第十章 转基因技术及应用 ppt课件

• 转基因生物对农田生态系统的潜在风险
增加杀虫剂的使用。由于转基因生物可能造成的影响是抗药基因的特性选 择和转移或漂流到可相容的其他植物中，形成抗性杂草或超级杂草， 具有很强的抗药性。 产生新的农田杂草。其原因是由于基因漂流或基因逃逸，如通过昆虫传播 花粉引起杂交或基因污染，使近缘种变成新杂草或超级杂草。 转基因植物自身变为杂草。由于插入性状的竞争而演变退化为杂草。 产生新的病毒。由于不同病毒基因组和转基因作物的病毒外壳蛋白重组而 出现新型病毒。 广谱抗除草剂堆积基因群（HT）的超级杂草。 产生新的作物害虫。由于病原体与转基因植物相互作用或是草食动物与转 基因植物相互作用而出现的新型转基因害虫。比如常见害虫产生抗性， 并进化增强。 对非目标生物的伤害。由于误食或基因污染导致。例如2002年10月美国 内布拉斯加的一块约一英亩的刚收获大豆的田里，发现了三株转基因 玉米。这是因为上一年种植的含一种胰岛素蛋白的药用转基因玉米的 种子遗留下来在田里发芽，结果导致总价值270万美元的这一季大豆不 得不付之一炬。
转基因微生物
第一节 转基因植物 p85
目的基因和受体的获得 转基因方法 转基因植物的鉴定
转基因植物的应用
转基因植物研究存在的问题
一、目的基因的来源
1. 采用限制性内切酶，从生物组织中获取目的基因；
2. 通过mRNA合成cDNA；
3. 人工合成的DNA片段；
4. 聚合酶链式反应（PCR）扩增特定基因片段。
农 杆 菌 ori
大 肠 杆 菌 筛 选 标 记
大肠杆菌ori
农 杆 菌 筛 选 标 记
病毒介导法
随着植物病毒分子生物学及遗传学研究的不断深入，用病毒 基因组作为载体转化植物细胞日益受到人们的重视，因为病 毒载体能将外源基因导入植物的所有组织和细胞中，而且不 受单子叶或双子叶的限制。 在大约300种特征清楚的植物病毒中，单链RNA病毒约占 91%，双链RNA病毒、双链DNA病毒、单链DNA病毒各占 3%。利用植物病毒载体转化植物细胞大致有以下两种战略： 转染植物细胞原生质体
• 转基因生物对自然生态系统的潜在风险
侵入到新的栖息地。通过昆虫、鸟类、风力等媒介使转基因花 粉四处扩散，造成基因污染，威胁生物多样性安全。 丧失生物多样性。转基因生物通过生存竞争、环境胁迫或其他 不确定性因素增加的影响（基因、种群或物种），使生物多 样性受损害或者丧失。 对非目标本土物种的伤害。由于改变互惠共生关系导致。 营养循环和环境生物地球化学过程的改变。生物与非生物环境 的相互作用关系改变导致。 初级生产力的改变。改变物种的组成和结构以及转基因植物的 不同性状，都可能导致在不同程度上影响初级生产力的变化。 增大土壤流失。
生物安全问题的提出与演化
1973年在美国新罕布尔州举行的哥敦会议上（Gordon），在讨论核酸 问题时，许多生物学家对即将到来的大量基因工程操作的安全性提出担 忧； 1975年2月，在美国加州阿西罗玛（Asilomar）举行了一次国际会议， 第一次正式讨论转基因生物的安全性问题； 1976年，美国国立卫生研究院（NIH）发布《重组DNA分子研究准 则》，随后，德、法、日、澳等也相继制定了有关重组DNA技术德安 全操作指南或准则，经济发展合作组织（OECD）颁布了《生物技术管 理条例》，欧盟颁布了《关于控制使用基因修饰微生物的指令》、《关 于基因修饰生物向环境释放的指令》等。 1992年6月，联合国环境与发展大会通过《生物多样性公约》，直至 2000年1月正式通过《生物安全议定书》。 1993年，国际经济合作与发展组织（OECD）提出转基因食品安全性 分析原则是“实质等同性”原则。即转基因食品及其成分应与市场上销 售的对应食品具有实质等同性。这种等同性包括表型性状、分子特性、 主营养成分及抗营养因子。 2001年5月23日，中国国务院第304号令颁布了《农业转基因生物安全 管理条例》。该条例共分8章，分别是总则、研究与试验、生产与加工、 经营、进口与出口、监督检查、罚则、附则等。
融合法
• 将外源DNA与特殊的疏水性高分子化合物混合， 在水中这些疏水性化合物分子形成球状的脂质体， 后者与植物细胞原生质体融合，筛选融合子，再 生植物细胞壁。
载体介导法
农杆菌介导法 p87
T-DNA的染色体整合机制
多克隆位点
共 整 合 转 化 程 序
大肠杆菌质粒
农杆菌筛选标记
重组质粒
大 肠 杆 菌 筛 选 标 记
过敏反应问题：过敏性风险史医学上的“变应原性风险”，一般 人和动物是非常低的，但转基因作物可能诱发或家中变应原性风 险。转基因作物带有外源基因，即具有新的蛋白质，这些新蛋白 质可能引起食用者或接触者出现过敏反应。人类在自然环境中进 化形成的人体免疫系统可能难以或无法适应转基因生成的新型蛋 白质而诱发过敏症。 例如，安万特公司推出的“星联玉米”，是含有杀虫蛋白Cry9C 的转基因玉米，结果少数人吃了之后引起皮疹、腹泻或呼吸系统 的过敏反应并有潜伏效应。1998年美国环保局比准“星联玉米” 生产时，明确规定只准供动物饲料之用，不能作为食品。2000 年9月，发现美国市场的玉米面饼等300多种产品中含有微量 “星联玉米”，引发大风波。为回收被“星联玉米”污染的玉米 食品，安万特公司花费了约10亿美元。这就是在转基因安全史 上著名的“星联玉米”事件。
毒性问题：虽然迄今还没有具说服力的研究报告说明转基因食品（GMF） 的毒性，但由于转基因作物可能产生“非预期后果”，因此由其加工的 食品可能存在潜藏的健康风险。 例如，据1998年报导，转基因马铃薯引起大鼠器官生长异常。英国2002 年的研究称，转基因大豆制成的汉堡包食用后，在排出的粪便中仍含有 转基因DNA的成分，表明抗除草剂基因可存在于肠道细菌内并没有被完 全消化。又如，马铃薯中本来含有毒素茄碱（绿马铃薯），转基因马铃 薯中茄碱是增加还消除了呢？
抗药性问题：转基因操作中常常需要使用标记基因，而抗药性基因是用 得最多的标记基因。如氨苄青霉素抗性基因，卡那霉素抗性基因，四环 素抗性基因，新霉素抗性基因，放线菌素抗性基因等等。这些抗性基因 会一直存在于植物器官中，通过食物链可能会被传入人畜消化系统中细 菌体内，使这些细菌对抗生素药物的治疗产生抗性。而抗生素是用来治 疗各种非常严重疾病的药物，如果抗生素失效，那么挽救人类生命就成 为问题。例如，氨基丁卡霉素被认为是人类医药中的“保留”或“急救” 抗生素，是国际医药界储备的应急“救危”药物，而现在却为GMO捷足 先登，并滥用于多种GMO作为标记基因，广泛在环境中释放，在各种动 植物机体内产生抗性。 有益成分问题：研究发现，外来基因会以一种人们目前还不甚了解的方式 破坏食物中的有益成分。如英国伦理与毒性中心的实验报告称：与一般天 然大豆相比，在两种耐除锈剂或抗除草剂的转基因大豆中具有防癌功能的 异黄酮成分分别减少了12％和14％。GMO中插入的外源性目的基因改变 了生物自身原有的复杂生物化学路径，改变了原有的新陈代谢，其生化作 用的结果很难预料，还可能受环境条件变化的影响而导致变异。
调节红细胞水平 烟草
生长激素
水蛭素 人血清蛋白
鲑鱼
合成 人
刺激生长
血栓抑制剂 血栓扩张剂
烟草、拟南芥
油菜 烟草、马铃薯
干扰素
人
抗病毒
芜芩
六、转基因植物研究存在的问题
环境释放安全性 食品安全性
生物安全的含义
• 生物安全使指在一定的时间与空间范围内，由于自然或人 类活动引起外来物种迁移，外来物种在定居、建群、繁衍、 扩展的连串过程中造成对本土物种和生态系统的威胁、危 害，使之衰退，甚至退化和灭绝；或由于人为造成环境的 剧烈变化，导致生态环境的破坏或掠夺生物资源，砍伐和 捕捞过度，严重时导致物种濒危或灭绝；或由于科学研究、 开发、生产和应用中造成对人类健康、生存环境和社会生 活的有害影响。 • 这三种情况均属于生物安全范围，第一种其实是外来物种 入侵，或角生物入侵。第二种情况是生态环境的破碎化、 片断化和边缘化，同样使生物多样性受到威胁。第三种情 况是指生物技术和生物工程引起的生物安全问题，是科技 进步带来的负面影响，主要包括转基因农作物的生物安全 问题。
枪击法 • 将待转化的DNA沉淀在细小金属珠的表面，用特 制枪将金属珠直接打入植物细胞，枪的威力为430 m / s，植物细胞通常是胚胎细胞、玉米籽、叶子 等，但进去的DNA片段整合效率极低。 电击法 • 将高浓度的质粒DNA加入到植物细胞的原生质体 悬浮液中，混合物在 200 - 600 V / cm 的电场中处 理若干秒钟，然后将原生质体在组织培养基中生 长 1 - 2 周，再生出整株植物。
药物名称 基因来源 应用 抑制HIV 抗过敏 多种用途 植物载体 烟草 烟草、番茄 烟草 烟草、马铃薯、 番茄 油菜、拟南芥 烟草 核糖体抑制蛋白 恬楼、玉米 血管紧张肽转化 牛奶 酶 抗体 抗原 脑啡肽 表皮生长因子 老鼠
细菌、病毒病原 口服疫苗 人 人 止痛、镇定剂 特殊细胞增值
促红细胞生成素 人
第十章 转基因技术与 应用
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。 转基因植物
转基因动物
四、转基因植物的鉴定
选择培养基检测：如Ti质粒改造时插入抗生素标记基因 遗传标记检测：选择标记治理，如含有β -葡糖苷酸酶、
荧光素酶基因等
目的基因检测：PCR、分子杂交等
五、转基因植物应用
植物基因改良 抗虫害植物、抗转基因生物的潜在生态风险
• 转基因生物的“基因污染”造成生态问题， 引起杂草化。
1998年，加拿大Alberta省发现一种Canola油菜，它由于基因污染而含 有抗草甘膦、抗固沙草、抗咪唑啉类除草剂等三掌转基因堆积而成的 “光谱抗除草剂基因”（HT基因）。这种多抗性怪异油菜的种子爆荚、 休眠期长、种子很小、圆而光滑，可随风传播到相当远的距离，更易造 成基因污染和扩散，而一般除草剂对它无可奈何，成为多抗性的“超级 杂草”。 另一个有名的例子是：J. E. Losey 1996年在《Nature》杂志发表的一 篇报导：他们用转Bt基因玉米花粉的马利筋叶片来饲喂大斑蝴蝶幼虫， 对照组是加普通玉米花粉的马利筋叶片及不加玉米花粉的马利筋叶片， 结果转基因玉米花粉的叶片饲喂幼虫后，第二天死亡10％以上，4天后 死亡44％。而对照组全部存活。这就表明，Bt转基因玉米花粉可能威胁 大斑蝴蝶的生存,引起生态种群的破坏。
二、转基因植物受体包括： • 叶盘、胚轴、茎尖、茎段 • 原生质体 • 悬浮细胞 • 愈伤组织 • 胚状体 • 活体
三、转基因方法
直接导入法 • 物理法：基因枪法、电击法、超声法、显微注射 法、激光微束法 • 化学法：PEG法，脂质包埋法等
载体介导法：农杆菌介导、病毒介导法
花粉管通道法
直接导入法
转染植物组织
花粉管导入法
将外源DNA沿着花粉管经过珠心进入尚未形成正常细胞壁的 卵、合子或早期胚胎细胞中，从而实现基因的转移。这一方法是
我国科学家周光宇首先提出设计的，目前已应用于水稻、小麦、
棉花、大豆、花生、蔬菜等作物的转基因研究。 花粉管导入法的特点是直接、简便。它的受体材料为植株整 体，省略了细胞组织培养的诱导和传代过程，排除了植株再生的 障碍，特别适合于难以建立有效再生系统的植物。由于转化的是 完整植株的卵细胞、受精卵或早期胚胎细胞，导入的DNA分子整 合效率较高。
转 化
农杆菌
大肠杆菌
细菌接合
T-DNA区 同 源 整 合
农杆菌
感 染 植 物 根 部 细 胞
T D N A 区 整 合 在 植 物 细 胞 基 因 组 上
r 植 物 细 胞 筛 选 标 记K m
外源基因
二 元 整 合 转 化 程 序
LB
T -D N A
大 肠 杆 菌 农 杆 菌 穿 梭 质 粒
RB
转基因棉花（Bt基因） 富含维他命A的黄金大米
抗虫玉米
转基因番茄（抗花叶病基因）
•1983 年 美国和比利时科学家首次将外源基因导入烟草和胡 萝卜。
•1994
年 世界上第一种耐储藏的番茄在美国批准上市。
•1995 年 转基因的抗虫、抗除草剂的玉米和棉花在美国投入 生产。 •2000 年 美国转基因大豆的种植面积首次超过普通大豆。
• 转基因生物对健康安全的潜在风险
转基因食品有毒性吗？转基因食品可能造成过敏吗？转基因 食品中的标记基因会不会有危险？一些具有抗除草剂或毒杀 害虫功能的基因，是否会通过食物链进入人体内而影响健康？ 外源性目的基因转入移植后是否会产生新的有害遗传性状或 不利于健康的因素？转基因食品对人类的生殖遗传是否会有 影响？等等。
•迄今为止
世界上共批准了12种作物、6大类性状的48个转基 因品种进行商业化生产，其中包括水稻、玉米、马铃薯、小 麦、黑麦、红薯、大豆、豌豆、棉花、向日葵、油菜、亚麻 、甜菜、甘草、卷心菜、番茄、生菜、胡萝卜、黄瓜、芦笋 、苜蓿、草莓、木瓜、猕猴、桃、越橘、茄子、梨、苹果、 葡萄等。
应用于生产转基因药物的植物