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生物技术在农业生产中的应用研究


生物技术在农业生产中的应用研究
摘要: 摘要:生物技术是当代新技术革命的三大支柱之一。由于其用途 非常广泛, 已成为解决当今世界面临的许多重大课题的关键。 近年来, 人们已在生物技术领域取得了许多突破性进展, 这些成果不但标志着 人类能够从微观上支配和改造生物, 而且它的应用将给人类社会和生 活带来巨大变革。21 世纪将是“生物世纪” 。各国政府和科技界都意 识到“谁抓

住了生物”谁将成为下一个世纪的“霸主” 。 关键词: 关键词:生物技术、农业、应用 农业生物技术不仅为农业研究提供了一种新技术, 而且还赋予了 农业生产一种新的概念。随着科学技术的迅速发展,农业生产正在由 资源依赖型向科技依赖型转化。未来的 21 世纪将是科学技术迅速发 展的时期,生物技术已由实验技术走向了实际应用。 一、发展农业生物技术的意义 农业生物技术是高新技术研究的重要领域之一, 它是整个生物技 术及其产业发展的基础,也是生物技术中应用最广、最直接,最具现 实意义的领域。生物技术产业是知识密集型产业,它具有投资少、产 量高、回报率高等特点;它可以利用自然界的再生能源,实现可持续 发展。它的发展对于解决经济和社会发展中所面临的人口、资源、环 境等问题具有重大作用。大力发展农业生物技术及其产业,对于改变 农业生产现状,大幅度提高农产品的产量和质量,加快高产、优质、 高效、可持续农业的发展,提高农业资源利用率,减少环境污染,保 护良性生态平衡都具有重要意义。
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二、现代生物技术在农业生产中的应用 1、良种选育,品质改良。随着生物技术的发展,人们已经可以 把一个品种、品系的理想遗传性状转入另一品种、品系,以提高植物 的价值、产量和质量。Calgene 公司的科学家分离到一种控制植物纤 维素形成的酶的基因, 将其转入特定的树种可培育出纤维素含量高的 对造纸业更有利的植物。在番茄中导入编码 EFE 酶的反义基因,可以 限制乙烯的生成,酶活性降至正常的 5%以下,果实生理成熟后长期 保持坚硬,仓贮 1 个月以上不软化、不腐烂,很大程度上提高了番茄 的耐贮藏性能和经济效益。 2、提高植物的抗性 (1) 、抗虫 全世界粮食产量因虫害所造成的损失占 14%左右。长 期以来人们普遍采用化学杀虫剂来控制害虫, 全世界每年用于化学杀 虫剂的总金额在 200 亿美元以上。 但化学杀虫剂的长期使用造成农药 的残留、害虫的耐受性、环境污染等严重的问题,而利用基因工程的 手段培育抗虫植物新品种除可以克服以上缺点外,还具有成本低、保 护全、特异性强等优点,从而倍受关注,成为当前研究的热点。目前 人们已获得多种抗虫基因,其中有蛋白酶抑制剂基因,淀粉酶抑制剂 基因、 植物凝集素基因、 昆虫特异性神经毒素基因、 几丁质酶基因等, 它们已被导入烟草、棉花、油菜、水稻、玉米、马铃薯等多种农作物, 在抗虫方面得到了广泛的应用,有的已进入了商品化生产。 (2) 、抗病毒 传统的抗病毒作物,是将植物天生的抗病毒基因从 一个植物品种转移到另一个植物品种, 然而抗病植株常会转变为感病
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植株,而且作用范围较窄。最近,研究人员采用基因工程的技术培育 有别于传统方法的转基因抗病毒植物, 目前最有效的是将病毒外壳蛋 白基因导入植株获得抗病毒的工程植物。 (3) 抗寒 低温对细胞造成损伤的主要原因是造成细胞内膜结构 、 中的脂质双层流动性降低,导致膜结构损伤,影响植物正常的生长。 生物膜中双层脂分子保持流动性,主要依靠其中不饱和脂肪酸的含 量,不饱和脂肪酸多则抗冻。通过分离能催化形成高不饱和脂肪酸的 甘油-3-磷脂酰转移酶的基因,并将其转入植物而获得具有抗寒能力 的转基因作物, 这方面的工作已见报道。同时人们从一些生活在高 寒水域的鱼类分离出一些特殊的血清蛋白,即鱼抗冻蛋白及其基因, 可以降低在低温下细胞内冰晶的形成速度, 从而保护细胞免受低温损 伤。 (4) 、抗除草剂 除草剂全世界目前约有 2000 多个品种,在农药 市场占有最大的份额。然而除草剂的使用有着自身难以克服的局限 性,如很多除草剂无法区别庄稼和杂草,有些除草剂必须在野草长起 来以前就施用, 而且由于抗性草类群落的出现导致使用量增大对环境 的危害也日益严重。 制造抗除草剂的转基因作物是克服这些缺点的理 想途径。采用将靶酶基因导入作物细胞,1987 年美国科学家成功从 矮牵牛中克隆出 EPSP 合酶基因转入油菜细胞的叶绿体中,使油菜能 有效地抵抗草甘膦的毒杀作用。另外,有人把降解除草剂的蛋白质编 码基因导入宿主植物,从而保证宿主植物免受其害,该方法已成功地 用于选育抗磷酸麦黄酮的工程植物。
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3、抗重金属 由于人类活动、矿山的开采,工业化进程的加剧, 空气、土壤、水体面临着越来越严重的重金污染,不但严重影响作物 的产量和品质,更重要的是通过植物食物链危害人类的健康。土壤中 的重金属主要有 Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、As 等。20 世纪 80 年代,提出植物修复、超富集植物。但由于自然界中已发现的绝大多 数重金属富集或超富集植物往往生长周期长、生物量低、植株矮小, 因而限制了其对污染土壤重金属的移除效率。 通过基因工程技术改良 植物对重金属的抗性, 增加或减少重金属在植物体内的累积量被认为 是进行污染土壤的生态恢复以及减少食物链重金属污染的一条切实 可行的有效途径。富集重金属的相关基因不断克隆,应用转基因技术 提高植物对重金属的耐性已取得一些重要进展, 一些转基因植物地上 部分表现了较高的重金属离子富集量, 并在污染土壤的生态恢复中进 行了初步应用。 4、现代生物农药 随着人们对化学农药危害性、局限性的逐步

认识,生物农药在植物生产中地位逐渐突现出来,成为绿色农业的重 要组成部分,受到各国政府的高度重视,有了较为广泛的应用。微生 物农药具有对人畜安全、 不破坏生态平衡、 害虫不易产生抗性等优点, 但也存在着药效速度慢、专一性强、受自然条件影响大的缺点。而利 用基因工程改造微生物菌种, 创造出自然界不存在的新型菌种就可以 克服这些缺点。 三、现代生物技术的未来发展 1、光合作用机理研究 提高植物光合作用效率有助于增加植物
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产品的产量,有效利用能源。光合作用包括光反应和暗反应,通过这 一过程将光能转化为化学能并固定 CO2。叶绿体的二磷酸核酮糖羧化 酶(Rubisco)既可通过羧化反应固定 CO2 还可催化底物加氧反应。为 提高固定 CO2 的速度,可提高 Rubisco 的羧化酶活性,降低加氧酶活 性。现在许多科学家对 Rubisco 的大小、结构、功能及调控做了许多 工作,为提高植物光合作用的效果找到了一些思路。 2、生物固氮 氮肥是肥料的重要部分,要维持全球的粮食产量, 每年至少需要 1.0×108t 以上的氮肥,其中一半来自化学肥料,而另 一半则由固氮细菌完成。 随着化学肥料生产成本的逐渐提高及对土壤 的破坏,越来越多的科学家将目光集中在生物固氮。一方面人们试图 通过研究生物固氮的分子学基础,以提高微生物的固氮水平;另一方 面通过 DNA 重组技术改造共生细菌,提高其竞争力,使之能超过天然 共生细菌,促进根瘤的形成。 3、植物生物反应器 重组细菌、真菌生物反应器生产过程需要

训练有素的专业人员,且设备昂贵,而植物却易于生长且管理方便, 对工人的要求也不是很高。针对这一特点,人们就是否可用转基因植 物来生产具有商业价值的蛋白质及其他特殊化学性质的物质进行了 一些尝试,并取得了一些进展。 4、 基因组学 基因组研究被认为是 20 世纪最重大的科研计划之 一。21 世纪基因组的研究将由“结构基因组”向“功能基因组”转 变。 目前许多国家纷纷投入巨资针对主要的农作物(如水稻)构建其突 变体库,然后利用转座子标签、T-DNA 标签或图位克隆技术分离和克
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隆基因,完成对基因功能的认识。 未来 20 年,随着世界人口的增长,农业将经历具有重大意义的 革新。毫无疑问,生物技术作为科学和技术在这场变革中将起到关键 性的作用。原则上讲,生物技术本身有能力帮助人们提高农业生产力 和保护环境,但在实践中,生物技术作为环境保护的代理人其作用相 对来说是微乎其微的。 人们对它在环境保护以及促进人类进步中的作 用仍将拭目以待。

参考文献:
[1]柴容明.生物技术在未来农业中的角色〔J〕.世界农业,2000,(4);29-30. [2]陆国权.植物基因工程技术的应用与问题〔J〕.世界农业,2000,(7):36-38

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