作物育种学：作物转基因育种
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• 选择育种 • 回交育种 • 杂交育种
二、转基因育种优势
• 扩大作物育种的基因库
– 动物、植物、微生物等导入植物
• 提高育种效率 • 扩宽作物生产的范畴
– 造纸土豆、可降解塑料
加入乙肝疫苗的转基因土豆
只含支链淀粉的土豆
三、转基因育种的贡献
人类历史上应用最为迅速的重大技术之一
– 1983年美国成功培植第一例转基因植物（烟草） – 转基因玉米、马铃薯、番茄、大豆、棉花、瓜类、
育种方法和途径
• 选择育种 • 杂交育种 • 回交育种 • 诱变育种 • 远缘杂交 • 倍性育种 • 杂种优势利用 • 群体改良
• 细胞工程育种
• 作物转基因育种
• 分子标记辅助选择育 种
作物转基因育种
转基因育种的定义
• 利用现代植物基因工程技术将某些与作物高 产、优质和抗逆性状相关的基因导入受体作 物中以培育出具有特定优良性状的新品种。
油菜、烟草、甜菜、水稻、小麦、葡萄、甘蔗、 核桃、苹果、花生、甘蓝等相继进入大田试验或 大规模推广种植 – 1996-2006，增长60倍，2007年全世界转基因 农作物种植面积达到1.143亿公顷 – 孟山都、杜邦等5大跨国公司利用其基因专利和 品种，已控制着国际种业市场70%的份额
寄生范围广，几乎所有的双子叶植物。
Circular
chromosome
LB
RB
vir
T-DNA
genes
Ti plasmid
~ 120 kbp
Ti
ori
A. tumefaciens
1977年Chilton等在研究农杆菌侵染后形成的植物肿瘤细胞时， 用分子杂交发现在肿瘤细胞中存在着农杆菌Ti质粒的一个片段， 称为T-DNA（Transfer-DNA）。实验表明，T-DNA转移到植物
• 艾滋病和病毒性肝炎等重大 传染病防治
• 大型飞机 • 高分辨率对地观测系统 • 载人航天与探月工程 14-16 军口项目
国家科技重大专项办公室http://www.nmp.gov.cn
９个民口专项预计投入6900亿元，其中中央财政 2000亿
1）转基因育种的程序 2）转基因育种的优势 3）转基因育种的贡献 4）转基因育种的安全性
细胞后整合进植物基因组中并得以表达，从而导致了冠瘿瘤的 发生。进一步研究发现，整合到植物基因组中的T-DNA可以通 过减数分裂稳定地传给植物的后代，Ti质粒的上述特性成为农 杆菌介导法植物遗传转化的重要基础。
植物材料的准备 表达载体的构建 农杆菌转化 沾花法浸染拟南芥植株 Post-dip care
一、转基因育种的程序
目的基因 载体质粒 重组质粒 导入植物细胞 原生质体
转化细胞培养 再生转化植株
涉及技术
目的基因分离 载体构建DNA 重组
原生质体制备 目的基因导入 原生质体组织 培养植株再生 转化细胞筛选
表达产物生化测定 DNA分子杂交 遗传学分析 优良 性状鉴定
目的基因的克隆
基
重组质粒的构建
✓叶盘法 ✓真空渗入法 ✓原生质体共培养法 ✓苗端转化法
2. 直接导入法
不需要借助载体介导，直接利用理化因素进行外援 遗传物质转移的方法。
✓化学刺激法 ✓基因枪轰击法(gene gun ) ✓高压电穿孔法(electroporation) ✓微注射法(microfibers ) ✓超声波介导法 ✓脉冲电泳法 ✓离子束介导法
PCR analysis of CryIAc in putative transgenic plantlets
Northern杂交
Event
1 234
1
2 3 4 1x 5x
Western杂交或蛋白质分析
表型选择
WT
根尖1cm
根冠
WT
WT
超表达TaWRKY5转基因拟南芥10个株系的根系在总根长、 根总表面积、主根长比野生型有显著或极显著的优势， 根尖表皮细胞明显增多，同时侧根明显增加并且增长。
转基因作物的遗传特点
整合后的外源基因在植物体内的表现
✓ 共抑制：向受体植物种导入一个与受体内某基因 同源的基因，导入的基因及受体内与它同源的基 因表达都可能减弱的现象。
✓ 基因沉默：转基因植株由于外源基因的结构被破 坏或者外源基因插入了染色体异染色质区域，出 现外源基因序列不表达。
转基因材料的育种利用
转化体的筛选和鉴定
1.转化体的筛选
将选择标记基因（抗生素抗性基因及除草剂抗 性基因 ）与适当启动子构成嵌合基因并克隆到质 粒载体上，与目的基因同时进行转化。当标记基 因被导入受体细胞之后，就会使转化细胞具有抵 抗相应抗生素或除草剂的能力，抑制、杀死非转 化细胞，转化细胞则能够存活下来。
阳性植株的获得
2.转化体的鉴定 （1）DNA水平的鉴定 （2）转录水平的鉴定百度文库（3）翻译水平的鉴定
Southern杂交或PCR扩增
转基因植株中CryIAc基因的Southern鉴定 Southern assay of CryIAc in putative transgenic plants
转基因植株中CryIAc基因的PCR检测
本
受体材料的选择和再生系统的建立
流 转基因方法的确定和外源基因的转化
程
转化体的筛选和鉴定
转基因植物的育种利用
目的基因的克隆
Extract DNA
Isolate gene
外源基因的转化
1.载体介导转移系统
将外源基因重组进入适合的载体系统，通过载体 携带将外源基因导入植物细胞并整合在核染色体 组中，随着核染色体组一起复制和表达。
16个重大专项
民口9项，军民两用4项 • 核心电子器件、高端通用芯
片及基础软件
• 极大规模集成电路制造技术 及成套工艺
• 新一代宽带无线移动通信
• 高档数控机床与基础制造技 术
• 大型油气田及煤层气开发
• 大型先进压水堆及高温气冷 堆核电站
• 水体污染控制与治理
• 转基因生物新品种培育
• 重大新药创制
农杆菌介导的遗传转化
基因轉殖 (Transgenic)
農桿菌 植物細胞 再生
Your World, Biotechnology and you
Agrobacterium tumefaciens: a natural tool for plant transformation
人们很早就发现双子叶植物常发生一种冠瘿瘤病， 该病在法国、东欧和意大利的葡萄和果树上曾大面积发 生。 1907年 Smith和Townsent等 首先发现这种冠瘿瘤 病是由根癌农杆菌 引发的。
二、转基因育种优势
• 扩大作物育种的基因库
– 动物、植物、微生物等导入植物
• 提高育种效率 • 扩宽作物生产的范畴
– 造纸土豆、可降解塑料
加入乙肝疫苗的转基因土豆
只含支链淀粉的土豆
三、转基因育种的贡献
人类历史上应用最为迅速的重大技术之一
– 1983年美国成功培植第一例转基因植物（烟草） – 转基因玉米、马铃薯、番茄、大豆、棉花、瓜类、
育种方法和途径
• 选择育种 • 杂交育种 • 回交育种 • 诱变育种 • 远缘杂交 • 倍性育种 • 杂种优势利用 • 群体改良
• 细胞工程育种
• 作物转基因育种
• 分子标记辅助选择育 种
作物转基因育种
转基因育种的定义
• 利用现代植物基因工程技术将某些与作物高 产、优质和抗逆性状相关的基因导入受体作 物中以培育出具有特定优良性状的新品种。
油菜、烟草、甜菜、水稻、小麦、葡萄、甘蔗、 核桃、苹果、花生、甘蓝等相继进入大田试验或 大规模推广种植 – 1996-2006，增长60倍，2007年全世界转基因 农作物种植面积达到1.143亿公顷 – 孟山都、杜邦等5大跨国公司利用其基因专利和 品种，已控制着国际种业市场70%的份额
寄生范围广，几乎所有的双子叶植物。
Circular
chromosome
LB
RB
vir
T-DNA
genes
Ti plasmid
~ 120 kbp
Ti
ori
A. tumefaciens
1977年Chilton等在研究农杆菌侵染后形成的植物肿瘤细胞时， 用分子杂交发现在肿瘤细胞中存在着农杆菌Ti质粒的一个片段， 称为T-DNA（Transfer-DNA）。实验表明，T-DNA转移到植物
• 艾滋病和病毒性肝炎等重大 传染病防治
• 大型飞机 • 高分辨率对地观测系统 • 载人航天与探月工程 14-16 军口项目
国家科技重大专项办公室http://www.nmp.gov.cn
９个民口专项预计投入6900亿元，其中中央财政 2000亿
1）转基因育种的程序 2）转基因育种的优势 3）转基因育种的贡献 4）转基因育种的安全性
细胞后整合进植物基因组中并得以表达，从而导致了冠瘿瘤的 发生。进一步研究发现，整合到植物基因组中的T-DNA可以通 过减数分裂稳定地传给植物的后代，Ti质粒的上述特性成为农 杆菌介导法植物遗传转化的重要基础。
植物材料的准备 表达载体的构建 农杆菌转化 沾花法浸染拟南芥植株 Post-dip care
一、转基因育种的程序
目的基因 载体质粒 重组质粒 导入植物细胞 原生质体
转化细胞培养 再生转化植株
涉及技术
目的基因分离 载体构建DNA 重组
原生质体制备 目的基因导入 原生质体组织 培养植株再生 转化细胞筛选
表达产物生化测定 DNA分子杂交 遗传学分析 优良 性状鉴定
目的基因的克隆
基
重组质粒的构建
✓叶盘法 ✓真空渗入法 ✓原生质体共培养法 ✓苗端转化法
2. 直接导入法
不需要借助载体介导，直接利用理化因素进行外援 遗传物质转移的方法。
✓化学刺激法 ✓基因枪轰击法(gene gun ) ✓高压电穿孔法(electroporation) ✓微注射法(microfibers ) ✓超声波介导法 ✓脉冲电泳法 ✓离子束介导法
PCR analysis of CryIAc in putative transgenic plantlets
Northern杂交
Event
1 234
1
2 3 4 1x 5x
Western杂交或蛋白质分析
表型选择
WT
根尖1cm
根冠
WT
WT
超表达TaWRKY5转基因拟南芥10个株系的根系在总根长、 根总表面积、主根长比野生型有显著或极显著的优势， 根尖表皮细胞明显增多，同时侧根明显增加并且增长。
转基因作物的遗传特点
整合后的外源基因在植物体内的表现
✓ 共抑制：向受体植物种导入一个与受体内某基因 同源的基因，导入的基因及受体内与它同源的基 因表达都可能减弱的现象。
✓ 基因沉默：转基因植株由于外源基因的结构被破 坏或者外源基因插入了染色体异染色质区域，出 现外源基因序列不表达。
转基因材料的育种利用
转化体的筛选和鉴定
1.转化体的筛选
将选择标记基因（抗生素抗性基因及除草剂抗 性基因 ）与适当启动子构成嵌合基因并克隆到质 粒载体上，与目的基因同时进行转化。当标记基 因被导入受体细胞之后，就会使转化细胞具有抵 抗相应抗生素或除草剂的能力，抑制、杀死非转 化细胞，转化细胞则能够存活下来。
阳性植株的获得
2.转化体的鉴定 （1）DNA水平的鉴定 （2）转录水平的鉴定百度文库（3）翻译水平的鉴定
Southern杂交或PCR扩增
转基因植株中CryIAc基因的Southern鉴定 Southern assay of CryIAc in putative transgenic plants
转基因植株中CryIAc基因的PCR检测
本
受体材料的选择和再生系统的建立
流 转基因方法的确定和外源基因的转化
程
转化体的筛选和鉴定
转基因植物的育种利用
目的基因的克隆
Extract DNA
Isolate gene
外源基因的转化
1.载体介导转移系统
将外源基因重组进入适合的载体系统，通过载体 携带将外源基因导入植物细胞并整合在核染色体 组中，随着核染色体组一起复制和表达。
16个重大专项
民口9项，军民两用4项 • 核心电子器件、高端通用芯
片及基础软件
• 极大规模集成电路制造技术 及成套工艺
• 新一代宽带无线移动通信
• 高档数控机床与基础制造技 术
• 大型油气田及煤层气开发
• 大型先进压水堆及高温气冷 堆核电站
• 水体污染控制与治理
• 转基因生物新品种培育
• 重大新药创制
农杆菌介导的遗传转化
基因轉殖 (Transgenic)
農桿菌 植物細胞 再生
Your World, Biotechnology and you
Agrobacterium tumefaciens: a natural tool for plant transformation
人们很早就发现双子叶植物常发生一种冠瘿瘤病， 该病在法国、东欧和意大利的葡萄和果树上曾大面积发 生。 1907年 Smith和Townsent等 首先发现这种冠瘿瘤 病是由根癌农杆菌 引发的。