專題 2-生物技術(shù)的發(fā)展

第二章生物技術(shù)的發(fā)展第一節(jié)轉(zhuǎn)基因植物的發(fā)展第二節(jié)轉(zhuǎn)基因動物研究進展第三節(jié)轉(zhuǎn)基因微生物研究進展第四節(jié)基因工程疫苗第一節(jié)轉(zhuǎn)基因植物的發(fā)展研究成功的轉(zhuǎn)基因植物超過35科120種糧食作物、蔬菜、水果和林木抗除草劑、抗蟲、抗病、抗逆、品質(zhì)改良、發(fā)育調(diào)控、藥物生產(chǎn)。1983年含有抗生素抗性基因的轉(zhuǎn)基因煙草轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用國際服務(wù)組織（ISAAA）2011年全球共有29個國家的1670萬名農(nóng)民種植了1.6億公頃的轉(zhuǎn)基因作物，占全球耕地的10％。這面積相當(dāng)于中國可耕地面積的1.3倍，約等于美國的可耕地面積。2008年，抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、油菜和紫苜蓿的種植面積占全部種植面積的63%。大豆，6580萬hm2，占總面積53%玉米，3730萬hm2，占總面積30%棉花，1550萬hm2，占總面積12%油菜，590萬hm2，占總面積5%轉(zhuǎn)基因林木發(fā)展現(xiàn)狀轉(zhuǎn)基因抗蟲林木抗蟲基因類型：蘇云金芽孢桿菌毒蛋白（Bt）基因、蛋白酶抑制劑（Pi）基因、外源凝集素（lectin）基因和昆蟲神經(jīng)毒素基因。20世紀(jì)90年代初，轉(zhuǎn)Bt基因歐洲黑楊植株研制成功，表現(xiàn)出殺蟲性。轉(zhuǎn)基因植物能有效地控制林分的蟲口密度，使非轉(zhuǎn)基因植株在某種程度上得到轉(zhuǎn)基因植株的保護。雙價轉(zhuǎn)基因楊樹的研究Bt基因和蛋白酶抑制劑（API）基因毛白楊抗病轉(zhuǎn)基因林木1986年美國首次獲得了抗病轉(zhuǎn)基因植株。編碼植物病毒的外殼蛋白基因植物細胞積累病毒外殼蛋白抑制侵染病毒的復(fù)制減輕病毒癥狀或推遲發(fā)生時間楊樹花葉病毒(PMV)------楊樹楊李痘病毒(PPV)----------杏兔np-1基因------------------毛白楊轉(zhuǎn)基因調(diào)控生殖發(fā)育DT-A基因銀灰楊×大齒楊雄性不育擬南芥LEAFY基因歐洲山楊×美洲山楊花期提前轉(zhuǎn)基因抗逆林木（相對薄弱）臭氧脅迫----抗氧化劑----超氧化物歧化酶(SOD)/谷胱甘肽(GSH)----抗逆效果鹽漬化沙漠化----耐鹽性----Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白基因----耐鹽性提高木材特性香豆酸CoA連接酶基因美洲山楊木質(zhì)素減少45%纖維素增加15%葉、莖、根生長加快GS基因楊樹谷氨酰胺合成增加可溶性蛋白增加葉綠素含量增加COMT基因歐洲山楊×美洲山楊木質(zhì)素含量下降木質(zhì)素結(jié)構(gòu)改變纖維素含量增加第二節(jié)轉(zhuǎn)基因動物研究進展動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)是通過現(xiàn)代生物學(xué)手段將外源DNA導(dǎo)入動物的基因組，進而影響其基因型和表現(xiàn)型的一類技術(shù)。主要技術(shù)手段包括重組DNA技術(shù)和胚胎生物技術(shù)。1971年利用精子將外源DNA轉(zhuǎn)入兔卵母細胞。1982年將大鼠生長激素基因?qū)胄∈笫芫?。動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)顯微注射、病毒轉(zhuǎn)染、電脈沖法和胚胎干細胞等一系列技術(shù)。轉(zhuǎn)基因動物的應(yīng)用在基礎(chǔ)生物學(xué)研究中，用于研究真核細胞的基因轉(zhuǎn)錄和表達調(diào)控以及個體發(fā)育的分子調(diào)控規(guī)律；在生產(chǎn)中，可以提高動物產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量；在動物抗病育種中，可以提高動物對疾病的抵抗力；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以生產(chǎn)用于人體器官移植的動物器官。轉(zhuǎn)基因動物用于基因功能的基礎(chǔ)生物學(xué)研究獲得基因敲除轉(zhuǎn)基因小鼠800余種，用于研究基因的功能。在未來時間內(nèi)，轉(zhuǎn)基因動物的研究不會局限于生產(chǎn)某一種對農(nóng)業(yè)或醫(yī)學(xué)有重大經(jīng)濟價值的動物品系或品種，越來越大的研究將針對生物學(xué)本身。轉(zhuǎn)基因動物在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用建立診斷和治療人類疾病的轉(zhuǎn)基因動物模型動物學(xué)家通過精準(zhǔn)地失活某些基因或增強某些基因的表達來制作各種各樣的研究人類疾病的動物模型。全世界已經(jīng)建立了30多種人類遺傳疾病的鼠模型，如AIDS、老年性癡呆、原發(fā)性高血壓、糖尿病、鐮狀細胞貧血癥等。CD4融合基因轉(zhuǎn)hCD4陽性兔外周血漿淋巴細胞（PBL）未檢測到檢測到hCD4mRNA和蛋白質(zhì)F1代2.生產(chǎn)人類器官移植用途的轉(zhuǎn)基因豬異源器官移植（xenotransplantation）利用轉(zhuǎn)基因動物作為組織器官的來源。其供量大、費用低廉，有著廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。在關(guān)鍵時刻，可以將轉(zhuǎn)基因豬的肝臟或心臟臨時移植給病人，使病人能夠存活到找到適用的人類器官，這樣的移植可以在短期內(nèi)實現(xiàn)。豬內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄病毒（procineendogenousretrovirus，PERV）RT-PCR和免疫雜交方法對患者的血清進行了分析，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)一例PERV，這無疑更增加了人們從事豬器官用于人的研究的信心。3.應(yīng)用轉(zhuǎn)基因動物乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥用蛋白利用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥用蛋白血液乳腺尿腺優(yōu)越性：生產(chǎn)成本低產(chǎn)量高產(chǎn)品純化簡易產(chǎn)品質(zhì)量高、安全性好4.轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)人類營養(yǎng)醫(yī)療用品（或保健品）轉(zhuǎn)基因在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用對動物進行基因改良，促進動物生長，提高畜產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量乳糖酶由人小腸分泌，把鮮奶中的乳糖降解成葡萄糖和半乳糖。含有人血中制造鐵質(zhì)和提供牙齒生長的蛋白質(zhì)，及提供產(chǎn)後初乳中預(yù)防細菌的主要蛋白質(zhì)小玫瑰動物抗病育種禽白血病病毒(ALV)MX1基因馬利克氏病病毒(MDV)抗ALV的新品系的雞抗禽流感雞抗MDV病毒的雞利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高動物的抗病性也具有廣闊的應(yīng)用前景。中國轉(zhuǎn)基因動物研究進展“七五”技術(shù)攻關(guān)設(shè)立“動物個體表達系統(tǒng)研究”的課題，啟動了轉(zhuǎn)基因動物研究。農(nóng)業(yè)部“七五”生物技術(shù)重點項目中，設(shè)立了“動物轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究”的課題“863”計劃中，把“豬的基因工程育種”列為重點項目之一?！熬盼濉逼陂g，“動物乳腺生物反應(yīng)器研究”增列重點項目?！笆濉逼陂g，“體細胞克隆牛與轉(zhuǎn)基因體細胞克隆牛生產(chǎn)技術(shù)體系”項目?！笆晃濉笨茖W(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃強調(diào)將發(fā)育與生殖研究作為一項重大科學(xué)專項。動物乳腺生物反應(yīng)器轉(zhuǎn)基因?qū)嶒瀯游镅芯?984-1987年中國科學(xué)院遺傳所獲得轉(zhuǎn)人β-珠蛋白、生長激素、大腸桿菌galk和gpt基因小鼠2000年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)國家重點實驗室將“生物鋼”蛋白基因在小鼠乳腺中表達中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)合作，研究轉(zhuǎn)基因小鼠乳腺表達人瘦蛋白轉(zhuǎn)基因家畜研究2002年1月18日，中國第一頭本土克隆?！拔痹谏綎|曹縣中大動物胚胎工程中心通過剖腹產(chǎn)誕生。由于嚴(yán)重缺氧，“委委”出生后未順利站起?！拔敝员环Q為我國第一頭土生土長的克隆牛，是因為從培育克隆胚胎到克隆胚胎移植都是中國人在自己的國家完成的。2002年10月13日，中國首例轉(zhuǎn)基因克隆牛在深圳誕生。2003年10月17日體細胞克隆?！皫r娃”對全球性胃病的預(yù)防和治療方面將會有重要意義，同時也具有重要的經(jīng)濟價值和社會價值。人巖藻糖轉(zhuǎn)移酶基因（治療人類胃潰瘍疾病）綠色熒光蛋白基因新霉素抗性基因2000年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)轉(zhuǎn)基因克隆綿羊用CMV啟動的neo和gfp基因構(gòu)件轉(zhuǎn)染羊的顆粒細胞，得到陽性細胞后直接進行克隆，體外發(fā)育的克隆囊胚均表達gfp基因。中國科學(xué)養(yǎng)遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所與揚州大學(xué)合作，將促紅細胞生成素基因和人乙型肝炎表面抗原基因?qū)肷窖?，獲得了兩種乳腺特異性表達的轉(zhuǎn)基因山羊。轉(zhuǎn)基因禽類的研究轉(zhuǎn)基因雞改變現(xiàn)有品種的遺傳特性，如增加對病毒及球蟲病的抗性，提高喂食效率，降低雞蛋中的脂肪含量和膽固醇水平，提高肌肉質(zhì)量，等等。目前已獲得轉(zhuǎn)禽類白血病病毒（ALV）的外殼蛋白基因env的轉(zhuǎn)基因雞，并證明獲得的轉(zhuǎn)基因雞對禽類白血病病毒具有一定的抗性。轉(zhuǎn)基因淡水魚類研究中國科學(xué)院水生生物研究所，首次將人生長激素基因（hGH）轉(zhuǎn)入魚，制作出了提高生長速度、增加抗逆性以及為發(fā)育生物學(xué)和插入突變提供研究材料——轉(zhuǎn)基因魚。當(dāng)前，我國的轉(zhuǎn)基因魚已達到國際先進水平。2002年，“轉(zhuǎn)基因黃河鯉魚”首次在公眾面前亮相，它帶有草魚生長激素基因，1年內(nèi)可長2-3斤，味道鮮美，蛋白質(zhì)含量較高、脂肪含量相對較低。由于魚類易于逃逸、擴散，因此轉(zhuǎn)基因魚的生態(tài)安全性問題很值得去研究。只有解決了生態(tài)安全性問題，才能真正使轉(zhuǎn)基因魚廣泛應(yīng)用于漁業(yè)生產(chǎn)。轉(zhuǎn)基因微生物研究進展20世紀(jì)80年代以來，現(xiàn)代生物技術(shù)迅速發(fā)展，在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品、化工、環(huán)境和能源等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1982年美國FDA批準(zhǔn)了世界上第一例基因工程藥物重組人胰島素的正式生產(chǎn)以來，以基因工程藥物為主的各種基因工程產(chǎn)品陸續(xù)實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。中國轉(zhuǎn)基因微生物的研究和應(yīng)用的重點在農(nóng)業(yè)方面，到2000年為止，在國家“863”計劃資助下，共分離克隆了殺蟲、防病、固氮等新基因89個，構(gòu)建各類工程菌51株，其中5種菌劑獲準(zhǔn)進入田間試驗，6種經(jīng)安全性評估后進入環(huán)境釋放。轉(zhuǎn)基因微生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的轉(zhuǎn)基因微生物主要為轉(zhuǎn)基因微生物農(nóng)藥、轉(zhuǎn)基因微生物肥料，以及利用轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)飼料酶。1.轉(zhuǎn)基因微生物農(nóng)藥過量使用農(nóng)藥環(huán)境污染食物殘毒病蟲害抗藥性生態(tài)破壞目前，中國是世界上農(nóng)業(yè)重組微生物環(huán)境釋放面積最大、種類最多和研究范圍最廣的國家，所取得的成就受到各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注和高度重視。轉(zhuǎn)Bt基因重組桿狀病毒、高毒廣譜殺蟲工程菌、棉鈴蟲核型多角體病毒殺蟲劑等多種基因工程微生物殺蟲劑經(jīng)農(nóng)業(yè)部安全性審批獲準(zhǔn)進入田間釋放或中間試驗重組豬生長激素、高效表達植酸酶的重組畢赤酵母以及其他幾種基因工程疫苗也獲準(zhǔn)進入中間試驗或環(huán)境釋放階段。轉(zhuǎn)基因Bt菌劑蘇云金芽孢桿菌（簡稱Bt）殺蟲劑是公認(rèn)的一類無公害的生物農(nóng)藥，也是目前國內(nèi)外生產(chǎn)量最大、應(yīng)用面積最廣的微生物殺蟲劑。全世界從Bt中發(fā)現(xiàn)并正式命名的ICP基因已有42大類250多種。馬鈴薯甲蟲玉米螟小菜蛾中國在Bt分子生物學(xué)的研究中也取得了很多成果：1997年以來，我國自行克隆并經(jīng)國際命名的新的殺蟲蛋白基因達28種，占國際同期新發(fā)現(xiàn)Bt基因總數(shù)的1/3。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院微生物農(nóng)藥國家工程研究中心、農(nóng)業(yè)部微生物重點實驗室研制的蘇云金芽孢桿菌高毒力菌株YBT-1520獲國家發(fā)明專利。福建農(nóng)林大學(xué)生物技術(shù)中心研制的蘇云金芽孢桿菌遺傳改良工程菌TS16等殺蟲劑獲化學(xué)工業(yè)部的農(nóng)藥生產(chǎn)證和農(nóng)業(yè)部的農(nóng)藥登記證和出口證。南開大學(xué)生命科學(xué)院微生物學(xué)系進行了蘇云金芽孢桿菌光譜基因工程菌的構(gòu)建及新型高效菌株15A3的研究與開發(fā)，其成果已通過驗收和鑒定。轉(zhuǎn)基因病毒殺蟲劑世界上有記載的昆蟲病毒超過1000種，已開發(fā)投入市場的產(chǎn)品有30多種。中國研制了20多種病毒殺蟲劑。中山大學(xué)構(gòu)建了第一株對害蟲具有迅速麻痹作用的基因工