生物技术与农业转基因植物课件.ppt
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1、第七章 生物技术与农业,2,contents,7.1 转基因作物7.2 生物农药,3,7.1转基因作物,7.1.1 抗植物病虫害基因及其应用7.1.2 抗非生物胁迫、改良作物品质的基因及其应用7.1.3 改变植物其它性状的基因及植物医药基因工程7.1.4 植物基因工程存在的问题,7.1.1抗植物病虫害基因及其应用,病害是农作物减产的主要原因之一全世界农作物产量损失的1/3可归因于病害植物虫害也使全世界每年损失数亿美元,化学农药的使用,带来“三R”难题,环境污染,残毒上升,人畜均遭毒害;害虫抗性增强,用药浓度不断提高,防治费用不断增加,不得不无休止地研制新农药;杀伤天敌,破坏生态平衡,引起害虫再
2、猖獗和大爆发,导致自然界中恶性循环。(Residue,Resistance,Resurgence):残毒、抗性、再猖獗三大问题。,生物农药还不能取代化学农药,对特定害虫的高毒性,对环境的安全性抗虫谱窄,田间不稳定性目前世界农药市场上,生物农药的比重不足0.5%江苏省生物农药的生产量和使用量只约占农药生产总量和使用总量的0.5%和4.8%。http:/,常规育种获得抗病虫害品种,选育周期较长有些病虫害尚无基因资源作为杂交育种的亲本,袁隆平与谢华安,1980年,谢华安育出“明恢63”恢复系。明恢63配成的各种组合累计推广面积超过20亿亩,是迄今应用最广、持续应用时间最长、效益最显著的恢复系。,19
3、81年,用明恢63配成汕优,解决了第一代杂交稻不抗稻瘟病的致命缺陷。,植物抗病虫害基因工程,育种周期短、效率高、成本低提高产量和品质降低生产成本减少化学农药污染,避免破坏生态平衡克服亲本基因资源缺乏抗性性状具有连续性和整体性,抗病虫害基因来源,1.植物 如豇豆胰蛋白酶抑制剂(CpTI)基因。2.动物 如杀菌肽(cecropins)基因。3.微生物 如Bt杀虫结晶蛋白基因。,抗性基因分类,据基因的作用功能和对象分为:1.抗虫基因。2.抗病毒基因。3.抗真菌和细菌基因。,7.1.1.1 抗植物虫害基因,常用的主要有三种:Bt基因胰蛋白酶抑制剂基因植物凝集素基因,a)Bt基因,根据杀虫谱的不同,将杀
4、虫基因分成六大类,统称为cry基因,用罗马数字I、II、III、IV等来命名,分别代表几种杀虫范围。在每一类型下根据氨基酸序列的同源性,又分为A,B,C等不同的基因型。在同一基因型下根据限制性内切酶的酶谱和分子量的大小,又分为a,b,c等不同的基因亚型。,1987年,世界上4个研究小组获得转Bt基因植物目的基因:CryIA(b)全长,片段;CryIA(a)片段;CryIA(c)全长;转化方法:农杆菌介导法转化植物:烟草(3)番茄(1)(Monsanto)抗虫性:烟草天蛾,番茄果螟,转Bt基因植物(表一),转Bt基因植物(表二),转Bt基因植物(表三),植物抗虫基因工程的研究进展,东北农业大学学
5、报,2000。,b)蛋白酶抑制剂基因,蛋白酶抑制剂(PI),自然界最为丰富的蛋白质之一存在于绝大多数生物体尤其是许多植物的贮藏器官一种天然的抗虫物质在植物界,现已发现近10个蛋白酶抑制剂家族,原理,与昆虫消化道内的蛋白消化酶相结合,形成酶抑制剂复合物(EI),从而阻断或减弱昆虫蛋白酶对于外源蛋白质的水解作用,导致蛋白质不能被正常消化同时EI复合物能刺激昆虫过量分泌消化酶,导致昆虫产生厌食反应。最终,昆虫缺乏生活一些必需的氨基酸,而发育不正常或死亡。蛋白酶抑制剂分子可能通过消化道进入昆虫的血淋巴系统,从而严重干扰昆虫的蜕皮过程和兔疫功能,以致昆虫不能正常发育。,PI的作用特点,作用于蛋白消化酶的
6、活性中心。活性中心是酶最保守的部位,产生突变的可能性极小,故可以排除害虫通过突变产生抗性的可能性。PI对于人、畜无害。人、畜的蛋白消化酶主要存在于肠道中,而PI在胃中的酸性条件下,被胃蛋白酶分解。,PI的分类,植物中存在三类:(1)丝氨酸蛋白酶抑制剂(2)巯基蛋白酶抑制剂(3)金属蛋白酶抑制剂,与抗虫基因工程关系最密切、研究最深入的是丝氨酸蛋白酶抑制剂,其中最主要的是胰蛋白酶抑制剂。绝大多数昆虫所利用的正是这一类消化酶,而植物细胞基本没有这种酶,或含量甚微。,豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI基因)、马铃薯胰蛋白酶抑制剂基因(PTI基因)、玉米半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因(CPI基因)以及大豆胰蛋白
7、酶抑制剂基因(SKTI基因)等。,豇豆胰蛋白酶抑制剂CpTI,抗虫效果较为理想,其抗虫范围广对鳞翅目、鞘翅目、直翅目等几乎所有昆虫都有杀伤作用目前已应用于抗虫烟草、水稻、大豆,但由于其表达能力不够强,应用暂时受到限制。,转蛋白酶抑制剂基因植物,c)植物凝集素(lectin)基因,非免疫来源的糖蛋白或结合糖的蛋白质(sugar-binding protein)能聚集细胞和(或)沉淀糖蛋白主要存在于细胞的蛋白粒中最主要的特性是能和糖类结合 多数是一些寡聚蛋白,二聚体或四聚体,少数含有两个糖结合部位的单体,如蓖麻毒蛋白。豆科植物的种子中含量最丰富,原理,当被昆虫取食后,外源凝集素在昆虫的消化道中与肠
8、道围食膜上的糖蛋白专一性结合(即不同的外源凝集素与相应的糖类结合),从而影响营养的吸收。可能在昆虫的消化道内诱发病灶,促进消化道中细菌的繁殖。,主要种类,麦胚凝集素(wheat germagg1utinin,GA)雪花莲(Galanthus nivalis,GNA)凝集素 豌豆外源凝集素(pea-lectin,p-Lec),雪花莲,虽然外源凝集素有很强的抗虫作用,但如果转入食用性农作物特别是生食的蔬菜类中,对人和家畜有无毒副佐用还需要进一步证实。因此,目前其大规模大面积应用还是受到了一定的限制。,抗虫转基因新思路,为了对付棉铃虫,棉花体内天生就有一种名叫棉酚的毒素。相应地,棉铃虫也有一种名叫P
9、450的基因参与解毒,可化解棉酚的毒性,帮助棉铃虫逃过此“劫”。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究组采用RNA干扰技术,将具有干扰作用的昆虫双链RNA转入植物体内。棉铃虫食用了此种转基因植物后,干扰RNA就渗透入棉铃虫消化食物的中肠壁内,从而“直捣”棉铃虫体内的解毒基因P450。这些棉铃虫就像慢性中毒一样,对棉酚的抵抗力大大减弱,蚕食棉花的胃口随之骤减,生长缓慢,甚至死亡。,自然杂志评价该论文是“第一次成功报道利用植物自生表达昆虫基因的双链RNA来抑制植食性昆虫防御基因的论文”,“通过该技术改良的植物比利用杀虫剂不分青红皂白地将所有昆虫杀死更符合社会发展的需要。”http:/,另一
10、篇文章也是类似的思路。PNAS,2006,103(39):14302-14306,7.1.1.2 抗病毒基因,病毒病引起的作物病害是十分严重的,仅以马铃薯为例,病毒(PVX)引起的产量损失可10%,Y病毒(PVY)引起的损失可达80,然而迄今杂交常规育种对病毒病的防治尚无良策。,常用的抗病毒基因,外源病毒外壳蛋白(coat protein,C)基因病毒复制酶基因 病毒卫星RNA基因核糖体失活蛋白(RIP)基因 干扰素基因 等等,Monsanto公司,1988年,获得了表达TMV的CP基因的番茄品种VF36的转基因植株。在接种后表现出延迟发病,发病率小于5%,产量几乎不受影响,而对照植株则100
11、%发病,果实减产26-35%。,Monsanto公司,1990年,把PVX和PVY的CP基因同时导入北美最重要的马铃薯品种usset Burbank,其中筛选出的一个转基因株系在接种条件下,完全抗PVX和PVY。田间试验表明,传毒蚜虫接种16周后,转基因植株只有8%的发病率,而对照植株的发病率却高达79.3%。,a)病毒的外壳蛋白(CP)基因,b)核糖体失活蛋白(RIP)基因,是单链的碱性蛋白质。分子量约为30kD,带有或不带有糖基,但其生物活性都一样,都具有抑制无细胞蛋白质生物合成的作用,对完整细胞或动物呈无毒或低毒。,是由A、B两条肽链通过二硫键组成的二聚体。分子量约为60kD。其A链与I
12、型RIP同源呈酸性或碱性,是毒性分子。B链是凝集素,能结合到细胞膜表面并协助A链进入细胞。,I型RIP:,II型RIP:,RIP是一类能抑制蛋白质生物合成的蛋白,广泛存在于高等植物中,含量丰富。部分真菌中也含有此类物质。,常见的RIP,商陆毒蛋白、蓖麻毒素相思子毒蛋白、苦瓜毒素,商陆,蓖麻,相思子,RIP作用机理,RIP选择性作用于60S核糖体大亚基,抑制肽链延伸。大多数植物和细菌中的RIP是通过它的N一糖苷酶(N-g1ycosidase)活性来抑制蛋白质合成的功能。它特异地作用于28rRNA(核糖体大亚基上)的第4324位核苷酸的腺瞟呤与核糖之间的N一糖苷键,进行水解,除掉腺瞟呤,使核糖体失
13、活,不能合成蛋白质。真菌中的RIP则通过其核酸酶(RNase)活性起作用,RIP专一水解真核细胞核糖体28rRNA第4325和4326位核苷酸之间的磷酸二酯键。不同的RIP分别对于病毒、真菌和昆虫具有不同的抗性。能使植物获得广谱抗性。,RIP的抗病毒活性,RNA N-糖苷酶活性(植物、细菌来源)水解rRNA 特定位点的腺苷酸的N-C糖苷键,释放一个腺嘌呤残基,致使核糖体无法与延伸因子EF-Tu和EF-G结合 RNA水解酶活性(真菌来源)-帚曲霉素(水解位于28s rRNA上特定位点的磷酸二酯键,引起构象变化),7.1.1.3抗真菌和细菌基因,几丁质酶基因-1,3-葡聚糖酶基因,a)几丁质酶基因
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