中山大学生科院《生物技术学》课件-真核生物系统生物技术应用.ppt

真核生物系统生物技术应用－1 （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 上图中描绘了新石器革命(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及其继续趋势。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 目前40个国家需要国际粮食援助。 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。未开发的有潜力可用的土地仅在巴西和非洲的一些部分被发现。 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％。 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？ 植物生物技术能够突破天然种间屏障进行的杂交, 针对某种特性，以突变、植入外源基因或改变基因表现等生物技术方式，进行遗传物质的修饰，进而降低生产成本，加快植物生长速度、增强对环境的抗性等，为培育优良作物新品种带来希望。 （一） 植物基因工程 一、植物基因工程的基本原理 植物基因工程，也称转基因技术（genetic 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。 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）基因从一种生物体内转移到另外一种生物体内需要一定的载体。现有质粒载体、病毒载体、脂质载体、原生质载体等多种方法；其中以质粒载体最为常见。 2）植物基因的遗传转化是指将外源DNA通过载体、媒体或其他物理、化学方法导入植物细胞并得到整合和表达的过程。实现这一转化的途径称之为转化系统。外源DNA通过载体介导实现其转化的系统称之为基因载体转化系统。 目前已经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T-DNA大约在15kb-30kb ; T-DNA的整合机制 表达载体pBIn19的结构 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。 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 (2)基因枪法（biolistics）也称微粒轰击法（microparticle bombardment） 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-