现代生物技术综述_李强

综合述评
现代生物技术综述
李　强　韩一凡
(中国林科院林业所,北京100091)
摘要　近20年来,遗传工程生物技术以其极为广阔的应用前景和商业潜力,引起各界的关注。

本文较全面地介绍了生物技术在农业、林业、动物、人类、环境以及海洋生物等领域的发展现状,并提出了林业生物技术的发展侧重点。

关键词　生物技术　遗传工程　综述
生物技术就是利用生物有机体(微生物、动物和植物等)或其部分(细胞、组织和器官)生产医药、化工、农产品和其它相关产品的过程。

广义的生物技术基本可分为两大类:一类就是我们已经很熟悉的传统生物技术,例如发酵、生产酒精和奶酪等;另一类就是本世纪70年代发明的以遗传工程为中心的高新生物技术。

近20年来,生物技术以其广阔的应用前景和商业潜力,引起各界的极大关注。

1　农业生物技术
1.1　动、植物生物技术
1.1.1　动物生物技术
动物生物技术也是近些年来发展较快的领域之一,主要体现在以下几个方面:
(1)控制动物传染病
在畜牧业中,通常是直接注射疫苗防治动物传染病。

如今,可以利用遗传工程疫苗,用微生物作为反应器,大量生产控制动物病害的专一性疫苗,大大减少了负向效应。

现已商业化生产的工程疫苗有猪Scours 、羊蹄溃烂、绵羊麻疹和鸡Bursal 病等多种疫苗。

(2)增加产量
研究表明,注射牛生长激素(BGH )可使奶牛增产牛奶25%,使肉食牛瘦肉率和净重增长10%～15%。

因为BGH 可促使牛体内的营养成分重新平衡,使脂肪储存转向多产奶和瘦肉。

科学家们已经利用工程细菌大量生产BGH,在美国,10%的奶牛场已经开始应用BGH,并已开始在绵羊和猪等动物中进行研究。

另外,通过转基因改变鱼类和贝壳类动物体内的激素平衡,使其速生的研究也在开展中。

1998 世　界　林　业　研　究 WO RLD FORES TRY RESEARCH
No.3⒇收稿日期:1998-04-02
(3)改良品质通过遗传工程使不相关动物个体间的基因转移已成为现实。

早在80年代初,瘦肉率很高的转基因猪便告成功,只是因为该种猪能育性低,免疫系统尚有缺陷而未能商品化生产。

澳大利亚的科学家们正致力于产毛率高和能育性高的转基因绵羊的研究工作。

(4)药物生产反应器
科学家们把部分狂犬病毒与一种不相关的动物载体进行病毒融合,构建成杂合病毒,使这一动物产生免疫功能。

据报道,在美国东部的许多野生浣熊分布区,含有该病毒的食物诱饵已经出现。

还有,单克隆抗体也是一个极好例证。

科学家们最近又成功地利用山羊和绵羊,分泌所需的生物活性分子到它们的血液、尿液或奶汁中。

在不远的将来,利用猪生产不被人体排斥的器官移植供体也不是不可能的。

1.1.2　植物生物技术
遗传工程在农业上最广泛应用的是转基因植物。

自从1984年首次报道了在烟草中有效地引进和表达外源目的基因之后,现在已经延伸到35科中的120多个植物种。

主要包括农作物、蔬菜、园艺植物、药用植物、果树和树木等。

主要目标涉及抗病虫害和除草剂,改良农作物和经济作物的重要经济性状,改善品质,创造全新植物种等。

迄今为止,超过3000个转化植物品种的田间试验至少在30个国家中进行或已经完成。

这些大田试验包括40个以上植物种的各种性状改良。

植物外源基因转化的有效方法主要是农杆菌介导的基因转移、原生质体或胚性细胞的直接转移、粒子轰击转移和电融合等。

所用的可以是目标植物的部分器官、组织或是细胞、原生质体。

从目前发展的情况看,过去的主要限制因子一直是基因转移方法和完整植株再生,现它已不再成为限制其应用和发展的瓶颈,而更多的注意力开始向获得理想的外源基因表达效果、解决实用的植物分子生物改良的方向聚焦。

(1)抗虫害植物
虫害每年给主要农作物生产带来极大的经济损失。

目前普遍还是化学防治,不仅防治费用昂贵,而且造成污染环境和食物中的残毒,易使害虫产生抗药性。

抗虫转基因带来了新的希望。

最广泛应用的抗虫基因是苏云金杆菌的毒蛋白基因(Bt ),它表达产生的毒素能够引起某些种类昆虫的神经中毒和其他一些生理作用,致使害虫在短时间内死亡。

除此之外,还有豆科植物的蛋白酶抑制剂基因、凝集素基因和淀粉酶抑制剂基因等。

目前,实现转化的物种有水稻、棉花、小麦、大麦、玉米、高粱、大豆、马铃薯、西红柿、大白菜、甘蓝、茄子、甘蔗、苜蓿、咖啡、香蕉、苹果和杨树等。

其中转Bt 基因的棉花、大豆、玉米、西红柿和马铃薯已经大规模商业化释放,杨树转基因植物已经获得了中国政府的释放许可,目前正在生产中推广。

(2)抗病毒植物
世界上许多农作物和经济作物为病毒病所困扰,生物学家们通过转基因导入病毒外壳蛋白基因、病毒反义RN A 基因、病毒卫星RN A 基因或从植物中提取的抗病基因来有效控制病毒病的蔓延。

迄今已有大量转基因抗病毒植物获得成功,如抗病毒的烟草、水稻、小麦、黄瓜、马铃薯、西红柿、胡瓜、木薯、香蕉和苜蓿等。

已经获得批准商业性释放的有烟草、西红柿、马铃薯和胡瓜。

(3)抗除草剂植物
2
世　界　林　业　研　究 W ORLD FO REST RY RESE ARCH
Gly phosa te 是一类于环境有益的广谱型除草剂,它在外界环境中容易降解,它通过干扰植物的光合酶系统而发挥作用。

所以,这类除草剂不能有选择地区分杂草和农作物,在施放时也会同时杀死植物本身。

科学家们运用遗传工程方法培育出抗Gly phosate 的农作物,从而达到除草的效果。

目前,小麦、玉米、棉花、大豆、马铃薯、甘蔗和莴苣等已经获得转基因。

已经大规模商业化释放的有大豆、玉米和棉花。

(4)改良植物品质
增加油菜、向日葵、苷蓝和亚麻中不饱和脂肪酸含量,改善西红柿、西瓜、覆盆子和草莓等的口味并延长保存时间,改变水稻和小麦中的蛋白质含量,增加部分水果中的糖分含量,改善咖啡口味和增加产量以及减少咖啡因含量,增加部分农作物和牧草的放绿时间等研究正在进行中或已经取得了可喜的进展,其中部分新品种已经商业化释放。

(5)抗细菌和真菌病植物
主要农作物的细菌和真菌病害也很严重,目前除了必要的化学药物防治外,相关转基因工作也在进行中。

目前遇到的困难是如何寻找合适的抗病基因。

相对而言,该项研究的进展稍微滞后一些。

(6)抗逆境植物
培育抗盐碱、抗干旱、抗水涝、抗冻、抗紫外线和重金属盐的优良农作物的研究工作也在开展中。

(7)其它类
澳大利亚的科学家研究发现,如果绵羊的草料中富含硫,将有助于提高羊毛纤维的质量,他们已经培育出了牧草叶片中产生富含硫蛋白转基因苜蓿,第一步目标就是转基因牧草。

在花卉工业中,培育特殊颜色和开放保存时间长的名贵花草的研究已取得可喜进展。

根据造纸业所用木材的特别需求,培育低木质素含量的木材的研究工作也在进行。

2　林业生物技术
植物生物技术的快速发展也给林业带来新的生机和希望。

特别是近几年来,分子生物学技术和研究方法的更新和突破,使得林木物种研究工作呈现出勃勃生机。

2.1　林木组培和无性快繁
林木组培和无性快速繁殖技术,对保存和开发利用林木物种具有特殊意义。

由于林木生长周期长,繁殖率低,加上本世纪以来对工业用材以及经济植物的需求量有增无减,单靠天然更新已远不及需求。

几十年来,经过科学家们的不懈努力,如今一大批林木、花卉和观赏植物可以通过组培技术或无性繁殖技术,已实现了大规模工厂化生产。

这不仅解决了苗木供应问题,而且为长期保存和应用优质种源提供了重要手段,同时,还为林木基因工程、分子和发育机制的进一步探讨,找到了突破口。

尤其是过去一直被认为是难点的针叶树种组培研究,如今也有了很大程度的突破,如组培生根、芽再生植株、体细胞胚诱导和成年树种的器官幼化等。

2.2　林木基因工程
林木转基因是一个比较活跃的研究领域。

近几年来成功的物种不断增多,所用的目的基因也日趋广泛,最早试验成功的是杨树。

到目前为止,有些项目开始或已经进入商业化3
现代生物技术综述
操作阶段。

在抗虫方面,有表达Bt 基因的杨树、苹果、核桃、落叶松、花旗松、火炬松、云杉和表达蛋白酶抑制剂的杨树等;在抗细菌和真菌病害方面,有转特异抗性基因的松树、栎树(白僵病)和山杨、灰胡桃(黑腐病)等;在特殊材质需要方面,利用反义基因技术培育木质素低含量的杨树、桉树、灰胡桃和辐射松等。

2.3　林木基因组图谱和群体多样性
利用遗传图谱寻找数量性状位点也成为近几年的研究热点之一。

一般认为,绝大多数重要经济性状属数量性状由若干个微效基因的加性效应构成。

构建某些重要林木物种的遗传连锁图谱,然后根据其图谱,定位一些经济指标性状的数量位点,为林木优良性状的早期选择和分子辅助育种提供证据。

对于构建物种的遗传连锁图谱,首先要有足够的分子位标。

这些位标的获得,以前主要来源于同功酶和限制性片段长度多态性(RFLP ),进入90年代以后,一批以聚合链式反应(PCR)为基础的分子标记相继应用,如随机扩增的多态性DN A (RAPD )、微卫星DN A (SSR )、扩增片段的长度多态性(AFLP )、DN A 单链构型的多态性(SSCP)、特殊cDN A,rDN A 、叶绿体DN A 以及线粒体DM A 的特异性扩增等。

这些新分子标记的应用大大丰富了林木遗传图谱的研究内容,也为物种遗传多样性和群体结构研究、基因流动性、物种起源和进化关系找到依据。

目前,已经完成或正在进行遗传图谱构建的林木物种有杨树、柳树、桉树、栎树、云杉、冷杉、落叶松、黑松、辐射松和花旗松等。

主要经济性状定位的有材积、材重、生长量、光合率、开花期、生根率、纤维产量、木质素含量、抗逆性和抗病虫能力等。

2.4　林木分子生理和发育
调查木本植物的发育机制和它们对环境的适应性,也由于相关基因分离和功能分析的深入进行而逐步开展起来。

已开展起来的工作有:调查一些特异性启动子的功能和效率,如RolC 基因启动子在转基因山杨休眠期和再生长中的作用、杨树32KD 树皮储存蛋白(BSP )和Win 基因家庭等因伤诱导型启动子的特异表达形式、35S 以及RbcS 启动子在转基因杨树中的表达等;一些次生合成代谢中关键酶基因特异表达形式,如木质素合成中的PAL 、CAD 、4CL 基因在木质部的表达特异性和紫外线的诱导表达、异黄酮类合成中的CHS 基因的受胁迫诱导表达和与生根的关系;一些同源异型盒的表达,如与信号转导途径有关的M yb-like 同源盒同木质部发育,M ADS 同源盒同被子植物花或裸子植物球果发育的密切关系;细胞骨架如Actin 基因在根原基发育中的重要作用;自然或人为的环境胁迫对基因表达的影响,如盐碱化、干旱、寒冷、水淹、强紫外线和病源体侵入等,特殊发育阶段的基因差异性表达如开花期等。

有些时候,不同生理过程被卷入同一类基因的激活或抑制,一个典型例子:几丁质酶基因在机械损伤、病菌侵入、干旱胁迫后,都能诱导表达。

3　人体相关生物技术
3.1　单克隆抗体
自1975年以来,科学家们发现,鼠的抗体产生细胞可以和鼠肿瘤细胞融合,并产生一种既能无限增殖又能产生抗体的杂合细胞——单克隆抗体技术应运而生。

它产生的抗体和实验动物产生的无异,但产量却大幅度提高。

如今,该项技术已成为诊断各种疾病(如癌症、病毒性胃肠炎、乙肝、囊性纤维变性和性传播疾病)的一种重要工具。

该项诊断技术的
4 世　界　林　业　研　究 W ORLD FO REST RY RESE ARCH
特点是:技术设备简易、诊速快且敏感度高和取样少等。

3.2　D N A 探针遗传诊断最近发展起来的DN A 探针(这是一类特殊DN A 片段,特异性匹配和结合某个基因)诊断技术,大大推动了遗传病的早期诊断和预防。

首先制作已知序列遗传病的DN A 探针和化学标记DN A 探针,通过DN A 杂交诊断从成人体内或胚胎取来的微量样品,即可获得遗传信息,大大减少遗传发病率或为早期诊治提供手段。

DN A 探针还能用于病体个别复杂器官的诊断。

3.3　D N A 指纹图谱
世界上没有完全相同的生物体,这是因为在基因水平上,他们的DN A 或多或少存在着差异,也就是说,DN A 化学组成的不同反映了个体的遗传组成的差异。

当我们用限制性内切酶切割不同个体基因组DN A,再用特定DN A 探针杂交时,在所观察到的带型中,每个个体都是有其特异性的,这就是通常所说的指纹图谱。

指纹图谱对于鉴定犯罪分子遗留在犯罪现场的指纹痕迹,为司法部门缉拿罪犯和法庭定罪提供依据起着决定性的作用。

我们还看到,遗传背景越相似的个体其遗传图谱也就越相近,利用这一规律,我们就可以把DN A 指纹图谱作为亲子鉴定的依据了。

3.4　人类基因治疗
早在好多年以前,研究人员就开始尝试癌症的基因治疗,旨在抑制肿瘤细胞的生长。

例如,利用癌基因或其受体的反义技术;利用可诊断的肿瘤抑制基因,定向在肿瘤细胞中植入自杀基因;增加其对药物的敏感性。

如何实现外源基因向人体的传递,一直是人类基因治疗中的研究热点之一。

反转录病毒载体或化学治疗剂已经被用于癌症、遗传病和艾滋病的治疗中。

4　环境生物技术
现代工业的飞速发展在给人类带来巨大经济效益的同时,也不可避免地造成了很多负向效应,其中环境污染问题越来越成为人们注意的焦点。

目前,主要处理措施是化学治理或生物治理。

近10年来,环境生物技术的研究已呈几何级数增长。

4.1　污水处理
每天有成千上万吨的富含氮和磷类有机物的生活废水和垃圾直接排放到河流或其它水体中,而这种直接排放方式会破坏整个水体环境的生态平衡。

现在,可以利用经过遗传改造的硝化细菌降解含氮有机物,以游离氮排放到空气中;利用硫细菌消化吸收多余的硫化物。

科研人员还利用膜生物反应器、生物过滤反应器来处理废水。

4.2　消除化学污染物
利用细菌和其它微生物,吞噬化学有毒物或废弃物,降解或破坏其结构,使之对环境无毒害时再释放出去。

必要时,这些细菌可以通过遗传改造,使之比自然种具有更强的清除效果。

一个很好的例证,利用一种白色腐霉真菌(现在已知的达6000～10000种)降解军工厂的垃圾炸药TN T ,使之无害于环境。

利用能降解有机氯化物的白色腐霉真菌,消化造纸厂排出的大量有害液体。

另外,这种真菌还可消化土壤中一些有毒的氯化物如DDT 以及残留的氯丁橡胶塑料、冰冻剂、涂料、溶剂、除草剂和杀虫剂等。

除此以外,还有如食品5
现代生物技术综述
加工、化学制造、纺织和酿酒等工业产生的废弃物也可以利用生物技术方法来处理。

4.3　处理石油污染
海上石油开采过程中,会有大量的油污废物排放到海洋中,这是该区域的海洋生态环境的主要威胁。

我们可以从土壤中寻找合适细菌或真菌,降解碳氢化合物,从而保护海洋生态环境。

为了更有效地清除海洋油污,可以对吞噬石油的微生物进行遗传重组,使它们能在高盐和寒冷的环境下也能生存下来并行使职责。

5　海洋生物技术
5.1　生物医药产品
海洋生物界的多样性为生物医药新产品的开发提供了极其广泛的资源。

自从80年代医药厂家和海洋生物学家联手合作以来,海洋新药和制剂开发的商业性发展达到空前地步,其中海绵和巨海藻是海洋生物活性产物的最主要资源。

目前,已有一大批抗肿瘤制剂、免疫抑制制剂和抗感染制剂已被开发出来。

根据已有的文献报道,至少有几百种不同的海洋生物活性物质已被发现。

美国和日本在这方面的研究和开发处于领先地位。

由于医药市场的激烈竞争和商业保密性,很难统计现有多少种海洋新药已用于临床实践。

就癌症治疗和研究而言,来自美国癌症研究所的报告说,该所一半以上的新产品开发与海洋生物有关,如出自红树海鞘的生物碱类新药Ecteinascidin-743、出自一种苔藓的抗肿瘤制剂Bryo statin-1、发现于海兔中的多肽药物Dolasta tin-10和发现于一种海绵的抗癌药物Halicho ndrin 等。

除抗癌新药外,还有其它用途的药物均来自海洋。

例如,从加勒比海鞭中分离出来的一系列双萜糖苷类制剂Pseudo terosins,在临床中表现出理想的抗感染效果,它的一种衍生物M ethoptero sin,目前也正广泛用于关节炎、牛皮癣和哮喘病等炎症的治疗中。

5.2　防冻蛋白
研究发现,生活在北冰洋和南极洲的鱼体内,有高含量的防冻蛋白,具有很高的开发利用价值。

例如,提取其基因,转化植物和动物,增加其产量和延长储藏时间。

现在已经成功的把大西洋鲑鱼1型防冻蛋白基因(AFP 1)转入比目鱼。

还有,来源于嗜冷细菌的功能性浆源蛋白已商业化,用于人工制雪工程中。

这些还可潜在用于制造冰激淋及相关产品中,通过转基因防止经济作物的霜冻等寒害。

5.3　生物粘合剂
许多海洋无脊椎动物,如一些贝壳类、滕壳等,能分泌粘合蛋白,促进固体物间的粘合。

该蛋白的序列分析表明,它没有一般粘合多肽所特有的重复序列。

目前化学合成的这个天然产物的类似物已经开始应用在医药方面,包括组织接合和伤口修复。

6　加强林业生物技术的研究
根据各学科生物技术的发展,林业生物技术的研究工作应加强以下几个方面的研究:(1)利用生物技术,特别是遗传工程改良树木的抗逆性性状和经济性状,以适应人类
6 世　界　林　业　研　究 W ORLD FO REST RY RESE ARCH
对树木的需求和提高树木对各种环境的适应能力。

(2)根据树木特点,利用多种分子位标开展林木基因图谱及群体多样性研究。

(3)加强分子生理及发育学科的研究。

(4)将单克隆抗体DN A 探针的遗传诊断以及DN A 指数图谱广泛应用于林业。

(5)利用环境生物技术治理被污染的环境,特别是工作环境。

(6)加强与医学界的合作,利用生物技术开发生产新药品和保健药品,促进人类健康。

7　主要参考文献
1　Allan Campbell et al.Ann ual review of genetics.Annual review s,INC,1997,(31).
2　Aris Persidis .Biotech nologies to w atch .Natu re Bio technolog y ,1997,(15),12:1409～1411.
3　Bette H ileman.Biotech nology:s tatus and future in agriculture and th e environm ent.NS F W orksh op,1996,(1):21～22.
4　Bette Hileman.View s differ sharply over benefits,risks of agricultural bio technolog y.Chemical &Engineering New s ,1995,(8):21.
5　Carol Loopstra.M eeting report :Conifer Biotech nology Working Grou p 7th In ternational Conference,Aus tralia,1995(6):26～30.
6　Cath erine Props t.Biotech nology :concep ts and tech niques ,1996,(1):21～22.
7　Charles Beck ,Thomas Ulrich .Biotech nology in th e food indus try .BIO /Techn ology ,1993,11(8):895～902.8　Claire Kinlaw ,Dave Harry.Recent advances in molecular g enetics of tree species.6th IU FR O M olecular Genetics Wo rk shop,U SA,1994,(5):20～23.
9　Claire S.Kinlaw.Report on th e joint m eeting of IU FRO w orking parties fo r Somatic Cell Genetics and M olecular
Genetics .Belgium ,1995,(9):26
～30.10　Darryl M acer.Plan t biotech nology,bioethics and food.Nature &Resources,1997,33(2):2～13.
11　Don A.Cow an.The marine biosph ere :a g lobal res ource for biotech nology.Trends of Biotech nology,1997,15
(4):129～131.
12　Donald Renn.Biotechnology and th e red s eaw eed polysaccharide indus try :s tatus ,needs and prospects.Trends in
Biotech nology,1997,15(1):9～14.
13　Douglas J e of rBS T in American 's dairyland.Ag ricultural Tech nology and Family Farm Ins titute
Fact Sh eet ,1995,(3):3.
14　Edgar J .Dasilva.Biotech nology in th e Islamic W orld.Natu re Bio techn ology,1997,15(8):733～735.
15　Hen ry ler.Biotechnology and th e UN :New Ch allenges ,New Failu res.Nature Biotech nology,1996,14
(7):831～834.
16　Gegiao W ang et al .Poplar (Populus nigra L .)plan ts trans fo rmed w ith a Bacillus thur ig inesis toxin gene :ins ectici-d al activity and gen omic analysis.Trasg enic Res earch ,1996,(5):289～301.
17　Human Genome Project.Gene th erapy New s till,1998,(1).
18　J uan J .Es truch et al.Transgenic plants :An emerging approach to pes t control.Nature Biotech nology,1997,15
(2):137～141.
19　L.J ones.Food biotech nology :curren t developments and th e need for awarenes s.Nu trition &Food Science,(6):
5～11.
20　L .Nicholas Oms ton .Annual Review of M icrobiology ,1995,(51),Ann ual Reviews IN C .
21　M ary J .W alters ,Gary K.Robins on.Environm en tal bio technolog y :monitoring,mobilising and mineralising pol-
lution.Trends of Biotechnology,1997,15(8):280～282.
22　M azur B J .Commercializing th e p rod ucts of plan t biotech nology.Trend s of Biotech nology,1997,15(3):85～87.7
现代生物技术综述
23　P J Keay ,YU W ang .Appl ications of flow injection analysis to analy tical biotechnology .Trends in Biotech nolo-
g y ,1997,15(2):76
～81.24　R S Crespi.Biotechn ology paten ts and moral ity.Trends in Biotechn ology,1997,15(4):123～129.25　Rich ard Braun.Biotech nology for w orld food secu rity.Trends of Bio technolog y,1997,15(9):336～338.26　Rich ard M ichelmore.Big New s for Plant Tran sformation.Natu re Biotech nology,1996,14(13):1653～1654.27　Robert J .W all .A new lease on life for transg enic liv es tock .Nature Biotechnology ,1997,15(5):416～417.28　L Russ ell ,Jone et al .Annual Review of Plant Physiology and Plan t M olecu lar .Biolog y ,Vol .48,197,Annual
Review s IN C.
29　J Thomas.Hoban.Cons umer acceptance of biotech nology :an in ternational pers pective,Natu re Biotech nology,
1997,15(3):232～234.
30　R Todd .Nelson ,H Lau ber And rea .M innesota 's biotechnolog y po rtfolio .Natu re Biotech nology ,1997,15(8):
737～740.
31　William Fenical.New pharmaceuticals from marine organis ms.Trends of Biotechnology,1997,15(9):339～341.
A Brief Introduction to the Application of Biotechnology
Li Qiang Han Yifan
Abstract The current situa tion o f dev elo pm ent o f biotech nolo gy in ag riculture ,fo restry,zoo logy ,huma n bio logy ,enviro nm ent a nd m arine biolo gy is introduced com-prehensiv ely.The em pha sis of bio tech nological dev elopment in forestry is put forw ard.The autho rs sugg est that the forestry biotechnolo gy research sho uld be streng thened from the fo llowing aspects :(1)by g enetic engineering to improv e tree quality ;(2)g ene m ap a nd po pulatio n biodiv ersity;(3)mo lecula r phy siolog y;(4)controlling env iro nmen-tal pollution;(5)developing and producing m edicines from forest products.
Li Qiang and Han Yifa n w ork in the Resea rch Institute of Fo restry ,Chinese Academ y of Forestry ,100091Beijing,China.8 世　界　林　业　研　究 W ORLD FO REST RY RESE ARCH。