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1、第一章 植物生物技术概论,农学院 孙红正 187 3710 8934 ,1、生物技术的概念,生物技术(biotechnology),有时也称生物工程,是指人们以现代生命科学为基础,结合其他基础科学的科学原理,按照预先的设计改造生物体或加工生物原料,为人类生产出所需产品或达到某种目的。生物技术是人们利用微生物、动植物体对物质原料进行加工,以提供产品来为社会服务的技术。,改造生物体,是指获得优良品质和高产的动物、植物、微生物品系或者品种。 生物原料,是指生物体的某一部分或者生物生长过程中所能利用的物质,如淀粉、糖、纤维素等有机物,也包括一些无机化学品,聚(-羟基丁酸酯) 。 生产出产品,包括粮食、
2、医药、食品、化工原料、能源等。 达到某种目的,包括疾病的预防、治疗和诊断、环境污染的检测及治理等。,2、生物技术的发展历程,2.1 第一代生物技术,生物技术是一门既古老而现代的应用技术 追溯其发展历史,几乎与人类的文明史同时开始,如酿酒、制醋、馒头发酵 非纯种微生物发酵工艺为标志的传统生物技术,2.2 第二代生物技术,以纯种微生物发酵工艺为标志的近代生物技术 20世纪40年代抗生素的提取 50年代氨基酸的发酵 60年代酶制剂工程,2.3 第三代生物技术,以重组DNA技术为标志的现代生物技术 1953年,Watson & Crick提出DNA双螺旋结构模型 1973年,Boyer & Cohen
3、将非洲爪蟾的DNA插入到细菌质粒DNA中产生重组质粒,标志着DNA重组技术的诞生。 1976年,世界上第一家生物技术公司Genetech诞生,成为第3代生物技术的重要发展标志。,2.4 生物技术与农业生产,植物是人类赖以生存的最主要的资源: 直接为人类提供90%的能量,80%的蛋白质供应。 目前供人类食用的植物约有3000种,但人类能量供应主要来自大约20种作物,其中8种禾谷类作物占了50%,矿物质和维生素主要由其他大约30种果蔬提供。 作物生产在人类生存和发展中占有不可替代的地位,2005年:世界人口为64亿6470万 世界人口将在2070年达到高峰:90亿 地球上的食品资源可以养活多少人口
4、? 生产足够多的食品养活世界人口是人类面临的巨大挑战之一!,如果均为严格的素食者约为150亿,而按照混合型饮食标准仅为50亿。,大量施用化肥,导致土壤结构恶化 大量使用农药、除草剂等化学药品,导致环境恶化 全球变暖、环境污染等引起生态环境恶化,可耕地质量严重下降,盐碱、沙化等,保持农业生产可持续发展面临的问题:,必须依靠现代生物技术手段来解决农业上的各种问题;生物技术正在推动着一场新的农业革命,3、植物生物技术主要内容,3.1 植物组织培养 3.2 植物分子标记及辅助选择育种 3.3 植物基因工程,3.1 植物组织培养,应用于离体快繁、脱病毒种苗生产等的分生组织培养技术; 用于体细胞无性变异、
5、突变体筛选、遗传转化等的愈伤组织培养技术; 用于单倍体育种等的花药和小孢子培养技术; 用于体细胞杂交、遗传转化等的原生质体培养技术,快繁脱毒,组织培养诱导雄性不育系,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。,单倍体育种,利用植物组织培养技术(如花药离体培养等)诱导产生单倍体植株,再通过某种手段使染色体组加倍(如用秋水仙素处理),从而使植物恢复正常染色体数。 单倍体植株经染色体加倍后,在一个世代中即可出现纯合的二倍体
6、,从中选出的优良纯合系后代不分离,表现整齐一致,可缩短育种年限。,创 制 特 殊 倍 性 材 料,原生质体融合创造新种质,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。,小麦冰草,马铃薯:2X+2X,体细胞融合产生远缘杂种,3.2 分子标记,分子标记(molecular marker),是指可以反映基因组某种变异特征的DNA片段,是建立在DNA的多态性基础之上的可识别的等位基因。 分子标记的类型: RFLP,RAP
7、D,SSR,AFLP,CAPS,SNP,InDel等,Diamond, 2002, Nature,动植物的驯化,人类利用动植物育种历程,Doebley et al, 2006, Cell,栽培作物起源中心,植物驯化以后特征的改变,驯化综合症 Domestication Syndrome,与野生种相比,驯化种一般会: 结实率高 熟期相对一致 果实器官增大 成熟后不脱粒 鞣酸、单宁类物质减少,口味变化,Doebley et al, 2006, Cell,Dubcovsky & Dvorak, 2007, Science,作物生产上的几次革命性进步,绿色革命: 指20世纪5060年代,以高杆改矮杆为
8、标志的新品种运用。高产矮杆的墨西哥小麦和矮杆水稻良种的全面推广,使全世界粮食产量大大提高。例如,墨西哥从1960年推广矮杆小麦仅3年总产达200万吨,比1944年产量增加了5倍。,为什么矮杆可以大幅度提高产量?,小麦产量增长趋势,水稻产量与矮杆基因,传统常规育种,MAS辅助轮回选择育种,MAS辅助聚合育种,基因工程(genetic engineering)是首先克隆或者人工合成目的基因,再将目的基因和载体重组在一起,导入生物体内,让受体生物的遗传性状发生预期改变,或者让受体生物产生目的基因编码的蛋白质等。,3.3 植物基因工程,转基因育种,分子育种,传统育种,1994年,转基因大豆上市,全球大
9、豆产量历史回顾(数据来源FAO),年份,产量(公斤/公亩),Suppression of Cotton Bollworm in Multiple Crops in China in Areas with Bt ToxinContaining Cotton, Science 19 September 2008: Vol. 321 no. 5896 pp. 1676-1678.,Control of insects by RNAi,抗除草剂大豆,Flavr Savr It was first sold in 1994, and was only available for a few years
10、before production ceased in 1997.,神秘果 miraculin,miraculin tomato,Note:神秘果是典型热带常绿灌木,原产地在西非加纳、刚果一带。20世纪60年代,周恩来总理到西非访问时,加纳共和国把神秘果作为国礼送给周总理。此后,神秘果开始在我国栽培。神秘果是一种国宝级的珍贵植物,不管是在西非各国还是我国,都受到保护,禁止出口。 神秘果肉中含神秘素,能改变人的味觉,吃神秘果后几小时内吃酸的食物,味觉显著变甜。,Purple tomatoes high in anthocyanins,High anthocyanin purple tomato
11、and red wild-type tomato,花青素:抗癌,消炎,防 治心血管疾病、 老年相关疾病,Snapdragon 金鱼草,Fears over Europes GM crop plan, Published online 28 July 2010, Nature 466, 542-543 (2010), doi:10.1038/466542a,amylopectin potato, BASF,Golden rice contains increased levels of pro-vitamin A . Traditional rice is white (a). The prot
12、otype of golden rice was developed in 2000 and is a light yellow color (b). It contains 1.6 mg/g of carotenoid. In 2005, new transgenic lines were developed that dramatically increased the amount of carotenoid synthesized, making the rice a deep golden color (c). This latest form contains 37 mg/g of
13、 carotenoid, of which 84% is b-carotene trial,1.6 mg/g,37 mg/g,口服疫苗,VP1 与口蹄疫,Blue Rose and carnation developed by Florigene,Biosensor,Biosensor,把水稻改造成C4作物,C4的多次起源,Sage, New Phytologist(2004)161: 341370,海水能不能种粮食,Apse, et al, Science. 1999 Aug 20;285(5431):1256-8.,转基因拟南芥可以耐受 200mM NaCl 海水盐浓度3.5%,600mM,Five crop researchers who could change the world, Published online 3 December 2008, Nature 456, 563-568 (2008) doi:10.1038/456563a,Huang, et al, Nature. 2002 Aug 8;418(6898):678-84.,粮食增产速率趋势,种植面积减少趋势,FAO,本节完,PPT下载地址:biotechnology_ 邮箱密码:biotechnology,
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