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植物转基因技术的发展前景

花匠小妙招
2024-11-13 04:10

1、西南大学课程考核论文考试科目：细胞工程考生姓名：冉玲玉考生学号： 222010317042016 学院：生命科学学院专业：生物工程考生成绩：植物转基因技术的发展前景冉玲玉 222010317042016摘要：转基因技术作为生物技术的核心在植物改良、医药、畜牧业和食品工业方面都具有巨大发展潜力。目前，世界上已通过转基因技术培育出许多产量高、品质好、抗性强的农作物新品种，转基因作物已进入产业化阶段，而且种植面积逐年扩大，呈直线上升趋势。然而利用转基因技术产生新的植物种类品种会在一定程度上打破自然界时代沿袭的基因平衡，这一变化是否会给人类带来新的问题，植物转基因技术的发展前景

2、如何，已成为人们日益关注的焦点。主题词：植物转基因技术成熟过程应用风险性优势发展前景转基因技术是将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术（Transgene technology）。人们常说的“遗传工程”、“基因工程”、“遗传转化”均为转基因的同义词。经转基因技术修饰的生物体在媒体上常被称为“遗传修饰过的生物体”（Genetically modified organism，简称GMO）。而物转基因技术又称植物基因工程，是把从动物、植物或微生物中分离到的目的基因转移到植物的基因组中，即对植物进行遗传转化

3、，使其在性状、营养和消费品质等方面满足人类需要的技术。其内容包括：目的基因的分离和鉴定、植物表达载体的构建、植物细胞的遗传转化、转化细胞的筛选、转基因植物细胞的鉴定以及外源基因表达的检测。植物转基因技术利用重组DNA的方法直接将目的基因导入到植物有性杂交的限制，基因交流的范围无限扩大，可将病毒、细菌、远缘植物、动物、人类甚至人工合成的基因导入植物，可以人为地有目的组合基因，改变生物的遗传性能，而且育种效率高，所以应用前景十分广阔。1植物转基因技术的成熟过程转基因植物的研究始于20世纪70年代末80年代初。1977年Ackermann1用野生型Ri质粒转化烟草细胞获得再生植株，1979年Mart

4、on等2将Ti质粒转入烟草原生质体中，获得愈伤组织并再生出芽。1983年1月18日，Mary-Dell Chilton、Robb T.Fraley、Merc Van Montagu和Jeff Schell分别在Miami Winter Symposium会议上宣布利用农杆菌将外源基因专务植物体内获得成功，转基因植物从此诞生。自1983年第1例转基因植物问世以来, 植物转基因研究受到广泛关注, 并开始向有重要价值的作物扩展。在随后的研究中，科学家用去除癌基因的根癌农杆菌及发根农杆菌进行基因转移，获得了形态正常的转基因植物3-5。1985年Horsch等6首创叶盘法进行植物遗传转化，他们利用根癌农

5、杆菌感染烟草、番茄和矮牵牛叶片外植体，成功获得了转基因植物。1987年Umbeck等7利用农杆菌介导法将NPT II基因和CAT基因导入陆地棉。同年Sanford等8建立了基因枪转化法，并成功转化了多种植物。1988年Rhodes等9利用电击法将NPT II酶基因转入玉米原生质体获得转基因植株。同年Hinchee等10用农杆菌介导法将NPT II基因和GUS基因导入大豆。1989年杨虹等11用聚乙二醇( PEG) 方法将苏云金芽孢杆菌的D-内毒紊基因导入水稻原生质体获得转化植株。1992年Vasil等12利用基因枪法转化小麦愈伤组织获得转GUS和Bar基因植株。至此, 主要农作物的转基因研究均

6、获得成功, 并从1996年起导入重要经济价值基因的棉花、大豆、玉米等作物开始走向农业生产。据不完全统计，目前至少有35科120多种植物已成功培育出转基因植物，包括水稻、玉米、棉花、大豆、番茄、马铃薯、烟草、油菜、番木瓜等重要农作物；涉及的性状包括除草剂、抗虫、抗病害、抗逆以及品质改良等，另外还有一些转基因植物用作生物反应器的报道13。部分转基因植物已商业化生产，并应用于食品和饲料14。2植物转基因技术的应用2.1植物遗传改良2.1.1抗虫性植物抗虫基因工程为害虫防治提供了新的途径。将编码具杀虫活性产物的基因导人植物后，其表达产物可以影响取食害虫的消化功能，抑制害虫的生长发育甚至杀死害虫，从而使

7、植物获得对取食害虫的耐性，减少或替代农药的使用。目前用于植物抗虫基因工程的基因主要包括:(1）毒蛋白基因，如苏云金芽孢杆菌(Bt)毒蛋白基因等；(2)蛋白酶抑制剂基因，如豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)等；(3)淀粉酶抑制剂基因，如菜豆-淀粉酶抑制剂基因等；(4)植物外源凝集素类基因，如雪花莲外源凝集素(GNA)基因等；(5)昆虫特异性神经毒素基因,如蜘蛛毒素基因等15。2.1.2抗病毒性细菌、真菌以及病毒都能导致植物感染，造成严重产量损失，但世界范围内转基因抗病作物种植面积远小于抗除草剂、抗虫转基因作物14。目前主要通过转入抗微生物蛋白（如抗菌肽16、几丁质酶17-18、防御酶19）以提高

8、植物的抗细菌和抗真菌能力；转入病毒的壳蛋白（coat protein，CP）基因提高抗病毒能力20-21。2.1.3抗除草剂特性抗除草剂基因的研究往往是与广谱高效除草剂相结合的，利用的基因主要包括两类，一类是可以改变除草剂靶物敏感性的基因，另一类是除草剂解毒基因。它们主要针对以下几种除草剂发挥作用:(1)草甘膦；(2)草丁膦；(3)磺酰脲类及咪唑啉酮类除草剂；(4)溴苯腈；(5)2,4-D。抗除草剂转基因植物是最早进行商业化应用的转基因植物之一, 种植面积在转基因作物中所占比例最大22。2.1.4抗逆性通过利用转基因技术, 研究具有抗旱、抗盐碱、抗重金属污染的或自身有生物固氮等特性的以及高光合

9、效率的植物品种。目前已获得了耐盐碱的转基因烟草、玉米、水稻等, 耐土壤农药残毒的转基因亚麻已在美国进行商业化生产。近年来，科学家在极地鱼体内分离出一种抗冻蛋白(AFP)，这个基因已被导入番茄、黄瓜、菊花中。Ku(1999) 等通过农杆菌介导系统, 成功地将玉米磷酸烯醇式丙酮酸转化酶(PEPC) 基因导入水稻中并高量表达23。王德正(2002)等还成功转育了含丙酮酸正磷酸二激酶(PPDK) 和苹果酸脱氢酶(ME)基因的水稻植株, 可能对提高水稻光合效率有重要意义。2.1.5雄性不育性目前利用基因工程方法创造雄性不育多是采用特异性启动子与核糖核酸( RNA) 酶基因构建嵌合基因这一策略来实现的。利

10、用这一策略已在烟草、油菜、小麦、水稻和一些果树育种中获得了雄性不育植株。2.1.6改善品质目前利用植物基因工程技术进行的品质改良主要集中在改良种子贮藏蛋白、淀粉、油脂、维生素、微量元素等的含量和组成、生产低过敏原或低毒素上。另外，提高人体必需氨基酸含量24-25、长链不饱和脂肪酸26-28以及矿质元素29-30含量的转基因植物也取得了很大进展。2.1.7改善观赏性改变花色一直是花卉研究最为热门的内容, 世界上首例基因工程改变矮牵牛花色的成团, 使人工改造花色成为可能。Holton首先用类黄酮基因转化菊花、矮牵牛、月季等获得花色改变植株。Zheng利用来自烟草光敏色素PHYB-1的基因转化菊花,

11、得到分枝角度、蓬径增大, 高度变矮, 节间缩短, 叶绿素含量提高的4株转化菊花植株。Weigcl 等从拟南芥中克隆出调控花分生组织分化的IFY基因, 能促进植物提前开花。2.2转基因植物在医学领域的应用2.2.1转基因植物在蛋白质多肽药物上的应用目前, 已经成功的转基因植物蛋白有: 人胰岛素,免疫球蛋白, 红细胞生长素, 干扰素, 尿激酶, 人生长激素脑啡肽, 人血红蛋白, 人表皮生长因子, 人红细胞生成素, 粒细胞, 巨噬细胞集落刺激因子等。2.2.2转基因植物在疫苗上的应用利用转基因植物生产食品疫苗成为当前食品生物技术研究的热点之一31。转基因植物可以作为生物转化器用于生产蛋白、化合物和

12、疫苗32。例如在水稻种子种表达柳杉划分表面抗原用于口服疫苗33，在烟草中表达口蹄疫病毒的两个蛋白，叶片提取物可以成功诱导猪的免疫反应34。目前运用疫苗研究的病原基因有: 乙肝表面抗原(HBsAg) 基因, 口蹄疫病毒VP1蛋白( FMDV-VP1) 基因, 狂犬病病毒G蛋白基因等, 所涉及的宿主植物主要有: 烟草、马铃薯、番茄、黄瓜、香蕉、芥菜和苜蓿等。2.2.3转基因植物在抗体生产上的应用1989年, 研究人员首次证明, 转基因植物可以生产功能性抗体, 现在, 世界上已产生了较多的转基因植物抗体, 如球蛋白G(IgG) 、scFvl8G、单链FV、抗癌胚抗原scFvT84166、鼠淋巴瘤B细

13、胞、分泌型IgG/ A等。用植物生产抗体有其独特的优越性:(1)可用于大规模大田种植, 价格低廉；(2)外源抗体基因或片段可以整合进植物染色体中稳定遗传；(3)植物细胞可以对表达的重组抗体蛋白进行正确的组装和后期加工；(4)转基因植物可以简单的通过种子的形式长期保存35。2.3转基因植物在生产糖类和工业用酶和脂肪上的应用一些工业常用的糖, 脂肪和酶如A- 淀粉酶、植酸酶、淀粉、多聚果糖、环化糊精、聚羟基丁酸、饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸等可通过转基因植物生产。利用转基因植物生产工业产品最使人关心的问题是高效的表达和方便的分离纯化过程。另外,利用转基因植物还可以生产自然界中难得到的物质,如蜘蛛丝等

14、。3植物转基因的风险性分析及其优势3.1转基因植物对生物多样性的潜在影响3.1.1转基因作物的杂草化倾向转基因作物可能通过两种方式转变为杂草：一是在引入地持续存在，如转基因抗除草剂作物的种子散落在田间成为下茬农田的杂草，一旦环境适应其生长，且对除草剂又有抗性将具有生长、竞争优势，这种作物有可能成为不可控制的杂草，对农业生态系统造成影响；另一途径是入侵其他作物的栖息地，成为入侵杂草。3.1.2基因漂移对近缘野生种的影响基因漂移是指作物同其生活习性不同的野生近缘植物进行自然杂交后，插入到作物中的基因在种群之间扩散的过程。如果转基因作物周围没有近缘野生种，产生基因漂移的可能性不大。而周围若有野生近

15、缘种，将可能产生基因漂移，一旦作物中的抗性基因转移至野生植物，并在野生植物中传播，则可使野生近缘种获得抗性使其具有选择上的优势，导致新的杂草类型的产生。结果会增加控制杂草的难度。3.1.3对非靶标生物直接和间接的影响抗虫作物在转基因作物中占较大比例，抗虫基因不但直接作用于目标昆虫，也有可能直接或间接作用于非目标昆虫，影响生物物种的多样性。在自然条件下，许多有益生物以害虫为食，转基因作物的种植使害虫数量下降，这无疑将影响到某些以害虫为食的有益生物的生存，特别是那些频临灭绝的物种。3.2转基因植物的食品安全性目前普遍公认的食品安全性分析的原则是OECD1993年提出的“实质等同性”原则, 即生物技

16、术产生的食品及食品成份是否与目前市场上销售的食品具有实质等同性。WHO、FAO两次召开专家咨询会议, 提出了咨询报告, 详见参考文献36-41。实质等同性分析主要包括表型性状, 关键营养成份及抗营养因子, 有无毒性物质及有无过敏性蛋白等, 详见贾士荣( 1997)36。在这些情况下转基因植物食品可能产生过敏性：(1)所转基因编码已知的过敏蛋白。(2)基因源含过敏蛋白。(3)转入蛋白与已知过敏蛋白的氨基酸序列在免疫学上有明显的同源性。(4)转入的蛋白属某类蛋白的成员, 而这类蛋白家族中的有些成员是过敏蛋白。食品安全性中的另一个重要问题是标记基因的安全性评价。目前认为植物食品中标记基因的DNA,

17、水平转移至肠道微生物的可能性极小, npt基因及编码EPSPS的草甘膦抗性标记基因已被批准在商业化的转基因植物中安全使用。详细可参阅贾士荣( 1997)42。3.3植物转基因的优势转基因技术在基因转移的范围和效率上除了基因不受生物体间亲缘关系的限制外，其所操作和转移的一般是经过明确定义的基因，功能清楚，后代表现可准确预期。因此，植物转基因技术将给农业、医药、食品工业、畜牧业等各个领域带来巨大经济效益。一是减轻病虫害危害，改善农业生态环境。培育抗病虫、抗除草剂、抗旱、耐盐碱、养分高效利用等的转基因新品种，将显著减少农药、化肥和水的使用，缓解养殖污染，改善生态环境。二是降低生产成本，增加农民收入。

18、由于转基因新品种在增产、优质优价、低耗等方面的优势，已使全球转基因作物种植农户累计获得纯经济效益340亿美元，农民增收25%左右。抗除草剂转基因大豆的应用，实现了密植和免耕，有利于水土保持。我国棉农也因种植转基因棉花，每亩减支增收130元，累计实现农民增收200多亿元。三是拓展产业形态，提高产品附加值。目前，功能性和治疗性转基因食品、转基因生物能源和环保产品相继研制成功，部分转基因药物上市销售，使转基因品种正在由简单性状改良向复杂性状改良、由农业领域向医药、加工、能源、环保领域拓展等方向发展。4植物转基因技术的发展前景植物转基因技术是21 世纪生物技术发展的热点之一，虽然仍存在一定风险性，但是

19、它打破了不同物种间天然杂交的屏障，能够培育多抗、优质、高产、高效新品种，降低农药、肥料投入，对缓解资源约束、保障食物安全、保护生态环境、拓展农业功能等均有巨大潜力。因此，植物转基因技术将对未来农业产生不可估量的影响，将对改善和提高人类生活质量发挥非常关键的作用。植物转基因技术代表了现代农业科技发展的方向，将为农作物的持续增产和解决人口爆炸所造成的粮食危机做出巨大贡献。植物转基因技术的广泛应用符合中国国情、顺应时代要求，对构建和谐社会、促进当代社会可持续发展有重要意义。正如中国科学院遗传研究所朱祯研究员所讲的：中国的农业急迫地需要转基因技术，转基因作物是救星，而不是恶魔43。植物转基因技术是一种

20、技术创新，是现代科技革命的一个重要方面，在农业、生物、医学、食品、环保和能源领域具有广阔的发展前景。参考文献：1: Ackermann C. Pflanzen aus agrobacterium rhizogenestumoren an nicotiana tabacum. Plant Sci Lett, 1977, 8(1): 232: Marton L, Wullems GJ, Molendijk L, et al. In vitro transformation of cultured cells from Nicotiana tabacum by Agrobacterium tumef

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