园艺育种学-分子育种
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多种几丁质酶已被克隆并转入烟草、番茄中,转基因植株表 现了抗真菌的特性。
B:植物抗毒素是植物产生的对一些不同种类 的病原菌具有毒性的物质,亦称植保素。
目前已鉴定了 200 多种植保素,其中以类黄酮 与类萜类植保素研究最多。从葡萄中分离出的 一种植物抗毒素3,4,5-三羟芪合成酶基因导入烟 草后,转基因植株与对照相比表现出对病原菌 (Botrytis cinerea)更强的抗性。 此外导入植物的核糖体灭活蛋白( RIP )抗真 菌性病害也有报道。
2 基因工程的作用
(1) 抗病基因工程:抗病毒、抗细菌及抗真菌 抗病毒:研究发展最快,主要采用向植物导入病毒外壳蛋白 (Coat Protein, CP) 基因。 自从1986年Beachy等将烟草花叶病毒的外壳蛋白基因(TMVCP)导入烟草中,发现转基因植株发病时间明显延迟或病害 的症状明显减轻后,已对多种植物病毒进行了试验,将这些 植物病毒的外壳蛋白基因导入植物以增强其抗病毒能力。如 黄瓜花叶病毒( CMV )、马铃薯 X 病毒和 Y 病毒( PVX 和 PVY )、大豆花叶病毒( SMV )、苜蓿花叶病毒( AIMV ) 等 20 多种病毒的外壳蛋白基因导入植物后,均得到了类似的 结果,使植物获得了对相应病毒的抗性。在我国,导入TMV 和CMV外壳蛋白基因获得的抗病毒烟草已在进行田间试验, 增产效果明显。
转CMV/CP基 因的番茄
除利用外壳蛋白基因途径外,还有利用转移病毒的反义 RNA、 卫星 RNA 、病毒复制酶基因( replicase )和核酶( ribozyme ) 基因,以及利用植物本身编码的抗病毒基因如核糖体失活蛋 白基因(ribosome inactivating protein,RIP)等也有获得成 功的报道。
1.4 发展现状
国际上生物技术的研究与开发已进入了商业化阶段。生 物技术的第一个浪潮是医药,第二个浪潮将是农业、环境和 海洋生物技术。 在农业生物技术中,转基因植物的研究与开发最为突出。从 1983年首例转基因植物(烟草)诞生以来,现在已有 100多 种植物通过基因工程技术获得了转基因植株,包括番茄、辣 椒、茄子、马铃薯、胡萝卜、芹菜、莴苣、甜瓜、黄瓜、白 菜、甘蓝、花椰菜、芥菜、石刁柏、洋葱、柑橘、柿等一批 重要的蔬菜、果树和其它主要的粮、棉、油等农作物及木本 花卉植物。
分子育种
基因工程与育种
一 植物基因工程的概念和作用
二 植物基因工程的方法和步骤
三 基因工程的安全性评价 四 基因工程在园艺植物育种中的作用和应用前景 分子标记辅助育种 一 分子标记的种类及其原理和方法 二 分子标记辅助育种的应用
传统的作物遗传育种已有几百年的历史了。主要包括: 1.选择育种。是指人们凭借经验从自然或人工生物群体中 ,根据个体表现型挑选符合人类需要的基因型,并使其稳定遗 传。基本原则是优中选优,它是任何育种方法不可缺少的基本 环节。 2.杂交育种。通过授粉等方法,把两个或两个以上的亲本组 合在一起,并对其后代进行选择培育,创造出比亲体更好的品 种。杂交育种比选择育种更有效。缺点是:育种周期太长.一 般为5—7年,甚至更长;无法在亲缘关系较远的物种间进行杂 交选育。 3. 诱变育种。杂交育种虽然可增加作物的变异频率,但仍十 分有限。
转基因改变花色的矮牵牛花(类黄酮、类胡萝卜素、花青素)
对照为纯紫色的矮牵牛花,转入了查尔酮合酶( CHS )基因后,同一棵植 株上能开出不同颜色的花,或纯白,或紫白相间,甚至在同一枝上,花朵 的颜色也各异。由陈章良教授实验室负责研制,已获商品化许可证。
转CMV病毒壳蛋白基因番茄
可抗CMV病毒侵染,由北大蛋白质工程及植物基因工 程重点实验室研究培育成,已获国家农业部签发的商 品化许可证,目前已经在云南、厦门等地商品化生产。
转基因辣椒开花
转基因辣椒结果
转杀菌肽基因的辣椒,表现抗青枯病
抗真菌性病害
控制真菌病害的关键,取决于对植物与病原真菌相互作用的 分子机理的了解。目前已知植物防卫反应主要表现在诱导产 生或激活抗菌物质和增强胞壁结构两方面,因此抗真菌病害 基因工程主要从这两方面着手。 A:几丁质酶(chitinase)基因和β-1,3-葡聚糖酶(glucanase )基因的产物均能降解许多真菌的细胞壁主要成分几丁质和 β-1,3- 葡聚糖,两者之间有协同作用,从而抑制真菌的生长 繁殖。
美国已批准的商品化的转基因植物(1997.1.31前)
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 名称 研制者 批准时间 1994 1995.6 1995.9 1996.3 1995.5 1995.8 1996.1 1995.6 1996.5 1995.6 1995.12 1996.12 1995.7 1996.1 1996.7 1996.6 1996.9 延熟番茄 延熟番茄 改熟番茄 改熟番茄 抗虫玉米 抗虫玉米 抗虫玉米 抗虫棉 抗甲虫马铃薯 抗除草剂玉米 抗除草剂玉米 抗除草剂玉米 抗除草剂棉花 抗除草剂棉花 抗除草剂大豆 抗病毒病西葫芦 抗病毒病番木瓜 Calgene Zeneca Plant Sci.&Petoseed Co,Inc. Monsanto Agritope Inc. Ciba Seeds Monsanto Northrup King Co. Monsanto Monsanto Agr Evo DeKalb Genetics Coop. Plant Genetics Systems Inc. Monsanto DuPont Agr .Products AgrEvo Asgrow Seeds Cornell U&U.Hawaii
我国已获得50多种作物的转基因植物,涉及的外源基因有100 多种。截止 1998年 2 月我国已批准商品化生产 4 项,环境释放 31项,中间实验10项。 基因工程产品已产生显著的效益,资料表明,1986~1997期间 ,已有45个国家在60多种作物上进行了近25000例转基因植物 的田间试验,主要有玉米、番茄、大豆、油菜,马铃薯和棉 花,转移的基因主要是抗除草剂、抗虫、品质和抗病毒病等 基因。 截至 1999年底,全球已有 12 种作物的 48 种转基因作物产品获 准进行商品化生产,转基因植物的种植面积近4×107 hm2。预 计全球范围内转基因植物产品的市场销售额,将由 1996 年的 不足5亿美元,到2010年增加到200亿美元(吃、穿)。
(2)抗虫基因工程 虫害给农业生产造成严重损失,化学药剂杀虫成本高、污 染环境。安全低毒的生物杀虫剂也存在成本高、药效不稳定 等不足,利用基因工程为此提供了一条新的途径。 A :苏云金芽孢杆菌( Bacillus thuringiensis , Bt )制剂长期 以来用于多种虫害的生物防冶,产生的原毒素-伴胞晶体毒 蛋白(δ内毒素)可在昆虫幼虫中肠道的水解酶作用下转化成 小分子的毒素多肽而对多种昆虫有很强的毒杀作用。 不同的菌株可产生不同的杀虫晶体蛋白,从而表现出对不同 昆虫毒性的专一性。对鳞翅目、双翅目和鞘翅目昆虫幼虫具 有专一性毒杀作用的苏云金芽孢杆菌菌株均已获得。
随即本世纪科学史上有两件最为激动人心和最具深远影响的 大事: 一是1953年沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构 ; 二是l 973年科恩和伯格建立了重组DNA技术.前者诞生 分子遗传学和分子生物学, 使生命科学步人分子水平的新时 代。后者诞生了生物工程学,使人类创造理想新物种的梦想 变成了现实,掀起了空前的基因工程育种热潮。
( 1 )转移的目的基因可从动物、人、植物或微生物中获取。基 因可在不同的生物系统之间进行交流或转移; ( 2 )目前的基因多为一些单个的主效基因,转基因植物分离纯 合快,这样就加快了育种进程; ( 3 )由于目的基因控制的性状明确,在导入到植物细胞之后, 可预知赋予植物的性状,因此具有定向改良植物的特点。
高抗螟虫的转基因杂交稻
中国农科院生物技术所的范云六院士与华中农大张启发 院士实验室合作研制成功的。抗虫转基因杂交稻“籼优 63”,抗虫效果达95%以上,农业性状优良,对照植株 螟虫受害率达100%。
转Bt毒蛋白基因玉米
中国农业大学王国英教授和中国农科院郭三堆研究员 实验室合作研究,国家“863”计划,转基因玉米表现 了高度的抗螟虫性,已获批准进行大田试验。
传统的常规育种手段使人类希望“随心所欲”地创造新品种甚 至新物种的愿望受到了极大的制约,而作物分子育种技术的出 现,将使这一梦想成真。
分子育种的概念
• 随着分子生物学理论和技术的发展,人 们可以直接深入到 DNA 水平改造园艺植物或 其他动植物,从而创造新的动植物品种。因此, 我们可以运用分子生物学技术,通过直接手段 (如基因工程)或间接手段(如分子标记辅助 育种)选育新品种的途径,称为分子育种。
植物基因工程是20世纪80年代开始兴起和发展起来的一门新 技术,它是在分子遗传学的理论基础上,综合采用了分子生物学 、微生物学和植物组织培养的现代方法和技术建立起来的,用于 改良植物性状,培育优质高产的植物新品种的分子育种技术。它 给园艺植物和农作物提供了一条重要的品种改良途径。
1.3 基因工程育种的特点
转Bt毒蛋白基因水稻
转Bt毒蛋白基因玉米
自从将Bt毒蛋白基因导人烟草和番茄并表达,表现 出抗虫特性以来,已相继获得抗虫转基因玉米、水 稻、马铃薯、甘蓝、棉花、杨树等。
除了Bt毒蛋白之外,人们也在探索其它的抗虫基因。 B:比较成功的是利用植物的蛋白酶抑制剂。因蛋白酶抑制剂能 抑制昆虫消化系统中的蛋白酶,从而抑制蛋白质的降解,导致昆 虫消化不良而影响其生长发育,甚至死亡。 Hinder 等将编码豇豆胰蛋白酶抑制物( CpTI)的基因转移到烟 草后,明显增强了转基因烟草对烟草夜蛾(Heliothis virescens) 幼虫的抗性。 C:利用雪花莲( Galanthus nivalis )外源凝集素( GNA)基因 、α-淀粉酶抑制剂(a-AI)基因导入不同的作物中,也表现出明 显增加抗虫性。 GNA是自然界广泛分布的一组糖蛋白,大多数 对人和哺乳动物有很强的毒副作用,只有少数植物 GNA 如豌豆 和石蒜科的雪花莲外源凝结素对人和哺乳动物的毒性很低,而又 表现出较强的杀虫活性。 此外,一些昆虫毒素(蝎子神经毒素、蜘蛛杀虫肽等)基因也已 被用于抗虫基因工程。
抗细菌性病害
途径之一是将病原菌细菌基因导入植物细胞,使其过量 表达,或表达失去原有功能的蛋白,或表达失去原有的 时空性,从而干扰病原菌的正常生理代谢,使寄主植株 表现出抗性; 途径之二是利用杀菌肽基因。杀菌肽可破坏细菌细胞膜, 改变细胞内外渗透压,细胞内容物尤其是K+的外渗,导 致细菌死亡。 途径之三是利用溶菌酶。溶菌酶( lysozyme )可裂解某 些细菌胞壁的多糖组分并溶解它们。溶菌酶基因和多种 杀菌肽基因已被克隆并转入烟草,转基因植株对细菌表 现出一定的抗性。
1.1农作物利用基因工程手段育种操作的基本过程如下
1 用许多分子生物学方法获得目的基因;
2 然后以质粒(—种小的、环状DNA分子,能自行复制)为载 体,将目的基因转人大肠杆菌中进行大量复制,形成一个目的 基因库; 3 再通过土壤农杆菌Ti质粒载体、电导、电刺激或“基因枪” 等方法将其导人植物体细胞;
第一节 基因工程与育种
第二节 分子标记辅助育种
第一节 基因工程与育种
一 基因工程的概念与作用
1 植物基因工程的概念及特点
概念:植物基因工程(plant genetic engineering)是指把 不同生物有机体 DNA (或基因)分离提取出来,在体外 进行酶切和连接,构成重组DNA(recombination DNA) 分子,然后转化到受体细胞(大肠杆菌)使外源基因在受 体细胞中复制增殖,然后借助生物的或理化的方法将外源 基因导入到植物细胞,进行转译或表达。
4 通过组织培养获得转基因植株.再经过后代选择及外源基因 鉴定等逐渐形成生产上可利用的具有优良性状的新品种或新品 系。
1.2 基因工程发展简史
分子生物学研究揭示了基因的分子基础,即所有生物共用一 种遗传密码。这—发现意义非常深远,因为遗传密码既然通 用.那么由它组成的基因在整个生物界也就是可通用的这一 生命科学史上划时代的伟大发现,为日后在分子水平上进行 作物的遗传育种研究打下了坚实的理论基础.