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1、基因工程在农业中的应用基因工程在农业中的应用 演讲者：朱钐汕转基因番茄转基因茄子转基因水稻 基因工程是指在体外将核酸分子插入病基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其他载体分子毒、质粒或其他载体分子,构成遗传物质构成遗传物质的新组合的新组合,并使之渗入到原先没有这类分并使之渗入到原先没有这类分子的寄主细胞内子的寄主细胞内,而能持续稳定地繁殖。而能持续稳定地繁殖。从定义上看从定义上看,它首先强调外源核酸分子它首先强调外源核酸分子在另一种寄主生物细胞中进行繁殖的问题在另一种寄主生物细胞中进行繁殖的问题,这种跨越天然物种屏障的能力这种跨越天然物种屏障的能力,是基因工是基因工程的第一重要特征。程
2、的第一重要特征。什么是什么是基因工程基因工程哦？哦？这表明这表明,应用基因工程技术应用基因工程技术,人们就可以人们就可以按照自己的主观愿望按照自己的主观愿望,创造出自然界原先创造出自然界原先并不存在的新的生物类型。科研人员正是并不存在的新的生物类型。科研人员正是利用这一特征利用这一特征,已在提高农作物作物产量已在提高农作物作物产量,改善品质改善品质,增强抗逆性和抗病虫害的能力增强抗逆性和抗病虫害的能力等方面取得令人瞩目的成就。等方面取得令人瞩目的成就。具体应用具体应用1 1 改良作物品质改良作物品质2 2 培育抗虫作物培育抗虫作物3 3 培育抗病作物培育抗病作物4 4 培育抗逆性强的作物培育抗
3、逆性强的作物5 5 培育抗除草剂作物培育抗除草剂作物6 6 生物固氮生物固氮7 7 调控植物激素和生长发育调控植物激素和生长发育1.1.利用基因工程技术改良作物品质利用基因工程技术改良作物品质利用基因工程可以有效地改善植物的品质利用基因工程可以有效地改善植物的品质,并且越来越多的基因工程植物进入了商品并且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域化生产领域,取得了很好的效果。取得了很好的效果。在在蛋白质改良蛋白质改良方面方面,由于特定作物种子中由于特定作物种子中往往缺少某几种必需氨基酸往往缺少某几种必需氨基酸,人们的注意人们的注意力集中于通过基因工程改变蛋白质的必需力集中于通过基因工程改变蛋白
4、质的必需氨基酸的组成来改善植物的营养价值。氨基酸的组成来改善植物的营养价值。美国国际植物研究所的科学家们从大豆中美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因获取蛋白质合成基因,成功地导入到马铃成功地导入到马铃薯中薯中,培育出高蛋白马铃薯品种培育出高蛋白马铃薯品种,其蛋白其蛋白质含量接近大豆质含量接近大豆,营养价值大大提高营养价值大大提高,受受到农场主及消费者的普遍欢迎。到农场主及消费者的普遍欢迎。基因工程在基因工程在调控植物的淀粉调控植物的淀粉及及其他多糖化合物其他多糖化合物方面也取得方面也取得较大进展较大进展19971997年我国第年我国第1 1个获准进行商品化生产的基因工程番茄品
5、个获准进行商品化生产的基因工程番茄品种种华番华番1 1 号号,在在13 13 30 30 下可贮藏下可贮藏45 45 d d左右左右,大大大延长了保鲜期大延长了保鲜期,解决了由于果实具有呼吸跃变期而难贮解决了由于果实具有呼吸跃变期而难贮藏的难题。藏的难题。北京农林科学院工作人员经北京农林科学院工作人员经4 4 a a努力努力,将来自美国的优质将来自美国的优质面包小麦品种面包小麦品种CHEYENNECHEYENNE的谷蛋白亚基导入到北京地区推广的谷蛋白亚基导入到北京地区推广种植的抗病、高产品种种植的抗病、高产品种,获得蛋白质含量较高的小麦类型获得蛋白质含量较高的小麦类型,具有较好的前景。具有较好
6、的前景。超级南瓜超级南瓜2 2.利用基因工程技术培育抗虫作利用基因工程技术培育抗虫作物物虫害影响作物的产量和品质虫害影响作物的产量和品质,全世界粮食全世界粮食产量因虫害所造成的损失占产量因虫害所造成的损失占14%14%左右。左右。我国是世界上最大的棉花生产国我国是世界上最大的棉花生产国,但由于但由于棉铃虫的持续性大爆发棉铃虫的持续性大爆发,造成棉花减产达造成棉花减产达17%17%50%50%,每年造成经济损失每年造成经济损失5050亿亿100100亿亿元人民币。元人民币。1991 991 年我国科学家成功地将苏云金芽孢杆菌年我国科学家成功地将苏云金芽孢杆菌(Bt)Bt)杀虫杀虫晶体蛋白基因导入
7、棉花晶体蛋白基因导入棉花,获得了转基因植株。获得了转基因植株。19931993年将年将BtBt晶体蛋白基因导入我国棉花品种中晶体蛋白基因导入我国棉花品种中,获得了获得了高抗棉铃虫的抗虫棉。中国农业科学院生物技术中心培高抗棉铃虫的抗虫棉。中国农业科学院生物技术中心培育出育出1010多个棉花转基因品种或品系多个棉花转基因品种或品系,对棉铃虫杀伤力达对棉铃虫杀伤力达80%80%以上以上,并且具有丰产和品质优良的特点。并且具有丰产和品质优良的特点。19981998年通过国家审定的中棉所年通过国家审定的中棉所2929就是就是1 1个适于北方棉区个适于北方棉区生产的中熟转基因生产的中熟转基因BtBt棉。到
8、目前为止棉。到目前为止,我国已育成我国已育成1010多多个杀虫效果显著、丰产性好、纤维品质优良个杀虫效果显著、丰产性好、纤维品质优良,适用于不适用于不同生态条件种植的品种或品系同生态条件种植的品种或品系,已在已在9 9 个省个省(市市)大面大面积试种、示范和应用。积试种、示范和应用。20002000年我国转基因棉花种植面积达到年我国转基因棉花种植面积达到2020万万hm2hm2。3 3利用基因工程技术培育抗病利用基因工程技术培育抗病作物作物据联合国粮农组织据联合国粮农组织(FAO)(FAO)估计估计,全世界粮全世界粮食生产每年因病害的发生而导致的损失占食生产每年因病害的发生而导致的损失占101
9、0%,棉花生产上的损失为棉花生产上的损失为12%12%左右左右,某些某些作物如甘薯作物如甘薯,病毒病能使其减产病毒病能使其减产20%20%50%50%,严重时甚至绝收。严重时甚至绝收。抗病毒基因工程中抗病毒基因工程中,目前主要采用目前主要采用病毒的病毒的外壳蛋白外壳蛋白(CP)(CP)基因导入植物基因导入植物的方法的方法,使番使番茄、黄瓜、南瓜和甜椒等植物具有抗病性茄、黄瓜、南瓜和甜椒等植物具有抗病性。19921992年美国国家科学院公布了年美国国家科学院公布了HayakawaHayakawa研研究小组利用禾谷类作物病毒外蛋白技术获究小组利用禾谷类作物病毒外蛋白技术获得成功得成功,从从2 2个
10、日本水稻品种中分离出未成个日本水稻品种中分离出未成熟植株的细胞团熟植株的细胞团,这种细胞团能长成植株这种细胞团能长成植株,并能合成抗水稻条纹叶枯病毒的外蛋白基并能合成抗水稻条纹叶枯病毒的外蛋白基因。据测试因。据测试,在在3131株含有外蛋白的对照水株含有外蛋白的对照水稻植株中稻植株中,接种带病毒稻褐飞虱接种带病毒稻褐飞虱,结果对结果对照组中照组中80%80%出现了病毒症状出现了病毒症状,而通过基因工而通过基因工程培育的水稻植株仅程培育的水稻植株仅20%20%40%40%受感染。受感染。4利用基因工程技术培育抗逆性强的作物植物对逆境的抗性一直是植物学家关植物对逆境的抗性一直是植物学家关心的问题。
11、由植物生理学家、遗传学心的问题。由植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战家和分子生物学家协同作战,耐涝、耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品种品种(系系)已获得成功已获得成功科学家发现科学家发现极地的鱼体极地的鱼体内有一内有一些些特殊蛋白特殊蛋白可以抑制冰晶的增可以抑制冰晶的增长长,从而免受低温的冻害从而免受低温的冻害,正正常地生活在寒冷的极地中。将常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼体内分这种抗冻蛋白基因从鱼体内分离出来离出来,导入植物体获得转基导入植物体获得转基因植物因植物,目前这种基因已被转目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。入番茄和黄瓜
12、中。极地乌贼5 利用基因工程技术培育抗除草剂作物利用基因工程技术培育抗除草剂作物化学除草剂在现代农化学除草剂在现代农业中起着十分重要的业中起着十分重要的作用。理想的除草剂作用。理想的除草剂必须具有高效、广谱必须具有高效、广谱的杀草能力的杀草能力,且对作且对作物及人畜无害物及人畜无害,在土在土壤中的残留短壤中的残留短,成本成本不高。但现在要开发不高。但现在要开发出出1 1种新的符合上述要种新的符合上述要求的除草剂的成本越求的除草剂的成本越来越高来越高,选择的机率选择的机率也在明显降低。也在明显降低。通过基因工程来提高除草剂的选择性以及对通过基因工程来提高除草剂的选择性以及对作物的安全性作物的安全
13、性,具有重要的意义。同时具有重要的意义。同时,在在作物中导入高抗除草剂基因作物中导入高抗除草剂基因,也可使人们更也可使人们更自由地选择适合轮作、套作的作物种类。现自由地选择适合轮作、套作的作物种类。现在在,针对不同除草剂作用机理针对不同除草剂作用机理,已获得抗除已获得抗除草剂的转基因烟草、番茄、马铃薯、棉花、草剂的转基因烟草、番茄、马铃薯、棉花、油菜、大豆和水稻等作物。油菜、大豆和水稻等作物。6.6.生物固氮生物固氮氮素的来源有工业固定、生物固定和自然放电等。化学氮氮素的来源有工业固定、生物固定和自然放电等。化学氮肥对作物产量提高有显著的作用肥对作物产量提高有显著的作用,但也有其不容忽视的弊但
14、也有其不容忽视的弊病病,那就是能源的消耗、环境的污染和生产成本的提高。那就是能源的消耗、环境的污染和生产成本的提高。而生物固氮则能在常温、常压下合成氮肥而生物固氮则能在常温、常压下合成氮肥,从而大幅度地从而大幅度地节约能源并且不会对环境造成严重的污染节约能源并且不会对环境造成严重的污染,所以多年来一所以多年来一直受到科研人员的关注。直受到科研人员的关注。中国科学院遗传与发育研究所把带有固氮基因的质粒中国科学院遗传与发育研究所把带有固氮基因的质粒PRD1PRD1从大肠杆菌从大肠杆菌K12 jc5564K12 jc5564转移到无固氮能力的水稻根系菌转移到无固氮能力的水稻根系菌45024502Y
15、Y中中,表现出较强的固氮能力表现出较强的固氮能力,经测定接种有该菌的经测定接种有该菌的水稻发育明显优于对照植株。水稻发育明显优于对照植株。7利用基因工程调控植物激素和生利用基因工程调控植物激素和生长发育长发育对植物生殖生长过程对植物生殖生长过程(包括花的形成、发育、包括花的形成、发育、雄性不育、自交不亲和性、胚胎发育等雄性不育、自交不亲和性、胚胎发育等)的调控的调控,在作物生产上十分重要。在作物生产上十分重要。近年来基因工程在调控植物激素和生长发近年来基因工程在调控植物激素和生长发育方面的应用发展很快。最为成功的是利育方面的应用发展很快。最为成功的是利用基因工程产生雄性不育系。另外用基因工程产
16、生雄性不育系。另外,有人有人将将floflo基因导入杨树基因导入杨树,可使之提前好几年开可使之提前好几年开花花基因工程在我国农业发展中的前基因工程在我国农业发展中的前景景由于基因工程运用由于基因工程运用DNADNA分子重组技术分子重组技术,能够按照能够按照人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体,具具有新奇遗传性状的新型生物有新奇遗传性状的新型生物,增强了人们改造动增强了人们改造动植物的主观能动性和预见性植物的主观能动性和预见性,并且已在提高动植并且已在提高动植物产量物产量,改善品质改善品质,增强抗逆性及生产特用产品上增强抗逆性及生产特用产品上发挥了不可代替的作用发挥了不可代替的作用,显示了巨大的潜力。当前显示了巨大的潜力。当前,美国、日本和加拿大等国家政府及一些大公司都美国、日本和加拿大等国家政府及一些大公司都十分重视基因工程技术的研究与开发应用十分重视基因工程技术的研究与开发应用,纷纷纷纷投入大量的人力、物力和财力投入大量的人力、物力和财力,抢夺这一高科技抢夺这一高科技制高点制高点。