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1、第一章 植物生物技术概论,农学院 孙红正187 3710,1、生物技术的概念,生物技术（biotechnology），有时也称生物工程，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。生物技术是人们利用微生物、动植物体对物质原料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。,改造生物体，是指获得优良品质和高产的动物、植物、微生物品系或者品种。生物原料，是指生物体的某一部分或者生物生长过程中所能利用的物质，如淀粉、糖、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，聚(-羟基丁酸酯)。生产出产品，包括粮食、医药、食品、化工原料
2、、能源等。达到某种目的，包括疾病的预防、治疗和诊断、环境污染的检测及治理等。,2、生物技术的发展历程,2.1 第一代生物技术,生物技术是一门既古老而现代的应用技术追溯其发展历史，几乎与人类的文明史同时开始，如酿酒、制醋、馒头发酵非纯种微生物发酵工艺为标志的传统生物技术,2.2 第二代生物技术,以纯种微生物发酵工艺为标志的近代生物技术20世纪40年代抗生素的提取50年代氨基酸的发酵60年代酶制剂工程,2.3 第三代生物技术,以重组DNA技术为标志的现代生物技术1953年，Watson&Crick提出DNA双螺旋结构模型1973年，Boyer&Cohen将非洲爪蟾的DNA插入到细菌质粒DNA中产生
3、重组质粒，标志着DNA重组技术的诞生。1976年，世界上第一家生物技术公司Genetech诞生，成为第3代生物技术的重要发展标志。,2.4 生物技术与农业生产,植物是人类赖以生存的最主要的资源：直接为人类提供90%的能量，80%的蛋白质供应。目前供人类食用的植物约有3000种，但人类能量供应主要来自大约20种作物，其中8种禾谷类作物占了50%，矿物质和维生素主要由其他大约30种果蔬提供。作物生产在人类生存和发展中占有不可替代的地位,2005年：世界人口为64亿6470万世界人口将在2070年达到高峰：90亿地球上的食品资源可以养活多少人口？生产足够多的食品养活世界人口是人类面临的巨大挑战之一！
4、,如果均为严格的素食者约为150亿，而按照混合型饮食标准仅为50亿。,大量施用化肥，导致土壤结构恶化大量使用农药、除草剂等化学药品，导致环境恶化全球变暖、环境污染等引起生态环境恶化，可耕地质量严重下降，盐碱、沙化等,保持农业生产可持续发展面临的问题：,必须依靠现代生物技术手段来解决农业上的各种问题；生物技术正在推动着一场新的农业革命,3、植物生物技术主要内容,3.1植物组织培养3.2植物分子标记及辅助选择育种3.3植物基因工程,3.1 植物组织培养,应用于离体快繁、脱病毒种苗生产等的分生组织培养技术；用于体细胞无性变异、突变体筛选、遗传转化等的愈伤组织培养技术；用于单倍体育种等的花药和小孢子培
5、养技术；用于体细胞杂交、遗传转化等的原生质体培养技术,快繁脱毒,组织培养诱导雄性不育系,中国水稻所利用巴斯马提水稻品种进行胚根组织培养，然后将愈伤组织进行辐射，从而选育出巴斯马提雄性不育系。19841988年间凌定厚等以IR24、IR36、IR54等9个品种，通过种子、幼穗离体培养，筛选到不育突变体48个。,单倍体育种,利用植物组织培养技术（如花药离体培养等）诱导产生单倍体植株，再通过某种手段使染色体组加倍（如用秋水仙素处理），从而使植物恢复正常染色体数。单倍体植株经染色体加倍后，在一个世代中即可出现纯合的二倍体，从中选出的优良纯合系后代不分离，表现整齐一致,可缩短育种年限。,创制特殊倍性材料
6、,原生质体融合创造新种质,萝卜与油菜的原生质体融合而产生的细胞杂种萝卜质油菜，在一般环境条件下表现为“雄性不育”。匈牙利国家自然科学院Menczel等（1982）以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合，实现了烟草细胞质雄性不育基因的转移。,小麦冰草,马铃薯：2X+2X,体细胞融合产生远缘杂种,3.2 分子标记,分子标记（molecular marker），是指可以反映基因组某种变异特征的DNA片段，是建立在DNA的多态性基础之上的可识别的等位基因。分子标记的类型：RFLP，RAPD，SSR，AFLP，CAPS，SNP，InDel等,Diamond,2002,Nature,动植物的驯
7、化,人类利用动植物育种历程,Doebley et al,2006,Cell,栽培作物起源中心,植物驯化以后特征的改变,驯化综合症 Domestication Syndrome,与野生种相比，驯化种一般会：结实率高熟期相对一致果实器官增大成熟后不脱粒鞣酸、单宁类物质减少，口味变化,Doebley et al,2006,Cell,Dubcovsky&Dvorak,2007,Science,作物生产上的几次革命性进步,绿色革命：指20世纪5060年代，以高杆改矮杆为标志的新品种运用。高产矮杆的墨西哥小麦和矮杆水稻良种的全面推广，使全世界粮食产量大大提高。例如，墨西哥从1960年推广矮杆小麦仅3年总产
8、达200万吨，比1944年产量增加了5倍。,为什么矮杆可以大幅度提高产量？,小麦产量增长趋势,水稻产量与矮杆基因,传统常规育种,MAS辅助轮回选择育种,MAS辅助聚合育种,基因工程（genetic engineering）是首先克隆或者人工合成目的基因，再将目的基因和载体重组在一起，导入生物体内，让受体生物的遗传性状发生预期改变，或者让受体生物产生目的基因编码的蛋白质等。,3.3植物基因工程,转基因育种,分子育种,传统育种,1994年，转基因大豆上市,全球大豆产量历史回顾（数据来源FAO）,年份,产量（公斤/公亩）,Suppression of Cotton Bollworm in Multi
9、ple Crops in China in Areas with Bt ToxinContaining Cotton,Science 19 September 2008:Vol.321 no.5896 pp.1676-1678.,Control of insects by RNAi,抗除草剂大豆,Flavr Savr It was first sold in 1994,and was only available for a few years before production ceased in 1997.,神秘果 miraculin,miraculin tomato,Note：神秘果是典
10、型热带常绿灌木，原产地在西非加纳、刚果一带。20世纪60年代，周恩来总理到西非访问时，加纳共和国把神秘果作为国礼送给周总理。此后，神秘果开始在我国栽培。神秘果是一种国宝级的珍贵植物，不管是在西非各国还是我国，都受到保护，禁止出口。神秘果肉中含神秘素，能改变人的味觉，吃神秘果后几小时内吃酸的食物，味觉显著变甜。,Purple tomatoes high in anthocyanins,High anthocyanin purple tomato and red wild-type tomato,花青素：抗癌，消炎，防 治心血管疾病、老年相关疾病,Snapdragon金鱼草,Fears over
11、Europes GM crop plan,Published online 28 July 2010,Nature 466,542-543(2010),doi:10.1038/466542a,amylopectin potato,BASF,Golden rice contains increased levels of pro-vitamin A.Traditional rice is white(a).The prototype of golden rice was developed in 2000 and is a light yellowcolor(b).It contains 1.6
12、 mg/g of carotenoid.In 2005,new transgenic lines were developed that dramatically increased the amount of carotenoid synthesized,making the rice a deep golden color(c).This latest form contains 37 mg/g of carotenoid,of which 84%is b-carotene trial,1.6 mg/g,37 mg/g,口服疫苗,VP1 与口蹄疫,Blue Rose and carnati
13、on developed by Florigene,Biosensor,Biosensor,把水稻改造成C4作物,C4的多次起源,Sage,New Phytologist(2004)161:341370,海水能不能种粮食,Apse,et al,Science.1999 Aug 20;285(5431):1256-8.,转基因拟南芥可以耐受200mM NaCl海水盐浓度3.5%，600mM,Five crop researchers who could change the world,Published online 3 December 2008,Nature 456,563-568(2008)doi:10.1038/456563a,Huang,et al,Nature.2002 Aug 8;418(6898):678-84.,粮食增产速率趋势,种植面积减少趋势,FAO,本节完,PPT下载地址：biotechnology_邮箱密码：biotechnology,
