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基因工程在农业中的应用与发展前景

花匠小妙招
2024-09-02 20:35

（一）基因工程的定义、诞生及重大发现

基因工程是利用人工的方法将DNA在体外进行切割，再和一定的载体拼接重组，获得重组的DNA分子，然后导入宿主细胞或者个体，使受体生物的遗传特性得到修饰或改变的过程。

基因工程的正式诞生是以斯坦福大学的Cohen等人于1973年建立的基因工程的基本模式为标志。Cohen的实验向人们证实，基因工程很容易打破不同的物种之间的界限，可以依据人们的目的和意愿定向地改造生物的遗传特性，甚至创造新的生命类型，因此把这一年定为基因工程诞生元年。基因工程得以诞生完全依赖于分子生物学、分子遗传学、微生物学等多学科研究的一系列重大突破，概括起来，从20世纪40年代开始，在现代分子生物学研究领域中，理论上的三大发现和技术上的三大发现对基因工程的诞生起到了决定性作用。

基因工程理论上的三大发现：

（1）1928年，英国医生格里菲斯发现了生物主要的遗传物质是DNA

（2）1953年，沃森和克里克明确了DNA的双螺旋结构和半保留复制的机制

（3）1961年，以莱文伯格为代表的一批科学家，经过大量的实验，1966年全部破译了64个密码，编排了一本遗传密码字典。

基因工程技术上的三大发现：

（1）DNA分子的体外切割和连接。

（2）利用载体携带DNA片段

（3）大肠埃希菌转化体系的建立

（二）园艺基因工程的介绍

园艺基因工程具有的特点：1、植物细胞具有全能性2、园艺植物遗传资源丰富3、植物细胞具有细胞壁4、染色体基因组庞大而且往往是多倍体。

园艺基因工程主要包括：目的基因的克隆、表达载体的构建、目的基因的植物细胞的遗传转化、细胞培养及蜘蛛再生、转化植株的筛选与鉴定等。

园艺基因工程的研究与发展的领域：1、花卉基因工程2、果树基因工程3、蔬菜基因工程4、药用植物基因工程

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（三）基因工程在农业中应用实例

随着人口的不断增加，在世界上不少地方视频的供给都成了大问题。生物工程技术的应用为最终解决了这一问题提供了有效的途径。科学家利用基因工程可培育出具备抗寒、抗旱、抗盐碱、抗病等特性的品种，使得适合农作物生长的范围大大增加。

（１）提高植物固氮能力和光合效率

科学家发现了一种与合成脯氨酸有关的基因，将其转入固氮菌后，后者获得了即固氮又抗盐的能力，从而有助于植物的生长。植物光合作用效率的高低决定了其产量的多少，英国剑桥的植物育种所研究了如何转移叶绿体基因，将其中的高光效基因转移到另一种品种中去，以增强其光和效率，从而能产生更多的粮食。根瘤菌可帮助豆科植物固定、吸收和利用空气中游离的氮，科学家们曾把肺炎克氏杆菌的孤单基因转入大肠杆菌，是大肠杆菌也能直接利用空气中的氮。日本已成功将固氮基因转入到水稻根系微生物中，这种微生物可向水稻提供1/5的需氮量，因而可减少氮肥的使用量。

（２）提高粮食蛋白质含量

应用基因工程技术还可以使粮食中的蛋白质含量提高。美国威斯康星大学的研究人员从菜豆中提取了储藏蛋白质基因，并将其转移到向日葵中后，表达了该基因美国明尼苏达大学也进行了类似的研究，他们把玉米醇溶蛋白基因转移到了向日葵根部的细胞中。这些实验

取得的进展都表明了通过改良作物品种来增加粮食作物的良好前景。

（３）除草剂上应用

除草剂在农业中的使用较为广泛，但对农作物的产量有很大的影响。美国的研究者利用基因工程技术从能杀死杂草的真菌中分离出毒素，将此毒素喷在大豆田中，可以杀死杂草而不伤害其作物。

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（４）棉花上的大量应用

在科技部、农业部以及河南省等有关部门的大力支持下，中国农业科学院棉花研究所开展了“棉花工厂化转基因技术体系”的研究，通过几年努力，终于建成了高效、工厂化的棉花转基因技术体系，年产转基因棉花6000株以上，有效降低了棉花转基因运行成本。通过转基因技术体系的优化，还将抗虫、抗病、纤维品质改良等基因转入到20多个主栽棉花品种中，此外，他们还将植物嫁接技术成功地应用于转基因棉花的快速移栽，其成活率达到90％以上，有效解决了棉花转基因苗移栽成活率低的难题。

专家们认为，该项成果处于国内同类研究的领先水平，达到国际先进水平。在该项技术的带动下，我国转基因抗虫棉种植面积迅速扩大。中国农业科学院棉花研究所所长喻树迅博士介绍说：1998年，我国转基因抗虫棉种植面积为380万亩，其中95％为外国抗虫棉，而国产抗虫棉仅占5％左右。今年全国转基因抗虫棉种植面积达4600多万亩，而国产转基因抗虫棉种植面积达到70％左右，其中河北、山东、河南、安徽4省实现了100％的种植。目前，国产转基因抗虫棉种植面积累计达到7000多万亩，平均每亩增收140元至160元，受到广大棉农的热烈欢迎。

（５）菠菜中的基因在猪中表达

日本科学家将菠菜基因提取出来后转入猪，以求改善猪肉的脂肪酸组成。该项目的实施，证实了植物的基因可以在动物体内得到正常表达。实验中，从菠菜的根上将控制产生饱和脂肪酸———亚油酸酶（FAD2）的基因提取出来，置入猪的受精卵，由其发育成的猪，猪肉的不饱和脂肪酸增加了约20％，使脂肪酸的组成得到了改善。转入的基因已在3个世代间稳步遗传，产了约20头转基因猪崽，所有转基因猪的健康状况良好。

（四）基因工程在农业中的发展前景

水稻是我国的重要农作物之一，我国科学家在杂交水稻的研究中取得了众多研究成果，两系杂交稻已进入生产阶段，又开始了超级杂交水稻、转基因水稻的研究。已在染色体上精细定位了光敏、温敏核不育基因及广亲和基因，并且很快就能得以克隆。我国的科学家应用花粉管通道法转基因技术研制出单价Bt抗虫转基因棉花；建立了有效的分子标记育种体系，培育成功了抗黄矮病、白粉病和赤霉病等多种抗病小麦新品种；获得了抗稻瘟病转基因水稻及转有抗菌肽基因的马铃薯等转基因植物。此外，大量的抗虫转基因水稻、玉米、大豆、杨树等基因工程技术产品也都在试验中。

基因工程的应用为农业微生物遗传改良与各类基因工程菌剂的开发开辟了新的途径。已经取得的成果虽然是初步的，但已经显示出这项技术发展的巨大潜力。随着微生物基因资源的进一步发掘、微生物与植物互相作用的分子遗传、微生物生理与生态学等基础研究的逐步深入，以及微生物制剂生产加工工艺与配套使用技术的改进完善，重组农业微生物的研究与开发必将不断出现新的突破。

（五）基因工程的安全性