第一章植物生物技術概論農學院孫紅unhongzheng@第一章植物生物技術概論農學院孫紅正11、生物技術的概念生物技術（biotechnology），有時也稱生物工程，是指人們以現代生命科學為基礎，結合其他基礎科學的科學原理，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種目的。生物技術是人們利用微生物、動植物體對物質原料進行加工，以提供產品來為社會服務的技術。1、生物技術的概念生物技術（biotechnology），有2改造生物體，是指獲得優良品質和高產的動物、植物、微生物品系或者品種。生物原料，是指生物體的某一部分或者生物生長過程中所能利用的物質，如淀粉、糖、纖維素等有機物，也包括一些無機化學品，聚(β-羥基丁酸酯)。生產出產品，包括糧食、醫藥、食品、化工原料、能源等。達到某種目的，包括疾病的預防、治療和診斷、環境污染的檢測及治理等。改造生物體，是指獲得優良品質和高產的動物、植物、微生物品系或3植物生物技術緒論課件4植物生物技術緒論課件52、生物技術的發展歷程2、生物技術的發展歷程62.1第一代生物技術生物技術是一門既古老而現代的應用技術追溯其發展歷史，幾乎與人類的文明史同時開始，如釀酒、制醋、饅頭發酵非純種微生物發酵工藝為標志的傳統生物技術2.1第一代生物技術生物技術是一門既古老而現代的應用技術72.2第二代生物技術以純種微生物發酵工藝為標志的近代生物技術20世紀40年代抗生素的提取50年代氨基酸的發酵60年代酶制劑工程2.2第二代生物技術以純種微生物發酵工藝為標志的近代生物82.3第三代生物技術以重組DNA技術為標志的現代生物技術1953年，Watson&Crick提出DNA雙螺旋結構模型1973年，Boyer&Cohen將非洲爪蟾的DNA插入到細菌質粒DNA中產生重組質粒，標志著DNA重組技術的誕生。1976年，世界上第一家生物技術公司Genetech誕生，成為第3代生物技術的重要發展標志。2.3第三代生物技術以重組DNA技術為標志的現代生物技術92.4生物技術與農業生產植物是人類賴以生存的最主要的資源：直接為人類提供90%的能量，80%的蛋白質供應。目前供人類食用的植物約有3000種，但人類能量供應主要來自大約20種作物，其中8種禾谷類作物占了50%，礦物質和維生素主要由其他大約30種果蔬提供。作物生產在人類生存和發展中占有不可替代的地位2.4生物技術與農業生產植物是人類賴以生存的最主要的資102005年：世界人口為64億6470萬世界人口將在2070年達到高峰：90億地球上的食品資源可以養活多少人口？生產足夠多的食品養活世界人口是人類面臨的巨大挑戰之一！

如果均為嚴格的素食者約為150億，而按照混合型飲食標準僅為50億。2005年：世界人口為64億6470萬如果均為嚴格的素食者約11大量施用化肥，導致土壤結構惡化大量使用農藥、除草劑等化學藥品，導致環境惡化全球變暖、環境污染等引起生態環境惡化，可耕地質量嚴重下降，鹽堿、沙化等保持農業生產可持續發展面臨的問題：必須依靠現代生物技術手段來解決農業上的各種問題；生物技術正在推動著一場新的農業革命大量施用化肥，導致土壤結構惡化保持農業生產可持續發展面臨的問123、植物生物技術主要內容3.1 植物組織培養3.2 植物分子標記及輔助選擇育種3.3 植物基因工程3、植物生物技術主要內容133.1植物組織培養應用于離體快繁、脫病毒種苗生產等的分生組織培養技術；用于體細胞無性變異、突變體篩選、遺傳轉化等的愈傷組織培養技術；用于單倍體育種等的花藥和小孢子培養技術；用于體細胞雜交、遺傳轉化等的原生質體培養技術3.1植物組織培養應用于離體快繁、脫病毒種苗生產等的分生14快繁脫毒快繁脫毒15組織培養誘導雄性不育系中國水稻所利用巴斯馬提水稻品種進行胚根組織培養，然后將愈傷組織進行輻射，從而選育出巴斯馬提雄性不育系。1984～1988年間凌定厚等以IR24、IR36、IR54等9個品種，通過種子、幼穗離體培養，篩選到不育突變體48個。組織培養誘導雄性不育系中國水稻所利用巴斯馬提水稻品種進行胚根16單倍體育種利用植物組織培養技術（如花藥離體培養等）誘導產生單倍體植株，再通過某種手段使染色體組加倍（如用秋水仙素處理），從而使植物恢復正常染色體數。單倍體植株經染色體加倍后，在一個世代中即可出現純合的二倍體，從中選出的優良純合系后代不分離，表現整齊一致,可縮短育種年限。單倍體育種利用植物組織培養技術（如花藥離體培養等）誘導產生單17單倍體培養花藥培養花粉培養三倍體培養胚乳培養創制特殊倍性材料單倍體培養花藥培養花粉培養三倍體培養胚乳培養創18原生質體融合創造新種質蘿卜與油菜的原生質體融合而產生的細胞雜種——蘿卜質油菜，在一般環境條件下表現為“雄性不育”。匈牙利國家自然科學院Menczel等（1982）以鏈霉素抗性基因作標記在煙草品種間進行原生質體融合，實現了煙草細胞質雄性不育基因的轉移。

原生質體融合創造新種質蘿卜與油菜的原生質體融合而產生的細胞雜19小麥＋冰草馬鈴薯：2X+2X體細胞融合產生遠緣雜種小麥＋冰草馬鈴薯：2X+2X體細胞融合產生遠緣雜種203.2分子標記

分子標記（molecularmarker），是指可以反映基因組某種變異特征的DNA片段，是建立在DNA的多態性基礎之上的可識別的等位基因。

分子標記的類型： RFLP，RAPD，SSR，AFLP，CAPS，SNP，InDel等3.2分子標記 分子標記（molecularmarke21植物生物技術緒論課件22Diamond,2002,Nature動植物的馴化人類利用動植物育種歷程Diamond,2002,Nature動植物的馴化人類23Doebleyetal,2006,Cell栽培作物起源中心Doebleyetal,2006,Cell栽培作物起24植物馴化以后特征的改變植物馴化以后特征的改變25馴化綜合癥

DomesticationSyndrome與野生種相比，馴化種一般會：結實率高熟期相對一致果實器官增大成熟后不脫粒鞣酸、單寧類物質減少，口味變化Doebleyetal,2006,CellDubcovsky&Dvorak,2007,Science

馴化綜合癥

DomesticationSyndrome與26作物生產上的幾次革命性進步綠色革命：指20世紀50－60年代，以高桿改矮桿為標志的新品種運用。高產矮桿的墨西哥小麥和矮桿水稻良種的全面推廣，使全世界糧食產量大大提高。例如，墨西哥從1960年推廣矮桿小麥僅3年總產達200萬噸，比1944年產量增加了5倍。為什么矮桿可以大幅度提高產量？作物生產上的幾次革命性進步綠色革命：為什么矮桿可以大幅度提高27植物生物技術緒論課件284皮泰克62－“神奇小麥”IR8－“奇跡稻”4皮泰克62－“神奇小麥”IR8－“奇跡稻”29小麥產量增長趨勢小麥產量增長趨勢30水稻產量與矮桿基因水稻產量與矮桿基因31傳統常規育種傳統常規育種32MAS輔助輪回選擇育種MAS輔助輪回選擇育種33MAS輔助聚合育種MAS輔助聚合育種34

基因工程（geneticengineering）是首先克隆或者人工合成目的基因，再將目的基因和載體重組在一起，導入生物體內，讓受體生物的遺傳性狀發生預期改變，或者讓受體生物產生目的基因編碼的蛋白質等。3.3 植物基因工程 基因工程（geneticengineering）是首先克35轉基因育種分子育種傳統育種1994年，轉基因大豆上市全球大豆產量歷史回顧（數據來源FAO）年份產量（公斤/公畝）轉基因育種分子育種傳統育種1994年，轉基因大豆上市全球大豆36植物生物技術緒論課件37植物生物技術緒論課件38植物生物技術緒論課件39植物生物技術緒論課件40植物生物技術緒論課件41植物生物技術緒論課件42SuppressionofCottonBollworminMultipleCropsinChinainAreaswithBtToxin–ContainingCotton,Science19September2008:Vol.321no.5896pp.1676-1678.SuppressionofCottonBollworm43植物生物技術緒論課件44ControlofinsectsbyRNAiControlofinsectsbyRNAi45抗除草劑大豆抗除草劑大豆46FlavrSavr

Itwasfirstsoldin1994,andwasonlyavailableforafewyearsbeforeproductionceasedin1997.FlavrSavr

Itwasfirstsold47神秘果miraculinmiraculintomatoNote：神秘果是典型熱帶常綠灌木，原產地在西非加納、剛果一帶。20世紀60年代，周恩來總理到西非訪問時，加納共和國把神秘果作為國禮送給周總理。此后，神秘果開始在我國栽培。神秘果是一種國寶級的珍貴植物，不管是在西非各國還是我國，都受到保護，禁止出口。神秘果肉中含神秘素，能改變人的味覺，吃神秘果后幾小時內吃酸的食物，味覺顯著變甜。神秘果miraculinmiraculintomat48PurpletomatoeshighinanthocyaninsHighanthocyaninpurpletomatoandredwild-typetomato花青素：抗癌，消炎，防

治心血管疾病、

老年相關疾病Snapdragon金魚草Purpletomatoeshighinanthoc49FearsoverEurope'sGMcropplan,Publishedonline28July2010,Nature466,542-543(2010),doi:10.1038/466542aamylopectinpotato,BASFFearsoverEurope'sGMcroppl50Goldenricecontainsincreasedlevelsofpro-vitaminA.Traditionalriceiswhite(a).Theprototypeofgoldenricewasdevelopedin2000andisalightyellowcolor(b).Itcontains1.6mg/gofcarotenoid.In2005,newtransgeniclinesweredevelopedthatdramaticallyincreasedtheamountofcarotenoidsynthesized,makingthericeadeepgoldencolor(c).Thislatestformcontains37mg/gofcarotenoid,ofwhich84%isb-carotene–trial1.6mg/g37mg/gGoldenricecontainsincreased51口服疫苗VP1與口蹄疫口服疫苗VP1與口蹄疫52BlueRoseandcarnationdevelopedbyFlorigeneBlueRoseandcarnationdevelo53BiosensorBiosensor54BiosensorBiosensor55把水稻改造成C4作物把水稻改造成C4作物56C4的多次起源Sage,NewPhytologist(2004)161:341–370C4的多次起源Sage,NewPhytologist(257海水能不能種糧食大米草紅樹林海水能不能種糧食大米草紅樹林58Apse,etal,Science.1999Aug20;285(5431):1256-8.轉基因擬南芥可以耐受200mMNaCl海水鹽濃度3.5%，～600mMApse,etal,Science.1999Aug59Fivecropresearcherswhocouldchangetheworld,Publishedonline3December2008,Nature

456,563-568(2008)doi:10.1038/456563aFivecropresearcherswhocoul60Huang,etal,Nature.2002Aug8;418(6898):678-84.糧食增產速率趨勢種植面積減少趨勢FAOHuang,etal,Nature.2002Aug61植物生物技術緒論課件62植物生物技術緒論課件63本節完本節完64PPT下載地址：biotechnology_hnnd@163.com郵箱密碼：biotechnologyPPT下載地址：biotechnology_hnnd@16365第一章植物生物技術概論農學院孫紅unhongzheng@第一章植物生物技術概論農學院孫紅正661、生物技術的概念生物技術（biotechnology），有時也稱生物工程，是指人們以現代生命科學為基礎，結合其他基礎科學的科學原理，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種目的。生物技術是人們利用微生物、動植物體對物質原料進行加工，以提供產品來為社會服務的技術。1、生物技術的概念生物技術（biotechnology），有67改造生物體，是指獲得優良品質和高產的動物、植物、微生物品系或者品種。生物原料，是指生物體的某一部分或者生物生長過程中所能利用的物質，如淀粉、糖、纖維素等有機物，也包括一些無機化學品，聚(β-羥基丁酸酯)。生產出產品，包括糧食、醫藥、食品、化工原料、能源等。達到某種目的，包括疾病的預防、治療和診斷、環境污染的檢測及治理等。改造生物體，是指獲得優良品質和高產的動物、植物、微生物品系或68植物生物技術緒論課件69植物生物技術緒論課件702、生物技術的發展歷程2、生物技術的發展歷程712.1第一代生物技術生物技術是一門既古老而現代的應用技術追溯其發展歷史，幾乎與人類的文明史同時開始，如釀酒、制醋、饅頭發酵非純種微生物發酵工藝為標志的傳統生物技術2.1第一代生物技術生物技術是一門既古老而現代的應用技術722.2第二代生物技術以純種微生物發酵工藝為標志的近代生物技術20世紀40年代抗生素的提取50年代氨基酸的發酵60年代酶制劑工程2.2第二代生物技術以純種微生物發酵工藝為標志的近代生物732.3第三代生物技術以重組DNA技術為標志的現代生物技術1953年，Watson&Crick提出DNA雙螺旋結構模型1973年，Boyer&Cohen將非洲爪蟾的DNA插入到細菌質粒DNA中產生重組質粒，標志著DNA重組技術的誕生。1976年，世界上第一家生物技術公司Genetech誕生，成為第3代生物技術的重要發展標志。2.3第三代生物技術以重組DNA技術為標志的現代生物技術742.4生物技術與農業生產植物是人類賴以生存的最主要的資源：直接為人類提供90%的能量，80%的蛋白質供應。目前供人類食用的植物約有3000種，但人類能量供應主要來自大約20種作物，其中8種禾谷類作物占了50%，礦物質和維生素主要由其他大約30種果蔬提供。作物生產在人類生存和發展中占有不可替代的地位2.4生物技術與農業生產植物是人類賴以生存的最主要的資752005年：世界人口為64億6470萬世界人口將在2070年達到高峰：90億地球上的食品資源可以養活多少人口？生產足夠多的食品養活世界人口是人類面臨的巨大挑戰之一！

如果均為嚴格的素食者約為150億，而按照混合型飲食標準僅為50億。2005年：世界人口為64億6470萬如果均為嚴格的素食者約76大量施用化肥，導致土壤結構惡化大量使用農藥、除草劑等化學藥品，導致環境惡化全球變暖、環境污染等引起生態環境惡化，可耕地質量嚴重下降，鹽堿、沙化等保持農業生產可持續發展面臨的問題：必須依靠現代生物技術手段來解決農業上的各種問題；生物技術正在推動著一場新的農業革命大量施用化肥，導致土壤結構惡化保持農業生產可持續發展面臨的問773、植物生物技術主要內容3.1 植物組織培養3.2 植物分子標記及輔助選擇育種3.3 植物基因工程3、植物生物技術主要內容783.1植物組織培養應用于離體快繁、脫病毒種苗生產等的分生組織培養技術；用于體細胞無性變異、突變體篩選、遺傳轉化等的愈傷組織培養技術；用于單倍體育種等的花藥和小孢子培養技術；用于體細胞雜交、遺傳轉化等的原生質體培養技術3.1植物組織培養應用于離體快繁、脫病毒種苗生產等的分生79快繁脫毒快繁脫毒80組織培養誘導雄性不育系中國水稻所利用巴斯馬提水稻品種進行胚根組織培養，然后將愈傷組織進行輻射，從而選育出巴斯馬提雄性不育系。1984～1988年間凌定厚等以IR24、IR36、IR54等9個品種，通過種子、幼穗離體培養，篩選到不育突變體48個。組織培養誘導雄性不育系中國水稻所利用巴斯馬提水稻品種進行胚根81單倍體育種利用植物組織培養技術（如花藥離體培養等）誘導產生單倍體植株，再通過某種手段使染色體組加倍（如用秋水仙素處理），從而使植物恢復正常染色體數。單倍體植株經染色體加倍后，在一個世代中即可出現純合的二倍體，從中選出的優良純合系后代不分離，表現整齊一致,可縮短育種年限。單倍體育種利用植物組織培養技術（如花藥離體培養等）誘導產生單82單倍體培養花藥培養花粉培養三倍體培養胚乳培養創制特殊倍性材料單倍體培養花藥培養花粉培養三倍體培養胚乳培養創83原生質體融合創造新種質蘿卜與油菜的原生質體融合而產生的細胞雜種——蘿卜質油菜，在一般環境條件下表現為“雄性不育”。匈牙利國家自然科學院Menczel等（1982）以鏈霉素抗性基因作標記在煙草品種間進行原生質體融合，實現了煙草細胞質雄性不育基因的轉移。

原生質體融合創造新種質蘿卜與油菜的原生質體融合而產生的細胞雜84小麥＋冰草馬鈴薯：2X+2X體細胞融合產生遠緣雜種小麥＋冰草馬鈴薯：2X+2X體細胞融合產生遠緣雜種853.2分子標記

分子標記（molecularmarker），是指可以反映基因組某種變異特征的DNA片段，是建立在DNA的多態性基礎之上的可識別的等位基因。

分子標記的類型： RFLP，RAPD，SSR，AFLP，CAPS，SNP，InDel等3.2分子標記 分子標記（molecularmarke86植物生物技術緒論課件87Diamond,2002,Nature動植物的馴化人類利用動植物育種歷程Diamond,2002,Nature動植物的馴化人類88Doebleyetal,2006,Cell栽培作物起源中心Doebleyetal,2006,Cell栽培作物起89植物馴化以后特征的改變植物馴化以后特征的改變90馴化綜合癥

DomesticationSyndrome與野生種相比，馴化種一般會：結實率高熟期相對一致果實器官增大成熟后不脫粒鞣酸、單寧類物質減少，口味變化Doebleyetal,2006,CellDubcovsky&Dvorak,2007,Science

馴化綜合癥

DomesticationSyndrome與91作物生產上的幾次革命性進步綠色革命：指20世紀50－60年代，以高桿改矮桿為標志的新品種運用。高產矮桿的墨西哥小麥和矮桿水稻良種的全面推廣，使全世界糧食產量大大提高。例如，墨西哥從1960年推廣矮桿小麥僅3年總產達200萬噸，比1944年產量增加了5倍。為什么矮桿可以大幅度提高產量？作物生產上的幾次革命性進步綠色革命：為什么矮桿可以大幅度提高92植物生物技術緒論課件934皮泰克62－“神奇小麥”IR8－“奇跡稻”4皮泰克62－“神奇小麥”IR8－“奇跡稻”94小麥產量增長趨勢小麥產量增長趨勢95水稻產量與矮桿基因水稻產量與矮桿基因96傳統常規育種傳統常規育種97MAS輔助輪回選擇育種MAS輔助輪回選擇育種98MAS輔助聚合育種MAS輔助聚合育種99

基因工程（geneticengineering）是首先克隆或者人工合成目的基因，再將目的基因和載體重組在一起，導入生物體內，讓受體生物的遺傳性狀發生預期改變，或者讓受體生物產生目的基因編碼的蛋白質等。3.3 植物基因工程 基因工程（geneticengineering）是首先克100轉基因育種分子育種傳統育種1994年，轉基因大豆上市全球大豆產量歷史回顧（數據來源FAO）年份產量（公斤/公畝）轉基因育種分子育種傳統育種1994年，轉基因大豆上市全球大豆101植物生物技術緒論課件102植物生物技術緒論課件103植物生物技術緒論課件104植物生物技術緒論課件105植物生物技術緒論課件106植物生物技術緒論課件107SuppressionofCottonBollworminMultipleCropsinChinainAreaswithBtToxin–ContainingCotton,Science19September2008:Vol.321no.5896pp.1676-1678.SuppressionofCottonBollworm108植物生物技術緒論課件109ControlofinsectsbyRNAiControlofinsectsbyRNAi110抗除草劑大豆抗除草劑大豆111FlavrSavr

Itwasfirstsoldin1994,andwasonlyavailableforafewyearsbeforeproductionceasedin1997.FlavrSavr

Itwasfirstsold112神秘果miraculinmiraculintomatoNote：神秘果是典型熱帶常綠灌木，原產地在西非加納、剛果一帶。20世紀60年代，周恩來總理到西非訪問時，加納共和國把神秘果作為國禮送給周總理。此后，神秘果開始在我國栽培。神秘果是一種國寶級的珍貴植物，不管是在西非各國還是我國，都受到保護，禁止出口。神秘果肉中含神秘素，能改變人的味覺，吃神秘果后幾小時內吃酸的食物，味覺顯著變甜。神秘果miraculinmiraculintomat113PurpletomatoeshighinanthocyaninsHighanthocyaninpurpletomatoandredwild-typetomato花青素：抗癌，消炎，防

治心血管疾病、

老年相關疾病Snapdragon金魚草Purpletomatoeshighinanthoc114FearsoverEurope'sGMcropplan,Publishedonline28July2010,Nature466,542-543(2010),doi:10.1038/466542aamylopectinpotato,BASFFearsoverEurope'sGMcroppl115Goldenricecontainsincreasedlevelsofpro-vitaminA.Traditionalriceiswhite(a).Theprototypeofgoldenricewasdevelopedin2000a