1、植物基因工程,第一章 绪 论,第一节 基因工程的概念第二节 基因工程的诞生和发展第三节 基因工程的研究内容第四节 基因工程的应用第五节 基因工程的发展前景第六节 植物基因工程进展和存在的问题,第一节 基因工程的概念,基因（Gene）： DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列总称，是遗传物质的最小功能单位。,基因工程(genetic engineering) ：是指将生物的某个基因通过基因载体运送到另一种生物的活细胞中，并使之无性繁殖和行使正常功能，从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术。也称基因操作(gene manipulation)、DNA 重组技术(DNA recombinatio
2、n technology) ，,基因工程最突出的优点 就是打破了常规育种难以突破的物种之间界限，可使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间、甚至人与其他生物之间的遗传信息进行重组和转移。 缩短了新物种出现的时间。,基因工程一般操作步骤,1.从生物有机体基因组中，分离带有目的基因DNA片段。,2.将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择标记的载体分子上，形成重组DNA分子。,3.将重组DNA分子转移到适当的受体细胞并与之一起增殖。,基因工程一般操作步骤,4.从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞,并筛选出已经得到扩增的目的基因。,5. 将目的基因克隆到表
3、达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，研究核酸序列与蛋白质功能之间的关系。,植物基因工程：是指植物学领域的基因工程，就是利用基因工程技术，将基因导入植物基因组内，改变植物的某些遗传特性，培育具有高产、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。,转除草剂抗性基因水稻,第二节 基因工程的诞生和发展,一、基因工程诞生的理论基础 （一）理论上的三大发现 1.DNA是生物的遗传物质 2. DNA分子的双螺旋结构和半保留复制机制 3.遗传密码的破译和遗传信息传递方式（二）技术上的三大发明 1.限制性核酸内切酶的发现与DNA切割 2.DNA连接酶的发现与D
4、NA片段的连接 3.基因工程载体的研究与应用,(1)DNA是遗传物质,Avery实验,1944年，美国微生物学家O.T.Avery首次证实遗传物质的基础是DNA，基因位于DNA上。,噬菌体转染实验,1952年Alfred Hershy和Marsha Chase分别用放射性同位素标记噬菌体,进一步证明遗传物质是DNA,(2)DNA的双螺旋结构和半保留复制,1953年James D. Watson和Francis H. C. Crick揭示了DNA分子的双螺旋结构和半保留复制机制。,Francis Crick & James Watson,1966年Nireberg等破译了全部64个遗传密码,3.
5、遗传密码的破译和遗传信息传递方式的确定,（二）技术上的三大发明 1.限制性核酸内切酶的发现与DNA切割,Werner Arber 理论预见限制酶,Daniel Nathans 用限制酶切得SV40 DNA片断,Hamilton O. Smith 得到第一个限制酶,1978年Nobel生理或医学奖,2.DNA连接酶的发现与DNA片段的连接 1967年世界上5个实验室几乎同时发现DNA连接酶； 1970年Khorana实验室发现T4 DNA连接酶。 3.基因工程载体的研究与应用 1972年前后使用小分子量的细菌质粒和噬菌体作载体。 在细菌细胞里的大量扩增。,二、基因工程的诞生 (一）Berg的开创
6、性实验 1972年美国斯坦福大学Berg博士领导的研究组用EcoRI在体外对猿猴病毒SV40的DNA和噬菌体DNA分别酶切，然后用T4 DNA连接酶将两种酶切片段连接，结果获得了SV40和噬菌体DNA的重组DNA分子，成功完成了世界上第一次DNA体外重组实验，并因此与Gilbert、Sanger分享1980年度诺贝尔化学奖。,1972年第一个DNA重组分子产生,(二） Boyer-Cohen实验 1973年，Cohen等人将编码Kan抗性基因质粒R6-5和编码Tet抗性基因质粒pSC101混合后，加入EcoRI进行酶切，用T4 DNA连接酶连接成重组DNA分子，最后转化大肠杆菌，结果某些转化菌
7、落表现出既抗Kan又抗Tet的双重抗性特性。从这种双抗性转化菌落的大肠杆菌中分离出的重组质粒DNA带有完整pSC101分子和一个来自R6-5质粒编码Kan抗性基因DNA片段。 后来又把非洲爪蟾核糖体基因片断同pSC101质粒重组，转化大肠杆菌，并在菌体内成功转录出相应的mRNA。这是第一次成功的基因克隆实验。,Boyer-Cohen实验,Stanley Cohen 1986 Nobel生理或医学奖,Herb Boyer,R6-5,Tet,Kan,三、基因工程的发展 第一代基因工程第二代基因工程第三代基因工程第四代基因工程,第三节 基因工程的研究内容,1.基础研究 （1）基因工程克隆载体的研究
8、（2）基因工程受体系统的研究 （3）基因组的研究 （4）基因工程新技术的研究2.应用研究 （1）基因工程药物研究 （2）基因治疗研究 （3）转基因植物研究 （4）转基因动物研究,基因工程基础研究的主要内容,（一）克隆载体研究 基因工程的发展是与克隆载体构建密切相关的； 以构建克隆载体的材料分为：质粒载体系统、病毒载体系统等以及载体的用途分为：通用克隆载体、大片段DNA克隆载体、表达克隆载体等,（二）受体系统的研究 基因工程的受体细胞与载体是一个系统的两个方面。受体是克隆载体的宿主，是外源目的基因复制和表达的场所。 受体：单细胞、组织、器官和个体均可以作为受体。 原核生物受体：E.coli 真核
9、生物受体: 酵母是单细胞真核生物受体 植物受体：愈伤组织、细胞和原生质，部分组织和器官； 动物受体：生殖细胞和早期胚胎细胞作为基因工程受体； 人的体细胞也可以作为基因工程受体。,基因工程基础研究的主要内容,基因工程基础研究的主要内容,（三）基因组学研究 嗜血流感杆菌： 183 0137bp， 1743个基因 产甲烷球菌： 16 64976bp， 1682个基因 大肠杆菌K-12： 463 9221bp， 4288个基因 枯草杆菌： 4.21106bp, 4100个基因 1980年提出Human Genome Project (HGP)； 1990年开始，美国、英国、日本、德国、法国等国实施“人
10、类基因组计划”； 我国1999年9月获准参加这一计划，承担1%的测序任务。,基因工程基础研究的主要内容,（四）基因工程新技术的研究 外源基因导入技术基因检测技术基因测序技术基因表达分析技术,基因工程应用研究的主要内容,（一）基因工程药物研究,先确定对某种疾病有预防和治疗作用的蛋白质，然后将控制该蛋白质合成过程的基因取出来，经过一系列基因操作，最后将该基因放入可以大量生产的受体细胞中去，这些受体细胞包括细菌、酵母菌、动物或动物细胞、植物或植物细胞，在受体细胞不断繁殖过程中，大规模生产具有预防和治疗这些疾病的蛋白质，即基因疫苗或药物。,基因工程应用研究的主要内容,（二）基因治疗研究基因治疗：将外源
11、正常基因导入靶细胞，取代突变基因，补充缺失基因或关闭异常基因，达到从根本上治疗疾病的目的。 基因治疗是21世纪的一大热点领域；被认为是征服肿瘤、心血管疾病、糖尿病尤其是遗传性疾病最有希望的手段。,通过研究“基因敲除”的耗子将帮助研究人类的癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗传的关系。,在猴子的未受精卵中加入附加基因，并利用它成功培育出健康活泼的小猴“安迪”。通过对“安迪”的研究我们可以简单地引进如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等，加快针对这类疾病疫苗的开发研究。,（三）转基因植物研究,（三）转基因植物研究,无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻,（三）转基因植物研究,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,转黄瓜抗青枯病
12、基因的马铃薯,不会引起过敏的转基因大豆,生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),（四）转基因动物研究,（四）转基因动物研究,乳汁中含有人生长激素的 转基因牛(阿根廷),第四节 基因工程的应用,一、生命科学基础理论研究中的应用二、农林牧渔业中的应用三、工业中的应用四、医学中的应用,二、基因工程在农业上的应用,（1） 增加农作物产品的营养价值（2） 提高农作物抗逆性能（3） 提高光合作用效率（4） 生物固氮的基因工程（5） 增加植物次生代谢产物产率（6） 培育畜牧业新品种,三、工业中的应用,酿酒工业 食品工业 化学与能源工业环境工程酶制剂工业,三、工业中的应用,三、工业中的应用,基因工程做成
13、的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。,三、工业中的应用,基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。,1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,三、工业中的应用,利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,胰岛素,100kg胰腺4-5g胰岛素,2000L培养液 100g胰岛素！,四、医学中的应用,基因工程药品 生长激素 治疗侏
14、儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。 现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从 450 L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。,四、医学中的应用,干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。,基因工程药品 干扰素,四、医学中的应用,主要基因工程药品的研制、开发、上市时间,四、医学中的应用,基因工程疫苗的研制与生产 基因诊断 基因治疗,第五节 基因工程的发展前景,一、基因工
15、程与医药卫生 （1）生产基因工程药品 （2）用于基因诊断与治疗二、基因工程在农业上应用（1）生物固氮（2）木质素或纤维素利用（3）改良和培育农作物和家畜、家禽新品种三、基因工程与工业生产,基因本身也是一个产业 1.Rockfeller 大学将人肥胖基因出售0.2亿美元（1995年3月） 2.Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让达3.29亿美元（1997年） 3.Millennium公司以4.65亿美元向Bayer公司转让225种基因的开发权（1998年9月）,基因工程试剂的高回报 1.碱性成纤维细胞生长因子 231元/ug 2.红细胞生成素 1072元/ug 3.白细胞介素-2 410元/ug 4.巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元/ug 5.胰岛素 10.2元/mg,第六节 植物基因工程进展和存在的问题,基因工程存在的问题：基因工程本身发展的局限基因工程与农业资源遗传多样性保护基因工程与病虫抗药性基因工程与环境生态平衡基因工程的安全性问题,
