生物技术与养殖业.ppt

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1、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。,肉,蛋,奶,毛皮,绢丝,生产农业动物的养殖业包括畜牧、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。,贝类,昆虫,鱼类,哺乳类,现代生物科技的迅速发展为养殖业的革命提供了有效的技术手段。基因工程、细胞工程和胚胎工程技术的日臻成熟，给农业动物生产注入前所未有的活力，短时间内大量繁殖优良动物品种或创造具有新性状的良种已不再是遥远的梦想。,动物分子育种技术动物繁殖新技术生物技术在动物饲养工作上的应用畜禽基因工程疫苗动物生物反应器核移植技术及其在养

2、殖业中的应用胚胎干细胞技术及其在养殖业中的应 用,动物转基因技术,1982年，美国华盛顿大学教授等将大白鼠生长激素基因转移到小白鼠受精卵中，成功地育出个体比正常小白鼠大1倍的超级小鼠，开创了转基因生物研究的先河。,动物分子育种技术,（1）动物转基因技术基本原理：将特定的目的基因从某一生物体分离出来，进行扩增和加工，再导入另一动物的早期胚胎细胞中，使其整合到宿主动物的染色体上，在动物的发育过程中表达，并通过生殖细胞传给后代。这种在基因组中稳定整合有人工导入外源基因的动物称为转基因动物（transgenetic animal）。,芬兰的科学家，把治疗人贫血症的促红细胞生成素的基因，转移到奶牛的胚胎

3、中，生下的牛，就变成了转基因牛，它的牛奶中含有促红细胞生成素。一头转基因牛的牛奶里，生成的促红细胞生成素，它的价值可达到40多亿美元。,转基因奶牛,现在，人类血红蛋白的基因，转移到猪的胚胎中去，生下来的转基因猪，它的血液里就含有30是人的血红蛋白。如果能进一步解决人血与猪血的血红蛋白分离问题，从中提取人的血红蛋白，那就可以解决人类输血的血源问题。据推测，一头转基因的猪，可代替近百名献血者。,转基因猪,诞生于武汉的快速生长转基因鲤鱼，成为世界上第一种走出实验室、实现商品化的转基因动物。2002年10月17日，中科院水生生物研究所耗时十余年的“快速生长转基因鲤鱼的中试研究”成果通过了专家鉴定。这种

4、把草鱼的生长激素基因转到普通鲤鱼身上而培育出来的鲤鱼，生长速度比普通鲤鱼快140以上。,转基因鲤鱼 世界上第一种走出实验室的转基因动物,转基因鳟鱼,1987年，世界上第一只商业化转基因绵羊在英国著名的罗斯林研究所诞生。这只转基因母羊的乳汁中可以分泌-抗胰蛋白酶，含量高达30毫克/升。这只转基因羊的出现表明，利用转基因动物生产药用蛋白是完全可行的。这为医药产业开辟了一个崭新的制药途径。同时，生物反应器的概念也由此产生。,转基因绵羊,转基因山羊抗胰蛋白酶基因,外源目的基因的制备外源目的基因有效导入生殖细胞或胚胎干细胞选择获得携有目的基因的细胞选择合适的体外培养系统和宿主动物转基因细胞胚胎发育及鉴定

5、筛选所得的转基因动物品系,动物转基因的步骤：,导入外源基因的办法：,显微注射法病毒载体法脂质体介导法精子介导法胚胎干细胞法,显微注射转基因技术,利用显微操作技术转移外源基因的方法。此法转入基因长度可达数百kb；并能随机地整合在受体细胞染色体DNA上，因此应用范围广。但是这种整合有时会导致转基因动物基因组的重排、易位、缺失或定点突变。,许多动物病毒在感染宿主细胞后会重组到宿主的基因组中。更重要的是动物病毒基因组的启动子能被宿主细胞识别，可以引发导入基因的表达。,在转基因操作中，病毒可以直接感染着床前或着床后的胚胎，也可以整合到宿主细胞体内，再通过宿主细胞与胚胎共育感染胚胎。,病毒载体的优点是单拷

6、贝整合，整合率高，插入位点易分析等；缺点是安全性和公众的接受程度还有待评价。,用脂质体作为人工膜包裹DNA,以此作为载体将外源DNA导入细胞。这种方法转基因效率高。,成熟的精子与外源DNA共育，精子有能力携带外源DNA进入卵里，并使外源DNA整合到染色体。这种能力使人们看到提高动物转基因效率的希望。精子作为转移载体的机制还在探索之中，但至少为大型动物转基因的研究又提供了一个新途径。,胚胎干细胞是从早期胚胎的内细胞团经体外培养建立起来的多潜能细胞系，被公认为转基因动物、细胞核移植和基因治疗的新材料，具有广泛的应用前景。,（2）转基因技术在动物生产上的应用：,1）转基因鱼：20世纪80年代中期，国

7、内外开始了转基因鱼的研究。转基因鱼是迄今为止最成功的转基因动物之一。鱼类因其产卵量大，体外受精、体外孵化等特点，大大简化了转基因操作的步骤。,1984年，我国学者朱作言首次用人的生长激素基因（hGH)构建了转基因金鱼，目前已有鲫鱼、鲤鱼、泥鳅、鳟鱼、大马哈鱼、鲶鱼、罗非鱼和鲂等各种淡水鱼被用于转基因研究。,朱作言,2）转基因家禽 转基因家禽研究主要集中在转基因鸡。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。蛋产出前的操作方法是在受精后第一次卵裂前取出单细胞的卵，在体外进行转基因操作，然后用蛋壳作为培养皿在体外培养至孵化。,英国学者Peery和Sang等用蛋产出前的操作方法于体

8、外显微注射外源DNA，获得转基因鸡。这种操作方法类似于杀鸡取卵，一个受精卵的成本是一只鸡，而且转基因后受精卵需用人工蛋壳孵化，条件也很复杂，成本高，难度大。,美国州立大学的 Mozdziak和Petitte则采用蛋产出后操作方法，以逆转录病毒为载体将外源基因注射到产出后的受精卵，孵化后也得到转基因鸡。,3）转基因家畜 家畜的转基因研究得益于小鼠（最早的转基因动物）的有关实验，进展较快。转基因猪、牛、马、羊和兔等家畜纷纷出现，并逐步走出实验室进入实用阶段。,转生长激素基因的猪，饲料转化率和增重率提高，脂肪减少。转Mxl基因的猪，抗流感病毒的能力增强。通过转基因方法解决器官移植中的超敏排斥反应的设

9、想在转基因猪的研究中得到令人鼓舞的结果。,7.2.1.2 分子标记技术与动物育种,进入20世纪80年代中后期以来，随着分子生物学和分子遗传学的迅速发展，以DNA分子标记为核心的各种分子生物技术不断出现。目前，常用的分子标记技术已有十多种。例如，限制性片段长度多态性、DNA指纹、聚合酶连反应、随机扩增多态性DNA等。这些方法的应用，大大促进了动物分子育种工作的进展。,这些方法可用于：（1）构建分子遗传图谱和基因定位（2）基因的监测、分离和克隆（3）亲缘关系的分析（4）DNA标记辅助选种（5）性别鉴定与控制（6）突变分析,7.2.2.1 人工授精,人工授精就是利用合适的器械采集公畜的精液，经过品质

10、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。,图为人工授精产下的利木赞杂交牛仔。,动物繁殖新技术,7.2.2.2 胚胎移植,胚胎移植也称受精卵移植，它是将一头良种母畜配种后的早期胚胎取出，移植到另一头的生理状态相同的母畜体内，使之继续发育成为新个体，所以也有人通俗地叫人工受胎或借胎怀孕。,7.2.2.3 胚胎的冷冻保存,冷冻胚胎的推广，使世界范围内的良种推广大大简化。现在已有鼠、兔、牛和羊等十多种动物胚胎冷冻成功，其中有些种类的冷冻技术已经程序化，并出现了商品化的试剂盒。,工作人员查看液氮中冷冻的华南虎细胞,7.2.2.4

11、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。三个方面的意义：1）提供大量胚胎进行商业性胚胎移植。在欧洲和日本，奶牛犊比肉牛犊便宜，体外生产肉牛胚胎移植给奶牛，达到用奶牛生产肉牛的目的，在经济上是合算的，生双犊就更赚钱。2）为克隆胚胎提供核受体并进行胚胎切割前的体外早期培养以降低成本。3）为某些研究提供大量已知准确发育时期的胚胎。,7.2.2.5 胚胎分割,胚胎分割:（Embryo bisection）借助显微操作技术或徒手操作方法切割早期胚胎成二、四等多等份再移植给受体母畜，从而获得同卵双胎或多胎的生物学新技术。来自同一胚胎的后代有相同的遗传物质

12、，因此，胚胎分割可看成动物无性繁殖或克隆的方法之一。,胚胎分割 羊,胚胎分割 牛,7.2.2.6 性别控制技术,动物的性别控制（sex control）是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。通过对家畜的性别进行控制，可以达到以下效果：1）提高畜牧业的经济效益 2）减少性连锁遗传病的发病率 3）加快珍稀动物的繁殖和保存进程 4）加快奶畜群的更新。,7.2.3.1 DNA重组生长激素的研究与应用,大量研究表明，给奶牛注射DNA重组牛生长激素（BST）能提高产奶量15%-30%，其在奶中的残留在允许范围内

13、。美国食品和药物管理局已于1993年11月正式批准牛BST上市。重组猪生长激素（PST）的实验研究表明，注射PST能提高猪生长速度10%-30%，改善饲料转化率5%-15%，提高胴体瘦肉率10%-20%。另一方面，人们正在研究使用BST和PST引起的动物营养需要量的变化，如氨基酸和钙、磷需要量的变化等。,7.2.3 生物技术在动物饲养工业上的应用,7.2.3.2 发酵工程技术研究与应用,大多数饲用酶制剂、添补氨基酸、饲用维生素、抗生素和益生菌是由微生物发酵工程技术生产的。由特异微生物发酵生产的饲用外源酶制剂包括-葡萄糖酶、戊聚糖酶和植酸酶等。外源酶制剂在饲料工业中应用的时代已经到来。由于上述三

14、种酶制剂在鸡、猪饲粮中的成功应用，正激发人们研究其他酶制剂，如纤维酶、蛋白酶和淀粉酶等在饲料工业中的应用。,外源酶制剂应用的目的主要有四：第一，弥补动物体内源酶分泌的不足，如用于幼畜和病畜上;第二，分解动物饲粮中的抗营养因子，如葡聚糖、戊聚糖、植酸和纤维等，从而提高饲料养分的消化利用率;第三，分解某些饲料中的毒素因子，如棉酚和异硫氰酸酯等，提高这些饲料原料的利用潜力;第四，在体外对难消化的动物副产品，如羽毛粉和皮革粉等进行预处理，从而提高这些动物副产品的利用价值。,7.2.3.3 寡肽、寡糖添加剂研究与应用,最新的研究表明，寡糖不仅能刺激益生菌的生长、抑制有害物质的生长、提高机体的免疫功能和增

15、强抗病力，而且能有效破坏饲料中的黄曲霉毒素，消除此毒素对动物的有害影响。寡糖添加剂既有抗生素的作用，又无抗生素的药性和残留问题，而且还有抗生素不具备的特性，因此，有人把此类添加剂也称为“益生素”（prebiotics）。,益生菌是一类可在动物和人体应用的单一的活的微生物的培养物或多种混合的活的微生物的培养物，这些活的微生物包括真菌、酵母菌和细菌，正常情况下来源于动物肠道，可能通过在胃肠道中的粘膜细胞上抢先附着，并大量繁殖，建立优势菌群，从而将有害的病原微生物排出体外，因而促进动物的健康和生长。可见，益生菌强调的是活的微生物的作用，与抗生素作为微生物的代谢产物而发挥作用有明显区别。在许多方面，益

16、生菌可视为抗生素的天然替代物，但是，益生菌在畜禽饲粮中的应用情况差异很大。由于很多因素的影响，如益生菌产品的组成、活力和稳定性的不恒定、研究中使用剂量、试验持续期和所用动物年龄的变异以及一些未知的环境和营养因素对肠道中益生菌活力的影响，使得人们难以揭示益生菌在动物体内的确切作用机理，这些也是不同益生菌试验结果差异很大的原因。,7.2.3.4 饲料加工处理技术研究与应用,此类技术的主要目的，在于改善饲料的适口性、分解饲料中的抗营养和毒素因子、提高饲料的消化率和营养价值。它包括的内容很多，如饲料的加热膨化、激光处理、秸秆氨化、蛋白质和氨基酸过瘤胃技术和饲料颗粒化等。其中除激光技术外，其他技术均已在

17、生产中广泛应用。美国科学家最近发现，用激光照射草料，能撕裂粗饲料中的纤维结构，有助于家畜对饲料养分的消化和吸收。目前，家畜采食的草料，若用电动切草机切碎，一般需花费较多的时间，而用激光照射草料，草料即被激光击穿，既省时又方便，而且饲喂效果好，既能大大缩短草料在家畜体内的消化时间，又能使家畜从纤维消化中吸收更多的营养。当牛、羊和其他一些草食家畜采食了用激光照射的草料后，消化能力可提高3%，体重可增加25%-30%。国外正在研究如何将这种新技术有效地应用于生产实际中。,7.2.3.5 天然植物提取物的研究开发,目前世界各国广泛使用的药物饲料添加剂多为抗生素和化学合成药，这些添加剂在畜禽饲料中长期使

18、用所带来的副作用已引起人们的普遍关注。因此，开发天然药物，以代替现有抗生素和化学合成药物饲料添加剂，是目前的研究热点。国外所采用的方法是以有效成分作为研究天然药物的出发点，通过现代高新科技手段进行有效成分的提取、分离或合成，制成产品。如以常山酮为主要成分的抗球虫药“速丹”，荷兰Alltech公司从丝兰属植物中提取出消除粪臭素的活性成分“CU”，目前已形成产品。这种研究路线与我国中药讲究复方配伍的经验思想明显不同，虽然可能没有复方的协同增效作用，但凭借先进的技术，雄厚的资金，确切的成分及疗效，以及完善的市场运行机制，使其产品迅速占领了世界各国饲料添加剂市场。,畜禽基因工程疫苗,目前的基因工程疫苗

19、主要有以下几种：基因工程亚单位疫苗、基因工程活载体疫苗、合成肽疫苗、基因缺失疫苗、基因疫苗。1.基因工程亚单位疫苗 亚单位疫苗特点：利用体外表达系统(如大肠杆菌，杆状病毒，酵母等)大量表达病毒的主要保护性抗原蛋白，作为亚单位疫苗不仅具有良好的安全性，而且便于规模化生产。利用非疫苗用蛋白作为抗原建立的诊断方法将可以区分亚单位疫苗免疫的动物和自然感染的动物。这种疫苗适用于发病快，病程急，中和抗体能有效控制发病的传染病。,2.基因工程活载体疫苗 人们可用基因工程的方法对细菌和病毒进行改造，使之成为活体重组疫苗。这种活体重组疫苗可以是非致病性微生物通过基因工程的方法使携带并表达某种特定病原物的抗原决定

20、簇基因，产生免疫原性；也可以是致病性微生物通过基因工程的方法修饰或去掉毒性基因以后，仍保持免疫原性。活载体疫苗克服了常规疫苗缺点，兼有死疫苗和活疫苗的优点，在免疫效力上很有优势。,生长抑制激素基因工程活载体疫苗（激生1号）,口蹄疫病毒基因工程疫苗,3.合成肽疫苗合成肽疫苗是利用人工方法合成病原具有保护作用的抗原多肽，辅以适当的性剂和载体制成的疫苗。合成肽疫苗的特点不仅安全可靠，质量可控，而且可以随时根据流行毒株的情况加以调整，利用非疫苗用蛋白抗原建立的诊断方法也可以区分疫苗免疫的动物和自然感染的动物。合成肽疫苗分子是由多个B细胞抗原表位和T细胞抗原表位共同组成的，大多需与一个载体骨架分子相耦联

21、。合成肽疫苗的研究最早始于口蹄疫病毒(PMDV)合成肽疫苗，主要集中在FMDV的单独B细胞抗原表位或与T细胞抗原表位，结合而制备的合成肽疫苗研究。,动物生物反应器,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。,蚯蚓生物反应器是世界著名蚯蚓专家爱得华滋80年代中期设计的一种有机废弃物处理装置。蚯蚓生物反应器是一种处理垃圾的机械设备

22、，它主要有三部分组成：反应器主体，加料部分和出料加工部分。主要原理是利用蚯蚓和微生物之间的互作，在蚯蚓消化有机废物的同时，生产出蚯蚓粪肥。蚯蚓在反应器中只是一种活的加工机。蚯蚓生长所需的温度湿度等条件可以由电脑自动控制，使之保持在最佳生存环境和高的处理效率。蚯蚓生物反应器最初在英国用于处理植物生产废弃物（土豆加工废弃物）和动物粪便。优点是具有操作简单、成本低廉、绿色环保等特点，即可以使废弃物得到有效处理，又可变废为宝，生产出生物肥料。,目前，这种反应器已经研制出小型、中型、大型等多种规格的设备，可分别适用于工厂化、社区、家庭处理垃圾之用。我国第一个大型蚯蚓生物反应器鱼2002年5月在河北省唐山

23、市丰润区建立，该反应器长20米，宽2.5米，能处理有机废弃物6吨，同时产生4-5吨绿色环保有机蚓粪。,（这是一种小型蚯蚓生物反应器）,核 移 植 技 术 简 介,核移植技术及其在养殖业中的应用,核移植（nucleic translation，NT）是将动物早期胚胎或体细胞的细胞核移植到去核受精卵或成熟卵母细胞中、重新构建新的胚胎，使重构胚发育为供核细胞基因型相同后代的技术，又称动物克隆技术。,精卵结合,胚 胎,细 胞,个 体,核移植技术的应用：,在畜牧业上，采用体细胞为核供体进行细胞核移植是扩大优良牧种的有效途径。畜牧业的效率主要来自动物个体的生产性能和群体的繁殖性能，我们可以选用性能良好的个

24、体进行体细胞核移植。例如，为了获得高产奶牛，可以取高产奶牛的体细胞进行体外培养，然后将体细胞核注入去核卵母细胞中，使其发育到多细胞胚胎，再把它移入到普通奶牛的体内。这样，生产出的奶牛具有高产的优良性状，从而加快育种速度并减少种畜数量，更好地实现优良品质的保存。,胚胎干细胞技术及其在养殖业中的应用,概述动物胚胎干细胞（embryonic stem cells,ES细胞）一般是指从早期胚胎经体外分化抑制培养分离出来的具有全能性的细胞。ES细胞是由Evans和Kauf-man，1981年首次从延迟小鼠囊胚中分离出来的多能性细胞，当时称之为EK细胞。以后称之为胚胎干细胞。,ES细胞的特点,ES细胞具有

25、胚胎细胞的特征，在形态上表现为体积小、核大，核仁突出，培养时呈克隆状生长；在功能上，ES细胞具有发育的全能性，即具有分化为成年动物体内任何一种细胞类型的能力。ES细胞具有细胞系的功能，在饲养层上能维持未分化状态并实现自我更新。因此，可无限增殖，也可冷冻保存。,胚胎干细胞研究的意义,ES细胞是哺乳动物个体发生发育规律的研究中极有价值的工具；ES细胞是研究细胞分化的理想手段；ES细胞是研究基因功能的首选细胞；Es细胞作为生产转基因动物的主要途径之一；ES细胞治疗技术将引起一场医学革命；ES细胞可用于研究细胞癌变机理和新药物的筛选。,胚胎干细胞的应用,生产克隆动物 ES细胞从理论上讲可以无限传代和增

26、殖而不失去其正常的二倍体基因型和表现型，以其作为核供体进行核移植后，在短期内可获得大量基因型和表现型完全相同的个体，ES细胞与胚胎进行嵌合克隆动物，可解决哺乳动物远缘杂交的困难问题，生产珍贵的动物有着正要意义。生产转基因动物 用于器官组织移植 作为一种被称之为“种子细胞”的ES细胞，为临床的组织器官移植提供大量材料。人ES细胞经过免疫排斥基因剔除后，再定向诱导终末器官以避免不同个体间的移植排斥。这样就可能解决一直困扰着免疫学界及医学界的同种异型个体间的移植排斥难题。用于细胞治疗 细胞治疗是指用遗传工程改造过的人体细胞直接移植或输入病人体内，达到治愈和控制疾病的目的。ES细胞经遗传操作后仍能稳定地在体外增殖传代。,谢谢！,