培育抗除草剂作物
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培育抗除草剂作物
• 杂草危害 • 除草剂的发现与发展 • 抗除草剂作物
农田杂草的危害
杂草生长与农田，影响农作物的发育，降低 农作物产量，使产品质量变劣，增加生产 成本，给生产带来很大损失。
1.与农作物争夺水分、养分、光照和空间
许多杂草根系发达，吸收能力强，苗期生长速度快，光 合效率高，营养生长能快速向生殖生长过渡，具有干扰 农作物的特殊功能，夺取水分、养分、和光照的能力比
基因工程及转基因作物的含义
• 基因工程的定义
利用分子生物学技术把经过分离或人工构 成的基因通过适当的基因转化方法导入受 体细胞的基因组中，得到基因产物和生物 活性的表达，并能遗传至后代。
• 转基因作物的定义
在农业生产中，人们通过基因工程技术，将具 有某种特性基因，转移到农作物中，以改良作 物特性，由此得到的作物称为转基因作物。
（4）1987年，美国卡尔金公司的托普森等人 从鼠伤寒沙门氏杆菌中分离出一种基因 （aroA基因），它的产物能有效地分解甘 草膦，利用此基因转化番茄，也获得抗性 植株；同年，孟山都公司把抗甘草膦的另 一基因（EPSP合成酶基因）转入大豆，也 使大豆对甘草膦的抗性大大增加。
（5）美国农业部、农业研究局的南方杂草科 学研究所，从能杀死杂草的真菌中分离出 毒素，将此毒素喷施于大豆田中，可以杀 死98％的杂草而不伤害作物。该研究室与 米科金公司合作，使这种真菌毒素成为商 业除草剂。
• 钝化反应的差异产生的选择性
除草剂进入植物体内后，使本有活性的化 合物惊代谢后转化变为无毒或毒性较小的 化合物，钝化而失去其活性。
农药及药害
一．苯氧羧酸类：2,4-D 1.低用量时具有激素作用，高用量时具有选 择性除草作用；
2.主要防除阔叶草； 3.施药时期为禾本科作物3叶期以后6叶期以 前，否则药害严重。
抗除草剂作物商品化的要求
• 除草剂的性能、成本：既要保证除草效率， 又最好能低投入，高产出
• 除草剂对环境污染程度：作物分解后的残 余物是否有毒？如果这种植物作为食物来 源的话，食用器官一定要无残毒。
• 抗性与其他优良性状是否兼容
农业生产的最终目的是高产、优质，因此， 使作物获得抗除草剂性能的同时应保持其 优良性状。
农作物大得多，从而影响农作物的生长发育。
2.传播病虫害
许多杂草都是农作物病菌、病毒或害虫的 中间寄主，能传播病虫害。
3.降低产量和质量
由于杂草在水分、养分、空间和传播病虫 害方面直接、间接危害农作物，最终影响 的农作物的产量和品质。同时，果园内杂 草丛生，影响果实着色和品质。
4.增加管理用功和生产成本
药害：葱状叶、花序弯曲，难抽出、出现双 穗、小穗对生、重生、轮生等。
苯甲酸类：杀草畏
• 主要用于麦类、玉米等禾本科作物 • 茎叶处理，防治一年生和多年生阔叶杂草 • 小麦拔节后使用易造成药害
• 环己烯酮类：快捕净 • 酰胺类：敌稗 • 磺酰脲类：甲磺隆、苯磺隆 • 嘧啶水杨酸类：农美利、双奇 • 磺酰胺类：稻杰 • 三氮苯类：莠去津、莠灭净
抗除草剂基因
一．抗除草剂草甘膦的aroA基因
从伤寒沙门氏杆菌中分离了基因aroA， 其 编码的EPSP（5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸 合成酶）对草甘膦不敏感。
二、抗PPT除草剂的Bar基因
来源于潮湿链霉菌，编码产生的蛋白质能使 草丁膦乙酰化，使其失去毒性。
三、降解2,4-D的 tfdA基因
来源于土壤细菌，编码产生2,4-D单加氧酶， 此酶能将2,4-D降解
随着农药大量的应用，也给人们带来了环 境污染的忧虑。即使是毒性极低的除草剂， 不可避免地对作物造成伤害。此外，无论 是草甘膦还是磺酰脲类除草剂，都是植物 体内氨基酸生物合成的抑制剂，而那些氨 基酸又是哺乳类动物食物所必须的。所以， 亟需研发出抗除草剂作物，以弥补除草剂 的缺陷。
抗除草剂作物
• 目前，应用基因工程技术培育抗除草剂植物主要 有两种策略：1）修饰除草剂作用的靶蛋白使其 对除草剂不敏感或促使其过量表达以使植物吸收 除草剂后仍能正常代谢；2）引入降解除草剂的 酶或酶系统，在除草剂发生作用前将其分解。经 过科学工作者们的不懈努力，这已是一项比较成 功的植物基因工程。现在已培育出多种除草剂转 基因植物。
除草剂来自百度文库现与发展
• 1895年，波尔多液--农田化学除草剂开端 19世纪末，欧洲，防治葡萄霜霉病的发现， 波尔多液能伤害十字花科杂草而对作物安 全。
• 1932年，有机化合物除草剂的开端 有机选择性除草剂二硝酚、地乐酚发现
• 1942年，化学除草发展新纪元 内吸式传导性除草剂2，4—D发现，开创了 新的工业领域——除草剂工业
转基因作物的发展历程
世界转基因作物研究
（1）1983年，首例转基因植物——抗除草剂 烟草
（2）1986年，抗虫抗除草剂的转基因棉花
（3）1987年，比利时的德布劳克等使 一种能够分解膦的基因在马铃薯、烟 草和番茄植株中表达，由此产生的植 株具有抗除草剂的能力，甚至当除草 剂喷施量超过正常用量的10倍时，该 转基因植株也不受影响。
保护剂和安全剂
• 保护剂：如活性炭可吸附有毒物质，可在 种子和种植时施用，使种子和幼苗免遭除 草剂的药害。
• 安全剂：可提高除草剂的选择性，降低作 物受害症状，解除药害而发挥作用。
抗除草剂作物出现
• 从本世纪40年代发展用2,4-D作除草剂以来， 使世界农业传统的耕作制度发生了根本的 变革。50年代来化学除草剂的发展为世界 农业收成做出了重要贡献。除草剂在农药 中所占的比重也越来越大，以销售额计， 60年代，世界农药销售额为8.5亿美元，除 草剂占20%，70年代，为27亿美元，除草 剂占34.8%，80年代为133亿美元，除草剂 占39.5%
（6）日本的研究者与美国杜邦公司合作已获 得抗除草剂的水稻。
我国转基因植物研究
1.6种转基因植物被批准进入商业化生产 2.26个通过安全性审批 3.10年后，我国转基因植物的种植面积将居
世界第3位
转基因作物的改良性状
1.抗除草剂 2.品质 3.抗虫 4.抗病毒 5.抗除草剂+抗虫 6.雄性不育+抗除草剂
除草管理花费大量的劳动力，采用化学除 草剂需花费一定的费用，增加生产成本。 尤其是“三夏”大忙季节，时间紧、任务 重、劳动强度大，若雨季到来，中耕除草 不能进行，易形成草荒造成更大的损失。
杂草是农业生产的大敌，在全世界农业生
产中，杂草每年使粮食减产10%左右。据 FAO称，全世界每年因杂草导致的粮食损 失高达950亿美元。按照当前的粮价，这约 相当于3.8亿吨小麦，数字超过2009年全球 小麦预计产量的一半。而据FAO估计，在 这95亿美元中，有70亿美元或者说70%的 损失发生在发展中国家。
转基因的技术和方法
载体介导法
❖农杆菌介导法
1.根癌农杆菌（Ti质粒） 2.发根农杆菌（Ri质粒）
❖病毒介导法
DNA直接导入法
I. 化学物质诱导法 II.电激穿孔法 III.脂质体发 IV.显微注射法 V.基因枪法 VI.花粉管通道法
• 除草剂分解酶利用
将某种酶的基因转移到作物中，要求这种 酶能够分解除草剂，如水稻植株体内的芳 基酰胺酶对敌稗的分解。
除草剂选择原理
➢位差与时差选择性 ➢形态选择性 ➢生理、生化选择性
位差
在施用除草剂时利用杂草与作物在土壤中或 空间位置上的差异而获得的选择性
采用的方法是：利用 作物和杂草的种子或 根系在土壤的位置不同，施用除草剂后， 使杂草种子或根系接触药物，而作物种子 或根系不接触药物，这样杀死杂草保护作 物。
• 加强除草剂作用的酶的表达能力
针对除草剂可通过识别和破坏光合作用及 氨基酸合成所需要的酶来杀死植物的特点， 可把除草剂所作用的这个酶的基因通过基 因修饰改造后导入植物，使转基因植物中 该酶量大幅度增加。
• 改变除草剂识别酶的位点
导入由抗性突变体（微生物或植物）克隆 的突变基因，由其产生的靶酶或靶蛋白对 该除草剂的敏感性发生改变，从而获得该 除草剂的抗性。
生理选择性 吸收的差异 输导的差异
生化选择性 除草剂进入植物体后，经代谢酶的作用下, 使除草剂代谢激活为有毒化合物而杀死植 物。有的则代谢后失活。这样产生的选择 性为生化选择性。
• 活化反应差异产生的选择性
除草剂本身对植物无毒或毒性小，但进入植 物体内后，经代谢成为有毒化合物，因此这 类除草剂是否有除草和药害问题，取决于处 理植物对药剂的代谢能力，即转化力强的将 被杀死，而转化能力弱的则得以生存。
• 杂草危害 • 除草剂的发现与发展 • 抗除草剂作物
农田杂草的危害
杂草生长与农田，影响农作物的发育，降低 农作物产量，使产品质量变劣，增加生产 成本，给生产带来很大损失。
1.与农作物争夺水分、养分、光照和空间
许多杂草根系发达，吸收能力强，苗期生长速度快，光 合效率高，营养生长能快速向生殖生长过渡，具有干扰 农作物的特殊功能，夺取水分、养分、和光照的能力比
基因工程及转基因作物的含义
• 基因工程的定义
利用分子生物学技术把经过分离或人工构 成的基因通过适当的基因转化方法导入受 体细胞的基因组中，得到基因产物和生物 活性的表达，并能遗传至后代。
• 转基因作物的定义
在农业生产中，人们通过基因工程技术，将具 有某种特性基因，转移到农作物中，以改良作 物特性，由此得到的作物称为转基因作物。
（4）1987年，美国卡尔金公司的托普森等人 从鼠伤寒沙门氏杆菌中分离出一种基因 （aroA基因），它的产物能有效地分解甘 草膦，利用此基因转化番茄，也获得抗性 植株；同年，孟山都公司把抗甘草膦的另 一基因（EPSP合成酶基因）转入大豆，也 使大豆对甘草膦的抗性大大增加。
（5）美国农业部、农业研究局的南方杂草科 学研究所，从能杀死杂草的真菌中分离出 毒素，将此毒素喷施于大豆田中，可以杀 死98％的杂草而不伤害作物。该研究室与 米科金公司合作，使这种真菌毒素成为商 业除草剂。
• 钝化反应的差异产生的选择性
除草剂进入植物体内后，使本有活性的化 合物惊代谢后转化变为无毒或毒性较小的 化合物，钝化而失去其活性。
农药及药害
一．苯氧羧酸类：2,4-D 1.低用量时具有激素作用，高用量时具有选 择性除草作用；
2.主要防除阔叶草； 3.施药时期为禾本科作物3叶期以后6叶期以 前，否则药害严重。
抗除草剂作物商品化的要求
• 除草剂的性能、成本：既要保证除草效率， 又最好能低投入，高产出
• 除草剂对环境污染程度：作物分解后的残 余物是否有毒？如果这种植物作为食物来 源的话，食用器官一定要无残毒。
• 抗性与其他优良性状是否兼容
农业生产的最终目的是高产、优质，因此， 使作物获得抗除草剂性能的同时应保持其 优良性状。
农作物大得多，从而影响农作物的生长发育。
2.传播病虫害
许多杂草都是农作物病菌、病毒或害虫的 中间寄主，能传播病虫害。
3.降低产量和质量
由于杂草在水分、养分、空间和传播病虫 害方面直接、间接危害农作物，最终影响 的农作物的产量和品质。同时，果园内杂 草丛生，影响果实着色和品质。
4.增加管理用功和生产成本
药害：葱状叶、花序弯曲，难抽出、出现双 穗、小穗对生、重生、轮生等。
苯甲酸类：杀草畏
• 主要用于麦类、玉米等禾本科作物 • 茎叶处理，防治一年生和多年生阔叶杂草 • 小麦拔节后使用易造成药害
• 环己烯酮类：快捕净 • 酰胺类：敌稗 • 磺酰脲类：甲磺隆、苯磺隆 • 嘧啶水杨酸类：农美利、双奇 • 磺酰胺类：稻杰 • 三氮苯类：莠去津、莠灭净
抗除草剂基因
一．抗除草剂草甘膦的aroA基因
从伤寒沙门氏杆菌中分离了基因aroA， 其 编码的EPSP（5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸 合成酶）对草甘膦不敏感。
二、抗PPT除草剂的Bar基因
来源于潮湿链霉菌，编码产生的蛋白质能使 草丁膦乙酰化，使其失去毒性。
三、降解2,4-D的 tfdA基因
来源于土壤细菌，编码产生2,4-D单加氧酶， 此酶能将2,4-D降解
随着农药大量的应用，也给人们带来了环 境污染的忧虑。即使是毒性极低的除草剂， 不可避免地对作物造成伤害。此外，无论 是草甘膦还是磺酰脲类除草剂，都是植物 体内氨基酸生物合成的抑制剂，而那些氨 基酸又是哺乳类动物食物所必须的。所以， 亟需研发出抗除草剂作物，以弥补除草剂 的缺陷。
抗除草剂作物
• 目前，应用基因工程技术培育抗除草剂植物主要 有两种策略：1）修饰除草剂作用的靶蛋白使其 对除草剂不敏感或促使其过量表达以使植物吸收 除草剂后仍能正常代谢；2）引入降解除草剂的 酶或酶系统，在除草剂发生作用前将其分解。经 过科学工作者们的不懈努力，这已是一项比较成 功的植物基因工程。现在已培育出多种除草剂转 基因植物。
除草剂来自百度文库现与发展
• 1895年，波尔多液--农田化学除草剂开端 19世纪末，欧洲，防治葡萄霜霉病的发现， 波尔多液能伤害十字花科杂草而对作物安 全。
• 1932年，有机化合物除草剂的开端 有机选择性除草剂二硝酚、地乐酚发现
• 1942年，化学除草发展新纪元 内吸式传导性除草剂2，4—D发现，开创了 新的工业领域——除草剂工业
转基因作物的发展历程
世界转基因作物研究
（1）1983年，首例转基因植物——抗除草剂 烟草
（2）1986年，抗虫抗除草剂的转基因棉花
（3）1987年，比利时的德布劳克等使 一种能够分解膦的基因在马铃薯、烟 草和番茄植株中表达，由此产生的植 株具有抗除草剂的能力，甚至当除草 剂喷施量超过正常用量的10倍时，该 转基因植株也不受影响。
保护剂和安全剂
• 保护剂：如活性炭可吸附有毒物质，可在 种子和种植时施用，使种子和幼苗免遭除 草剂的药害。
• 安全剂：可提高除草剂的选择性，降低作 物受害症状，解除药害而发挥作用。
抗除草剂作物出现
• 从本世纪40年代发展用2,4-D作除草剂以来， 使世界农业传统的耕作制度发生了根本的 变革。50年代来化学除草剂的发展为世界 农业收成做出了重要贡献。除草剂在农药 中所占的比重也越来越大，以销售额计， 60年代，世界农药销售额为8.5亿美元，除 草剂占20%，70年代，为27亿美元，除草 剂占34.8%，80年代为133亿美元，除草剂 占39.5%
（6）日本的研究者与美国杜邦公司合作已获 得抗除草剂的水稻。
我国转基因植物研究
1.6种转基因植物被批准进入商业化生产 2.26个通过安全性审批 3.10年后，我国转基因植物的种植面积将居
世界第3位
转基因作物的改良性状
1.抗除草剂 2.品质 3.抗虫 4.抗病毒 5.抗除草剂+抗虫 6.雄性不育+抗除草剂
除草管理花费大量的劳动力，采用化学除 草剂需花费一定的费用，增加生产成本。 尤其是“三夏”大忙季节，时间紧、任务 重、劳动强度大，若雨季到来，中耕除草 不能进行，易形成草荒造成更大的损失。
杂草是农业生产的大敌，在全世界农业生
产中，杂草每年使粮食减产10%左右。据 FAO称，全世界每年因杂草导致的粮食损 失高达950亿美元。按照当前的粮价，这约 相当于3.8亿吨小麦，数字超过2009年全球 小麦预计产量的一半。而据FAO估计，在 这95亿美元中，有70亿美元或者说70%的 损失发生在发展中国家。
转基因的技术和方法
载体介导法
❖农杆菌介导法
1.根癌农杆菌（Ti质粒） 2.发根农杆菌（Ri质粒）
❖病毒介导法
DNA直接导入法
I. 化学物质诱导法 II.电激穿孔法 III.脂质体发 IV.显微注射法 V.基因枪法 VI.花粉管通道法
• 除草剂分解酶利用
将某种酶的基因转移到作物中，要求这种 酶能够分解除草剂，如水稻植株体内的芳 基酰胺酶对敌稗的分解。
除草剂选择原理
➢位差与时差选择性 ➢形态选择性 ➢生理、生化选择性
位差
在施用除草剂时利用杂草与作物在土壤中或 空间位置上的差异而获得的选择性
采用的方法是：利用 作物和杂草的种子或 根系在土壤的位置不同，施用除草剂后， 使杂草种子或根系接触药物，而作物种子 或根系不接触药物，这样杀死杂草保护作 物。
• 加强除草剂作用的酶的表达能力
针对除草剂可通过识别和破坏光合作用及 氨基酸合成所需要的酶来杀死植物的特点， 可把除草剂所作用的这个酶的基因通过基 因修饰改造后导入植物，使转基因植物中 该酶量大幅度增加。
• 改变除草剂识别酶的位点
导入由抗性突变体（微生物或植物）克隆 的突变基因，由其产生的靶酶或靶蛋白对 该除草剂的敏感性发生改变，从而获得该 除草剂的抗性。
生理选择性 吸收的差异 输导的差异
生化选择性 除草剂进入植物体后，经代谢酶的作用下, 使除草剂代谢激活为有毒化合物而杀死植 物。有的则代谢后失活。这样产生的选择 性为生化选择性。
• 活化反应差异产生的选择性
除草剂本身对植物无毒或毒性小，但进入植 物体内后，经代谢成为有毒化合物，因此这 类除草剂是否有除草和药害问题，取决于处 理植物对药剂的代谢能力，即转化力强的将 被杀死，而转化能力弱的则得以生存。