利用,植物雄性不育及杂种优势利用是传统育种方法中的一个重要领域并已取得令人瞩目的巨大成绩。利用现代生物技术方法可诱导植物雄性不育，从而产生新的不育材料为育种服务。,基因工程技术、组织培养、原生质体融合、体细胞诱变和体细胞杂交等技术都可以创造植物雄性不育新材料。,生物技术与农业7.1 生物技术与种植业,7.1.1.1 组织培养诱导植物雄性不育中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培养，然后将愈伤组织进行辐射，从而选育出巴斯马提雄性不育系。19841988年间凌定厚等以IR24、IR36、IR54等9个品种，通过种子、幼穗离体培养，筛选到不育突变体48个。,生物技术与农业7.1.1 生物技术在诱导植物雄性不育中的利用,7.1.1.2 基因工程诱导植物雄性不育花粉绒粘层表达barnase基因阻断花粉正常的发育而造成败育，形成不育系；花粉绒粘层表达bastar基因转化植株中为恢复系形成的二系配套的油菜、烟草 。反义RNA技术创造了拟南芥、玉米、油菜等植物不育系 。,生物技术与农业7.1.1 生物技术在诱导植物雄性不育中的利用,7.1.1.3 原生质体融合创造不育系萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种萝卜质油菜，在一般环境条件下表现为“雄性不育”。匈牙利国家自然科学院Menczel等（1982 ）以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合，实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移。,生物技术与农业7.1.1 生物技术在诱导植物雄性不育中的利用,7.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种,植物与环境间有着密不可分的关系，而逆性环境的出现，特别是病虫害的频繁发生，造成农业上大面积的减产。组织培养、原生质体融合、体细胞杂交等生物技术手段创造突变，培育抗逆新品种。不过这些方法盲目性较大，而且植株遗传变异频率较低，植物基因工程技术目前已成为一种广泛且有效的培育抗逆性植株的手段。,生物技术与农业7.1 生物技术与种植业,7.1.2.1 培育抗除草剂作物 农田化学除草已成为全球现代农业生产的重要组成部分,全世界除草剂的总用量、施用面积及费用均已超过杀虫剂与杀菌剂。随着大量除草剂的出现,新品种选育和开发难度极大。因此,利用基因工程培育植物的抗除草剂品种越来越受到国内外科学家的关注,它不仅可扩大现有除草剂的应用范围,选用高效率、低毒、低残留、杀草谱广、低成本的除草剂转基因作物,也可减少环境污染,降低农业生产成本。,生物技术与农业7.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种,利用基因工程技术培育抗除草剂作物,理想的除草剂必须具有高效、广谱的杀草能力, 且对作物及人畜无害, 在土壤中的残留短, 成本不高。但现在要开发出1种新的符合上述要求的除草剂的成本越来越高, 选择的机率也在明显降低。,抗除草剂基因工程溴苯腈是一种苄腈化合物，抑制光合作用过程中的电子传递，能除宽子叶杂草。从土壤中分离出一种叫臭鼻杆菌的细菌，能产生一种溴苯腈的特异水解酶，可将溴苯腈水解为3，5二溴4羟基苯甲酸，失去除草功效。控制该水解的基因(Bxn)已分离出来2，4D 是一种激素型除，草剂，浓度过高会对植物有毒害作用，阔叶植物特别是棉花对2，4D极其敏感。土壤中富氧产碱菌对2，4D的分解作用最强，美国和澳大利亚已从该细菌中分离出2，4D单氧化酶基因，可分解 2，4D。草甘膦草甘膦，又名镇草宁，是应用最广泛的一种非选择性除草剂，作用机制是破坏植物体内三种芳香族氨基酸(Phe，Tyr，Try)生物合成中的关键酶Epsp。1985年，美国Calgene公司分离出Epsp合成酶基因。,抗EPSP抑制剂基因 草甘膦(glyphosate)是一种广谱除草剂,它具有无毒、易分解，无残留和不污染环境等特点，目前已从细菌中分离出一个突变株，它含有抗草甘膦的EPSP合成酶突变基因。把抗草甘膦基因引入植物，可使这种基因工程作物获得抗草甘膦的能力。此时若用草甘膦除草，则可选择性地除掉杂草，而这种作物因不受损害而生长。,生物技术与农业7.1.2.1 培育抗除草剂作物,抗PPT基因 膦丝菌素(phosphinothricin，PPT)用作非选择性的除草剂,是植物谷氨酰合成酶(glutamine synthetase,GS)的抑制剂。现已从Streptomyces hyrscopicu中分离得到抗bialaphos的bar基因，该基因编码的产物称PAT, 嵌合的bar基因在CaMV35s启动子的控制下,在烟草、马铃薯和番茄的细胞内得到了表达，转基因植株对高剂量的PPT和bialaphos具有耐受性。,生物技术与农业7.1.2.1 培育抗除草剂作物,生物技术与农业7.1.2.1 培育抗除草剂作物,转抗EPSP抑制剂基因的棉白杨对草甘膦具有耐受性,生物技术与农业7.1.2.1 培育抗除草剂作物,7.1.2.2 培育抗病虫作物 化学革命给人类带来了农药，农药对人类的发展确实起了重要的作用，但同时也带来了不少严重的问题，如农药的残留在食物链的各个层次富积，危害环境及人类。同时杀虫剂的大量使用，使大量天敌和益虫也蒙受毒害，生物的多样性降低。农药的长期使用，使昆虫及病原体产生抗性，使杀虫剂的应用越来越形成恶性循环。,生物技术与农业7.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种,抗病虫转基因作物的益处：是一种无环境污染的防治策略，可显著减轻农业对化学农药的依赖，有助于可持续农业系统的建立。农药具有时间上的连续性和空间上的整体性。抗性基因的来源广阔，不受不同生物个体间生殖隔阂的限制，可以在整个生物体中挑选、组合目的基因。育种周期短，治虫成本低。,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,转Bt毒蛋白基因作物 苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis， Bt）是一种来源于土壤的微生物，具有高度的杀虫活性，被作为生物农药商品化应用。Bt之所以能杀虫，是因为其芽孢形成过程中可产生一种杀虫结晶蛋白（ICP）。这种毒蛋白对鳞翅目昆虫有特异的毒性作用。它在昆虫消化道内的碱性条件下，裂解成为活性多肽并造成昆虫消化道损伤，最终可使昆虫死亡，而对其他生物则无害。,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,Bt Cry1Ac5,修饰的Bt毒蛋白转基因作物 苏云金杆菌亚种Kurstaki中毒蛋白的晶体结构在大田条件下不稳定，在植物中的表达亦很不理想，因此为了提高表达水平，研究人员截短了该基因，使其仅表达毒素蛋白的N端部分。同时插入35S的启动子来控制该基因的表达，采取这两个办法后使得蛋白质的表达量略有提高。,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,为了进一步提高表达量，人们将编码位于N端29607位氨基酸残基之间的高度保守区域的基因片段进行克隆后，在细菌内表达，实验证明截短的蛋白质与天然蛋白活性相同，都能够抵御鳞翅目昆虫的侵害。 人为设计、化学合成的完全修饰后的Bt毒蛋白基因。它采用植物偏爱密码子，并删除了可能形成 mRNA二级结构的序列。改造过的基因的G+C含量高达49%（野生型基因是37），核酸序列与野生型仅78.9%相同。用这种合成的Bt毒蛋白基因转化植物后，表达量比野生型基因要高100倍左右，并提高了杀虫活性。,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,1991 年我国科学家成功地将苏云金芽孢杆菌(Bt) 杀虫晶体蛋白基因导入棉花, 获得了转基因植株。1993年将Bt晶体蛋白基因导入我国棉花品种中, 获得了高抗棉铃虫的抗虫棉。1998年通过国家审定的中棉所29就是1个适于北方棉区生产的中熟转基因Bt棉。到目前为止, 我国已育成10多个杀虫效果显著、丰产性好、纤维品质优良, 适用于不同生态条件种植的品种或品系, 已在9 个省(市) 大面积试种、示范和应用。中国转基因棉花生产面积在2007年达380万公顷,占全国棉花种植面积69%。 。,豇豆胰蛋白酶抑制剂 豇豆胰蛋白酶抑制因子(cowpea trypsin inhibitor，CpT1) 一个大约由80个氨基酸组成的小肽，属于Bowman-Birk 类型的丝氨酸蛋白酶抑制剂。它的作用位点是酶的催化中心。这一位点的突变可能性甚小。因此可能减少害虫通过突变而产生对CpTl的耐受性，而且CpTl 抗昆虫谱广，能抗鳞翅目、鞘翅目害虫等，几乎对所有的害虫有效，而对人畜无害。因此，CpTl比苏云金杆菌更有应用价值。,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,几丁质酶基因工程作物 在植物抗真菌病害的基因工程研究中，几丁质酶基因是应用比较成功的一例。几丁质是真菌细胞壁的组分之一，几丁质酶(chitinase) 可破坏几丁质。美国科学家已分离出几丁质酶基因并导入烟草中。大田试验结果表明，这种转基因烟草抗真菌感染与施用杀真菌剂同样有效，而且收成更好。目前，已将几丁质酶基因导入番茄、马铃薯、莴苣和甜菜。这一技术将对蔬菜和果实类植物抗真菌感染具有重要意义。,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,转Bt 基因的玉米受害虫和穗腐病的危害较轻,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,转Bt基因的抗虫油菜,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,转Bt基因的抗虫棉与马铃薯,生物技术与农业7.1.2.2 培育抗病虫作物,7.1.2.3 培育抗重金属镉的作物 镉对植物的污染会影响固氮过程，降低植物体水分和养分的运输能力，最终抑制植物细胞的光合作用。用哺乳动物基因组编码的金属硫蛋白(metollothionein) 基因转化植物，可使受体植株获得抗重金属镉的能力。加拿大科学家将中国仓鼠金属硫蛋白基因插入CaMV衍生的载体中，然后用这种重组子感染野生油菜叶片，受感染的叶片能高水平产生金属硫蛋白，并能产生对镉的抗性。,生物技术与农业7.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种,7.1.2.4 培育抗病毒作物 植物病毒是造成农作物减产的主要原因之一。利用基因工程技术将抗病毒基因转移到植物中，是一种比较理想的抗病毒方法。 抗病毒基因工程通常采用的策略是：病毒外壳蛋白基因或其功能蛋白基因、病毒亚基因组序列、卫星DNA、缺失干扰型序列的遗传转化；反义RNA技术等。,生物技术与农业7.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种,烟草花叶病毒TMV外壳蛋白基因引入到烟草细胞中，转化植株的细胞中可以产生这种外壳蛋白，并对TMV感染表现出一定的抗性。 将TMV编码的一种蛋白质(分子质量54kDa)的DNA序列导入植株时，可对高浓度的TMV产生抗性。为了赋予植株以病毒抗性，此特殊的DNA序列要比迄今利用的外壳蛋白基因更有效。,生物技术与农业7.1.2.4 培育抗病毒作物,美国科学家利用Ti质粒作为载体，成功地将苜蓿花叶病毒AMV 外壳蛋白基因转移到烟草细胞内。外壳蛋白基因在CaMV35s启动子的控制下，在转化植株中所产生的外壳蛋白具有抗病毒的效果。 含有黄瓜花叶病毒CMV的卫星RNA拷贝的转化植物在受到CMV感染时产生大量的卫星RNA。植物细胞内过量的卫星RNA可以抑制病毒RNA的复制，还可能显著减轻病状的发展。,生物技术与农业7.1.2.4 培育抗病毒作物,转病毒核蛋白基因的番茄和未转基因的番茄不但对CMV的抗性明显不同，而且植株的生长和果实的品质的差异显著。,生物技术与农业7.1.2.4 培育抗病毒作物,经花叶病毒感染后的南瓜的重量和品质在转基因和未转基因植株之间的差异 。,生物技术与农业7.1.2.4 培育抗病毒作物,番木瓜是一种富含维生素C和A的美味热带水果，然而由于PRSV病毒的侵染和传播，番木瓜树果园遭受了毁灭性的打击。,生物技术与农业7.1.2.4 培育抗病毒作物,运用基因枪介导的转化方法，科学家将PRSV病毒的外壳蛋白转入到番木瓜树中。转基因的番木瓜树显示出对PRSV病毒很强的抗性。,生物技术与农业7.1.2.4 培育抗病毒作物,7.1.2.5 培育适应极端气候条件的新品种将大豆中分离出来的热休克蛋白基因转入烟草中，当把这种烟草放在 42条件下时，大豆的热休克蛋白基因就在烟草中表达，并起保护的作用。 将鱼的抗寒基因导入番茄，获得首例抗寒转基因番茄，株高2m以上，秋季延长采收期1个月。,生物技术与农业7.1.2 生物技术培育抗逆性作物品种,科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长, 从而免受低温的冻害, 正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼体内分离出来, 导入植物体获得转基因植物, 目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。,极地乌贼,日本北海道农业研究所研究员佐藤裕郎从小麦中提取出合成抗寒相关果聚糖酶的基因，然后植入水稻的染色体，获得了抗寒水稻新品种。研究人员将这种转基因水稻和现有水稻品种在12低温环境下放置一段时间后，转基因水稻只减产30，而一般水稻要减产70 。,生物技术与农业7.1.2.5 培育适应极端气候条件的新品种,7.1.3 转基因作物品质改良,目前对水稻谷蛋白、菜豆贮存蛋白、小麦贮存蛋白、巴西豆种子蛋白和玉米醇溶蛋白基因的研究较为深入。利用这些基因进行转化会使受体植株的蛋白质含量得到提高。特别是巴西豆种子蛋白富含必需氨基酸甲硫氨酸，而大多数麦类种子蛋白则缺乏此种氨基酸。美国科学家已成功地将玉米醇溶蛋白基因导入向日葵的细胞内，在转化植株内得到部分表达。,生物技术与农业7.1 生物技术与种植业,北京农林科学院工作人员经4 a努力, 将来自美国的优质面包小麦品种CHEYENNE的谷蛋白亚基导入到北京地区推广种植的抗病、高产品种,获得蛋白质含量较高的小麦类型, 具有较好的前景。,反义寡核苷酸是一类经人工合成或构建的反义表达载体表达的寡核苷酸片段，长度多为15-30个核苷酸，通过碱基互补原理，干扰基因的解旋、复制、转录、mRNA的剪接加工乃至输出和翻译等各个环节，从而调节细胞的生长、分化等。,耐贮藏番茄：反义技术抑制乙烯合成酶、多聚半乳糖醛酸酶的活性，降低番茄在成熟过程中乙烯的形成量，因而延迟了果实的变软，大大提高番茄保藏期。,生物技术与农业7.1.3 转基因作物品质改良,瑞士科学家培育出的一种富含-胡萝卜素的水稻新品种“黄金水稻”，可望结束发展中国家人民维生素A摄入量不足的状况。,生物技术与农业7.1.3 转基因作物品质改良,超级南瓜,7.1.4.1植物次级代谢产物的生产 早在1939年,人们已能从特定植物体中分离一些细胞，这些离体细胞能在人造环境中生存并合成人类有用的次生代谢产物，如生物碱、黄酮类化合物等。近年来，利用植物细胞培养技术以及各种植物细胞固定化技术，就可以像固定化微生物那样，在预先设计的生物反应器中高效地、源源不断地生产出具有商业价值的次生代谢产物。,7.1.4 植物细胞工程的应用,生物技术与农业7.1 生物技术与种植业,植物次级代谢产品的市场潜能,生物技术与农业7.1.4.1植物次级代谢产物的生产,快速无性繁殖,7.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作,生物技术与农业7.1.4 植物细胞工程的应用,花药、花粉、胚的培养（一） 单倍体育种技术易于产生纯系品种，便于优良性状的表达，利于筛选从而大大缩短育种时间。花药和花粉组织培养技术是一条非常有效的获取单倍体的途径，该技术在大麦、黑麦、燕麦、水稻、番茄等作物的改良上起到了重要的作用。我国利用辣椒游离小孢子细胞团培养方法，创造了新型的辣椒聚合杂交育种技术，初步解决了辣椒育种中早熟与大果、早熟与早衰、抗病与优质的矛盾，该技术属国际性难题的突破，已引起国际种苗公司的关注。,生物技术与农业7.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作,花药、花粉、胚的培养（二）科学家还通过花药培养创造新的种质资源用于育种工作。如我国育成的单209水稻具有抗稻瘟病和抗白叶枯病的特性，同时在单209水稻群体中还发现了矮秆突变型，这些都是优良的亲本类型。 植物胚培养在克服杂种胚败育、解决种子长时间休眠、提高后代抗性改良品质、测定种子生活力以及进行胚胎发育相关基因研究等方面都具有重要的意义。同时，花药、花粉、胚、原生质体的培养也是进行转基因等遗传操作的重要基础。,生物技术与农业7.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作,原生质体的融合（一） 细胞融合能够在细胞水平实现遗传物质的转移和重组，打破种属的界限 。这方面典型的技术是原生质体融合技术创造体细胞杂种以实现作物改良。,生物技术与农业7.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作,原生质体的融合（二）我国科学家通过原生质体融合技术将野生茄子（Solanum torvum）中的抗黄萎病基因转到普通茄子中，获得抗黄萎病和抗青枯病的育种材料；用PEG融合法将甘薯原生质体与其近缘野生种的叶柄（或叶片）原生质体进行融合，从种间体细胞杂种植株中筛选出具有良好结薯性的种间体细胞杂种。,生物技术与农业7.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作,细胞遗传操作 外源基因向植物转移并能获得性状表达，其中常用和关键的技术是植物细胞培养和组织培养植物再生体系的建立。这样一方面突破传统杂交中种属的界限；同时使基因转移工作在组织或细胞水平上进行而易于操作，并且能快速繁殖以利于性状表达和筛选。,生物技术与农业7.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作,种质保存（一） 种质资源是进行研究和生产的基本材料，因此种质资源的保存是一项非常重要的工作。常规的种质资源保存具有多方面的局限性，而细胞培养保存则具有非常大的优势，能极大地节约空间，而且不受环境条件的限制。一般是根据细胞的特点，人工创造条件使其生长代谢活动尽量降低，处于休眠状态，以抑制增殖和减少变异。,生物技术与农业7.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作,种质保存（二）作为世界上最大的细胞库，ATCC早在1992年就已经有了3200多个细胞系入库，而且数量还在不断地增加。此外还有CSH(美)、NCTC(英)、NRRL(英)、KCC(日)等著名的保藏机构，我国也有一些较为大型的保藏机构，足见世界各国对细胞保藏的重视。,生物技术与农业7.1.4.2 植物细胞培养及遗传操作,生物固氮,氮素的来源有工业固定、生物固定和自然放电等。化学氮肥对作物产量提高有显著的作用, 但也有其不容忽视的弊病, 那就是能源的消耗、环境的污染和生产成本的提高。而生物固氮则能在常温、常压下合成氮肥, 从而大幅度地节约能源并且不会对环境造成严重的污染。中国科学院遗传与发育研究所把带有固氮基因的质粒PRD1从大肠杆菌K12 jc5564转移到无固氮能力的水稻根系菌4502Y中, 表现出较强的固氮能力, 经测定接种有该菌的水稻发育明显优于对照植株。,生物农药是“可用来防治病、虫、草等有害生物的生物体本身或源于生物，并可作为农药的各种生理活性物质”。,7.1.5 生物农药及生物控制,生物技术与农业7.1 生物技术与种植业,生物农药可分为生物体农药和生物化学农药。生物体农药是指用来防除治病、虫、草等有害生物的商品活体生物，生物化学农药则是指从生物体中分离出的具有一定化学结构，对有害生物有控制作用的生物活性物质。,生物农药本身具有的对人畜毒性小，只杀害虫，与环境相容性好以及病虫害相对不易产生抗性等优点，因此生物农药正日益成为农药产业发展的新趋势。,生物技术与农业7.1.5 生物农药及生物控制,生物农药分类图,张兴，马志卿，李广泽，等.生物农药评述,棉铃虫,斜纹夜蛾,甜菜夜蛾,微生物农药,全球植保产品市值300亿美元微生物农药5亿美元主导产品：阿维、Bt、Spinosad,我国生物农药主要品种,登记注册近140种，产业化14种。杀虫：6种（阿维、甲基阿维、Bt、苦参碱、烟碱、 棉铃虫NPV）杀菌：6种（井冈、农用链霉素、农抗120、多氧霉素 中生菌素、宁南霉素）生长调节剂：2种（赤霉素、芸苔素内酯）超亿元4种：井冈霉素、阿维、Bt、赤霉素。,新型生物农药品种,寡糖丙烷脒激活蛋白多粘类芽孢杆菌地衣类芽孢杆菌海洋地衣芽孢杆菌嗜线虫致病杆菌,绿色木霉抑霉菌素放线菌新菌株植物活性物质,7.1.5.1 苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis Berliner，Bt） Bt是当前国内外研究最多，应用最广泛的杀虫细菌。目前正朝着大吨位、多品种的方向发展。在苏云金杆菌几十年的开发利用过程中，人们在生物技术育种、发酵工艺改进、新剂型研制、新产品开发等方面取得了不同程度的进展。,生物技术与农业7.1.5 生物农药及生物控制,7.1.5.2 白僵菌（Beauveria bassiana） 白僵菌是用于防治多种鳞翅目害虫的真菌制剂，目前已进入工业化生产和较大规模应用的虫生真菌有球孢白僵菌、卵孢白僵菌、金龟子绿僵菌等。,生物技术与农业7.1.5 生物农药及生物控制,棉铃虫被白僵菌寄生,7.1.5.3 昆虫病毒 昆虫病毒杀虫剂也是生物防治的重要手段之一，这类杀虫剂具有特异性强、毒力高、稳定性能好、安全无害等优点。进入20世纪80年代以后，这类杀虫剂的研究主要集中在昆虫病毒复合剂的研制、病毒的活体增殖、病毒的提取、基因工程病毒杀虫剂的研究及昆虫病毒培养等领域，并都取得了显著的成就。,生物技术与农业7.1.5 生物农药及生物控制,7.2 生物技术与养殖业,农业动物为人类提供肉、蛋、奶，以及毛皮、绢丝等产品，满足人类对动物蛋白的营养需要或其他生活需要。养殖业包括畜牧、水产和其他有关副业，涉及的动物门类有贝类、昆虫、鱼类、两栖类、爬行类和哺乳类。现代生物技术的迅速发展将为养殖业的革命提供有效的技术手段。,生物技术与农业7 生物技术与农业,7.2.1.1 动物转基因技术,将外源基因导入动物的基因组并获得表达，由此产生的动物称为转基因动物（transgenic animal）。转基因技术利用基因重组，打破动物的种间隔离，实现动物种间遗传物质的交换，为动物性状的改良或新性状的获得提供了新方法。,生物技术与农业7.2 生物技术与养殖业,7.2.1 动物分子育种技术,动物转基因技术的基本原理,动物转基因需要目的基因、合适的载体和受体细胞。动物转基因的步骤：外源基因的获得与鉴定；外源基因导入受精卵；转基因受精卵胚胎发育；检测新基因的遗传性表达能力。,生物技术与农业7.2.1.1 动物转基因技术,导入外源基因的方法,显微注射法 原核期胚胎的显微注射病毒载体法 反转录病毒载体感染脂质体介导法 脂质体人工膜包裹DNA 精子介导法 成熟精子携带外源DNA入卵 胚胎干细胞法 全能性干细胞携带外源基 因导入胚胎 原始生殖细胞法 PGC携带外源基因导入胚胎,生物技术与农业7.2.1.1 动物转基因技术,转基因技术在动物生产上的应用,促进动物生长，提高产量；改良品质性状，提高产品品质；增强动物抗病能力和抵抗不良环境能力，提高生产效益；研制动物生物反应器。,生物技术与农业7.2.1.1 动物转基因技术,转基因鱼,2006年珠江水产研究所科研人员成功地将红色荧光蛋白基因转入唐鱼，使唐鱼的身体由原来的暗绿色变成红色，具有很好的观赏性。,生物技术与农业7.2.1.1 动物转基因技术,转基因家禽,生产转基因鸡的方法可分为蛋产出前的操作和产出后的操作两种类型。 鸡作为生物反应器具有突出的优点：产物易收集，且不易污染；鸡蛋成分简单，产物易分离；鸡饲养成本低，世代间隔短。用鸡蛋生产珍贵的药物外源蛋白， 是转基因鸡生产的一个十分诱人的领域。,生物技术与农业7.2.1.1 动物转基因技术,转基因鸡操作要领（引自Mozdziak和Petitte ，美国北卡州立大学网页）。第一步，构建载体第二步，转化受体细胞第三步，收获病毒颗粒第四步，显微注射到早期鸡胚，封壳，孵化第五步，出壳小鸡PCR筛选第六步，转基因鸡育成,生物技术与农业7.2.1.1 动物转基因技术,转基因家畜,哺乳动物体外受精和胚胎移植技术为转基因家畜的成功提供了有效的技术手段。转基因家畜除了与其他转基因农业动物一样瞄准抗病性和生产性能以外，还因其与人的生物学相似性，在器官移植、药物生产和特殊疾病模型等方面显示出特殊的价值。转基因猪、牛、马、羊、兔等家畜正逐步走出实验室进入实用阶段。,生物技术与农业7.2.1.1 动物转基因技术,2000年3月出生的转基因牛，能产生杀灭引起乳腺炎病原菌的溶葡球菌酶。,生物技术与农业7.2.1.1 动物转基因技术,7.2.1.2 分子标记技术与动物育种,目前常用的分子标记已有十多种：限制性片段长度多态性(RFLP)、DNA指纹 (DFR)、PCR、随机扩增多态性DNA（RAPD)、随机扩增微卫星多态性（RAMP)、特异性扩增多态性(SAP)、微卫星DNA (microsatellite repeats) 标记、小卫星DNA (minisatellite DNA) 标记、扩增片段长度多态性(AFLP)、单链构型多态性 (SSCP)、线粒体DNA的限制性片段长度多态性(mtDNA RFLP)、差异显示 (differential display) 法等。,生物技术与农业7.2.1 动物分子育种技术,分子标记方法可用于：,构建分子遗传图谱和基因定位。基因的监测、分离和克隆亲缘关系的分析DNA标记辅助选种性别诊断与控制突变分析,生物技术与农业7.2.1.2 分子标记技术与动物育种,7.2.2动物繁殖新技术,人工授精及精液的冷冻保存 胚胎移植 胚胎的冷冻保存 体外胚胎生产 胚胎分割 性别控制技术 发情、排卵及分娩控制,生物技术与农业7.2 生物技术与养殖业,7.2.2.1人工授精及精液的冷冻保存,人工授精就是利用合适的器械采集公畜的精液，经过品质检查、稀释或保存等适当的处理，再用器械把精液适时地输入到发情母畜的生殖道内，以代替公母畜直接交配而使其受孕的方法。,生物技术与农业7.2.2 动物繁殖新技术,人工授精的优越性（一）,能最大限度地发挥公畜的种用价值，提高了公畜的配种效能。可通过对种公畜严格的选择，保留最优秀的个体用于配种，成为增殖良种家畜和改良畜种的有力手段。节约饲养管理费用，降低了生产成本。有助于解决母畜不孕问题和提高受胎率。,生物技术与农业7.2.2.1 人工授精及精液的冷冻保存,人工授精的优越性（二）,可防止各种疾病，特别是生殖系统传染性疾病的传播。可以解决因公母畜不愿交配的问题。可使母畜的配种不受地区的限制。为选育工作提供了选用优秀公畜配种的方便。为开展远缘种间杂交试验研究工作提供了有效的技术手段。,生物技术与农业7.2.2.1 人工授精及精液的冷冻保存,7.2.2.2胚胎移植,胚胎移植是将一头良种母畜配种后的早期胚胎取出，移植到另一头同种的生理状态相同的母畜体内，使之继续发育成为新个体。胚胎移植实际上是由产生胚胎的供体和养育胚胎的受体分工合作共同繁殖后代。,生物技术与农业7.2.2 动物繁殖新技术,胚胎移植的意义,可以使一头优秀的母畜一次排出许多倍于平常的卵子数，免除了其本身的妊娠期因而能留下许多倍于寻常的后代数。便于保种和国际间的贸易。使肉牛产双犊，提高生产率。防疫和克服不孕。胚胎移植可作为胚胎学、遗传学等基础科学的研究手段。,生物技术与农业7.2.2.2 胚胎移植,7.2.2.3胚胎的冷冻保存,胚胎冷冻保存技术包括胚胎的冷冻和解冻。抗冻剂种类和浓度、加入抗冻剂的速度、解冻的速度、稀释的速度和温度都关系到冷冻胚胎的成败。抗冻剂的毒性、胚胎渗透压的变化及冰晶形成是保存胚胎必须考虑的因素。,生物技术与农业7.2.2 动物繁殖新技术,胚胎冷冻保存的用途及优越性,可解决胚胎移植需要同期发情受体的数量问题；可在世界范围内运输种质，同时还可以降低成本；可建立种质库，有利于动物的种质保存，减少饲养和维持动物所需的巨额费用，避免世代延续可能产生的变异和意外事故产生的破坏；可保存即将灭绝的畜种。,生物技术与农业7.2.2.3 胚胎的冷冻保存,7.2.2.4 体外胚胎生产,体外胚胎生产是指将原来在输卵管进行的精卵结合生成胚胎的过程人为地改在体外进行。体外生产胚胎的工艺过程包括卵母细胞体外成熟、体外受精和胚胎培养。,生物技术与农业7.2.2 动物繁殖新技术,体外胚胎生产的意义,提供大量胚胎进行商业性胚胎移植。进行胚胎切割前的体外早期培养以降低成本。为基础研究提供大量已知准确发育时期的胚胎。,生物技术与农业7.2.2.4 体外胚胎生产,7.2.2.5 胚胎分割,胚胎分割是将一枚胚胎用显微手术的方法分割成二分、四分甚至八分胚，经体内或体外培养，然后移植入受体子宫中发育，以得到同卵双生或同卵多生后代。,生物技术与农业7.2.2 动物繁殖新技术,7.2.2.6 性别控制技术,动物的性别控制（sex control）是指通过人为地干预或操作，使动物按人们的愿望繁殖所需性别后代的技术。性别控制的技术主要采用两条途径，即X精子和Y精子的分离和胚胎性别鉴定。,生物技术与农业7.2.2 动物繁殖新技术,动物性别控制的意义,提高畜牧业的经济效益。 减少性连锁遗传病的发病率。加快珍稀动物的繁殖、保种进程。加快奶畜群的更新。,生物技术与农业7.2.2.6 性别控制技术,7.2.2.7发情、排卵及分娩控制,发情和排卵控制是有效地干预家畜繁殖过程，提高繁殖力的一种手段。它包括诱发发情、同期发情和超数排卵等技术措施。,生物技术与农业7.2.2 动物繁殖新技术,7.2.3 生物技术在动物饲料工业上的应用,DNA重组生长激素的研究与应用发酵工程技术的研究与应用寡肽、寡糖添加剂的研究与应用天然植物提取物的研究开发 有机微量元素添加剂的研究与应用 营养重分配剂的研究与应用,生物技术与农业7.2 生物技术与养殖业,7.2.4畜禽基因工程疫苗,基因工程可以生产无致病性的、稳定的细菌疫苗或病毒疫苗，同时还能生产与自然型病原相区分的疫苗，它提供了一个研制疫苗的更加合理的途径，将大大有助于畜禽传染病的诊断和预防。,生物技术与农业7.2 生物技术与养殖业,目前主要的基因工程苗,基因工程亚单位苗 基因工程活载体苗 合成肽苗基因缺失疫苗 基因疫苗,生物技术与农业7.2.4畜禽基因工程疫苗,7.2.5 动物生物反应器,转基因动物可以像天然原料加工厂，只要投入饲料，就可以得到人类所需要的药用蛋白。,生物技术与农业7.2 生物技术与养殖业,动物生物反应器是利用转基因活体动物，高效表达某种外源蛋白的器官或组织，进行工业化生产功能蛋白质的技术。 动物生物反应器的研究开发重点是动物乳腺反应器和动物血液反应器。即，把人体相关基因整合到动物胚胎里，使生出的转基因动物血液中，或长大后产生的奶汁中，含有人类所需要的不同蛋白质。这是当前生物技术的尖端和前沿研究项目。,一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动物生物反应器（bioreactor），几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可经过人为驯化为生物反应器,从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织和器官要方便产物的获得，例如，乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳腺生物反应器,动物血液生物反应器和动物膀胱生物反应器等。其中，转基因动物乳腺生物反应器的研究最为引人注目。,动物乳腺生物反应器的制备,目前用于表达载体的启动子调控元件选用动物乳蛋白基因启动子元件，主要有四类乳腺定位表达调控元件：第一类是B2乳球蛋白(BL G)，第二类是酪蛋白基因调控序列：第三类是乳清酸蛋白(WAP)基因调控序列；第四类是乳清白蛋白基因调控序列。,动物乳腺生物反应器的优点,产品质量稳定产品成本低研制开发周期短无污染经济效益显著,动物乳腺生物反应器的应用,高乳汁营养价值生产药用蛋白,在山羊奶中生产ATT,动物乳腺生物反应器存在的问题（1）外源基因在动物体内的位点整合问题（2）乳蛋白基因表达组织特异性问题（3）目的蛋白的翻译后修饰问题（4）转基因表达产物的分离和纯化问题（5）转基因的技术与方法问题 （6）伦理道德问题,7.2.5.1 乳腺生物反应器,乳腺生物反应器成功的关键是转基因动物乳腺能特异性表达外源蛋白质基因。组织特异性表达载体是否有效，包括外源基因在乳腺特异性表达，表达的蛋白质具有生物活性和表达的水平起决定性作用。,生物技术与农业7.2.5 动物生物反应器,用于生产治疗肺气肿药物的转基因羊,生物技术与农业7.2.5.1 乳腺生物反应器,7.2.5.2 其他生物反应器,转基因动物的血液生产人的血红蛋白可以解决血液来源问题；转基因鸡的蛋用来生产重组的免疫球蛋白。,生物技术与农业7.2.5 动物生物反应器,转基因克隆小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。,生物技术与农业7.2.5.2 其他生物反应器,7.2.6核移植技术及其在养殖业中的应用,克隆具有巨大经济价值的转基因动物 快速扩大优良种畜 挽救濒危动物,生物技术与农业7.2 生物技术与养殖业,7.2.7胚胎干细胞技术及其在养殖业中的应用,生产转基因的动物 生产克隆动物 研究细胞分化 发育的基因调控研究,生物技术与农业7.2 生物技术与养殖业,复习思考题1.现代植物生物技术与传统农业技术相比有何突出优越性？试举例说明。2.基因工程抗虫棉已大面积应用于生产， 同时也造成食棉昆虫的耐食性，如何看待这个问题？并提出解决问题的途径。3.简述开展水稻基因组计划的意义。4.简述生物农药的意义并列出几种常用的生物农药。5.动物转基因常用的外源基因导入方法有哪些？各有何优缺点？6.动物胚胎工程的主要技术包括哪些方面？7.生物技术在动物饲料工业上有哪些应用？8.畜禽基因工程疫苗有哪些类型？9.何谓动物生物反应器？其应用前景如何？10.核移植技术将来在动物生产上的应用上有哪些主要方面？11.干细胞技术在动物生产上有何应用前景？,生物技术与农业7 生物技术与农业,主要参考文献韩毅冰. 2002.哺乳动物异种间体细胞核移植技术进展.自然科学进展. 12(4): 344349刘巧泉等.2004.转基因水稻胚乳中表达铁结合蛋白提高稻米铁含量.遗传学报.31 (5):294299征日良等. 2002.哺乳动物细胞核移植的研究进展.生物学通报. 37(3): 57Moore K, et al. 2006.Major advances associated with reproduction in dairy cattle 89(4):125466,生物技术与农业7 生物技术与农业,