分子进化与分子改造.ppt

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1、分子进化与分子改造,第九章,本章主要内容,古DNA生物进化的分子基础分子钟基因与基因组的进化生命的改造,老山发现大型西汉王陵墓 北京晚报（2000年3月18日）老山汉墓考古发掘进入核心部分人民日报(2000年08月20日）墓主（西汉诸侯王后）尸骨鉴定为女性，年龄约30岁，身高约1.60米,此次头像复原品的作者纪元，是我国首屈一指的单个人体复原领域专家。他所在的单位公安部物证鉴定中心也是目前我国人体复原最具权威的机构。”纪元介绍说：此次所采用的颅骨面貌复原技术已经有100多年历史，其科学依据是人体头面部的解剖学规律，且在单体复原方面具有较高的精确度。世界上第一次运用它是为著名艺术家巴赫进行头像复

2、原并取得了成功。目前在我国这项技术主要运用于破案之中。,老山汉墓走出西域美女汉墓女主人头像复原记(北京青年报2001年4月20日),DNA证实老山汉墓女主人是中原人2003-05-15 新华网,2002年10月吉林大学边疆考古研究中心的研究结果表明，北京老山汉墓女主人的DNA序列属于亚洲 M谱系，代表了东亚地区现代人群的某种祖先类型的遗传学性状。,由于老山汉墓女主人的肢骨、牙齿等骨骼保存状况欠佳，骨样本中DNA降解严重、含量很少，因此未能提取出线粒体DNA进行分子生物学扩增和测序分析。最后经过课题组成员坚韧不拔的努力和反复实验，终于从颅腔中偶然保存下来的一块干燥脑组织的三个不同部位成功得到了古

3、DNA模板，并扩增测序。结果表明：同一抽提产物的平等测序结果相同，三个不同部位所得序列一致，该序列真实地反映了老山汉墓女墓主的遗传信息。,古代DNA是指从田野考古发掘中出土的古代人类和动物遗骸以及古生物化石中提取的古代生物分子。随着现代生物技术、有机地球化学理论和实验技术不断发展，人们对古代DNA的研究也不断深入。把古代DNA数据与现代基因库中的数据资料相结合，便可以构建出某一生物门类的系统发育树，从而进一步探讨人类的演化与迁移等重大问题。,一、古DNA,分子系统学与古分子系统学古生物遗体、化石保存的三种信息1、形态学信息2、化学信息（生物的代谢产物和一般的生物化学分子）3、遗传信息（保存的一

4、级结构生物大分子,即基因产物和基因片段）分子系统学（Molecular Systematics）：从生物大分子（氨基酸、核苷酸）的遗传信息推断生物进化的历史，并以系统树谱系的形式表达出来。古分子系统学：利用古代DNA保留的遗传信息进行分子系统学研究。,二、生物进化的分子基础,1、经典的进化研究方法,系统学(Systematics)分类学(Taxonomy),化石证据(Fossil)比较形态学证据(Comparative morphology)比较生理学证据(Comparative physiology),Darwin,Charles(1809-1882)The Origin of Specie

5、s1859,2、进化的分子途径,普适性 由4种核酸组成衍生出分子水平的进化，表现为DNA序列的演化、氨基酸序列演化和蛋白质结构的演化。可比较性 通过比较不同物种的有关DNA序列，建立DNA序列、氨基酸序列、蛋白质结构以及形态、性状的演化模型或数学模型。基因组编码信息的丰富 与形态、性状包含的信息相比，基因组序列包含更多、更复杂的信息结构进化学的分子途径。,What can we do for molecular evolution?,序列比较源于同一祖先DNA/氨基酸序列的两条DNA/氨基酸序列，考察二者的差异。序列差异进化过程中分子突变的痕迹。分子进化以累计在DNA/氨基酸分子上的历史信息为

6、基础研究分子水平的生物进化过程和机制。,分子系统发育学（Molecular Phylogenetics）分子系统学（Molecular Systematics）,3、生物进化的分子机制,遗传漂变,自然选择,产生新的形态、性状,分子系统学是研究进化机制的一个重要工具,4、分子进化的两个特点生物大分子进化速率相对恒定随时间的改变主要表现为核苷酸、蛋白质一级结构的改变不同物种同源大分子的分子进化速率大体相同，例如人与马的血红蛋白氨基酸序列差异0.810-9/AA.a，人与鲤鱼0.610-9/AA.a分子进化速率远远比表型进化速率稳定生物大分子进化保守功能重要的大分子在进化速率上明显低于那些功能不重要

7、的引起表型发生显著改变的突变频率要低于无明显表型改变的频率,5、分子进化树,真假公主 1917年俄国末代王朝被推翻，贵族与侍卫全部逃走，而沙皇可怜的儿子老少一个都没走脱，并于1918年被全部处决。但民间却流传着沙皇的小女儿死里逃生，远走他乡的故事。为了得到俄国沙皇的一千万遗产，许多人绞尽脑汁寻找安娜公主，终无所获。俄国贵族后裔布丁将军终于找到一位外貌气质酷似安娜公主的女子，于是训练她皇室的各种礼仪及相关的人和事。安娜公主过关斩将。顺利和皇太后相认，就在太后要宣布安娜公主为遗产继承人并与保罗定婚时，安娜公主与布丁悄然消失，结局出人意料,1964年生物学家托马斯布罗克在黄石公园的温泉源头发现了微生

8、物，第二年夏天又发现了在60 水中生活的水藻，还有在82水温下生存的微生物。,美国黄石公园内有许多温泉，水温从20到100，其中生活着一些喜欢热的微生物，显微镜下观察呈杆状。,极端厌氧的产甲烷菌,高温下生活的嗜热菌,系统发育树的种类有根树和无根树：基因复制时，一个DNA序列分裂成两个子序列，一般是二歧的，有根树反映时间，无根树反映距离。基因树和物种树：物种树代表一个物种或群体进化的历史；基因树由来自各个物种的同一个基因构建，不完全等同于物种树，表示基因分离的时间。期望树、现实树和重建树：在期望（理论）和现实（实际替代树）之上重建。,三、分子钟,根据分子系统学研究与古生物学资料相结合，建立推论生

9、物进化事件发生的时间表。假定分子进化速率r恒定，则分子进化改变量（替代数目或替代率）与进化时间成正比。以两条序列为例：d=2 r t 其中，t是进化时间，d是这两条序列每个位点的替代数目,分子钟成立的先决条件：分子进化速率恒定。分子钟成立的证据1、至少某些生物大分子（如珠蛋白）的进化速率，在相当长的地质时间内相对稳定、均匀2、许多不同物种的多种同源大分子在相当长时间内的平均进化速率近似恒定。,建立分子钟的大致步骤1、选择所要比较的生物大分子种类 根据具体研究目标和已掌握的资料选择进化速率相对恒定、速 率大小合适、分布范围能涵盖各待比较物种的生物大分子。2、确定各物种的比较组合及其所代表的进化事

10、件3、获得生物大分子一级结构资料4、获得有关的代表性进化事件发生的地质时间数据5、通过比较大分子一级结构，选择合适的数学模型计算得到进化产生的分子差异d，通过回归分析等统计方法得到大分子的进化速率r(t)6、由此可以推断未知进化事件的发生时间,关于分子钟的讨论和争议 1、对长期进化而言，不存在以恒定速率替换的生物大分子一级结构（基因功能的改变、基因数目的增加）2、不存在通用的分子钟 3、争议分子钟的准确性中性理论（分子钟成立的基础）,四、基因与基因组的进化,（一）遗传系统的产生1、RNA世界假说2、复制,转录,翻译系统的产生3、生命三界,1、RNA世界假说,1)1986年,Walter Gil

11、bert发明“RNA World”一词,用来表示前生命时期携带信息并具有催化功能的RNA分子.2)1986年,Thomas Cech首次发现具有自我催化的RNA分子,四膜虫rRNA分子可以自我剪切.3)1989年,Jack Szostak提供实验证据,表明体外RNA分子可以催化复制.4)1990年,Sidney Altman等发现,大肠杆菌RNase P 的RNA亚基可以催化tRNA前体剪切.5)1992年,Harry Noller证实核糖体RNA(rRNA)具有催化肽键形成功能.,由于发现具有催化功能的RNA,Thomas Cech 和 Sidney Altman 共享1992 诺贝尔化学奖

12、.,RNA世界的某些特征,1）具有催化活性的RNA分子称为核酶（ribozyme）；2）核酶催化的生化反应包括：自我剪接 内含子I型，II型和III型RNA分子具有的功能 催化切断其它RNA U RNA分子可催化切除内含子 合成多肽键 rRNA分子的重要功能之一 催化碱基、核糖合成 在试管中已证明,RNA催化活性的发现解决了以往关于先有多聚核苷酸还是先有多肽链的两难困境，表明最初的生化系统集中在RNA。,核糖体本质上是一个核酶-Ribozyme,RNA可以自我复制,RNA世界向DNA世界的转变,RNA世界假说的不足,1)核苷酸合成困难 2)催化RNA分子结构太复杂3)已发现的核酶自身不能完全合

13、成核酸 4)从RNA到生命出现进化时间太短,不到5亿年,2、基因的起源,在细胞出现之前是否就有基因?最初的基因是怎么产生的?基因产生的意义是什么?到目前为此都还没有一个合理的解释!,任何生命都有三个不可或缺的系统:复制系统 转录系统 翻译系统1998年，Woese在上PNAS表述三个系统的起源关系:翻译系统最早建立，其次是转录系统，最后是复制系统。没有准确高效的翻译系统,遗传信息的表达是无法实现的,精确复制也失去了意义。,基因组的起源,人们推测基因组的起源可能是:最初的DNA基因组由许多分散的分子组成，每一个指令单个蛋白质，相当于一个基因。这些基因彼此连接成染色体，它们可能在编码的RNA转变为

14、DNA之前或之后出现。由于组成了含更多基因的染色体，在细胞分裂时基因的分配要比分散的类型更加有效而方便，在竟争中占有优势。随着早期基因组的多次进化，彼此连接的基因所具有的不同功能也随之发展与演变。这一假说还无法提供证据.,3、生命之根在哪?,Carl Woese认为:不存在一个所谓的祖先细胞，最初的细胞是不稳定的，复合的，具有多向发展潜力的复合物。达尔文进化论只探讨生命出现之后的进化规律，不涉及生命的起源。一个完整的生命应从细胞开始。,生命三界,古细菌与真核生物更相似,来自海洋火山口的古细菌詹氏甲烷球菌基因组顺序分析显示，它在起源上与真核类生物更加接近：1）古细菌的翻译系统如核糖体蛋白，延伸因

15、子和氨酰 tRNA合成酶以及转录系统均与真核生物相似，而与细 菌有所不同。2）在代谢系统方面，古细菌与真细菌极为相似。人们推 测，古细菌和原始真核细胞可能从原始细胞分别继承 了部分共同的遗传物质。,病毒可能参于真核细胞进化,红藻(red algae)的细胞核可以象病毒一样在寄主细胞间转移.,4、基因组进化的模式,加倍 重排 洗牌 不等交换 扩张与扩增 插入与缺失 转座因子的作用,在基因组进化中现有基因的加倍是最重要的方式之一，它们可经由以下途径发生：1）整个基因组加倍 2）单条或部分染色体加倍 3）单个或成群基因加倍,酵母基因组在一亿年前经历了一次完全的加倍,Goffeau,Nature 43

16、0:25,2004,大多数植物基因组均为同源或异源多倍体,玉米染色体基数n=5加倍为n=10,小麦为6倍体(A、B、D=7,n=21),油菜为异源多倍体(n=19),棉花,烟草为多倍体,香蕉为3倍体。,多细胞动物很少有多倍体,可能同动物的发育模式有关：动物胚胎发育时几乎所有器官原基均在同一时间产生，需要高度协调。多倍体带来的基因剂量不平衡会对胚胎发育产生致命影响。植物的生殖器官与营养器官是同源的，还可以不断地重复产生，因而能够忍受多倍体带来的基因剂量不平衡的干扰；此外植物细胞可直接从外界吸收营养,降低了器官和组织彼此间相互依赖的程度。,脊椎动物基因组是否发生过整体加倍?,有些分子生物学家认为，

17、大约1亿年前酵母基因组加倍时脊椎动物也发生了同样事件。理由是人类基因组中HOX基因簇有4份拷贝，分别位于2，7，12和17号染色体。其他作者则认为，这些重复只是一些独立的事件，不足以表明整个基因组的加倍。,2R假说,Susumu Ohno在1970年首次提出：脊椎动物进化中曾经发生过2次全基因组水平的加倍。比较基因组顺序表明，无脊椎动物基因成员在哺乳动物35000个基因中平均有两个同源基因。,脊椎动物基因组是否发生过整体加倍?,Genome Research 11:667670,2001,文昌鱼基因组分析对脊椎动物进化的启示,对文昌鱼基因组的最新分析表明，5.5亿年以来进化进程中脊椎动物比原始

18、祖先的基因组多出四倍的拷贝量。将人类的23个染色体与文昌鱼的19个同源色体进行对比分析发现，两个基因组有17个共同的祖先留下的片段。因此，可以肯定在5.5亿年前，人类和文昌鱼共同的祖先有17个同源染色体。祖先的17个同源染色体上的每一个基因在脊椎动物的进化过程中增加了拷贝量，经历了两次加倍，而大部分的常规的“管家基因”都失去了拷贝。某些基因的拷贝量的增加使得脊椎动物获得更多的新功能并进化形成我们所知的脊椎动物。,Nature 453,1064-1071，2008,证明了2R假说是正确的,人类染色体与文昌鱼染色体同源区段比较,基因与基因组加倍是一个动态过程,1)拟南芥基因组中约75%的区段发生了

19、至少一次以上的重复，这些重复事件是在不同进化时期出现的，涉及范围不同，并伴有基因丢失。2)根据氨基酸顺序的代换速率分析，拟南芥基因组的重复区段可分成不同的年龄板块（block），同一年龄板块群（age class）发生重复的进化年代近似，共有5个可以确定的板块群，分别为B，C，D，E和F。3)最早的重组事件发生在2亿年前，最近的发生在5 000万年前（B板块）。大多数重组事件发生在中生代，其中F板块出现的年代代表双子叶与单子叶分化的时期。,脊椎动物基因组进化的主要动力在于基因的重复,脊椎动物基因组进化的主要动力在于基因的重 复与趋异,重复基因的命运,1)由于编码顺序趋异成为具有新的生物活性的基

20、因2)由于调控顺序突变成为获得新的表达模式的基因3)处于进化之中与祖先基因在功能上重叠,表现为冗余的基因4)丧失功能成为假基因5)在随后的进化事件中丢失,染色体重排,1)染色体重排系指染色体区段位置在染色体内或染色体之间发生的倒位或移位事件。2)是基因组进化的主要动力之一。染色体重排阻止同源染色体区段的正常配对与交换,促使重排区段内的突变积累,是物种形成主要原因之一。3)染色体重排可为基因提供新的表达模式。,老鼠与人类X-染色体的重排事件,PNAS,100:7672-7677,2003,重复顺序之间的交换重组,1)DNA分子内重复顺序的重组:1.反向重复顺序之间的重组导致区段倒位 2.正向反向

21、重复顺序之间的重组导致区段缺失2)染色体臂间重复顺序的交换重组3)染色体臂内重复顺序的交换重组4)染色体之间重复顺序的交换重组4)同源染色体之间重复顺序的不等交换,染色体重排与重复顺序有关,1)比较线虫的两个种,C.elegant和C.briggsae，发现线虫基因组在亿年中发生了4030次染色体重排事件。2)染色体重排事件包括转位,倒位与转座。3)染色体重排事件大多数出现在基因间区普遍的重复顺序以及重复的基因成员之间。4)线虫基因组重排的速率为果蝇的4倍。见:Genome Research 16:875-867,2002.,物种间染色体重排速率,物种间染色体重排速率差别很大,与物种的群体大小

22、,世代周期长短,染色体的顺序组成等有关。,染色体重排与Y-染色体进化,1)人类Y-染色体系由X-染色体进化而来.2)在三亿年前人类祖先与鸟类分开之后,X-染色体发生了第一次倒位,由此开始Y-染色体的进化.3)人类Y-染色体共发生了4次倒位,并伴随大量的基因突变与缺失.4)Y染色体产生之际曾含有1438个基因，但到目前为止,其中的1393个基因已经消失,只剩下45个基因,平均每百万年丢失4.6个基因.,Y染色体上的蛋白质编码基因,新的研究确认了X染色体上有1098个蛋白质编码基因，而这1098个基因中只有54个在对应的Y染色体上有相应功能的等位基因.Y染色体比X染色体小得多，Y染色体上总共有大约

23、78个基因。,Y染色体是一个对个体生存不必要的染色体,人如果没有X染色体，或者没有其他任何一对常染色体，就无法出生，在胚胎期就会死亡。而没有Y染色体却对个体生存没有关系，比如女性都没有Y染色体，却照样可以健康长寿。其他染色体一般互相依靠，但是它们不依靠Y染色体。人类必须面对一个有可能导致自身灭亡的问题 男性Y染色体的功能正在逐渐退化，它所掌控的基因正在逐渐减少。,袋鼠Y染色体只有一个基因-SRY,Y染色体进化四步曲,SOX9性别开关基因,小鼠转基因实验:雄性小鼠含有SRY基因,可开启SOX9基因,转化SOX9基因仍为雄性.雌鼠缺少SRY基因,不能开启SOX9基因.用SOX9基因转化雌鼠,促使雌

24、鼠性别转化.,SRY gene located on sort arm of Y chromosome.,同源重组对真核基因组多态性的影响,1)真核生物均有有性繁殖；2)有性繁殖的一个重要特征是基因组必需经过减数分裂过程才能产生配子体；3)减数分裂时同源姐妹染色体配对，并发生同源染色体区段的交换；4)同源染色体区段的交换一方面可以扩大变异的范围，同时也可降低同源染色体区段的多态性组成；5)缺少同源染色体配对与交换可积累突变，增加群体中突变的比例，促使物种形成。,新基因的产生主要有以下5种方式:1)基因加倍之后的趋异,这类基因基本保持原有的基因功能,但往往获得了新的表达模式.这是新基因产生的主要

25、方式.2)结构域洗牌,即不同的结构域加倍或重组,产生具有创新功能的基因.真核生物约19%的基因产生于外显子洗牌.3)逆转录及其随后的趋异或重排.4)基因裂变与融合,由一个基因分裂成两个不同的基因,或两个或多个基因融合组成一个新的基因.原核生物约0.5%的基因由此产生.5)由非编码顺序转变为编码顺序.,蛋白质创新-功能域洗牌,果蝇(精卫)基因产生于洗牌,灵长类新基因的产生与重复,细菌蛋白功能域的洗牌,外显子洗牌的分子机制,基因组扩张重复顺序的增加,高等生物基因组重复顺序的扩张是一个极其普遍的现象,这些重复顺的扩张主要起因于:1)重复顺序之间的不等交换;2)DNA的转座 3)逆转录转座,玉米基因组

26、的扩张,Alu在灵长类基因组中的扩张,不同“人种”的基因组存在大结构的差异,1)人类不同种族之间基因的组成和DNA顺序之间只有极其微小的差异,99%的碱基顺序是相同的。2)人类不同种族之间存在许多极其明显的表型差异,这些差异的遗传基础何在?3)Michael Wigler 发现,人类不同种族的基因组存在广泛的基因拷贝数,倒位,缺失的多态性差异。4)报道(Nature Genet.,2005),在人类chr 17q21.31 区有两个同源但不相同的涉及900 kb的倒位,H1和H2.这一倒位事件发生在300万年前。H2型在非洲人中罕见，在东亚人中缺少,20%的欧洲人具有H2。统计学分析表明，携带

27、H2的冰岛女性比缺少H2的女性可生育更多的小孩。,人类基因组中的倒位多态性,五、生命的改造,遗传信息的奥秘,DNA由4种核苷酸组成(ATCG)每3个核苷酸编码一个氨基酸 DNA:ATG CTG GTT TAC GTT GGA TAA RNA:AUG CUG GUU UAC GUU GGAUAA 蛋白质:Met-Leu-Val-Thr-Val-Gly-,（一）基因工程的概念 在体外将外源DNA分子经切割和连接，插入至病毒、质粒或其他载体分子中，形成重组DNA分子，导入到受体细胞中，使外源基因在受体细胞中表达的过程。,理论上的三大发现 证明遗传物质是DNA DNA分子双螺旋结构及半保留复制 中心法

28、则及遗传密码的破译 技术上的三大发明 限制性核酸内切酶和DNA连接酶 基因工程的载体 逆转录酶的发现,1、基因工程操作的工具酶1.限制性核酸内切酶（内切酶）：将DNA分子在特定部位切开。根据其反应的必须因子和切断点等特性，被分为三大类：2.DNA连接酶：将切割位点相同的两条链连接起来。3.DNA聚合酶：以母链DNA为模板，在引物的指导下，按母链核苷 酸序列，将游离的核苷酸结合到相应的位置而形成互补的双链DNA。,限制性内切酶造成粘性末端有利于重组DNA分子的构建,2、基因工程的载体 基因工程的载体必须具备以下基本要求：（1）在寄主细胞中能够独立复制；（2）易从寄主细胞中分离纯化；（3）有一段不

29、影响自身扩增的非必需区域，使得插在其中的外源基因可以正常复制和扩增。,基因工程的载体主要有六类：1.质粒载体：能自主复制；具有若干限制性内切酶的单一识别位点；有选择标记；较小的分子量和较高的拷贝数。2.噬菌体载体 3.柯斯质粒载体 4.YAC载体 5.BAC载体 6.病毒载体：SV40通过感染方式将DNA送入哺乳动物细胞中。,噬菌体病毒,3、基因工程的基本内容（重组DNA技术）,重组DNA技术又称为基因工程（genetic engineering）或分子克隆（molecular cloning）基因工程的主要步骤：1.载体和目的基因的分离 2.载体和目的基因的体外重组 3.重组DNA转化受体

30、4.重组DNA的筛选和鉴定 5.克隆基因的表达,特异性PCR检测外源基因整合到受体,分子水平检测,个体水平检测,转基因成功的条件：（1）外源基因的单拷贝插入和被插入受体基因组的被扰乱的“综合效应”；（2）转化后的受体能够长成可遗传的生物个体。,死亡,存活，但后代外源基因丢失,理想的转基因植株,（二）基因导入的方法 植物材料：农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法、电激法等 动物材料：脂质体转化法、显微注射、逆转录病毒、精子载体、电穿孔、磷酸钙介导法等。细菌材料：电激转化或转导,电激法,质脂体转化,基因枪法 Biolistic-bombardment,农杆菌介导 的基因导入 Transferrin

31、g genes into plant cells by agrobacterium,Regeneration of leaf disks infected by Agrobacterium,SV40 viral ectors,vaccinia virus vector,（三）植物基因工程,植物抗病分子机理农作物基因工程：培育抗虫、抗病毒、抗除草剂、品质改良等作物花卉基因工程：改变花卉颜色、花形和花期利用植物作为生物反应器生产药物等雄性不育基因工程,1986年首批转基因植物被批准进入田间试验，1994年美国Calgene公司研制的转基因延熟番茄首次进入商业化生产，农作物生物技术育种的研究已经进入

32、了实际应用。近年来，转基因植物在全球的种植面积增长迅速。2007年，全球种植转基因植物的国家达到23个，包括12个发展中国家和11个发达国家；这23个国家的人口为36亿，约占全球总人口65亿的55；这22个国家的作物种植面积为7.76亿公顷，占全球作物种植总面积15亿公顷的52。,转基因农作物主要种植国家分布图,各国转基因农作物种植情况,全球转基因产业化带来的经济效益,转基因农作物的产业化，由于提高产量、减少除草剂、杀虫剂等农药使用量和节约大量劳动力，进而带来巨大的经济效益和社会效益。据农业生物技术应用国际服务组织(ISAAA)统计，转基因农作物种子在全球范围内的近几年来，销售额成倍增长：19

33、95年 0.75亿美元 1997年 6.70亿美元 2000年 30亿美元 2010年 超过200亿美元 美国种植转基因大豆的收益每公顷增加了约50美元，种植转基因棉花的收益每公顷增加了约40美元，种植转基因玉米的收益每公顷增加了20多美元。,耐农药/抗虫能力：第一代转基因农作物,Bt抗虫玉米,传统玉米,改变营养组成：第二代转基因农作物,“黄金米”可以防治维生素A缺乏症,生产医药与工业上应用：第三代转基因农作物,我国植物转基因产业化简况,1992年我国成为世界上第一个商品化种植转基因作物的国家。当时种植的是一种抗黄瓜花叶病毒(CMV)和抗烟草花叶病毒(TMV)双价转基因烟草,种植面积达到860

34、0hm2。1999年，中国通过转基因技术培育出农艺性状优良的彩色棉花新品种“棕絮1号”和“绿絮1号”，成为世界彩棉研究和开发的第二大国。1996年至今，中国农业部已批准了6 项转基因植物进行商品化生产，即耐储存番茄(1997)、抗虫棉花(1997)、改变花色的观赏植物矮牵牛(1997)、抗病毒甜椒和辣椒(1998)、抗病毒番茄(1998)以及抗病毒番木瓜(2007)。,“转基因抗虫棉”我国转基因农作物产业化代表,上游1991年启动，以中国农科院生物所、中科院遗传发育所和微生物所等为代表的基因构建单位，成功获得了拥有自主知识产权的抗虫基因；中游以中国农科院棉花研究所为主，建立了棉花规模化转基因技

35、术体系，大批量创造转基因棉花种质新材料，并将所获得新材料发放给育种研究单位，培育适宜我国不同棉区种植的国产转基因抗虫棉新品种，并在河南、山东、安徽等地进行中试试验；下游是科技型棉花龙头企业。如：深圳创世纪基因技术公司（中国农科院生物研究所技术入股）、深圳东方明珠、北京奥瑞金公司共同出资成立的。转基因棉花产业化的进一步扩大改变了最初中国市场90%转基因棉花种子为美国的转基因抗虫棉的不利状况。目前市售转基因棉花种子几乎全部为我国自主研发。,植物转基因产业化的技术瓶颈问题,1基因资源的问题：I：功能基因和对应的调控元件匮乏；II：植物源和非植物源基因的区别；III：单基因与QTLs、cDNA与基因组

36、序列的区别；IV：植物对环境的应答-转录调控过程并非“开”和“关”那么简单。,从环境刺激到植物作出反应实际上是一系列复杂的信号传递过程，通过转基因技术给植物转入一个单基因，并不一定能对逆境基因的表达有很大影响，显著的提高逆境基因的表达可能需要对整个信号传递通路进行调控才能实现。,呼唤新的转基因技术不依赖植物组织培养再生过程的转基因技术,2.基因转移技术的问题,叶绿体转基因技术：,技术关键：,技术过程：,3.转基因植物产业化技术集成和标准化,（以孟山都公司为例）,探索阶段：基因/性状识别,主要工作：1.大通量筛选获得功能基因；2.依据功能不同分别转入模式植物上进行测试。平均周期：24到28个月平

37、均成功率：5%基因功能：作物产量；耐环境胁迫能力；虫害控制；耐除草剂；抗病性；油脂改良（高含油量，脂肪酸组分优化）；蛋白质改良（氨基酸组分优化）；碳水化合物改良；生物活性物质。,I.概念验证阶段,主要工作：1.基因优化：功能基因、调控元件 以及筛选标记的合理化组配。平均周期：12至24个月 平均成功概率：25%,2.作物转化：选择不同基因型转化受体，受体不同对转 化方法的敏感性不同。平均周期：12至24个月 平均成功概率：75%,II.早期产品开发阶段,主要工作：1.转化体筛选，实验室规模上研发并获得具有目标性状的转基因作物；2.早期生物安全评价法规申请之前的数据分析；3.大规模转化。平均周期

38、：12到24个月平均成功率：50%,在早期产品开发阶段，转基因新品种开始进入田间试验。据美国农业部统计，从19872005年4月，美国种子生产公司及有关研究机构向美国农业部动植物卫生检疫局（APHIS）共提交了11600份转基因植物新品种的田间试验申请，其中10700多份申请得到批准，占申请总数的92%。2002年批准数量达到高峰，全年共有1190份申请获得批准。,III.后期开发阶段,转基因抗虫棉,转基因抗除草剂玉米,转基因高油大豆,转基因抗虫水稻,转基因高营养小麦,转基因耐贮存西红柿,主要工作：1.转基因性状转育和整合；2.田间定点测试；3.法规管理要求的安全评价数据获得和分析。平均周期：

39、12至24个月平均成功概率：75%,IV.上市前期阶段,主要工作：1，提交生物安全审批申请；2，扩繁获得足够商业化的种子；3，准备面向市场推广营销。平均周期：12至36个月平均成功率:90%到商品化准备阶段，转基因新品种经过广泛的田间试验确认不会对农业或环境造成危害之后，便可以向APHIS提出解除对该品种管制的申请。,（四）动物基因工程,转基因鼠的应用：动物模型、基因敲除、细胞功能、表达系统转基因动物：猪、奶牛、羊等 动物乳腺生物反应器生产药物克隆动物,喷洒工程菌清除石油污染,（五）基因工程菌在环境工程中应用 美国 GE 公司成功构造具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。,

40、思考题,微观与宏观的关系,转基因食品的安全性,关于转基因食品安全性的争论已有一段时间，最近因方舟子和崔永元两位媒体名人的参与更显火热，百度搜索“转基因食品安全性”的条目多达四百万余条。通过转基因技术可培育高产、优质、抗病毒、抗虫、抗寒、抗旱、抗涝、抗盐碱、抗除草剂等特性的作物新品种，以减少对农药化肥和水的依赖，降低农业成本，大幅度地提高单位面积的产量，改善食品的质量，缓解世界粮食短缺的矛盾。这是转基因农作物受到世界各国研究结构和政府高度重视的主要原因，如我国农业部已经批准种植的转基因农作物有：甜椒、西红柿、土豆；主粮作物有玉米、水稻。今后可能陆续批准的农作物有小麦、甘薯、谷子、花生等。进口的转基因食品有大豆油、菜子油、大豆等。然而转基因农作物及其食品可能存在一些潜在的问题，如有些转基因生物产品可能含有有毒物质和过敏源，外来基因可能破坏或减少原有食物中的营养成分，大量外源基因可能对生态环境和生物多样性带来不利影响等。当然目前尚无确凿的证据表明转基因食品对人类健康和生存环境有明显的不利影响。,