1、植物基因工程植物基因工程第一章第一章 绪绪 论论 第一节 基因工程的概念 第二节 基因工程的诞生和发展 第三节 基因工程的研究内容 第四节 基因工程的应用 第五节 基因工程的发展前景 第六节 植物基因工程进展和存在的问题第一节第一节 基因工程的概念基因工程的概念 基因基因（Gene）：）：DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列总称，是遗传物质的最小功能单位。基因工程基因工程(genetic engineering)：是指将生物的某个基因通过基因载体运送到另一种生物的活细胞中，并使之无性繁殖和行使正常功能，从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术。也称基因操作(gene manipulati
2、on)、DNA 重组技术(DNA recombination technology)，基因工程最突出的优点基因工程最突出的优点 就是打破了常规育种难以突破的物种之间界限，可使就是打破了常规育种难以突破的物种之间界限，可使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间、甚至人与其原核生物与真核生物之间、动物与植物之间、甚至人与其他生物之间的遗传信息进行重组和转移。他生物之间的遗传信息进行重组和转移。缩短了新物种出现的时间。缩短了新物种出现的时间。基因工程一般操作步骤基因工程一般操作步骤1.从生物有机体基因组中从生物有机体基因组中，分离带有目的基因，分离带有目的基因DNA片段。片段。2.将带有目的基因的外
3、源将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自片段连接到能够自我复制的并具有选择标记我复制的并具有选择标记的载体分子上，形成重组的载体分子上，形成重组DNA分子。分子。3.将重组将重组DNA分子转移分子转移到适当的受体细胞并与到适当的受体细胞并与之一起增殖。之一起增殖。基因工程一般操作步骤基因工程一般操作步骤4.4.从大量的细胞繁殖群体中从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组，筛选出获得了重组DNADNA分子分子的受体细胞的受体细胞,并筛选出已经得并筛选出已经得到扩增的目的基因。到扩增的目的基因。5.5.将目的基因克隆到表达将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使载体上，导入寄主细胞，使之
4、在新的遗传背景下实现功之在新的遗传背景下实现功能表达，研究核酸序列与蛋能表达，研究核酸序列与蛋白质功能之间的关系。白质功能之间的关系。植物基因工程：植物基因工程：是指植物学领域的基因工程，就是利用基因工程技术，将基因导入植物基因组内，改变植物的某些遗传特性，培育具有高产、优质、抗病毒、抗虫、抗寒、抗旱、抗涝、抗盐碱、抗除草剂等特性的作物新品种。转转除草剂抗性除草剂抗性基因基因水稻水稻第二节 基因工程的诞生和发展一、基因工程诞生的理论基础一、基因工程诞生的理论基础（一）理论上的三大发现（一）理论上的三大发现 1.DNA是生物的遗传物质是生物的遗传物质 2.DNA分子的双螺旋结构和半保留复制机制分
5、子的双螺旋结构和半保留复制机制 3.遗传密码的破译和遗传信息传递方式遗传密码的破译和遗传信息传递方式（二）技术上的三大发明（二）技术上的三大发明 1.限制性核酸内切酶的发现与限制性核酸内切酶的发现与DNA切割切割 2.DNA连接酶的发现与连接酶的发现与DNA片段的连接片段的连接 3.基因工程载体的研究与应用基因工程载体的研究与应用(1)DNA是遗传物质Avery实验 Griffith实验肺炎双球菌转化实验肺炎双球菌转化实验1944年，美国微生物学家年，美国微生物学家O.T.Avery首次证实首次证实遗传物质的基础是遗传物质的基础是DNA，基因位于基因位于DNA上。上。噬菌体转染实验噬菌体转染实
6、验1952年年Alfred Hershy和和Marsha Chase分分别用放射别用放射性同位素性同位素标记噬菌标记噬菌体体进一步证明遗传物质是进一步证明遗传物质是DNA(2)DNA的双螺旋结构和半保留复制1953年年James D.Watson和和Francis H.C.Crick揭示了揭示了DNA分子的分子的双螺旋结构双螺旋结构和和半保留复半保留复制机制。制机制。Francis Crick&James Watson 1966年年Nireberg等破译了全部等破译了全部64个遗传密码个遗传密码3.遗传密码的破译和遗传信息传递方式的确定遗传密码的破译和遗传信息传递方式的确定DNAmRNAPro
7、teintranscriptiontranslation1957年年Crick又提出了遗传信息传递的又提出了遗传信息传递的“中心法则中心法则”(central dogma)，揭示了遗传信息的流向和表达问题。，揭示了遗传信息的流向和表达问题。（二）技术上的三大发明二）技术上的三大发明 1.限制性核酸内切酶的发现与限制性核酸内切酶的发现与DNA切割切割 Werner Arber 理论预见限制酶理论预见限制酶Daniel Nathans 用限制酶切得用限制酶切得SV40 DNA片断片断Hamilton O.Smith 得到第一个限制酶得到第一个限制酶1978年年Nobel生理或医学奖生理或医学奖 2
8、.DNA连接酶的发现与连接酶的发现与DNA片段的连接片段的连接 1967年世界上年世界上5个实验室几乎同时发现个实验室几乎同时发现DNA连接酶；连接酶；1970年年Khorana实验室发现实验室发现T4 DNA连接酶。连接酶。3.基因工程载体的研究与应用基因工程载体的研究与应用 1972年前后使用小分子量的细菌质粒和年前后使用小分子量的细菌质粒和 噬菌体作载体。噬菌体作载体。在细菌细胞里的大量扩增。在细菌细胞里的大量扩增。二、基因工程的诞生二、基因工程的诞生(一）一）Berg的开创性实验的开创性实验 1972年美国斯坦福大学年美国斯坦福大学Berg博士领导的研究组博士领导的研究组用用EcoRI
9、在体外对猿猴病毒在体外对猿猴病毒SV40的的DNA和和噬菌体噬菌体DNA分别酶切，然后用分别酶切，然后用T4 DNA连接酶将两种酶切连接酶将两种酶切片段连接，结果获得了片段连接，结果获得了SV40和和噬菌体噬菌体DNA的重组的重组DNA分子，成功完成了世界上分子，成功完成了世界上第一次第一次DNA体外重组体外重组实验实验，并因此与，并因此与Gilbert、Sanger分享分享1980年度诺贝年度诺贝尔化学奖。尔化学奖。phage DNASV40 DNADNA ligaseSticky endThe two fragments stick together by base pairing Rec
10、ombinant DNAEcoRI recognition sites EcoRI cuts DNA into fragments 1972年第一个年第一个DNA重组分子产生重组分子产生(二）二）Boyer-Cohen实验实验 1973年，年，Cohen等人将编码等人将编码Kan抗性基因质粒抗性基因质粒R6-5和和编码编码Tet抗性基因质粒抗性基因质粒pSC101混合后，加入混合后，加入EcoRI进行酶切，进行酶切，用用T4 DNA连接酶连接成重组连接酶连接成重组DNA分子，最后转化大肠杆分子，最后转化大肠杆菌，结果某些转化菌落表现出既抗菌，结果某些转化菌落表现出既抗Kan又抗又抗Tet的双重
11、抗性的双重抗性特性。从这种双抗性转化菌落的大肠杆菌中分离出的重组特性。从这种双抗性转化菌落的大肠杆菌中分离出的重组质粒质粒DNA带有完整带有完整pSC101分子和一个来自分子和一个来自R6-5质粒编码质粒编码Kan抗性基因抗性基因DNA片段。片段。后来又把非洲爪蟾核糖体基因片断同后来又把非洲爪蟾核糖体基因片断同pSC101质粒重组，质粒重组，转化大肠杆菌，并在菌体内成功转录出相应的转化大肠杆菌，并在菌体内成功转录出相应的mRNA。这。这是是第一次成功的基因克隆实验第一次成功的基因克隆实验。Boyer-Cohen实验实验 Stanley Cohen 1986 Nobel生理生理或医学奖或医学奖H
12、erb BoyerR6-5R6-5TetTetKanKan三、基因工程的发展三、基因工程的发展 第一代基因工程第一代基因工程第二代基因工程第二代基因工程第三代基因工程第三代基因工程第四代基因工程第四代基因工程第三节第三节 基因工程的研究内容基因工程的研究内容 1.基础研究 （1）基因工程克隆载体的研究 （2）基因工程受体系统的研究 （3）基因组的研究 （4）基因工程新技术的研究 2.应用研究 （1）基因工程药物研究 （2）基因治疗研究 （3）转基因植物研究 （4）转基因动物研究基因工程基础研究基因工程基础研究的主要内容的主要内容（一）（一）克隆载体研究克隆载体研究 基因工程基因工程的发展是与克
13、隆载体构建密切相关的；的发展是与克隆载体构建密切相关的；以构建克隆载体的材料分为：以构建克隆载体的材料分为：质粒载体系统、病毒载质粒载体系统、病毒载体系统体系统等等以及载体的用途分为：以及载体的用途分为：通用克隆载体、大片段通用克隆载体、大片段DNA克克隆载体、表达克隆载体隆载体、表达克隆载体等等（二）（二）受体系统的研究受体系统的研究 基因工程的受体细胞与载体是一个系统的两个方面。受体是克隆载体的宿主，是外源目的基因复制和表达的场所。受体：单细胞、组织、器官和个体均可以作为受体。原核生物受体：E.coli 真核生物受体:酵母是单细胞真核生物受体 植物受体：愈伤组织、细胞和原生质，部分组织和器
14、官；动物受体：生殖细胞和早期胚胎细胞作为基因工程受体；人的体细胞也可以作为基因工程受体。基因工程基础研究基因工程基础研究的主要内容的主要内容基因工程基础研究基因工程基础研究的主要内容的主要内容（三）基因组（三）基因组学研究学研究 嗜血嗜血流感杆菌：流感杆菌：183 0137bp，1743个基因个基因 产甲烷产甲烷球菌：球菌：16 64976bp，1682个基因个基因 大肠杆菌大肠杆菌K-12：463 9221bp，4288个基因个基因 枯草杆菌枯草杆菌：4.21106bp,4100个基因个基因 1980年提出年提出Human Genome Project(HGP)；1990年开始，美国、英国、
15、日本、德国、年开始，美国、英国、日本、德国、法国法国等等国实施国实施“人类基因组计划人类基因组计划”；我国我国1999年年9月获准参加这一计划，承担月获准参加这一计划，承担1%的的测序测序任务。任务。基因工程基础研究基因工程基础研究的主要内容的主要内容（四）基因工程新技术的研究（四）基因工程新技术的研究 外源基因导入技术外源基因导入技术基因检测技术基因检测技术基因测序技术基因测序技术基因表达分析技术基因表达分析技术基因工程应用研究基因工程应用研究的主要内容的主要内容（一）基因工程药物研究（一）基因工程药物研究 先确定对某种疾病有预防和治疗作用的蛋白质，然后将控制该蛋白质合成过程的基因取出来，经
16、过一系列基因操作，最后将该基因放入可以大量生产的受体细胞中去，这些受体细胞包括细菌、酵母菌、动物或动物细胞、植物或植物细胞，在受体细胞不断繁殖过程中，大规模生产具有预防和治疗这些疾病的蛋白质，即基因疫苗或药物。基因工程应用研究基因工程应用研究的主要内容的主要内容（二）基因治疗研究（二）基因治疗研究基因治疗：将外源正常基因导入靶细胞，取代突变基基因治疗：将外源正常基因导入靶细胞，取代突变基因，补充缺失基因或关闭异常基因，达到从根本上治因，补充缺失基因或关闭异常基因，达到从根本上治疗疾病的目的。疗疾病的目的。基因治疗是基因治疗是2121世纪的一大热点领域；被认为是征世纪的一大热点领域；被认为是征服
17、肿瘤、心血管疾病、糖尿病尤其是遗传性疾病最有服肿瘤、心血管疾病、糖尿病尤其是遗传性疾病最有希望的手段。希望的手段。通过研究通过研究“基因敲除基因敲除”的耗子的耗子将帮助研究人类的癌症、糖尿将帮助研究人类的癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗传病和高血压等慢性疾病与遗传的关系。的关系。在猴子的未受精卵中加入附加基因在猴子的未受精卵中加入附加基因，并利用它成功培育出健康活泼的小，并利用它成功培育出健康活泼的小猴猴“安迪安迪”。通过对通过对“安迪安迪”的研究我们可以简的研究我们可以简单地引进如老年性痴呆病的基因、帕单地引进如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等，加快针对这类疾病疫金森病基因等，加快针对这
18、类疾病疫苗的开发研究。苗的开发研究。（三）转基因植物研究（三）转基因植物研究（三）转基因植物研究（三）转基因植物研究 无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻（三）转基因植物研究（三）转基因植物研究 转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基转鱼抗寒基因的番茄因的番茄转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯不会引起过敏的转基因大豆不会引起过敏的转基因大豆生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国中国)（四）转基因动物研究（四）转基因动物研究（四）转基因动物研究（四）转基因动物研究 乳汁中含有人生长激素的乳汁中含有人生长激素
19、的 转基因牛转基因牛(阿根廷阿根廷)第四节第四节 基因工程的应用基因工程的应用 一、生命科学基础理论研究中的应用 二、农林牧渔业中的应用 三、工业中的应用 四、医学中的应用二、基因工程在农业上的应用二、基因工程在农业上的应用（1）增加农作物产品的营养价值（2）提高农作物抗逆性能（3）提高光合作用效率（4）生物固氮的基因工程（5）增加植物次生代谢产物产率（6）培育畜牧业新品种三、工业中的应用三、工业中的应用酿酒工业酿酒工业 食品工业食品工业 化学与能源工业化学与能源工业环境工程环境工程酶制剂工业酶制剂工业三、工业中的应用三、工业中的应用三、工业中的应用三、工业中的应用 基因工程做成的基因工程做成
20、的“超级细菌超级细菌”能吞食和分解多种污染环能吞食和分解多种污染环境的物质境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的培育成功的“超级细菌超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。等毒害物质。三、工业中的应用三、工业中的应用 基因工程做成的基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。的病毒、细菌等污染。1t水中只有水中只有10个病毒也能被个病毒也能被D
21、NA探针检测出来探针检测出来三、工业中的应用三、工业中的应用 利用基因工程培育的利用基因工程培育的“指示生物指示生物”能十分灵敏地反映环能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。吸收和转化污染物。胰岛素胰岛素100kg胰腺胰腺4-5g胰岛素胰岛素2000L培养液培养液 100g胰岛素！胰岛素！四、医学中的应用四、医学中的应用 基因工程药品基因工程药品 生长激素生长激素 治疗侏儒症治疗侏儒症的唯一方法，是向人体的唯一方法，是向人体注射生长激素注射生长激素。而。而生长激素的获得很困难。以前要获得生长激
22、素，需解剖尸生长激素的获得很困难。以前要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取体，从大脑的底部摘取垂体垂体，并从中提取生长激素。，并从中提取生长激素。现可利用基因工程方法，将人的现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大生长激素基因导入大肠杆菌中肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从，使其生产生长激素。人们从 450 L大肠杆菌培大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。万具尸体的全部产量。四、医学中的应用四、医学中的应用干扰素治疗病毒感染简直是干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药万能灵药”！过去从人血中提取，！过去从人血中提取，300L血才提取
23、血才提取1mg！其！其“珍贵珍贵”程程度自不用多说。度自不用多说。人造血液、白细胞介素、人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的的健康水平发挥了重大的作用作用。人造血液及其生产人造血液及其生产基因工程药品基因工程药品 干扰素干扰素四、医学中的应用四、医学中的应用产品产品时间时间国家国家用途用途上市时间上市时间国家国家人生长激素释放抑制素人生长激素释放抑制素(SRM)1977日本日本巨人症巨人症人胰岛素人胰岛素1978美国美国糖尿病糖尿病1982欧洲欧洲人生长激
24、素（人生长激素（HGH）1979美国美国侏儒症侏儒症1985美国美国人人-干扰素（干扰素（IFN）1980美国美国病毒病毒1985欧洲欧洲乙肝疫苗（乙肝疫苗（HBsAgV）1983美国美国乙肝乙肝1986欧洲欧洲人白细胞介素人白细胞介素1984美国美国肿瘤肿瘤1989欧洲欧洲人促红细胞生成素（人促红细胞生成素（EPO）日本日本贫血贫血1988欧洲欧洲人粒细胞集落刺激因子人粒细胞集落刺激因子(G-CSF)白血病白血病1991美国美国人组织纤溶酶原激活剂（人组织纤溶酶原激活剂（t-PA）血栓症血栓症1987 美国美国主要基因工程主要基因工程药品药品的研制、开发、上市时间的研制、开发、上市时间四、医
25、学中的应用四、医学中的应用基因工程疫苗的研制与生产基因工程疫苗的研制与生产 基因诊断基因诊断 基因治疗基因治疗 第五节第五节 基因工程的发展前景基因工程的发展前景一、基因工程与医药卫生一、基因工程与医药卫生（1）生产基因工程药品（2）用于基因诊断与治疗二、基因工程在农业上应用二、基因工程在农业上应用（1）生物固氮（2）木质素或纤维素利用（3）改良和培育农作物和家畜、家禽新品种三、基因工程与工业生产三、基因工程与工业生产基因基因本身也是一个产业本身也是一个产业 1.Rockfeller 大学将人肥胖基因出售大学将人肥胖基因出售0.2亿美元亿美元（1995年年3月）月）2.Amgen公司将公司将F
26、KBP神经免疫因子配体转让达神经免疫因子配体转让达3.29亿亿美元美元（1997年）年）3.Millennium公司以公司以4.65亿美元亿美元向向Bayer公司转让公司转让225种基因的开发权（种基因的开发权（1998年年9月）月）基因工程基因工程试剂的高回报试剂的高回报 1.碱性成纤维细胞生长因子碱性成纤维细胞生长因子 231元元/ug 2.红细胞生成素红细胞生成素 1072元元/ug 3.白细胞介素白细胞介素-2 410元元/ug 4.巨细胞粒细胞集落刺激因子巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元元/ug 5.胰岛素胰岛素 10.2元元/mg第六节第六节 植物基因工程进展和存在的问题植物基因工程进展和存在的问题基因工程存在的问题：基因工程存在的问题：1.基因工程本身发展的局限2.基因工程与农业资源遗传多样性保护3.基因工程与病虫抗药性4.基因工程与环境生态平衡5.基因工程的安全性问题
