单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,植物抗虫基因工程,熊恒硕,植物抗虫基因工程专家讲座,第1页,一、序言,虫害是造成农作物减产减收主要原因之一。,采取化学和生物农药等伎俩防治当然能够减轻害虫对农作物危害,但这些方法不但费用较高(每年花费约10 亿美元),而且因为害虫产生抗性等原因,防治效果欠佳。,全球每年因虫害对农业生产所造成损失仍高达20%30%。,长久大量地施用农药除了使害虫产生抗性外,还会带来一系列社会问题,如,人畜中毒事故发生、食物中农药残留以及环境污染,等。,经过,常规育种技术,和试管培养技术,即使已取得一些抗虫害作物品种,。如野生型马铃薯(Solanum chacoense)和栽培型马铃薯(S.tuberosum)原生质体电融合取得体细胞杂合品系对一个马铃薯甲虫含有抗性。然而,新品种选育需要较长时间,而且一些虫害尚无基因资源作为杂交亲本。,所以,用这种路径来取得抗虫作物是很困难。,植物抗虫基因工程专家讲座,第2页,玉米田里虫害,为害症状,粘虫,（,又称行军虫或剃秆虫）,植物抗虫基因工程专家讲座,第3页,水稻田里虫害,稻蓟马危害状,（受害叶叶尖枯黄，甚至枯死）,稻蓟马成虫,植物抗虫基因工程专家讲座,第4页,植物抗虫基因工程研究之所以能取得如此迅猛发展,主要是因为利用基因工程培育抗虫作物新品种或新品系含有以下几个显著优点:,保护作用含有连续性,可控制植物整个生长久内害虫危害;,(2),对整个植株都有保护作用,包含化学杀虫剂极难接触叶下表面及根部等;,(3)对害虫毒性含有,专一性,;,(4)可大大缩短育种周期,降低成本;,(5)所表示出,杀虫蛋白,存在于植物体内,不易被气候等环境原因破坏，,不存在环境污染;,(6)基因资源非常丰富。当前全世界最常改良性状中抗虫占第二位(24%)。,植物抗虫基因工程专家讲座,第5页,二、抗虫基因,人们已从微生物细菌中、植物本身以及昆虫体内发觉并分离到许多抗虫基因，有许多抗虫转基因植物正在进行田间试验，并有一些品种已商品化。,迄今发觉并应用于提升植物抗虫性基因主要有两类:,一类是,从微生物、细菌中,分离出来抗虫基因，如苏云金杆菌毒蛋白基因(Bt基因)、异戊烯基转移酶基因(ipt)，另一类是,从植物中,分离出来抗虫基因，如蛋白酶抑制剂基因(PI基因)、淀粉酶抑制剂基因、外源凝集素基因等。其中Bt基因和PI基因在农业上利用最广。另外，昆虫特异性神经毒素基因等也在研究当中。,植物抗虫基因工程专家讲座,第6页,1 起源于微生物、细菌中抗虫基因,1.1 B.t.杀虫晶体蛋白基因,苏云金芽孢杆菌(,Bacillus thuringiensis,),是一个革蓝氏阳性土壤芽孢杆菌,在形成芽孢时,可产生杀死昆虫幼虫蛋白质,即通常所说杀虫晶体蛋白,(insecticidal,cry,stal protein)或-内毒素(-endotoxin),也称苏云金芽孢杆菌毒蛋白(B.t.toxic protein)。它是当前世界上生产量最大生物农药杀虫剂,广泛用于防治农业、林业等方面害虫。,植物抗虫基因工程专家讲座,第7页,B.t.杀虫晶体蛋白是一类分子量为130160kD 蛋白质,在昆虫中肠碱性和还原性环境下,被降解成6575 kD,活性小肽,并和中肠纹缘膜上受体结合,。现已证实受体为氨肽酶N 和钙粘着蛋白(cadherin)类似物。与受体结合活性小肽,插入到细胞膜上并形成穿孔,使细胞膜周质和中膜腔之间离子平衡破坏,引发细胞肿胀甚至裂解,从而造成昆虫瘫痪或死亡。,Bt抗虫棉,植物抗虫基因工程专家讲座,第8页,植物抗虫基因工程专家讲座,第9页,鳞翅目 鞘翅目 双翅目,植物抗虫基因工程专家讲座,第10页,近年来人们在t毒蛋白基因修饰与改造、表示载体构建、植物组织化等方面作了大量工作。,尽管Bt杀虫晶体蛋白杀虫效果非常好，但其杀虫谱较窄，对其敏感主要是鳞翅目和鞘翅目标一些害虫，如棉铃虫、玉米螟、马铃薯甲虫等。,植物抗虫基因工程专家讲座,第11页,1.2 其它起源于微生物抗虫基因,异戊烯基转移酶(ipt)是细胞分裂素合成中关键酶,起源于Agrobacterium tumefaciens(根瘤土壤杆菌)ipt 基因在烟草、番茄中表示后,可降低烟草夜蛾对叶片损伤,并降低桃蚜生存力。,然而,ipt 基因表示对植物发育有负面影响,如使根系发育不完全,降低叶绿素含量等。,植物抗虫基因工程专家讲座,第12页,2 起源于高等植物抗虫基因,2.1 蛋白酶抑制基因,蛋白酶抑制剂(Proteinase Inhibitor,PI)是自然界含量最为丰富蛋白种类之一,是植物天然防御系统中一部分,可抵抗食草动物侵食.,其机理在于,它能与昆虫消化道内蛋白消化酶相互作用,形成酶抑制剂复合物,阻断或减弱消化酶蛋白水解作用,刺激消化酶过量分泌,使昆虫产生厌食反应,造成非正常发育或死亡.,当前,最少有14 种蛋白酶抑制基因已转入作物中.其中令人注目标是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因Cowpea Trypsin Inhibitor,CPTI,),马铃薯蛋白抑制剂基因(Potato Proteinase Inhibitor,PI,),及水稻巯基蛋白酶抑制基因(Oryzacystatin).,植物抗虫基因工程专家讲座,第13页,植物抗虫基因工程专家讲座,第14页,蛋白酶抑制基因在抗虫植物基因工程中之所以地位突出,是因为,不易产生耐受性,问题;,抗虫谱广,;,其,起源于植物,易为公众所接收,并已证实对人畜无副作用.而且最近研究资料表明,食用天然植物蛋白酶抑制剂含有,抗肠癌,作用.,植物抗虫基因工程专家讲座,第15页,2.2 淀粉酶抑制剂基因,淀粉酶抑制剂基因分布也较广，以禾谷类作物和豆科植物种子中含量最为丰富，在植物对病虫害侵染天然防御系统中起着主要作用(Richardson，1997)。,这类酶抑制剂能抑制昆虫消化道内 淀粉酶活性，使食入淀粉无法水解，阻断了昆虫主要能量起源；并刺激昆虫过量分泌消化酶，经过神经系统反馈产生厌食反应。,植物抗虫基因工程专家讲座,第16页,2.3 植物凝集素基因,植物凝集素是一类糖结合蛋白,也是植物防御系统一个组成部分。,第一个被描述含有抗虫作用凝集素是菜豆凝集素(PHA),它实际上是一个-淀粉酶抑制剂。1993 年英国科学工作者从雪花莲中克隆出雪花莲凝集素基因(GNA),对稻飞虱、叶蝉、蚜虫等有毒性作用。现在GNA 基因已作为一个抗虫基因转化其它作物。我国黄大昉等(1997)也报道起源于掌叶半夏和半夏凝集素对麦管蚜、棉蚜、桃蚜等有致死作用。,当前成功用于植物抗虫基因工程凝集素基因有:,雪花莲凝集素(GNA)基因,、豌豆凝集素(P-Lec)基因、麦胚凝集素(WGA)基因及,半夏凝集素(PTA)基因,。,雪花莲,植物抗虫基因工程专家讲座,第17页,2.4 起源于高等植物其它抗虫基因,几丁质酶(Chitinase),是广泛存在于微生物和植物体内一类蛋白,1989 年Ary 等从Job草中分离得到一个几丁质酶,发觉它能抑制淀粉酶活性,破坏昆虫肠上皮保护层,造成消化道损伤.从而有效抑制蝗虫等昆虫类,但其在实际应用与理论相差较大.烟草阴离子过氧化物酶基因在烟草、番茄中表示时,可产生对鳞翅类,鞘翅类以及桃蚜抗性,该酶作用是很复杂,大部分人认为其作用不是直接,而主要是其产物影响.,另外,色氨酸脱羟酶,(Tryptophan Decaiboxylase,TDC,),核糖体灭活基因,(Ribosome Inactive Protein,RIP).豌豆脂肪氧化酶(Pea lipoxygenase),海藻糖酶抑制基因(Trehalosfatin),番茄素(Tomatime),多酚氧化酶(PPO)和,脂氧化酶(LOX)都对昆虫有毒害作用.,植物抗虫基因工程专家讲座,第18页,3 昆虫特异性神经毒素基因,昆虫神经激素是已知三大昆虫激素一个,它控制着昆虫许多关键生理过程,影响昆虫生长、变态、生殖、代谢和行为等,近年来,人们已开始在基因工程中利用昆虫神经激素防治害虫。当前,蝎毒素和蜘蛛毒素,两种昆虫特异性神经毒素,已被用于植物抗虫基因工程,。,因为昆虫毒素专一作用于昆虫而对于哺乳动物无害或毒性很小,所以可开发作为一个高效生物杀虫剂。,植物抗虫基因工程专家讲座,第19页,4 新杀虫基因应用,传统抗虫基因主要是从人们熟知含有杀虫能力生物中克隆出来,如从苏云金芽孢杆菌中克隆B.t.杀虫晶体蛋白基因,而苏云金芽孢杆菌作为生物农药杀虫剂已在农业上应用了几十年。,新抗虫基因,除了继续从这类已知含有杀虫能力生物中克隆外(如,营养杀虫蛋白基因,),还采取了,普遍筛选,方法,即用来作杀虫试验样本能够是任意起源植物组织、微生物发酵液以及商品化蛋白质等。采取对农业生产危害较大,但又不好控制害虫作为筛选试验对象。一旦出现杀虫效果显著试验即进行跟踪判定,确定杀虫物质是否为蛋白质。假如是蛋白质,则依据此蛋白功效、杀虫效率、杀虫作用机理来判断其作为新一代杀虫蛋白潜在价值。第二代抗虫基因中,胆固醇氧化酶基因,就是以此方法发觉并克隆。,植物抗虫基因工程专家讲座,第20页,4.1 胆固醇氧化酶基因,胆固醇氧化酶是胆固醇代谢过程中一个关键酶。,胆固醇氧化酶杀虫谱相当宽,对鞘翅目、鳞翅目、双翅目、直翅目和同翅目标害虫都有不一样程度作用。,它能氧化害虫生物膜上胆固醇,在较低浓度时,能使害虫中肠纹缘膜受到破坏;在较高浓度时,能发生完全溶胞现象,从而膜结构和功效都发生改变以致引发害虫死亡,这一过程生化机制当前还正在研究。,4.2 营养杀虫蛋白基因,营养杀虫蛋白是另一类高效杀虫蛋白质,它敏感害虫是另一个对B.t.毒蛋白不敏感主要农业害虫鳞翅目标地老虎。,这类蛋白可能与敏感昆虫表皮细胞,尤其是柱状细胞相结合,造成细胞分解,伴伴随肠道严重受损,受害昆虫快速死亡。,植物抗虫基因工程专家讲座,第21页,三、抗虫基因工程问题及展望,伴随抗虫基因工程进展，其在应用方面潜在问题也日益显露。,1 抗虫转基因工程中昆虫抗性问题,害虫抗性是指一个种群在遗传基础上降低了对某一个杀虫剂敏感性。,当前较常采取方法有：,(1)使用组织特异性表示开启子和损伤诱导开启子等特殊开启子；,(2)采取2个或2个以上不一样杀虫机理抗虫基因同时转入植物中；,(3)提供“避难所”等。,植物抗虫基因工程专家讲座,第22页,2 “基因缄默”现象,不论是哪种起源抗虫基因用于基因工程首要考虑问题就是,提升其表示量。,普通来说，表示量越高，抗虫效果就越好。导入抗虫基因翻译水平不高是普遍存在问题，所以，怎样提升外源抗虫基因在植物体内表示，是植物抗虫基因工程一个主要研究方向。,植物抗虫基因工程专家讲座,第23页,3 转抗虫基因植物潜在生态风险性,转抗虫基因植物安全性是一个长久、主要而且复杂问题，应慎重对待。,抗虫转基因植物直接生态效应是对靶标昆虫种群控制，但靶标昆虫有没有向其它寄主植物转移可能；害虫天敌种群会受到怎样影响；次要害虫是否会变为主要害虫,；靠转基因作物逃逸或从作物杂交中获取转基因抗性植物是否会对自然植物群落产生严重影响,都是需深入研究问题,。为了预防选择基因或汇报基因潜在风险，当前，世界上已经有许多试验室正在研究,无标识转化系统,。,植物抗虫基因工程专家讲座,第24页,4 展望,植物抗虫基因工程在短短十几年中已取得了丰硕结果，抗虫转基因棉花、玉米、马铃薯商业化推广证实了这项技术实用性。另外，我们必须认识到，,基因工程并非是处理一切问题万全之策,，经过植物基因工程得到只是一个人工种质新材料，而不是生产上能够马上应用新品种，它必须经过常规育种考验。只有将,传统抗虫育种、遗传工程及田间综合防治,相互结合起来，才能更加好地控制害虫发生，更加好地改良植物。,植物抗虫基因工程专家讲座,第25页,谢谢大家！,敬请批评指正！,植物抗虫基因工程专家讲座,第26页,