7-生物技术与农业

7生物技术与农业学习目的1.了解现代生物技术在农业生产中的广泛运用。2.认识生物技术在培育高产、抗病、抗逆植物新品系以及在培育优良生产性能动物新品系、动物快速繁殖、生物反应器等领域的应用。7.1生物技术与种植业7.1.1植物雄性不育及杂种优势利用在19世纪中叶，人们就对植物雄性不育现象进行了报道。目前已在43个科、162多个属的610多种植物中发现了这种现象，其中的主要作物有马铃薯、番茄、亚麻、洋葱、棉、高粱、玉米、烟草、胡萝卜、甜菜、小麦、水稻、大麦、谷子、油菜、大豆、甘薯、大白菜、小黑麦等。植物雄性不育的主要特征是花粉发育不良或功能不正常。但其雌蕊发育正常，能接受正常花粉而受精结实。不同作物的不育材料，具体的不育特征可能差别很大。不育雌性不育（无实践意义）雄性不育(三型说)质遗传型质核互作遗传型(应用价值最大)核遗传型二型说对于自花受粉的植物利用雄性不育可以培育不育系，利用不育系生产杂交种子，为农作物增加产量和改善品质提供优良种源。雄性不育从基因控制水平来分，可分为细胞质雄性不育（CMS）和核雄性不育（GMS）。农业生产中的应用:1.不育系——雄蕊花药不育，无法实现传粉受精作用，雌蕊可育；2.保持系——作用是给不育系受粉，杂交后代仍保持雄性不育；3.恢复系——该品系含恢复基因，给不育系受粉后其后代是可育的，并能形成杂种优势，提高作物品质。我国杂交优势的利用1.水稻三系杂种优势利用1973年实现水稻三系配套、并成功的应用于大田生产。1981年，获得国家第一个特等发明奖，以第一个农业技术专利转让美国。1991年，全国杂交稻种植面积为26083.5万亩，增产效果明显(50-75kg/亩)。1997年，全国杂交稻种植面积为25987.5万亩，约占水稻种植面积的62.84%，总产12236.34万吨，单产468.67公斤/亩，比全国水稻平均产量增11.17%。杂交稻制种156.9万亩，制种平均产量为181.33公斤/亩。油菜三系杂种优势的利用：目前我国油菜杂种优势的利用居世界首位。1972年，傅廷栋等发现“波里马”油菜细胞质雄性不育；1976年，湖南农科院首先实现“波里马”雄性不育的三系配套。1980年，李殿荣等发现“陕2A”油菜细胞质雄性不育；1983年实现“陕2A”油菜雄性不育的三系配套；油菜杂交种：秦油2号（李殿荣，1986）、华杂2号（华中农大，1992）、川油12号（四川省农科院，1992）、蜀杂1号（潘涛等，1989）、油研5号（贵州省油料作物研究所，1992）等细胞质雄性不育系杂种审定、登记和推广应用。1992年，我国杂种油菜种植面积已近1.33×106hm2，约占油菜总面积的20％。中国工程院院士、“玻里马”细胞质雄性不育发现者傅廷栋先生7.1.2植物抗逆性研究传统抗逆性植物的培育方法——在一定逆性环境选择压力下，采用随机筛选或通过诱变、组织培养、原生质体融合、体细胞杂交等方法定向筛选；现代抗逆性植物的培育方法——基因工程技术。7.1.2.1抗除草剂作物膦丝菌素（PPT）——非选择性除草剂，植物谷氨酰胺合成酶（GS）的抑制剂。抑制GS酶活性将导致植物体内氨的迅速积累，并最终引起其死亡。草甘膦——由赫斯特公司开发生产，化学名称4-[羟基（甲基）膦酰基]-DL-高丙氨酸，属膦酸类除草剂，是谷氨酰胺合成抑制剂，非选择性（灭生性）触杀型除草剂。作为除草剂获得登记使用是1984年。是世界大吨位农药品种，也是世界第二大转基因作物耐受除草剂。毒性低，较为安全，在土壤中易于降解，对作物安全，不易飘移，除草谱广，活性高，用量少，环境压力小，杀草迅速，能快速杀死100种以上的禾本科和阔叶杂草，可用水做基剂，使用安全方便。草铵膦是一个优秀的灭生性除草剂，非常适合做抗性基因，赫斯特公司积极发展转基因作物，以草铵膦为目标，进行抗性基因转移、选育抗性作物品种，目前，已经成功将草铵膦的抗性基因导入了水稻、小麦、玉米、甜菜、烟草、大豆、棉花、马铃薯、番茄、油菜、甘蔗等20多种作物中，已经成功商业化种植的耐草铵膦作物系列LibrtyLinkSystem几乎包括了所有主要作物，有大豆、玉米、油菜、甜菜、马铃薯、棉花与水稻，这些转基因作物在以美国为主的广大北美地区普遍种植，而且近年来正在亚洲、澳洲、欧洲部分国家及地区推广种植起来。7.1.2.2抗昆虫作物苏云金芽孢杆菌为革兰氏阳性土壤杆菌，它在芽孢形成过程中产生称为δ-内毒素的杀虫伴胞晶体蛋白，这些蛋白具有很高的杀虫活性。在过去的几十年了，已确定数十种苏云金芽孢杆菌菌系及130多种它们编码的杀虫晶体蛋白，近几年克隆Bt基因已转入植物，并在植物体内高效表达。人们在研究中发现，在芽孢形成前的营养生长阶段，可分泌和产生另一种非δ-内毒素的杀虫营养蛋白，即Vip蛋白，被称之为第二代杀虫蛋白。豇豆胰蛋白酶抑制剂(CpTI)基因是一个有效的抗虫基因，然而，在某些情况下由于CpTI在转基因植物中表达水平较低，影响了转基因植物的抗虫性。中国科学院朱祯、李向辉研究室通过转CpTI烟草（表达量占可溶性蛋白的0.5%以上）表明，CpTI能抗烟草夜蛾、玉米螟、粘草烟草方蛾、汉马夜蛾等，其抗虫效果比P1-Ⅱ（马铃薯蛋白酶抑制剂）好。7.1.2.3抗真菌作物嗜球果伞素A和B是德国Anke和Steglich教授于1977年首次从嗜球果伞培养液中分离得到的。嗜球果伞是一种生长在松树球果上一种较小的可食用蘑菇。嗜球果伞素具有很强的抗植物病原真菌活性，属于一类新型的抗真菌抗生素。嗜球果伞素和小奥德蘑素能显著抑制大多数需氧腐生植物病原菌，很弱的杀虫活性，没有抗细菌活性。它们的作用方式是选择性地抑制线粒体的呼吸作用。7.1.2.4抗重金属镉的作物镉对植物的危害表现在其破坏叶绿素，从而降低光合作用，还能使花粉败育，影响植物生长、发育和繁殖。用含镉0.04mg/L的水进行农业灌溉时，土壤和稻米就会受到明显的污染。日本的痛痛病就是镉污染所致。镉的主要污染源有电镀、采矿、冶炼、燃料、电池和化学工业等排放的废水。法国烟草研究所在转基因抗除草剂、抗PVY病毒上做了大量的研究，并获得了硫蛋白转基因烟草，具有降解金属镉的作用。7.1.2.5抗病毒作物将病毒外壳蛋白基因移植到农作物中，使农作物能抵抗病毒感染，培育出抗病毒番茄、抗病毒烟草、抗病毒黄瓜等抗病毒作物品种。我国也已有转基因抗病毒烟草、番茄和甜椒品种获得了商业化应用许可。抗病毒的作物的基因可能与其它病毒发生重组，而产生超级病毒，给作物带来毁灭性的灾难；以及对生物多样性的影响等等。7.1.3生物农药及生物控制生物农药是“可用来防治病、虫、草等有害生物的生物体本身或源于生物，并可作为‘农药’的各种生理活性物质。”生物农药可分为生物体农药（指用来防除病、虫、草等有害生物的商品活性生物）和生物化学农药（指从生物体中分离出的具有一定化学结构，对有害生物有控制作用的生物活性物质）。7.1.3.1苏云金芽孢杆菌实用意义：细菌杀虫剂—生物农药少数芽孢杆菌在—δ内毒素，称为伴孢晶体。形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体7.1.3.2白僵菌白僵菌是一种广谱性的昆虫病原真菌，对700多种有害昆虫都能寄生,致病性强、适应性强。在多种农林害虫的生物防治中都取得了明显成效。例如在中国防治玉米螟和松毛虫、在巴西防治小蔗螟、在欧洲防治西方五月鳃金龟等，都获得了成功。由于其能快速、有效地控制虫口，同时不伤害其他天敌昆虫和有益生物，从而可以有效地与其它杀虫因子协同作用并维持物种的多样性，而且其容易大量生产，防治成本较有竞争力，因而其研究成果具有广泛的应用前景。目前，我国是生产和应用白僵菌杀虫剂的第一大国，每年施用面积约50万公顷，在防治松毛虫和玉米螟方面作出了重要贡献。我国生产白僵菌制剂主要采用液固两相法，采用本法生产球孢白僵菌的成功使我国成为世界上唯一能批量生产真菌高孢粉的国家。在我国，白僵菌粉剂生产采用两步发酵法，第一步采用液体深层发酵技术制备芽生孢子，然后大接种量进行固态发酵获得分生孢子产品。7.1.3.3昆虫病毒昆虫病毒是以昆虫作为宿主，并在宿主种群中流行传播的一类病毒。至今发现的昆虫病毒已超过1000多株，涉及11个目的900多种昆虫，据统计我国已经发现的昆虫病毒有200余株。昆虫病毒在形态、结构上突出的特点是大都在宿主细胞内形成蛋白结晶性质的包涵体。家蚕脓病的多角体，就是包涵体的一种。包涵体内的病毒粒子只有当它们从包涵体中释放出来以后，才有侵染宿主细胞的能力。包涵体具有保护病毒免受不良环境影响的作用。除了形成包涵体的病毒外，还有许多不形成包涵体的昆虫病毒。根据包涵体的有无、形态、生成部位等特点，而大体分成五类：（1）核型多角体病毒，多角体于细胞核内形成；（2）质型多角体病毒，多角体于细胞质内出现；（3）颗粒体病毒，椭圆形颗粒状包涵体存在于细胞核或细胞质内；（4）昆虫痘病毒，椭圆形与纺锤形包涵体存在于细胞质内，但纺锤形包涵体是不包埋病毒粒子的；（5）非包涵体病毒，不形成包涵体，病毒粒子游离地存在于细胞质内或细胞核内。7.1.4植物细胞工程的应用7.1.4.1植物次生代谢产物产品成分用途销售额/亿美元长春花碱治疗白血病18-20（美国）阿吗灵循环系统障碍病5-25（全世界）奎宁治疗疟疾5-10（美国）致热素杀虫剂20（全世界）毛地黄心脏病药20-55（美国）7.1.4.2植物再生技术植物细胞培养和组织培养对于农作物的改良有巨大的意义：不同物种原生质体的融合胚、花药、花粉的培养快速无性繁殖植物基因转移的基础7.1.5分子育种技术的应用转基因农产品是指利用分子生物手段，将某些生物基因转移到农作物物种上，使其性状或产物出现变异。如转基因棉花加进抗棉铃虫的基因，不惧虫害而又保持高产性状；而转基因大豆不仅抗除草剂而且含油量高。自1983年首例转基因植物--烟草问世，至今全球已有120多种植物获得转基因植株。有报告说，全球转基因植物种植面积增加了3.35倍，由1996年的170万公顷跃升到2002年的5870万公顷。美国是世界上第一个批准转基因农作物商业化种植的国家，其转基因作物种植面积一直居世界首位。2000年美国转基因作物种植面积达3030万公顷，占世界转基因作物种植面积的68％。目前，最主要的转基因作物是大豆和玉米，这两种作物的种植面积大约占全球转基因作物总面积的80％。其中转基因大豆占全球转基因作物面积约60％，转基因棉花和油菜的种植面积位居第三和第四。转基因作物给人类带来了巨大的经济效益。1995年，世界转基因农产品的销售额大约为0.84亿美元，1999年达到30亿美元左右。世界转基因农产品市场销售额在５年间增长了36倍。科学研究和实践都表明，目前主要产业化的抗除草剂和抗虫转基因农作物可有效地防治杂草和虫害，大幅减少用工投入，大幅降低了化学杀虫剂的用量，并在保护环境和提高农民收入等方面发挥了作用，社会效益和经济效益十分显著。专家预计，今后包括转基因抗虫棉在内的全球转基因农作物面积将会进一步增长。我国是世界上最大的棉花生产国和消费国，但由于生物灾害及不良气候影响，棉花生产每年有上百亿元的损失。我国自1991年启动转基因抗虫棉的研究，并正式列入国家863计划，成为国家八五重大关键技术项目和九五重大中试转化项目。转基因抗虫棉作为新的棉花品种类型，在中国种植推广速度相当快。1996年，全国转基因抗虫棉种植面积仅15万亩左右，2000年达到900万亩，2002年达到3750多万亩。在主要产棉区，播种转基因抗虫棉面积最大的三个省是河北、山东和河南。中国农业科学院生物技术研究所已成功地人工合成和改造了来自天蚕蛾的抗菌肽基因，并导入我国马铃薯主栽品种米拉，获得抗病性提高Ｉ∽Ⅲ级的抗青枯病的转基因株系，现已经农业部批准在四川省进行环境释放。1987年我国首次获得转Ｂt基因的烟草和番茄以来，相继获得了转Ｂt基因的棉花、水稻、玉米等。我国首批列入标识管理的转基因农产品有五个大类：一是大豆种子、大豆、大豆粉、大豆油、豆粕