植物基因工程

一从现代农业到基因工程

(一)粮食安全现状

1、食物总量供给已成为全球的焦点之一：

从2000年开始，全球出现了当年粮食生产量比消费量低的情况，2003年全世界粮食的消费量超过生产量0.93亿吨，世界粮食储备也降低到30年来的最低水平。

1999年以来，我国粮食连续四年减产。1999-2002年，我国粮食总产量累计减少800亿公斤左右。自2000年以来，我国粮食年消费需求大致在4.8-4.9亿吨之间，产需缺口约400亿公斤。

(二)农业发展的一个主要矛盾——科技支撑能力不强

农业生产的规模化、专业化和多样化对科技提出了更高的要求，大幅度提高农业劳动生产率需要通过先进适用技术的广泛应用，而目前我国科技进步贡献率只有45%左右，与发达国家的70-80%有很大的差距。

一个农业劳动力养活的人口数：

美国：70人；

日本：约25人；

中国：4-5人。

农业发展的根本出路是现代农业，而其核心支撑条件是现代农业科技的进步。

(三)现代农业的内涵

现代农业是以现代工业和科学技术为基础，重视加强农业基础设施建设，充分汲取中国传统农业的精华，根据国内外市场需要和WTO规则，建立起采用现代科学技术、运用现代工业装备、推行现代管理理念和方法的农业综合体系(引自卢良恕院士)。

(四)建设农业科技创新体系是现代农业的一个根本任务

国家级农业科研工作应具有较强的关键性、全局性、基础性、战略性和前瞻性的特点，为加快现代农业建设提供科技支撑。省级有关农业的科研机构应逐步实行联合，重点开展应用研究和开发研究(也可根据需要适当开展应用基础研究)，重视科技成果转化，更好地为发展生产服务(引自卢良恕院士)。

到2030年，我国人口的持续增长将要达到高峰期，预计达到16亿人口，解决这个庞大人口的口粮是一个新的挑战。

随着人民生活水平的提高，肉蛋奶和水产品的消费不断增加，粮食作为饲料的比重将越来越大，人均粮食占有量的标准应有所提高。

2、食品安全性也成为全球的焦点之一：

农业综合措施、现代农业技术尤其是转基因技术的应用，使老百姓对当前食品尤其是转基因食品安全性问题十分关心。

(五)农业科技创新的一个核心内容：良种创新

农业科技创新的核心：良种+良法。良种对增产的作用所占的比重越来越大，良种是一个先进技术的集合体。

良种创新：植物良种创新、动物良种创新。植物食品占总食品的93%，动物食品占7%，但也间接来自植物食品，所以良种创新的首要任务是植物良种创新。

(六)传统育种面临的挑战

以杂交育种为核心的传统育种技术取得了丰硕的成果，目前仍然是主要作物的主要育种手段。目前传统育种技术在改良作物性状方面遇到了一些挑战，如缺乏特别性状的种质资源，育种周期长，难以克服不良性状的连锁或负相关，易受杂交不亲和及杂种不育的限制，远缘物种间不能进行遗物物质交流和性状转移。

(七)基因工程带来的机遇与竞争

20世纪50年代以来，DNA双螺旋模型和基因操纵子学说的提出，以及DNA限制性内切酶的发现，导致了DNA体外重组技术¡ª¡ª基因工程技术的发展，推动了分子生物学和基因工程本身在广度和深度方面以空前的速度蓬勃发展，生物技术相关产业和生命科学已经出现划时代的

基因工程是依赖于精密设计的分子育种，是对传统育种的升华和补充。

2l世纪是生命科学的世纪，生物技术可能会对世界的重大问题¡ª¡ª饥饿、疾病、能源、污染等提供切实的解决办法。

生物技术正成为国际竞争的主要领域，其核心是基因工程，是强国之策。

二植物基因工程简介

1 基因工程的理论基础

2 植物基因工程的概念和目标

3 植物基因工程的性状和基因

4 植物基因工程的载体和其它DNA元件

5 植物基因工程的基本路线

1.1 生物界的不同基因之间具有相同的物质基础

所有基因均是(或可转化为)具有特定核苷酸序列和遗传功能的DNA片段，因此所有基因均可以DNA片段作为材料进行加工或工程处理。

1.2 所有生物享有相同的遗传密码规则

所有生物都由一个共同的祖先沿不同的分支进化而来，但他们都遵循中心法则(central dogma)，遗传编码规则没有改变。

1.3 基因作为DNA片段，可在体外进行人工裁剪、修饰和连接

有许多类型的工具酶可以完成这些操作：

限制酶：超过300多种，比如Eco RI、Hin dIII等等。

PCR相关的酶：如非校正性的Taq DNA聚合酶，校正性的pfu DNA聚合酶等等。

核酸修饰及其它酶类：比如Klenow大片断酶、DNA连接酶、反转录酶、末端转移酶(TdT)、DNaseⅠ、RNase A、碱性磷酸酶、甲基化酶、多核苷酸激酶等等。

通过使用这些酶，我们可以对核酸分子进行剪切、消化、连接、末端修饰、磷酸基团处理、反转录等操作，以便于克隆目标基因或形成重组DNA分子。

1.4 基因作为DNA片段，可以通过转基因技术实现从任一生物向目标生物的转化

基因操作中，基因可通过质粒或病毒载体或不需要载体，导入目标生物，现在外源DNA的转化或转染已经比较成熟。

被转入来自水母的绿色荧光蛋白(acaleph green fluorescence protein)基因

该项工作由法国科学家于2000年完成。

外源基因与载体一道被采用受精卵微注射法导入并整合到兔子基因组中。

1.5 转基因遵循同内源基因一样的遗传规律，可通过DNA复制将其遗传信息传递给子代

基因工程的外源基因可整合进目标生物的基因组中稳定遗传。DNA的半保留复制模式是高保真的。

1.6 转基因遵循同内源基因一样的表达规则，其表达可赋予特定的生物学功能

狭义概念：现在遗传工程的概念主要是指基因工程或基因操作，是指将供体生物的目标基因与载体进行重组，重组DNA分子导入受体生物体，通过表达外源基因而使受体生物产生新型遗传性状。

基因工程的三要素：供体，受体和载体。对于受体物种而言，来自供体的基因被称为¡°外源基因¡±。

基因工程的根本技术是DNA重组技术。这是因为除少数RNA病毒外，所有基因均是以DNA 分子的形式存在的，载体也是DNA分子，基因导入技术一般已程序化，但目标性状根本地是由各种外源基因和DNA重组技术而决定的。

转基因：作动词时表示将人工构建的外源基因转化到生物体的过程，作名词时表示被转化到生物体中的外源基因。

外源基因：指基因工程中被转入到生物体中的基因构建物，可以是其它生物的基因，也可以是受体生物本身的基因。¡°外源¡±主要是指转入的过程，被转入的基因不一定非得来自不同的