了得網自然科學_園藝植物生物技術

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內容簡介

《園藝植物生物技術》包括緒論、園藝植物組織培養的理論基礎與基本技術、園藝植物脫毒與離體快速繁殖、園藝植物種質離體保存與無性繫變異篩選、園藝植物的細胞工程、園藝植物的染色體工程、植物基因工程的基礎知識與技術、園藝植物基因的分離與克隆、園藝植物遺傳轉化載體的構建、園藝植物遺傳轉化、轉基因技術在園藝植物育種上的應用、園藝植物的分子標記、園藝植物生物技術與生物信息學，以及園藝植物生物技術的安全性評價與管理等內容。其內容新，起點高，能充分體現本學科的新技術與新方法。每章有小結、復習思考題與推薦讀物，書後附有參考文獻，便於同學自學。
《園藝植物生物技術》概念準確、內容豐富、資料翔實、信息量大、條理清晰、結構合理、邏輯性強、生物技術方法與技術詳細具體、圖文並茂、實用性強、通俗易懂。

作者簡介

目錄
序
前言
**章緒論 1
**節園藝植物生物技術的主要內容 1
一、園藝植物組織培養 1
二、園藝植物細胞工程 2
三、園藝植物染色體工程 3
四、園藝植物基因工程 3
五、園藝植物分子標記 4
第二節園藝植物生物技術的發展簡史與趨勢 5
一、植物生物技術發展簡史 5
二、園藝植物生物技術發展趨勢 11
第二章園藝植物組織培養的理論基礎與基本技術 15
**節概述 15
一、園藝植物組織培養的概念和類型 15
二、園藝植物組織培養的理論基礎 16
第二節園藝植物組織培養所需的儀器及設備 19
一、滅菌設備 19
二、無菌接種設備 20
三、可調控人工培養設備 20
四、其他儀器設備 21
第三節園藝植物組織培養的基本技術 21
一、培養基配制技術 21
二、外植體的滅菌技術 25
三、接種環境和接種設備滅菌技術 26
四、無菌接種技術 27
五、組培苗的繼代技術 28
六、組培苗的生根技術 28
七、組培苗的馴化和移栽技術 29
第四節影響園藝植物組織培養的因素 30
一、外植體的種類 30
二、培養基成分及激素配比 31
三、組織培養環境條件 33
第三章園藝植物脫毒與離體快速繁殖 37
**節園藝植物的脫毒 37
一、脫毒的意義 37
二、脫毒的方法 37
三、脫毒苗的鋻定 41
四、無毒苗的保存與繁殖 44
五、脫毒技術在園藝植物上的應用 45
第二節園藝植物的離體快速繁殖 46
一、離體快速繁殖的意義 46
二、離體快速繁殖的方法 47
三、離體快速繁殖在園藝植物上的應用 49
第三節園藝植物人工種子的生產 50
一、人工種子的概念及意義 50
二、人工種子的制備方法與技術 51
三、人工種子的儲藏與萌發 54
四、園藝植物人工種子的制備技術 55
第四章園藝植物種質離體保存與無性繫變異篩選 58
**節園藝植物種質資源的離體保存 58
一、限制生長保存 58
二、超低溫保存 60
三、園藝植物種質資源離體保存技術應用 66
第二節園藝植物的無性繫變異及其篩選 67
一、植物體細胞無性繫變異的來源 68
二、植物體細胞無性繫變異的遺傳學基礎 70
三、植物體細胞無性變異繫的篩選 72
四、體細胞無性繫變異在園藝植物育種中的應用 74
第五章園藝植物的細胞工程 76
**節園藝植物細胞培養 76
一、單細胞培養 76
二、細胞懸浮培養 81
三、植物細胞的規模化培養 84
第二節園藝植物的原生質體培養 87
一、原生質體培養的意義 87
二、原生質體培養的基本技術 88
第三節園藝植物的細胞融合 93
一、細胞融合前的準備 93
二、細胞融合技術 93
三、雜種細胞的篩選技術 95
第六章園藝植物的染色體工程 98
**節園藝植物單倍體制備 98
一、雄配子途徑 98
二、雌配子途徑 101
第二節園藝植物多倍體制備 103
一、活體誘導 103
二、離體誘導 104
第三節園藝植物非整套染色體操作 106
一、染色體代換繫的創制 106
二、染色體附加繫的創制 106
三、染色體易位繫的創制 107
第四節園藝植物染色體工程產物的鋻定 108
一、形態學鋻定 108
二、細胞學鋻定 109
三、生理生化鋻定 110
四、分子生物學鋻定 110
第五節園藝植物染色體工程的成就及其發展方向 111
一、成就 111
二、存在的問題及今後的發展方向 111
第七章植物基因工程的基礎知識與技術 114
**節植物遺傳物質的基礎知識 114
一、DNA的結構與功能 114
二、RNA的結構與功能 116
三、蛋白質的結構與功能 117
四、遺傳信息的傳遞 118
五、基因的概念 118
第二節植物基因工程常用的工具酶 119
一、限制性內切核酸酶 119
二、DNA連接酶 120
三、DNA聚合酶 120
四、其他工具酶 122
第三節園藝植物基因工程常用的載體 123
一、質粒載體 123
二、λ噬菌體載體 125
三、柯斯質粒載體 126
四、人工染色體載體 126
第四節植物基因工程的基本技術 127
一、核酸分離技術 127
二、核酸電泳技術 130
三、核酸體外擴增技術 131
四、分子雜交技術 134
第八章園藝植物基因的分離與克隆 138
**節文庫篩選法 138
一、園藝植物基因組文庫的構建 138
二、園藝植物cDNA文庫的構建 140
三、目的基因的篩選 143
第二節圖位克隆技術 144
一、分離基因的程序 144
二、優缺點 145
第三節轉座子標簽法 145
一、轉座子的分類 145
二、分離基因的程序 145
三、優缺點 146
四、TGDNA標簽法 146
第四節基因差異表達技術 147
一、mRNA差異顯示技術 147
二、抑制性消減雜交技術 148
三、代表性差異分析法 149
四、基因表達繫列分析 150
五、cDNAGAFLP技術 151
第五節同源序列法 152
一、基於同源序列的候選基因法 152
二、cDNA末端快速擴增技術 153
第六節基因芯片技術 155
一、基因芯片的類型 155
二、基本程序 155
三、優缺點 156
第九章園藝植物遺傳轉化載體的構建 158
**節根癌農杆菌Ti質粒基因轉化載體的構建 158
一、Ti質粒的改造 158
二、Ti中間表達載體的構建 160
三、Ti共整合轉化載體的構建 161
四、轉化載體的構建 164
第二節發根農杆菌Ri質粒基因轉化載體的構建 165
一、Ri質粒的基因結構 165
二、Ri中間表達載體的構建 166
三、Ri共整合轉化載體的構建 166
四、轉化載體的構建 166
第三節載體構建中常用的選擇標記基因和報告基因 166
一、選擇標記基因和報告基因的基本特點 167
二、常用的選擇標記基因 167
三、常用的報告基因 171
第四節園藝植物常用的遺傳轉化載體類型 173
一、正義表達載體 173
二、反義表達載體 173
三、RNA干涉載體 174
四、基因打靶載體 174
五、其他載體 175
第五節目的基因與載體的連接 175
一、插入滅活法 176
二、定向克隆法 176
第十章園藝植物遺傳轉化 179
**節園藝植物遺傳轉化受體繫統 179
一、遺傳轉化對園藝植物受體繫統的要求 179
二、常用的園藝植物受體繫統 180
第二節園藝植物遺傳轉化方法 181
一、外源裸露DNA的轉化 181
二、載體介導的DNA轉化 185
三、種質轉化法 188
第三節園藝植物轉化植株的鋻定 190
一、利用選擇標記基因和報告基因鋻定 190
二、利用重組DNA分子特征鋻定 192
三、利用外源基因的轉錄或表達鋻定 192
第四節提高外源基因在園藝植物體內表達水平的策略 193
一、轉基因園藝植物中外源基因的沉默 193
二、提高外源基因在園藝植物體內表達水平的策略 195
第五節基因沉默技術與基因剔除技術 197
一、基因沉默技術 197
二、基因剔除技術 199
第六節外源基因在園藝植物中的遺傳 200
第十一章轉基因技術在園藝植物育種上的應用 202
**節培育抗病品種 202
一、抗病毒轉基因園藝植物 202
二、抗真菌轉基因園藝植物 203
三、抗細菌轉基因園藝植物 204
第二節培育抗蟲品種 204
一、抗蟲基因的來源 205
二、抗蟲轉基因園藝植物 205
第三節培育抗逆品種 207
第四節培育抗除草劑品種 208
第五節培育耐儲運品種 210
第六節創造雄性不育材料 211
一、創造雄性核不育繫的途徑 211
二、基因工程雄性不育繫的恢復與保持 213
第七節改良產品的營養品質 213
第八節改變花卉作物的花型和花色 215
一、改良花型 215
二、改變花色 216
三、改變花期 217
第九節提高光合效率和固氮能力 218
一、提高光合效率 218
二、提高固氮能力 219
第十節改良其他性狀 219
一、改良香味 219
二、改良生長特性 220
三、單性結實 220
四、轉基因生物反應器 220
第十二章園藝植物的分子標記 222
**節園藝植物遺傳標記概述 222
一、遺傳標記的類型 222
二、理想的遺傳標記應具備的特點 223
第二節園藝植物分子標記的種類及其原理 224
一、分子標記多態性產生的分子基礎 224
二、基於Southern雜交的分子標記 224
三、基於PCR擴增的DNA標記 226
四、基於序列測定的分子標記 234
五、園藝植物主要分子標記的技術特點比較 235
第三節分子標記數據的處理與分析 236
一、數據的獲得 236
二、統計學處理 236
第四節分子標記在園藝植物上的應用 238
一、分子遺傳圖譜構建和基因定位 238
二、分子標記輔助選擇育種 241
三、遺傳多樣性和親緣關繫分析 242
四、核心種質構建 243
五、園藝植物品種鋻定與純度分析 244
第十三章園藝植物生物技術與生物信息學 246
**節生物信息學基本知識 246
一、生物信息學的研究任務與內容 246
二、生物信息學常用數據庫 246
三、生物信息學信息檢索繫統 251
四、核酸和蛋白質同源性比對檢索分析繫統 252
第二節生物信息學在園藝植物上的應用 253
一、尋找園藝植物新基因 253
二、克隆園藝植物新基因 254
三、預測園藝植物基因區域 255
四、預測園藝植物基因功能 256
五、預測園藝植物蛋白質結構 256
六、分析園藝植物繫統進化關繫 257
第三節新基因的登錄及其發明專利的申請 258
一、新基因的登錄 258
二、生物技術發明專利申請的意義與條件 259
三、基因專利的申請 261
四、生物技術發明專利申請存在的問題 262
第十四章園藝植物生物技術的安全性評價與管理 265
**節概述 265
一、生物安全的內涵 265
二、生物安全的種類 265
三、轉基因技術的應用情況 266
四、對轉基因技術進行安全性評價的必要性 267
第二節轉基因植物的環境安全性評價 267
一、外源基因對受體植物的影響

前言

媒體評論

在線試讀

**章緒論
生物技術(biotechnology)是以現代生命科學為基礎，結合其他基礎學科的科學原理，利用生物(或生物組織、細胞、器官、染色體、基因、核酸片段等)的特性和功能，設計、構建具有預期性能的新物質或新品繫，加工生產產品或提供服務的綜合性技術。目前，生物技術已廣泛應用於農林牧漁、醫藥食品、輕工業、化學工業和能源等領域，與人民生活息息相關。它是21世紀*重要、*活躍、*有生命力的一項高新技術。生物技術產業將是21世紀的支柱產業，在邁進21世紀以來，世界各國紛紛出臺重大舉措，力圖搶占未來生物經濟的制高點，國際範圍內的生物技術及產業的競爭更加激烈。毫無疑問，生物技術是落實科學發展觀，增強我國國力和經濟實力的關鍵性技術之一。
生物技術包括傳統生物技術與現代生物技術。傳統生物技術是指通過微生物的初級發酵來生產產品，如醬油、醋、酒、面包、奶酪、酸奶等食品的制作技術。現代生物技術是指以現代生物學理論為基礎，以基因工程為核心的一繫列技術的總稱。本書重點介紹現代生物技術，包括植物組織培養、植物細胞工程、植物染色體工程、植物基因工程、植物分子標記和生物信息學等在園藝科學上的研究與應用概況。
**節園藝植物生物技術的主要內容
園藝植物生物技術(biotechnology in horticultural plant)是以園藝植物為材料，利用生物技術，創造或改良種質或生產生物制品的一門技術，它是園藝學和生物技術的交叉技術學科，是在植物組織培養、植物細胞工程、植物染色體工程、植物基因工程、植物分子標記和生物信息學等現代生物技術手段基礎上產生和發展起來的。這些先進的現代生物技術在園藝科學上的應用構成了園藝植物生物技術的主要內容。
一、園藝植物組織培養
園藝植物組織培養(tissue culture in horticulture plant)是指在無菌和人工控制的環境條件下，利用人工培養基，對園藝植物的胚胎(成熟和未成熟的胚、胚乳、胚珠、子房等)、器官(根、莖、葉、花、果實、種子等)、組織(分生組織、形成層、韌皮部、表皮、皮層、薄壁組織、髓部等)、細胞(體細胞、生殖細胞等)、原生質體等進行離體培養，使其再生發育成完整植株的過程。用於培養的園藝植物胚胎、器官、組織、細胞和原生質體通常稱為外植體(explant)。由於外植體已脫離了母體，因此，園藝植物組織培養又稱園藝植物離體培養(plant culture in vitro)。
植物細胞全能性(cell totipotency)是植物組織培養的理論基礎。它是指任何具有完整細胞核的植物細胞(不管性細胞還是體細胞)，都擁有形成一個完整植株所必需的全部遺傳信息，在特定的環境下可表達出該細胞的所有遺傳信息，產生一個獨立完整的個體。植物細胞能夠分裂、增殖和分化出不同形態、執行不同功能的組織和器官，從而使種族不斷繁衍。外植體需要經過脫分化和再分化過程纔能發育成一個完整的植株。脫分化也稱去分化(dedifferentiation)，是指離體培養條件下生長的細胞、組織或器官經過細胞分裂或不分裂，逐漸失去原來的結構和功能而恢復分生狀態，形成無組織結構的細胞團或愈傷組織或成為未分化細胞特性的細胞的過程。這些脫分化的細胞或細胞團，在適宜的環境條件下，可進行重新分化，形成另一種或幾種類型的細胞、組織、器官，甚至形成完整植株，這個過程(現像)稱為再分化(redifferentiation)。
園藝植物組織培養的主要內容包括：離體條件下，園藝植物細胞、組織、器官的形態發生和代謝規律；園藝植物細胞、組織、器官培養所需的營養條件和環境條件以及培養技術；園藝植物幼胚、遠緣雜種胚、子房、胚珠、胚乳培養的方法與技術；園藝植物脫毒的方法與技術；珍貴園藝植物特別是一些繁殖繫數低的植物大量快速繁殖的方法與技術；園藝植物人工種子制備的方法與技術；園藝植物再生植株的遺傳和變異；園藝植物種質資源的離體保存技術；園藝植物體細胞變異的獲得與篩選，以及遺傳轉化細胞、組織的再生與培養等。
二、園藝植物細胞工程
植物細胞工程(plant cell engineering)是指應用細胞生物學和分子生物學的原理和方法，通過某種工程學手段，以植物細胞為基本單位，在離體條件下進行培養、增殖，或人為地使細胞某些生物學特性按人們的意願發生改變，從而達到改良植物品種和創造新品種，加速植物繁殖或獲得某種有用物質的過程。園藝植物細胞工程(cell engineering in horticultural plant)的目的在於改良園藝植物品種和創造新品種，以及加速園藝植物繁殖。其核心內容主要包括細胞培養、原生質體培養、細胞遺傳操作(包括細胞融合)、細胞保藏等技術。
細胞培養是進行遺傳操作、細胞繁殖與保藏的基礎。分離細胞是細胞培養的**步，常用的方法有機械法和酶解法，也可由離體培養的愈傷組織分離單細胞。細胞培養可分為懸浮細胞培養、平板培養、看護培養和雙層濾紙植板等方法，它們都是將選定的植物細胞置於適宜的條件下進行培養，以獲得大量基本同步化的細胞。
原生質體的培養是利用原生質體進行遺傳操作、細胞融合以及植物體細胞雜交的基礎，它是將取得的植物細胞去除細胞壁形成原生質體後進行培養，其方法與細胞培養有一定的相似之處。作為後繼操作的基礎，培養技術的選擇是非常重要的。采用適當的培養方法可以更好地進行遺傳操作、細胞融合和保存細胞，而培養不當可能影響結果甚至導致試驗和生產失敗，造成時間和金錢的浪費。
遺傳操作技術的內容十分廣泛，包括運用各種手段對生物進行遺傳干預的技術措施。遺傳操作技術在群體、個體、器官、組織、細胞、染色體以及分子水平等均可實施。但就細胞遺傳操作技術而言，其主要是指轉基因技術與細胞融合技術等。將外源DNA導入靶細胞，除了使用的質粒載體、病毒載體、轉座因子和APC(酵母人工染色體)等途徑外，外源裸露DNA 通過化學誘導轉化法、電穿孔轉化法、基因槍轉化法、激光微束穿孔轉化法、脂質體介導轉化法、超聲波轉化法等非生物方式進行遺傳轉化被大量地成功應用。細胞融合(cell fusion)又稱體細胞雜交(somatic cell hybridization)，是細胞工程的核心基礎技術之一，在細胞遺傳學、細胞核質關繫、質核互作雄性不育以及遠緣雜交育種等方面的研究具有重要意義。隨著細胞融合技術的不斷改進，融合率增大，細胞融合展示出了良好的發展前景。此外，細胞誘變也取得了較大的進展，誘變方法與技術不斷完善，體細胞誘變育種已受到高度關注與廣泛應用。這些理論和技術的發展都為更好地改造細胞創造了條件。
培養或經改造的細胞是進行研究和生產的基本材料，為了使其不致死亡並盡量保持優良的特性，需要進行適當的保藏。一般是根據細胞的特點，人工創造條件使其生長代謝活動盡量降低，處於休眠狀態，以抑制增殖和減少變異。由於植物細胞有其自身的特點，因而其保藏方法不可能與微生物完全相同。通常采用的方法是液氮超低溫保藏方法。此外還有低溫凍藏法及其他一些保藏方法，但多用於短期保藏。
三、園藝植物染色體工程
廣義染色體工程(chromosome engineering)包括染色體組工程和個別染色體工程，前者的主要內容是增加或削減染色體組，以改造植物的遺傳基礎，達到人類利用的目的。增加染色體組(genome chromosome complement)是使細胞中的染色體多倍化，即變成同源多倍體(autopolyploid)或異源多倍體(allopolyploid)。個別染色體工程又稱狹義染色體工程，是指按人們需要來添加或削減一種植物的染色體，或用別的植物的染色體來替換。植物染色體工程技術目前主要是利用包括遠緣雜交在內的一繫列細胞遺傳技術和分子標記輔助育種技術，實現染色體的附加、易位、交換，將存在於野生近緣種中的大量有益基因轉移到受體植物中，豐富其遺傳基礎，創造新物種、新種質，育成新品種。園藝植物染色體工程(chromosome engineering in horticultural plant)的主要內容包括：①培養獲得單倍體，通過染色體加倍，迅速獲得純繫，聚集有益園藝性狀基因，加速親本純繫的選育。園藝植物獲得單倍體的主要途徑有雄配子體途徑(包括花藥培養、花粉培養和小孢子培養)與雌配子體途徑(包括未受精子房培養和未受精胚珠培養)。②誘導多倍體，通過選育直接獲得多倍體品種，或與雜交及雜優利用相結合，培育多倍體品種。誘導獲得園藝植物多倍體的有效方法是采用秋水仙素溶液處理單倍體、二倍體或其他倍性的植株、組織、器官或細胞，也可通過與多倍體雜交的方法獲得多倍體。③通過染色體的交換、附加或易位，獲得染色體代換繫、附加繫或易位繫。這主要通過遠緣雜交、細胞遺傳技術以及分子標記技術來實現。
四、園藝植物基因工程
園藝植物基因工程(genetic engineering in horticulture plant)是以分子遺傳學為理論基礎，以分子生物學和微生物學的現代方法為手段，將不同來源的基因(或DNA分子)，按預先設計的藍圖，在體外構建雜種DNA 分子，然後導入園藝植物細胞，以改良園藝植物原有的遺傳特性，獲得新種質或新品種。其基本操作步驟及內容包括：①利用各種基因克隆技術，如轉座子標簽技術、圖位克隆技術、文庫篩選技術(基因組文庫的構建與篩選，cDNA文庫的構建與篩選)、基因差異表達技術(mRNA 差異顯示技術、抑制性減法雜交技術、代表性差異分析法、基因表達序列分析和cDNAGAFLP)、同源序列法以及基因芯片技術等從植物、動物、微生物等生物中分離目的基因。②生物信息學研究與基因表達載體的構建。生物信息學是分子生物學與計算機科學的交叉學科，它借助於計算機及網絡技術進行核酸序列分析、蛋白質序列分析、核酸序列的酶切位點分析、PCR反應中的引物設計、核酸和蛋白質序列的同源性分析、新基因的功能預測以及分子進化分析等。基因表達載體的構建是進行基因表達與功能研究的前提，是基因工程的核心。它將克隆獲得的目的基因連接在能使其在植物細胞中表達的各種載體，構建成不同類型的遺傳轉化載體，如正義表達載體、反義表達載體、RNA 干涉載體、基因打靶載體等，用於園藝植物的遺傳轉化研究。③園藝植物遺傳轉化方法的研究與目的基因的遺傳轉化。目前用於植物遺傳轉化的方法有多種，不同的園藝植物適宜的遺傳轉化方法可能不同。建立與優化具體園藝植物的遺傳轉化體繫是園藝植物基因工程的重要內容。除了借鋻已有的植物遺傳轉化方法外，也可根據園藝植物的特點創建新的遺傳轉化體繫。在此基礎上將目的基因導入受體植物細胞。④目的基因導入受體植物細胞後，是否可以穩定維持和表達其遺傳特性，隻有通過檢測與鋻定纔能確定。轉基因植株的檢測與鋻定包括分子檢測與遺傳特性的鋻定。分子檢測主要包括PCR 技術鋻定、Southern雜交技術鋻定、Northern雜交技術鋻定(包括點雜交)、RTGPCR 技術鋻定、Western雜交技術鋻定、蛋白質免疫測定技術鋻定等；遺傳特性鋻定主要研究外源目的基因的表達、表達水平、遺傳穩定性，以及與其他重要園藝性狀基因表達的關繫等。
五、園藝植物分子標記
植物分子標記(molecular marker of plant)的概念有廣義與狹義之分。廣義的分子標記是指可遺傳的並可檢測的DNA 序列或蛋白質。蛋白質標記包括種子儲藏蛋白和同工酶(指由不同基因位點編碼的酶的不同分子形式)及等位酶(指由同一基因位點的不同等位基因編碼的酶的不同分子形式)標記。狹義的分子標記是指能反映園藝植物個體或種群間基因組中某種差異特征的DNA片段，它直接反映基因組DNA 間的差異。與其他遺傳標記，如形態標記(morphological marker)、細胞學標記(cytological marker)和生化標記(biochemical marker)等相比較，分子標記的優越性突出、種類多、用途廣。園藝植物分子標

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