1、n1 1 生物技术总生物技术总论论n 1.1 生物技术的含义n 1.2 生物技术发展历史 n n 1.3 生物技术对经济社会发展的影响n2 2 基因工程基因工程n 2.1 核酸的结构和功能n 2.2 基因工程工具酶和DNA加工n 2.3 基因克隆载体 n2.4 目的基因 2.5 目的基因导入受体细胞n2.6 克隆子的筛选和鉴定n3 3 细胞工程细胞工程n3.1 细胞工程的基础知识与基本技术n3.2 植物细胞工程n3.3 动物细胞工程n3.4 微生物细胞工程n4 4 发酵工程发酵工程n4.1 发酵工程概况n n4.2 微生物发酵过程n4.3 发酵操作方式及工艺控制n4.4 发酵设备n4.5 下游
2、加工过程n4.6 固体发酵n4.7 典型产品的发酵生产n5 5 酶工程酶工程n5.1 酶的发酵生产n5.2 酶的分离纯化n5.3 酶分子的改造n5.4 生物催化剂的固定化n5.5 酶反应器n n5.6 生物传感器n6 6 生物技术与农业生物技术与农业n6.1 植物生物技术n6.2 动物生物技术n7 7 生物技术与食品生物技术与食品n7.1 生物技术与食品加工n n7.2 生物技术与食品检测n7.3 遗传工程食品n8 8 生物技术与人类健康生物技术与人类健康n8.1 生物技术与疫苗n n8.2 生物技术与疾病诊断 n8.3 生物技术与生物制药n8.4 疾病的基因治疗n8.5 人类基因组计划n n
3、9 9 生物技术与能源生物技术与能源n9.1 微生物与石油开采n n9.2 未来石油的替代物乙醇n9.3 植物“石油”n9.4 甲烷与燃料源n9.5 未来新能源 n n10 10 生物技术与环境生物技术与环境n10.1 污水处理n10.2 大气净化生物技术n10.3 固体垃圾的处理n10.4 生物恢复和生物淋溶技术n10.5 基因工程与污染处理n10.6 环境污染监测与评价的生物技术 n11 11 对生物技术发明的保护对生物技术发明的保护n n12 12 生物技术的安全性及其影响生物技术的安全性及其影响 1 生物技术总论n学习目的 n了解生物技术的含义、特点以及生物技术的发展史。n了解生物技术
4、的各项技术及其相互关系。n认识生物技术的应用领域及其对人类社会发展的影响。n人类所面临的食品短缺、健康问题、环境问人类所面临的食品短缺、健康问题、环境问题及经济问题的挑战是至关重要的，所以许题及经济问题的挑战是至关重要的，所以许多国家都将生物技术确定为增强国力和经济多国家都将生物技术确定为增强国力和经济实力的关键性技术之一。实力的关键性技术之一。n我国政府同样把生物技术列为高新技术之一，我国政府同样把生物技术列为高新技术之一，并组织力量追踪和攻关。并组织力量追踪和攻关。n当代的生物技术为什么会引起世界各国如此当代的生物技术为什么会引起世界各国如此普遍的关注和重视普遍的关注和重视?n它同国民经济
5、的发展有什么样的关系它同国民经济的发展有什么样的关系?n它同理、工、农、医等科技和生产实践的发它同理、工、农、医等科技和生产实践的发展，以及同国计民生又是怎样的关系展，以及同国计民生又是怎样的关系?n首先，生物技术是解决全球性经济问题的关首先，生物技术是解决全球性经济问题的关键技术，键技术，n在迎接人口、资源、能源、食物和环境等五大在迎接人口、资源、能源、食物和环境等五大危机的挑战中将大显身手。危机的挑战中将大显身手。n其次，生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧其次，生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、食品、化工和能源等领域，促进传渔、轻工、食品、化工和能源等领域，促进传统产业的技术改造
6、和新兴产业的形成，对人类统产业的技术改造和新兴产业的形成，对人类社会生活将产生深远的革命性的影响。社会生活将产生深远的革命性的影响。n所以，生物技术是现实生产力，也是具有巨大所以，生物技术是现实生产力，也是具有巨大经济效益的潜在生产力。生物技术将是经济效益的潜在生产力。生物技术将是2l2l世纪世纪高技术革命的核心内容，生物技术产业将是高技术革命的核心内容，生物技术产业将是2121世纪的支柱产业。世纪的支柱产业。n生物技术不完全是一门新兴学科，它包括传统生物技术不完全是一门新兴学科，它包括传统生物技术和现代生物技术两部分生物技术和现代生物技术两部分。n传统的生物技术是指旧有的制造酱、醋、酒、传统
7、的生物技术是指旧有的制造酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品的传统工艺；面包、奶酪、酸奶及其他食品的传统工艺；n现代生物技术则是指现代生物技术则是指7070年代末年代末8080年代初发展起年代初发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。当前所称的生物技术工程为核心的新兴学科。当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。基本上都是指现代生物技术。n 本书主要讨论现代生物技术。本书主要讨论现代生物技术。11 生物技术的含义n1 11 11 1、生物技术的定义、生物技术的定义n生物技术生物技术(biotechnology(biote
8、chnology），），n也称生物工程也称生物工程(bioengineering)(bioengineering)n是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的技术手段和其他基础学科的科学原理，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。需产品或达到某种目的。n 先进的生物技术手段是指基因工程、细胞工先进的生物技术手段是指基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等新技程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等新技术。术。n改造生物体
9、是指获得优良品质的动物、植物改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。生物原料则指生物体的某一或微生物品系。生物原料则指生物体的某一部分或生物生长过程所能利用的物质，如淀部分或生物生长过程所能利用的物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石。机化学品，甚至某些矿石。n为人类生产出所需的产品包括粮食、医药、食为人类生产出所需的产品包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品。品、化工原料、能源、金属等各种产品。n达到某种目的则包括疾病的预防、诊断与治疗、达到某种目的则包括疾病的预防、诊断与治疗、环境污染的检测和治
10、理等。环境污染的检测和治理等。n生物技术是由多学科综合而成的一门新学科。生物技术是由多学科综合而成的一门新学科。n就生物科学而言，它包括了微生物学、生物就生物科学而言，它包括了微生物学、生物化学、细胞生物学、免疫学、育种技术等几化学、细胞生物学、免疫学、育种技术等几乎所有与生命科学有关的学科，特别是现代乎所有与生命科学有关的学科，特别是现代分子生物学的最新理论成就更是生物技术发分子生物学的最新理论成就更是生物技术发展的基础。展的基础。n现代生命科学的发展已在分子、亚细胞、细现代生命科学的发展已在分子、亚细胞、细胞、组织和个体等不同层次上，揭示了生物胞、组织和个体等不同层次上，揭示了生物的结构和
11、功能的相互关系，从而使人们得以的结构和功能的相互关系，从而使人们得以应用其研究成就对生物体进行不同层次的设应用其研究成就对生物体进行不同层次的设计、控制、改造或模拟，并产生了巨大的生计、控制、改造或模拟，并产生了巨大的生产能力。产能力。112 生物技术的种类及其相互关系n 近几十年来，科学和技术发展的一个显著特近几十年来，科学和技术发展的一个显著特点就是人们越来越多地采用多学科的方法来解点就是人们越来越多地采用多学科的方法来解决各种问题。这将导致综合性学科的出现，并决各种问题。这将导致综合性学科的出现，并最终形成了具有独特概念和方法的新领域。最终形成了具有独特概念和方法的新领域。n生物技术就是
12、在这种背景下产生的一门综合性生物技术就是在这种背景下产生的一门综合性的新兴学科。根据生物技术操作的对象及操作的新兴学科。根据生物技术操作的对象及操作技术的不同，生物技术主要包括以下技术的不同，生物技术主要包括以下5 5项技术项技术(工程工程)。1121 基因工程(gene engineering)n 基因工程基因工程是是7070年代以后兴起的一门新技术，其主年代以后兴起的一门新技术，其主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)(DNA)分离出来，在体外进行切割、分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。拼接和重组。n
13、然后将重组了的然后将重组了的DNADNA导人某种宿主细胞或个体，从导人某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息在而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物(多肽或蛋白质多肽或蛋白质)。这种创造新生物并给予新生物以。这种创造新生物并给予新生物以特殊功能的过程就称为基因工程，也称特殊功能的过程就称为基因工程，也称DNADNA重组技重组技术。术。1122 细胞工程(cell engineering)n 一般认为，所谓的一般认为，所谓的细胞工程细胞工程是指以细胞为基是指以细胞为基本单位，在
14、体外条件下进行培养、繁殖，或人本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，或获得某种有用的物加速繁育动、植物个体，或获得某种有用的物质的过程。质的过程。n所以细胞工程应包括动、植物细胞的体外培养所以细胞工程应包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术技术、细胞融合技术(也称细胞杂交技术也称细胞杂交技术)、细、细胞器移植技术等。胞器移植技术等。1123 酶工程(enzyme engineering)n 所谓所谓酶工程酶
15、工程是利用酶、细胞器或细胞所具是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。需产品的一项技术。n它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。1124 发酵工程(fermentation engineering)n 利用微生物生长速度快、生长条件简单以利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通及代谢过程
16、特殊等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程发酵工程，有时也称微生物工程。有时也称微生物工程。1125 蛋白质工程(protein engineering)n 是指在基因工程的基础上，结合蛋白是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满
17、足人类需要的新型蛋改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质。白质。n 应该指出，上述应该指出，上述5 5项技术并不是各自独立项技术并不是各自独立的，它们彼此之间是互相联系、互相渗透的，它们彼此之间是互相联系、互相渗透的。其中的基因工程技术是核心技术，它的。其中的基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展。能带动其他技术的发展。n比如通过基因工程对细菌或细胞改造后获比如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的得的“工程菌工程菌”或细胞，都必须分别通过或细胞，都必须分别通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质；发酵工程或细胞工程来生产有用的物质；n又如，通过基因工程技术对酶进行改造以又如，通过基因
18、工程技术对酶进行改造以增加酶的产量、酶的稳定性以及提高酶的增加酶的产量、酶的稳定性以及提高酶的催化效率等催化效率等113 生物技术涉及的学科n 现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一。广的学科之一。n它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑，所有生物科学的次级学科为支撑，n又结
19、合了诸如化学、化学工程学、数学、微电子技术、又结合了诸如化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学等生物学领域之外的尖端基础学科，从而计算机科学等生物学领域之外的尖端基础学科，从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科。形成一门多学科互相渗透的综合性学科。其中又以生命科学领域的重大理论其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。和技术的突破为基础。例如，没有例如，没有WatsonWatson和和CrickCrick的的DNADNA双螺旋结双螺旋结构及阐明构及阐明DNADNA的半保留复制模式，的半保留复制模式，没有遗传密码的破译以及没有遗传密码的破译以及DNADNA与蛋与蛋 白质的白质的关
20、系等理论上的突破，关系等理论上的突破，没有发现没有发现DNADNA限制性内切酶、限制性内切酶、DNADNA连接酶等连接酶等工具酶，就不可能有基因工程高技术的出工具酶，就不可能有基因工程高技术的出现；现；n没有动、植没有动、植 物细胞培养方法以及细胞融物细胞培养方法以及细胞融合方法的建立，就不可能有细胞工程合方法的建立，就不可能有细胞工程 的出现；的出现；n没有蛋白质结晶技术及蛋白质三维结构没有蛋白质结晶技术及蛋白质三维结构的深入研究以及化工技术的进步，就不的深入研究以及化工技术的进步，就不可能有酶工程和蛋白质工程的产生；可能有酶工程和蛋白质工程的产生；n没有生物反应器及传感器以及自动化控没有生
21、物反应器及传感器以及自动化控制技术的应用，就不可能有现代制技术的应用，就不可能有现代 发酵发酵工程的出现工程的出现。另外，所有生物技术领域还使用了另外，所有生物技术领域还使用了大量的现代化高精尖仪器，如超速离心大量的现代化高精尖仪器，如超速离心机、电子显微镜、高效液相色谱、机、电子显微镜、高效液相色谱、DNADNA合合成仪、成仪、DNADNA序列分析仪等。序列分析仪等。这些仪器全部都是由微机控制的、这些仪器全部都是由微机控制的、全自全自动化的。这就是现代微电子学和计算机动化的。这就是现代微电子学和计算机技术与生物技术的结合和渗透。没有这技术与生物技术的结合和渗透。没有这些结合和渗透，生物技术的
22、研究就不可些结合和渗透，生物技术的研究就不可能深入到分子水平，也就不会有今天的能深入到分子水平，也就不会有今天的现代生物技术。现代生物技术。n人类已进入知识经济时代，知识经济的基本特人类已进入知识经济时代，知识经济的基本特征就是知识不断创新，高新技术迅速产业化。征就是知识不断创新，高新技术迅速产业化。作为高新技术领域重要组成部分的生物技术，作为高新技术领域重要组成部分的生物技术，必然在知识经济的发展过程中大显身手并做出必然在知识经济的发展过程中大显身手并做出特殊的贡献。特殊的贡献。n我国是发展中国家，农业经济、工业经济、知我国是发展中国家，农业经济、工业经济、知识经济三元并存，面临着新的机遇和
23、挑战。在识经济三元并存，面临着新的机遇和挑战。在这种形势下，大力发展高新技术及其产业，加这种形势下，大力发展高新技术及其产业，加大知识经济在经济结构中的比重具有特别重要大知识经济在经济结构中的比重具有特别重要的意义。的意义。n生物技术与其他生物技术与其他高新技术高新技术一样具有一样具有“六高六高”的基本的基本特征：特征：n即高效益，可带来高额利润；即高效益，可带来高额利润；n高智力，具有创造性和突破性；高智力，具有创造性和突破性；n高投入，前期研究及开发需要大量的资金投入；高投入，前期研究及开发需要大量的资金投入；n高竞争，时效性的竞争非常激烈；高竞争，时效性的竞争非常激烈；n高风险，由于竞争
24、的激烈，必然带来高风险；高风险，由于竞争的激烈，必然带来高风险；n高势能，对国家的政治、经济、文化和社会发展有高势能，对国家的政治、经济、文化和社会发展有很大的影响，具有很强的渗透性和扩散性，有着很很大的影响，具有很强的渗透性和扩散性，有着很高的态势和潜在的能量。高的态势和潜在的能量。12 生物技术发展简史n生物技术不是一门新学科，它可分为传统生生物技术不是一门新学科，它可分为传统生物技术和现代生物技术。现代生物技术是从物技术和现代生物技术。现代生物技术是从传统生物技术发展而来的。传统生物技术发展而来的。121 传统生物技术的发展n传统生物技术应该说从史前时代起就一直为人们所传统生物技术应该说
25、从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。开发和利用，以造福人类。n在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发酵技术。在公元前是最早的发酵技术。在公元前221221年，周代后期，我年，周代后期，我国人民就能制作豆腐、酱和醋，并一直沿用至今。国人民就能制作豆腐、酱和醋，并一直沿用至今。n公元公元1010世纪，我国就有了预防天花的活疫苗，到了世纪，我国就有了预防天花的活疫苗，到了明代，就已经广泛地种植痘苗以预防天花。明代，就已经广泛地种植痘苗以预防天花。n1616世纪，我国的医生已知道被疯狗咬伤可传播狂犬世纪，我国的医生已知道被疯狗咬
26、伤可传播狂犬病病n在西方，苏美尔人和巴比伦人在公元前在西方，苏美尔人和巴比伦人在公元前60006000年就已年就已开始啤酒发酵。埃及人则在公元前开始啤酒发酵。埃及人则在公元前40004000年就开始制年就开始制作面包。作面包。121传统生物技术的发展16761676年，荷兰人年，荷兰人LeeuwenhoekLeeuwenhoek（16321632一一1723)1723)制成了制成了能放大能放大170-300170-300倍的显微镜，并首先观察到了微生倍的显微镜，并首先观察到了微生物。物。1919世纪世纪6060年代，法国科学家年代，法国科学家L LPasteur(1822Pasteur(182
27、2一一1895)1895)首先证实发酵是由微生物引起的，并首先建首先证实发酵是由微生物引起的，并首先建立了微生物的纯种培养技术，从而为发酵技术的发立了微生物的纯种培养技术，从而为发酵技术的发展提供了理论基础，使发酵技术纳入了科学的轨道。展提供了理论基础，使发酵技术纳入了科学的轨道。到了本世纪到了本世纪2020年代，工业生产中开始采用大规模的年代，工业生产中开始采用大规模的纯种培养技术发酵化工原料丙酮、丁醇。纯种培养技术发酵化工原料丙酮、丁醇。n5050年代，在青霉素大规模发酵生产的带动下，发年代，在青霉素大规模发酵生产的带动下，发酵工业和酶制剂工业大量涌现。发酵技术和酶技酵工业和酶制剂工业大量
28、涌现。发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产品加工等部门。本世纪初，遗传学的建立及其应品加工等部门。本世纪初，遗传学的建立及其应用，产生了遗传育种学，用，产生了遗传育种学，n6060年代取得了辉煌的成就，被誉为年代取得了辉煌的成就，被誉为“第一次绿色第一次绿色革命革命”。细胞学的理论被应用于生产而产生了细。细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程。在今天看来，上述诸方面的发展，还只胞工程。在今天看来，上述诸方面的发展，还只能被视为传统的生物技术，因为它们还不具备高能被视为传统的生物技术，因为它们还不具备高技术的诸要素。技术的诸要素。1
29、22 现代生物技术的发展n 现代生物技术是以现代生物技术是以7070年代年代DNADNA重组技术的建立重组技术的建立为标志的。为标志的。n19441944年年AveryAvery等阐明了等阐明了DNADNA是遗传信息的携带者。是遗传信息的携带者。n19531953年年WatsonWatson和和CrickCrick提出了提出了DNADNA的双螺旋结构的双螺旋结构模型，阐明了模型，阐明了DNADNA的半保留复制模式，从而开辟的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。了分子生物学研究的新纪元。n由于一切生命活动都是由包括酶和非酶蛋白由于一切生命活动都是由包括酶和非酶蛋白质行使其功能的结果
30、，所以遗传信息与蛋白质行使其功能的结果，所以遗传信息与蛋白质的关系就成了研究生命活动的关键问题。质的关系就成了研究生命活动的关键问题。n19611961年年M MNirenbergNirenberg等破译了遗传密码，揭等破译了遗传密码，揭开了开了DNADNA编码的遗传信息是如何传递给蛋白质编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密。基于上述基础理论的发展，这一秘密。基于上述基础理论的发展，122 现代生物技术的发展19721972年年BergBerg首先实现了首先实现了DNADNA体外重组技术，标体外重组技术，标志着生物技术的核心技术志着生物技术的核心技术基因工程技术基因工程技术的开始。的开始。
31、它向人们提供了一种全新的技术手段，使人它向人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿在试管内切割们可以按照意愿在试管内切割DNADNA、分离基因、分离基因并经重组后导入其他生物或细胞，藉以改造并经重组后导入其他生物或细胞，藉以改造农作物或畜牧品种；农作物或畜牧品种；n也可以导入细菌这种简单的生物体，由细菌也可以导入细菌这种简单的生物体，由细菌生产大量的有用的蛋白质，或作为药物，或生产大量的有用的蛋白质，或作为药物，或作为疫苗；也可以直接导人人体内进行基因作为疫苗；也可以直接导人人体内进行基因治疗。治疗。n显然，这是一项技术上的革命。以基因工程显然，这是一项技术上的革命。以基因工程为核心，
32、带动了现代发酵工程、现代酶工程、为核心，带动了现代发酵工程、现代酶工程、现代细胞工程以及蛋白质工程的发展，形成现代细胞工程以及蛋白质工程的发展，形成了具有划时代意义和战略价值的现代生物技了具有划时代意义和战略价值的现代生物技术。术。13 生物技术对经济社会发展的影响n 近代科技史实表明，每一次重大的科近代科技史实表明，每一次重大的科学发现和技术创新，都使人们对客观世界的学发现和技术创新，都使人们对客观世界的认识产生一次飞跃；每一次技术革命浪潮的认识产生一次飞跃；每一次技术革命浪潮的兴起，都使人们改造自然的能力和推动社会兴起，都使人们改造自然的能力和推动社会发展的力量提高到一个新的水平。发展的力
33、量提高到一个新的水平。n生物技术的发展也不例外，它的发展将越来生物技术的发展也不例外，它的发展将越来越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展的进程。的进程。131 改善农业生产、解决食品短缺n “民以食为天民以食为天”，粮食问题是一个国家，粮食问题是一个国家经济健康发展的基础。目前，世界人口已达经济健康发展的基础。目前，世界人口已达5050多亿，多亿，20052005年达到年达到5757亿，而耕地面积不但不会亿，而耕地面积不但不会增加，反而有减少的趋势。所以在今后几十年增加，反而有减少的趋势。所以在今后几十年的发展中如的发展中如 何满足人们对食品增加的需求，
34、何满足人们对食品增加的需求，将是各国政府首先要解决的问题。将是各国政府首先要解决的问题。13.11 提高农作物产量及其品质n (1)(1)培育抗逆的作物优良品系培育抗逆的作物优良品系 n 通过基因工程技术对生物进行基因转移，使通过基因工程技术对生物进行基因转移，使生物体获得新的优良品性，称之为转基因技术。生物体获得新的优良品性，称之为转基因技术。通过转基因技术获得的生物体称为转基因生物，通过转基因技术获得的生物体称为转基因生物，例如转基因植物，就是对植物进行基因转移，例如转基因植物，就是对植物进行基因转移，其目的是培育出具有抗寒、抗旱、抗盐、抗病其目的是培育出具有抗寒、抗旱、抗盐、抗病虫害等抗
35、逆特性成品质优良的作物新品系。虫害等抗逆特性成品质优良的作物新品系。n至至19941994年全世界批准进行田问试验的转基因年全世界批准进行田问试验的转基因植物已达植物已达14671467例，涉及的作物种类包括马铃例，涉及的作物种类包括马铃薯、油菜、烟草、玉米、水稻、番茄、甜菜、薯、油菜、烟草、玉米、水稻、番茄、甜菜、棉花、大豆、苜蓿等。转基因性能包括抗除棉花、大豆、苜蓿等。转基因性能包括抗除草剂、抗病毒、抗盐碱、抗旱、抗虫、抗病草剂、抗病毒、抗盐碱、抗旱、抗虫、抗病以及作物品质改良等。以及作物品质改良等。n我国是人口大国，人多地少，粮食问题更是我国是人口大国，人多地少，粮食问题更是我国经济发展
36、、社我国经济发展、社 会稳定的关键。我国政会稳定的关键。我国政府对农业生物技术极为重视，投入了大量府对农业生物技术极为重视，投入了大量 的人力、物力并取得了举世瞩目的成就。的人力、物力并取得了举世瞩目的成就。n已培育了包括水稻、棉花、小麦、油菜、甘蔗；橡已培育了包括水稻、棉花、小麦、油菜、甘蔗；橡胶等一大批作物新品系。胶等一大批作物新品系。n例如我国首创的两例如我国首创的两 系法水稻杂交优势利用，已先系法水稻杂交优势利用，已先后培育出了具有实用价值的梗型光敏核不育系后培育出了具有实用价值的梗型光敏核不育系N5047SN5047S、700lS700lS等新品系，一般增产达等新品系，一般增产达10
37、10以上，高以上，高 产可达产可达4040。n国家杂交水稻工程技术中心袁隆平教授，国家杂交水稻工程技术中心袁隆平教授，19971997年试年试 种其培育的种其培育的“超级杂交稻超级杂交稻”3 36 6亩，平均亩产达亩，平均亩产达884kg884kg。19981998年总理特批基金年总理特批基金10001000万元，用于支持该万元，用于支持该项研究的深化与推广。项研究的深化与推广。n我国学者还将苏云金杆菌的我国学者还将苏云金杆菌的BtBt杀虫蛋白基因转入棉杀虫蛋白基因转入棉花，培育抗虫棉，对花，培育抗虫棉，对 棉铃虫杀虫率高达棉铃虫杀虫率高达8080以上。以上。n (2)(2)植物种苗的工厂化生
38、产植物种苗的工厂化生产 n 利用细胞工程技术对优良品种进行大量的快利用细胞工程技术对优良品种进行大量的快速无性繁殖，实现工业化生产。该项技术又称速无性繁殖，实现工业化生产。该项技术又称植物的微繁殖技术。植物细胞具有全能性，一植物的微繁殖技术。植物细胞具有全能性，一个植物细胞有如一株潜在的植物。个植物细胞有如一株潜在的植物。n利用植物的这种特性，可以从植物的根、茎、利用植物的这种特性，可以从植物的根、茎、叶、果、叶、果、穗、胚珠、胚乳、花药或花粉等植穗、胚珠、胚乳、花药或花粉等植物器官或组织取得一定量的细胞，在试管中培物器官或组织取得一定量的细胞，在试管中培养这些细胞，使之生长成为所谓的愈伤组织
39、；养这些细胞，使之生长成为所谓的愈伤组织；愈伤组织具有很强的繁殖能力，可在试管内大愈伤组织具有很强的繁殖能力，可在试管内大量繁殖。量繁殖。n在一定的植物激素作用下，愈伤组织又可分化在一定的植物激素作用下，愈伤组织又可分化出根、茎、叶，成为一株小苗。利用这种无性出根、茎、叶，成为一株小苗。利用这种无性繁殖技术，可在短时间内得到遗传稳定的、大繁殖技术，可在短时间内得到遗传稳定的、大量的小苗量的小苗(这种小苗称之为试管苗，以区别于这种小苗称之为试管苗，以区别于种子萌发的实生苗种子萌发的实生苗)，并可实现工厂化生产，并可实现工厂化生产。n一个一个10m10m2 2的恒温室内，可繁殖的恒温室内，可繁殖l
40、 l万一万一5050万株小万株小苗。所以该项技术可使有价值的、自然繁育慢苗。所以该项技术可使有价值的、自然繁育慢的植物在很短的时间内和有限的空间内得到大的植物在很短的时间内和有限的空间内得到大量的繁殖。量的繁殖。n利用植物微繁殖技术还可培育出不带病毒的利用植物微繁殖技术还可培育出不带病毒的脱毒苗。由于植物的根尖或茎尖分生细胞常脱毒苗。由于植物的根尖或茎尖分生细胞常常是不带病毒的，用这种细胞在试管中进行常是不带病毒的，用这种细胞在试管中进行无菌培养而繁育的小苗也是不带病毒的，减无菌培养而繁育的小苗也是不带病毒的，减少了病毒感染的可能性。少了病毒感染的可能性。n植物的微繁殖技术已广泛地应用于花卉、
41、果植物的微繁殖技术已广泛地应用于花卉、果树、蔬菜、药用植物和农作物的快速繁殖，树、蔬菜、药用植物和农作物的快速繁殖，实现商品化生产。我国已建立了多种植物试实现商品化生产。我国已建立了多种植物试管苗的生产线，如葡萄、苹果、香蕉、柑橘、管苗的生产线，如葡萄、苹果、香蕉、柑橘、花卉等。花卉等。n (3)(3)提高粮食品质提高粮食品质 生物技术除了可培育高产、抗逆、抗病虫害生物技术除了可培育高产、抗逆、抗病虫害的新品系外，还可培育品质好、营养价值高的的新品系外，还可培育品质好、营养价值高的作物新品系。作物新品系。例如美国威斯康星大学的学者将菜豆储藏蛋例如美国威斯康星大学的学者将菜豆储藏蛋白基因转移到向
42、日葵中，使向日葵种子含有菜白基因转移到向日葵中，使向日葵种子含有菜豆储藏蛋白。利用转基因技术培育番茄可延缓豆储藏蛋白。利用转基因技术培育番茄可延缓其成熟变软，从而避免运输中的破损。其成熟变软，从而避免运输中的破损。大米大米是我们的主要粮食，含有人体自身不能是我们的主要粮食，含有人体自身不能合成的合成的8 8种必需氨基酸，但其蛋白质含量很低。种必需氨基酸，但其蛋白质含量很低。人们正试图将大豆储藏蛋白基因转移到水稻人们正试图将大豆储藏蛋白基因转移到水稻中，培育高蛋白质的水稻新品系。中，培育高蛋白质的水稻新品系。(4)生物固氮，减少化肥使用量 现代农业均以化学肥料，如尿素、硫酸现代农业均以化学肥料，
43、如尿素、硫酸铵作为氮肥的主要来源。铵作为氮肥的主要来源。化肥的使用不可避免地带来了土地的板结，化肥的使用不可避免地带来了土地的板结，肥力的下降；化肥的生产又将导致环境的污肥力的下降；化肥的生产又将导致环境的污染。染。科学家们正努力将具有固氮能力的细菌的固科学家们正努力将具有固氮能力的细菌的固氮基因转移到作物根际周围的微生物体内，氮基因转移到作物根际周围的微生物体内，希望由这些微生物进行生物固氮，减少化肥希望由这些微生物进行生物固氮，减少化肥的使用量。的使用量。n例如日本学者将固氮基因转移到水稻根际微例如日本学者将固氮基因转移到水稻根际微生物中，使这些微生物提供了水稻需氮量的生物中，使这些微生物
44、提供了水稻需氮量的1 15 5。n我国已成功地构建了我国已成功地构建了1212株水稻粪产碱菌耐铵株水稻粪产碱菌耐铵工程菌。施用这种细菌可节约化肥五分之一，工程菌。施用这种细菌可节约化肥五分之一，平均增产平均增产5 5-12-125 5。1312 发展畜牧业生产n (1)(1)动物的大量快速无性繁殖动物的大量快速无性繁殖 植物细胞有全能性，所以可采用微培养技术大植物细胞有全能性，所以可采用微培养技术大量快速无性繁殖，达到工厂化生产的目的。那量快速无性繁殖，达到工厂化生产的目的。那么，动物细胞是否可能呢么，动物细胞是否可能呢?在在19971997年之前，还只能证实高等动物的胚胎年之前，还只能证实高
45、等动物的胚胎2 2细胞到细胞到6464细胞团具有全能性，可进行分割培，细胞团具有全能性，可进行分割培，即所谓的胚胎分割技术。即所谓的胚胎分割技术。1997 1997年年2 2月英国月英国RoslinRoslin研究所在世界著名的研究所在世界著名的权威刊物自然杂志上刊登了用绵羊乳腺细权威刊物自然杂志上刊登了用绵羊乳腺细胞培育出一只小羊胞培育出一只小羊-“-“多莉多莉”。这意味着动物体细胞也具有全能性，同样这意味着动物体细胞也具有全能性，同样有可能进行动物的大量、快速无性繁殖。有可能进行动物的大量、快速无性繁殖。n(2)(2)培育动物的优良品系培育动物的优良品系 利用转基因技术，将与动物优良品质有
46、关利用转基因技术，将与动物优良品质有关的基因转移到动物体内，使动物获得新的品质。的基因转移到动物体内，使动物获得新的品质。第一例转基因动物是第一例转基因动物是19831983年美国学者将大鼠的年美国学者将大鼠的生长激素基因导人小鼠的受精卵里，再把受精生长激素基因导人小鼠的受精卵里，再把受精卵转移到借腹怀胎的雌鼠内。卵转移到借腹怀胎的雌鼠内。生下来的小鼠因带有大鼠的生长激素基因而生下来的小鼠因带有大鼠的生长激素基因而使其生长速度比普通小鼠快使其生长速度比普通小鼠快5050，并可遗传给，并可遗传给下一代。除了小鼠外，科学家们己成功地培育下一代。除了小鼠外，科学家们己成功地培育了转基因羊、转基因兔、
47、转基因猪、转基因鱼了转基因羊、转基因兔、转基因猪、转基因鱼等多种动物新品系。等多种动物新品系。n n我国在转基因动物研究方面，同样做了大量我国在转基因动物研究方面，同样做了大量的工作，有的已达到了国际领先水平。的工作，有的已达到了国际领先水平。n先后培育了生长激素转基因猪、抗猪瘟病转先后培育了生长激素转基因猪、抗猪瘟病转基因猪、生长激素转基因鱼基因猪、生长激素转基因鱼(包括红鲤、泥包括红鲤、泥锹、镜鱼、鲫鱼锹、镜鱼、鲫鱼)等等.132提高生命质量，延长人类寿命n医药生物技术医药生物技术是生物技术领域中最活跃，产业发是生物技术领域中最活跃，产业发展最迅速，效益最显著的领域。其投资比例及产展最迅速
48、，效益最显著的领域。其投资比例及产品市场均占生物技术领域的首位。品市场均占生物技术领域的首位。n这是因为生物技术为探索妨碍人类健康的因素和这是因为生物技术为探索妨碍人类健康的因素和提高生命质量提供了最有效的手段。生物技术在提高生命质量提供了最有效的手段。生物技术在医药领域的应用涉及到新药开发、新诊断技术、医药领域的应用涉及到新药开发、新诊断技术、预防措施及新的治疗技术。预防措施及新的治疗技术。美国工业化生物技术基金分布1321 开发制造奇特而又贵重的新型药品n抗生素是人们最为熟悉、应用最为广泛的抗生素是人们最为熟悉、应用最为广泛的生物技术药物。生物技术药物。n目前已分离到目前已分离到60006
49、000多种不同的抗生素，其多种不同的抗生素，其中约中约100100种被广泛地使种被广泛地使 用。每年的市场销用。每年的市场销售额约售额约100100亿美元。亿美元。n19771977年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类年，美国首先采用大肠杆菌生产了人类第一个基因工程药物第一个基因工程药物人生长激素释放抑人生长激素释放抑制激素，开辟了药物生产的新纪元。制激素，开辟了药物生产的新纪元。n该激素可抑制生长激素、胰岛素和胰高血糖该激素可抑制生长激素、胰岛素和胰高血糖素的分泌，用来治疗肢端肥大症和急性胰腺素的分泌，用来治疗肢端肥大症和急性胰腺炎。炎。n如果用常规方法生产该激素，如果用常规方法生产该激素，5
50、050万头羊的下万头羊的下丘脑才能生产丘脑才能生产5mg5mg，而用大肠杆菌生产，只需，而用大肠杆菌生产，只需9L9L细菌发酵液。其价格降至每克细菌发酵液。其价格降至每克300300美元。美元。n n 由于细菌与人体在遗传体制上的差异较由于细菌与人体在遗传体制上的差异较大，许多人类所需的蛋白质类药物用细菌生大，许多人类所需的蛋白质类药物用细菌生产往往是没有生物活性的。产往往是没有生物活性的。n人们不得不放弃用细菌生产这种最简单的方人们不得不放弃用细菌生产这种最简单的方法而另找其他方法，利用细胞培养技术或转法而另找其他方法，利用细胞培养技术或转基因动物来生产这些蛋白质药物是近几年发基因动物来生产
