生物工程专业核心课程
基 因 工 程
华东理工大学 张惠展
基因工程
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1
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8
9
基因工程的基本概念
基因工程的基本原理
基因工程所需的基本条件
基因工程的操作过程
目的基因的克隆与基因文库的构建
大肠杆菌基因工程
酵母基因工程
哺乳动物基因工程
高等植物基因工程
A 高等植物的遗传学特征
9 高等植物基因工程
遗传操作的简易性
整株植物的再生性
染色体的多倍体性
植物的基本特征
植物的基本特征
植 物
低 等 植 物
藻类 地衣
高 等 植 物
无根、茎、叶等分化器官
合子不经胚直接发育为个体
含根、茎、叶、花、果分化器官
合子经胚再发育为个体
苔藓门 蕨类门 裸子门 被子门
遗传操作的简易性
大多数高等植物具有自我授精的遗传特征, 通常能产生大量
的后代；而且借助于如风、重力、昆虫传播等自然条件，授精范
围广、速度快、效率高。因此，即便是频率极低的基因突变和重
组事件，其遗传后果也易被观察。
整株植物的再生性
植物损伤后，会在伤口长出一块软组织，称为 愈伤组织 。如果将一
小片鲜嫩的愈伤组织取下，放在含有合适营养和植物生长激素的组织培
养基中，则这些细胞便会持续生长并分裂成悬浮液。将这些细胞涂在特
定的固体培养基上，就会长成新的幼芽，并且这些愈伤组织重新分化成
为叶、根、茎，最终成为整株开花植物。
愈伤组织的细胞分化取决于植物 生长素 （ Auxins） 和 分裂素 （
Cytokinins） 的相对浓度 。 生长素与分裂素之比高, 则根部发育；生长素
与分裂素之比低，则茎部发育。
整株植物的再生性
植物细胞通常不能有效地吸收外源 DNA,因为它们具有纤维素构成
的细胞壁。可用纤维素酶处理植物细胞壁，形成 原生质体,待吸收 DNA
分子后，经过 再生,再通过 愈伤组织 形成培育出整株植物。这项技术有
一定的局限性，即大多数 单子叶农作物 （如谷类作物）很难从原生质再
生出完整细胞。
染色体的多倍体性
很多高等植物拥有比人类更大的基因组，并以多倍体的形式存在。
大约三分之二的 禾本科植物 呈多倍体型，其染色体数目范围从 24至 144
不等。这种多倍体植物在组织培养过程中呈现出较高的 遗传不稳定性,
导致体细胞变异。
B 高等植物基因工程的基本概念
9 高等植物基因工程
高等植物基因工程
高等植物细胞基因表达技术 高等植物转基因技术
转基因植株 植物工程细胞
农作物遗传性状改良 蛋白多肽物质大规模生产
小分子化合物大规模生产
高等植物基因工程的发展历程
1983 年 美国和比利时科学家首次将外源基因导入烟草和胡萝卜
1994 年 世界上第一种耐储藏的番茄在美国批准上市
1995 年 转基因的抗虫、抗除草剂的玉米和棉花在美国投入生产
2000 年 美国转基因大豆的种植面积首次超过普通大豆
迄今为止 世界上共批准了 12种作物, 6大类性状的 48个转基因品种
进行商业化生产, 其中包括水稻, 玉米, 马铃薯, 小麦, 黑麦, 红
薯, 大豆, 豌豆, 棉花, 向日葵, 油菜, 亚麻, 甜菜, 甘草, 卷心
菜, 番茄, 生菜, 胡萝卜, 黄瓜, 芦笋, 苜蓿, 草莓, 木瓜, 猕猴
桃、越橘、茄子、梨、苹果、葡萄等。
C 高等植物的基因转移系统
9 高等植物基因工程
Ti 质粒介导的整合转化程序
植物病毒介导的转染程序
植物细胞的直接转化程序
植物原生质体的再生程序
Ti 质粒介导的整合转化程序
几乎所有的双子叶植物尤其是豆科类植物的根部常常会形成
根瘤, 这是由于植物根部被一种革兰氏阴性土壤杆菌 农杆根瘤菌
（ A.tumefaciens） 感染所致, 其致瘤特性是由该菌细胞内的野生
Ti 质粒的结构与功能
型质粒 Ti（ Tumor-inducing） 介导的。
Ti 质粒的结构与功能
LB RB
A u x in
ia a M
ia a H
( t m s )
Cy t o k in in
ip t Z
( t m r )
Op in e
( t m t )
Op in e
代谢区
复制起始区
V ir 区 T i pl a s m i d
Ti 质粒的图谱
区
代谢区
复制起始区
整个质粒 160 - 240 kb
T-DNA
其中 T-DNA 12 - 24 kb
tms 的编码产物负责,
合成吲哚乙酸
tmr 的编码产物负责,
合成植物分裂素
tmt 的编码产物负责,
合成氨基酸衍生物
冠瘿碱
Ti 质粒的结构与功能
Ti 质粒致瘤的分子机制
损伤的植物根部会分泌出乙酰
丁香酸和羟基乙酰丁香酸，它
们能诱导 Ti质粒上的 vir基因以
及根瘤菌染色体上的一个操纵
子表达。 vir基因产物将 Ti质粒
上的 T-DNA单链切下，而根瘤
菌染色体上的操纵子表达产物
则与单链 T-DNA结合形成复合
物，后者转化植物根部细胞。
植物根部
乙酰丁香酸 羟基乙酰丁香酸
植物细胞
Ti 质粒
单链 T -D N A
根瘤菌细胞
Ti 质粒的结构与功能
T-DNA的染色体整合机制
表达
特异性核酸内切酶
单链 T - D N A 整合在植物的基因组上
在 LB 和 RB 的第三和第四个碱基之间切开
T-DNA的染色体整合机制
Ti 质粒的结构与功能
Ti 质粒的改造
除去 T-DNA上的生长素 （ tms） 和分裂素 （ tmr） 生物合成基因, 因
为大量的生长素和分裂素会抑止细胞再生长为整株植物；
除去 T-DNA上的有机碱生物合成基因 （ tmt） ； 因为有机碱的合成大
量消耗精氨酸和谷氨酸, 影响植物细胞的生长；
安装大肠杆菌复制子, 使其能在大肠杆菌中复制, 以利于克隆操作；
安装植物细胞的筛选标记, 如 neor 基因, 使用植物基因的启动子
和 polyA化信号序列；
安装多聚人工接头以利于外源基因的克隆 。
除去 Ti 质粒上的其它非必需序列, 最大限度地缩短载体的长度；
共整合转化程序
大肠杆菌质粒
大肠杆菌筛选标记
农杆菌筛选标记
多克隆位点
重组质粒
转化
大肠杆菌农杆菌
细菌接合 T -D N A 区同源整合
农杆菌
感染植物根部细胞 T - D N A 区整合在植物细胞基因组上
二元整合转化程序
LB RB
T - D N A
外源基因
植物细胞筛选标记 Km r
大肠杆菌-农 杆菌穿梭质粒
大肠杆菌筛选标记
农杆菌筛选标记
农杆菌 ori
大肠杆菌 ori
将外源基因克隆在大
肠杆菌 -农杆菌穿梭
质粒的 T-DNA区内；
重组质粒直接转化农
杆菌株, 该菌株携带
只含 vir区不含 T-DNA
区的 Ti辅助质粒；
以上述重组农杆菌感
染植物细胞 。
植物病毒介导的转染程序
随着植物病毒分子生物学及遗传学研究的不断深入, 用病毒基因
组作为载体转化植物细胞日益受到人们的重视, 因为病毒载体能将外
源基因导入植物的所有组织和细胞中, 而且不受单子叶或双子叶的限
制 。
在大约 300种特征清楚的植物病毒中, 单链 RNA病毒约占 91%，
双链 RNA病毒, 双链 DNA病毒, 单链 DNA病毒各占 3%。 利用植物病
毒载体转化植物细胞大致有以下两种战略,
植物病毒介导的转染程序
以双链 DNA病毒 花椰菜花斑病毒 （ CaMV） 基因组作为载体, 去
除有关的致病性基因, 换上外源基因, 体外包装成有感染力的病毒颗
粒, 转染植物细胞原生质体, 并由此再生成整株植物 。
转染植物细胞原生质体
植物病毒介导的转染程序
植物 双生病毒 （ Geminiviruses） 为一单链 DNA病毒, 成熟的双
生病毒呈双颗粒状, 每一个颗粒中含有一条不同的 DNA单链 。 其中 A
链 能单独在植物细胞中复制, 并含有一部分病毒包衣蛋白基因； B链
编码另一部分包衣蛋白基因及感染性基因 。 A,B两条链必须同处于一
个植物细胞中, 方能形成有感染力的病毒 。 双生病毒具有广泛的宿主
细胞范围, 因此是一种很有潜力的植物病毒载体 。
转染植物组织
转染植物组织
双生病毒家
族成员蕃茄
金花叶病毒
（ TGMV） 克
隆表达载体
的构建程序
TG M V A 链
T G M V d s D N A
体外复制
用目的基因和标记基因取代病毒包衣基因
克隆
穿梭质粒
农杆菌筛选标记 大肠杆菌筛选标记
转化
携带辅助质粒的农杆菌
染色体上已整合了病毒 B 链基因的植物茎组织
注射
重组病毒感染其他植物组织并表达目的基因
植物细胞的直接转化程序
枪击法
将待转化的 DNA沉淀在细小金属珠的表面, 用特制枪将金属珠直
接打入植物细胞, 枪的威力为 430 m / s,植物细胞通常是胚胎细胞,
玉米籽, 叶子等, 但进去的 DNA片段整合效率极低 。
电击法
将高浓度的质粒 DNA加入到植物细胞的原生质体悬浮液中, 混合
物在 200 - 600 V / cm 的电场中处理若干秒钟, 然后将原生质体在组
织培养基中生长 1 - 2 周, 再生出整株植物 。
融合法
将外源 DNA与特殊的疏水性高分子化合物混合, 在水中这些疏水
性化合物分子形成球状的 脂质体, 后者与植物细胞原生质体融合, 筛
选融合子, 再生植物细胞壁 。
所有涉及到植物原生质体的基因转化方法均存在一个难题, 即：
原生质体很难再生出整株植物 。
花粉管导入法
将外源 DNA沿着花粉管经过珠心进入尚未形成正常细胞壁的卵,
合子或早期胚胎细胞中, 从而实现基因的转移 。 这一方法是我国科学
家周光宇首先提出设计的, 目前已应用于水稻, 小麦, 棉花, 大豆,
花生, 蔬菜等作物的转基因研究,
花粉管导入法的特点是直接, 简便 。 它的受体材料为植株整体,
省略了细胞组织培养的诱导和传代过程, 排除了植株再生的障碍, 特
别适合于难以建立有效再生系统的植物 。 由于转化的是完整植株的卵
细胞, 受精卵或早期胚胎细胞, 导入的 DNA分子整合效率较高 。
植物原生质体的再生程序
原生质体的再生效率在植物转基因技术中至关重要 。 标准的高等
植物原生质体制备和再生程序是：将植物嫩叶, 幼芽或愈伤组织切成
碎片, 浸入含有纤维素酶的缓冲液中保温；悬浮物离心除细胞碎片；
将原生体悬浮液滴在无菌滤纸片上, 并置于含有普通植物细胞 （ 即所
谓的 滋养细胞 ） 的固体再生培养基的表面, 使原生质体与 滋养细胞 不
直接接触, 但可吸收由 滋养细胞 分泌扩散出来的植物生长因子及其它
化合物；培养 2-3周后, 将滤纸上的植物细胞蔟转移至含有高浓度分
裂素和低浓度生长素的固体培养基上继续培育 2-4周, 滤纸片上便长
出嫩芽；将嫩芽置入含有低浓度生长素而无分裂素的固体培养基上,
使其根部发育；大约 3周后再将之移植在土壤中, 长成整株植物 。
植物原生质体的再生程序
D 高等植物的基因表达系统
9 高等植物基因工程
植物转基因技术已成为研究和改良植物遗传资源的强有力工具,
其中 启动子 是决定基因表达部位, 时间, 强度的主要调控元件 。 花椰
菜花斑病毒 CaMV的 35S启动子 能在许多植物物种中的几乎所有发育
阶段及所有组织中高效表达, 它已经被广泛用于构建转基因植株 。
在高等植物基因工程中, 外源基因的 时空特异性表达 具有重要意
义, 因为很多外源基因的表达产物对植物早期的生长和发育有影响,
甚至会致死植株 。
D 高等植物的基因表达系统
9 高等植物基因工程
外源基因的四环素诱导系统
外源基因的乙醇诱导系统
外源基因的地塞米松诱导系统
外源基因的类固醇诱导系统
外源基因的四环素诱导系统
Tc-on型四环素诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
TetR
E.coli tetR
四环素阻遏蛋白基因表达盒
CaMV 35S P Plant nos t b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因 GUS
四环素诱导型报告基因表达盒
tet
外源基因的四环素诱导系统
Tc-on型四环素诱导系统
TetR
CaMV 35S P Plant nos t b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因 GUS tet
CaMV 35S P Plant nos t b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因 GUS tet
显色反应
四环素
外源基因的四环素诱导系统
Tc-off型四环素阻遏系统
CaMV 35S P Plant nos t
tTA融合蛋白
tetR
tTA激活因子表达盒
CaMV 35S P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP
四环素阻遏型报告基因表达盒
tet
VP16
外源基因的四环素诱导系统
Tc-off型四环素阻遏系统
CaMV 35S P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP tet
CaMV 35S P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP tet
四环素
外源基因的乙醇诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
AlcR
巢曲霉菌 alcR
转录激活因子表达盒
CaMV 35S P Plant nos t 氯霉素乙酰转移 酶基因 CAT
乙醇诱导型报告基因表达盒
alcA 启动子控制区
alcA 巢曲霉菌乙醇降解酶编码基因
外源基因的乙醇诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
AlcR
巢曲霉菌 alcR
转录激活因子表达盒
CaMV 35S P Plant nos t 氯霉素乙酰转移 酶基因 CAT
乙醇诱导型报告基因表达盒
乙醇
氯霉素抗性
外源基因的地塞米松诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
tTA融合蛋白
Yeast Gal4
tTA激活因子表达盒
Plant P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP
地塞米松诱导型报告基因表达盒
Gal4 结合区
VP16
地塞米松诱导系统
Rat GR
酵母转录因子 Gal4
大鼠激素受体蛋白
单纯疱疹病毒转录激活因子
外源基因的地塞米松诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
tTA融合蛋白
Yeast Gal4 VP16
地塞米松诱导系统
Rat GR
Plant P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP Gal4 结合区
地塞米松
外源基因的地塞米松诱导系统
35S P pAcos t VP16
地塞米松诱导型四环素抑制型系统
GR tetR NLS pA35S t GUS 35S P tet
显色反应
tetR tet 结合蛋白
NLS 核定位信号序列
GR 激素受体蛋白
VP16 转录激活因子
GUS b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因
四环素
地塞米松
外源基因的类固醇诱导系统
PG10-
90
E9 t hER
雌激素诱导型的外源基因表达系统
lexA VP16 nos t hpt MCS
lexA 细菌 lexA 基因的 DNA 结合区
VP16 病毒转录激活因子编码区
MCS 外源基因多克隆位点 hER 人雌激素受体编码区
hpt 潮霉素抗性基因
雌激素
PNOS lexA O - 35S P 3A t
XVE转录激活因子表达盒 潮霉素标记基因表达盒 外源基因表达盒
lexA O LexA蛋白结合位点
外源基因的类固醇诱导系统
蜕皮激素诱导型的外源基因表达系统
35S P nos t HEcR LBD GR DBD GRact VP16
GUS 35S P nos t GRE
融合转录因子
显色反应
蜕皮激素
GRact 激素受体转录激活区 GR DBD 激素受体 DNA结合区
HEcR LBD 昆虫激
素受体的配体结合区
E 利用植物转基因技术研究基因的表达调控
9 高等植物基因工程
利用报告基因展示高等植物基因表达与调控的信息谱
利用病毒载体探查植物基因重排
利用转座元件克隆植物基因
利用 T-DNA构建植物遗传突变株
利用报告基因展示高等植物基因表达与调控的信息谱
T P b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因 GUS 应答调控元件
转录调控因子
卤代葡萄糖醛苷酸 X-gluc 蓝色化合物
荧光素酶报告基因 GFP
发射荧光 昆虫荧光素
利用病毒载体探查植物基因重排
植物基因组
报告基因
ori
Apr
病毒载体
利用转座元件克隆植物基因
植物基因组 Ac
克隆
以 Ac序列为探针杂交筛选
利用 T-DNA构建植物遗传突变株
植物突变株基因组 LB
酶切 连接 克隆
RB NTPII pBR322
卸下克隆的植物基因片段
重组克隆 DNA
植物突变基因的 DNA片段
杂交野生型植物基因组
基因序列分析
经历突变的野生型全长基因
F 利用转基因植物生产功能蛋白和工业原料
9 高等植物基因工程
利用植物生物反应器生产医用蛋白
利用植物生物反应器生产食品或饲料添加剂
利用植物生物反应器生产工业原料
F 利用转基因植物生产功能蛋白和工业原料
9 高等植物基因工程
转基因植物作为生物反应器的优势如下,
植物易于生长, 农田管理成本相对低廉, 操作技术要求也不高
绝大多数植物的表达产物对人和牲畜无毒副作用, 安全可靠
植物具有完整的真核表达修饰系统, 利用转基因植物生产的重组蛋
白药物和疫苗在分子结构和生物活性上, 与人体来源的蛋白质相似
利用植物生物反应器生产医用蛋白
借助于根瘤农杆菌介导的转化系统, 将小鼠抗体的轻链和重链编
码基因分别置于两种烟草植物体内表达, 然后两种重组植物品系进行
杂交, 产生的子代植物能同时合成小鼠的轻链和重链两种多肽 。 从这
种转基因烟草的叶子里可检测到完整的抗体分子, 含量为叶细胞蛋白
总量的 1.5%。 实验结果表明, 植物细胞的蛋白分泌系统能够有效识别
小鼠抗体前体的信号肽序列 。
转基因烟草表达小鼠抗体
转基因烟草表达小鼠抗体
利用植物生物反应器生产医用蛋白
人葡萄糖脑苷脂酶 （ hGC） 是治疗高歇斯症 （ Gausher disease）
遗传病的特效药, 可能也称得上当今世界最昂贵的药物 。 每生产一个
剂量的 hGC要消耗 2000-8000 只人类胎盘, 因此这种药物一直供不应
求 。 美国 VPI研究机构的专家将克隆的 hGC基因经改造导入到烟草中,
并获得高效表达 。 在每克这种转基因烟草的新鲜叶片中, hGC的含量
竟高达 1mg,也就是说, 从一株转基因烟草中就能产生出传统工艺需
要消耗数千只胎盘才能获得的药物 。
转基因烟草表达人 葡萄糖脑苷脂酶
利用植物生物反应器生产食品或饲料添加剂
果聚糖是果糖的多聚体, 可被人体肠胃中的微生物发酵, 刺激双
歧杆菌生长, 释放短链脂肪酸进入循环系统, 保健价值高 。 3-6聚体的
果聚糖有甜味, 是低能量的助甜剂, 有助于降低体重, 因此国际上果
聚糖的销售量很大 。 荷兰科学家把 果糖基转移酶基因 导入烟草和马铃
薯中, 在获得的转基因植株中, 果聚糖含量占 8%（ 干重 ） 以上, 具有
良好的开发前景 。
转基因烟草和马铃薯生产果聚糖
利用植物生物反应器生产食品或饲料添加剂
在许多植物的种子中, 磷元素主要是以 肌醇 -6-磷酸 （ 即植酸 ） 的
形式存在 。 单胃动物如猪和家禽几乎不能利用这些磷元素, 因此必须
在饲料中添加无机磷以满足动物营养的需要 。 在饲料中添加植酸酶则
可以提高动物对植酸磷元素的利用率, 减少动物粪便中磷酸盐含量,
改善畜牧业发达地区磷酸盐富集化污染的程度 。 荷兰科学家从黑曲霉
菌中克隆到 植酸酶基因, 并将之导入到烟草的种子中表达 。 在饲料中
添加这种转基因烟草的种子便可达到良好的效果 。
转基因烟草生产植酸酶
利用植物生物反应器生产工业原料
首批用于大规模生产并取得巨大经济效益的非食用性转基因植物
产品是工业用油, 其中包括制造肥皂等去垢剂的十二碳 月桂酸 。 油菜
通常产生十八碳的不饱和脂肪酸, 但只要在其体内表达另一个特殊的
基因即可使转基因油菜改为合成月桂酸, 并可使其含量提高到 44%。
此外, 鉴于油菜植物易生长且产量高的特点, 人们还致力于用它来生
产其它工业用油, 如可作润滑油和尼龙生产原料的 芥酸 以及用于麦淇
淋制作的 6-十八碳烯酸 等 。
转基因油菜生产肉桂酸
利用植物生物反应器生产工业原料
聚 -b-羟基烷酸 （ PHAs） 和 聚羟基丁酸 （ PHB） 两种结构相似的多
聚体具有热塑性好, 可被微生物完全分解的特性, 因此被认为是最好
的无污染性塑料原料 。
转基因拟南芥生产聚羟基丁酸
将核细菌 真养产碱菌 的 PHB生物合成基因导入拟南芥中, 转基因
植物在整个生命周期中, PHB的含量逐步增加, 并达到每克湿重植物
产 10毫克 PHB的最大产量, 大约相当于细胞干重的 14%。
G 植物转基因技术在植物品种改良中的应用
9 高等植物基因工程
控制果实成熟的转基因植物
抗病虫害的转基因植物
抗除草剂的转基因植物
改变花卉形状和颜色的转基因植物
抗环境压力的转基因植物
产高品质产物的转基因植物
控制果实成熟的转基因植物
蔬菜和水果成熟后, 其组织呼吸速度和乙烯合成速度普遍加快,
并迅速导致果实皱缩和腐烂 。 控制蔬菜水果细胞中乙烯合成的速度,
能有效延长果实的成熟状态及存放期, 为长途运输提供了有利条件,
具有重要的经济价值 。
植物细胞中的乙烯由 S-腺苷甲硫氨酸经 氨基环丙烷羧酸合成酶
ACC和 乙烯合成酶 EFE催化裂解而成 。 科学家采用反义 RNA技术封闭
番茄细胞中上述两个酶编码基因的表达, 由此构建出的重组番茄的乙
烯合成量分别仅为野生植物的 3%和 0.5%,明显增长了番茄的保存期 。
控制果实成熟的转基因植物
植物体内乙烯的生物合成机制
抗病虫害的转基因植物
昆虫对农作物的危害极大, 全世界每年因此损失数千亿美元 。 目
前对付昆虫的主要武器仍是化学杀虫剂, 它不但严重污染环境, 而且
还诱使害虫产生相应的抗性 。 将抗虫基因导入农作物是植物基因工程
的得意之笔, 能避免化学杀虫剂所造成的许多负面影响 。 目前, 抗虫
作物已占全球转基因作物的 22％ 。 用于构建抗虫害转基因植物常见的
外源基因有苏云金芽孢杆菌的 毒晶蛋白 基因, 蛋白酶抑制剂 基因, 淀
粉酶抑制剂 基因, 凝集素 基因, 脂肪氧化酶 基因, 几丁质酶 基因, 蝎
毒素, 蜘蛛毒素 基因等 40多个, 其中毒晶蛋白基因, 蛋白酶抑制剂基
因和凝集素基因应用最为广泛 。
细菌毒素蛋白编码基因的植物转基因程序
抗除草剂的转基因植物
在大田里, 尽管每年花费上百亿美元使用 100多种化学除草剂, 但
杂草的生长仍使农作物减产 10%。 目前使用的除草剂特异性不强, 或
多或少会影响农作物的生长 。 利用转基因技术构建抗除草剂的重组植
物可望解决这一问题, 其战略包括,
抑制农作物对除草剂的吸收
高效表达农作物体内对除草剂敏感的靶蛋白
降低敏感性靶蛋白对除草剂分子的亲和性
向农作物体内导入除草剂的代谢灭活能力
抗环境压力的转基因植物
长期的植物生理学研究结果表明, 植物对盐, 碱, 旱, 寒, 热等
环境不利因素的自我调节能力很大程度上取决于细胞内的渗透压, 提
高渗透压往往能改善植物对上述环境不利因素的耐性 。 为达到此目的
至少有两种战略可供选择：一是高效表达能提高植物胞内渗透压的同
源或异源蛋白；二是借助于蛋白质工程技术改变植物细胞内丰度较高
的蛋白质的氨基酸组成, 如在不影响蛋白质结构与功能的前提下适当
提高脯氨酸残基的含量等 。
产高品质产物的转基因植物
植物油大都是含有双键的不饱和脂肪酸, 故在室温下呈液态 。 人
造黄油的制作是通过催化加氢使植物油熔点上升, 这种工艺不但加工
成本很高, 而且还会导致顺式双键转变为对健康不利的反式双键 。 利
用反义 RNA技术, 特异性灭活植物体内 硬脂酰 -ACP脱饱和酶 的编码基
因, 即可提高转基因油料作物中饱和脂肪酸的含量 。
将不饱和脂肪酸转化为饱和脂肪酸
产高品质产物的转基因植物
一般粮食种子的储存蛋白中几种必需氨基酸的含量较低, 例如禾
谷类蛋白的赖氨酸含量低, 豆类植物的蛋氨酸, 胱氨酸, 半胱氨酸含
量低, 直接影响到人类主食的营养价值 。 将蚕豆中一种富含赖氨酸和
甲硫氨酸的蛋白编码基因植入玉米中, 可显著提高其营养价值 。 马铃
薯和水稻的类似改良也在进行之中 。
提高粮食中必需氨基酸的含量
产高品质产物的转基因植物
目前全世界有 24亿人以大米为主食, 约有 1.3亿人因缺铁而引起贫
血, 2.5-10亿人患有不同程度的维生素 A缺乏症 。 为了增加稻米中的铁
质含量, 从大豆芽中分离出铁蛋白编码基因, 将之转入亚洲稻谷一个
普通品系中 。 结果发现, 转基因稻谷能储存相当于普通稻谷 3倍的铁质
研究还发现, 普通稻米中含有一种植物酸, 阻碍人的消化系统对铁的
吸收 。 瑞士科学家将来自水仙等植物的相关基因植入水稻中, 不仅铁
的含量有所提高, 而且维生素 A的含量也丰富了 。
提高粮食中铁元素和维生素的含量
改变花卉形状和颜色的转基因植物
花卉的颜色是由花冠中的色素成分决定的 。 大多数花卉的色素为
黄酮类物质, 由苯丙氨酸通过一系列的酶促反应合成, 而颜色主要取
决于色素分子侧链取代基团的性质和结构, 如花青素衍生物呈红色,
翠雀素衍生物呈蓝色等 。 在黄酮类色素的生物合成途径中, 苯基苯乙
烯酮 合成酶 （ CHS） 是一个关键酶 。 利用反义 RNA技术可有效抑制矮
牵牛花属植物细胞内的 CHS基因表达, 使转基因植物花冠的颜色由野
生型的紫红色变成了白色, 并且对 CHS基因表达抑制程度的差异还可
产生一系列中间类型的花色 。
改变花卉的颜色
改变花卉形状和颜色的转基因植物
植物激素在控制花朵的形状和大小方面起着重要的作用 。 例如,
细胞分裂素与植物生长素的比值可以决定植株包括花的形状 。 分子生
物学和遗传学的研究都表明, 同源异形 基因表达的加强或减弱都会改
变花的大小和形状, 而这些基因的表达时间直接影响到植物的花期 。
同源异形基因控制花形的过程十分保守, 在几乎所有的观赏花卉中都
是一样的, 这就为人们用基因工程的方法改变花形和花期提供了有利
条件 。
改变花卉的形状
9 高等植物基因工程
C 高等植物的基因转移系统
B 高等植物基因工程的基本概念
A 高等植物的遗传学特征
D 高等植物的基因表达系统
E 利用植物转基因技术研究基因的表达调控
F 利用转基因植物生产功能蛋白和工业原料
G 植物转基因技术在植物品种改良中的应用
基 因 工 程
华东理工大学 张惠展
基因工程
5
2
3
4
1
6
7
8
9
基因工程的基本概念
基因工程的基本原理
基因工程所需的基本条件
基因工程的操作过程
目的基因的克隆与基因文库的构建
大肠杆菌基因工程
酵母基因工程
哺乳动物基因工程
高等植物基因工程
A 高等植物的遗传学特征
9 高等植物基因工程
遗传操作的简易性
整株植物的再生性
染色体的多倍体性
植物的基本特征
植物的基本特征
植 物
低 等 植 物
藻类 地衣
高 等 植 物
无根、茎、叶等分化器官
合子不经胚直接发育为个体
含根、茎、叶、花、果分化器官
合子经胚再发育为个体
苔藓门 蕨类门 裸子门 被子门
遗传操作的简易性
大多数高等植物具有自我授精的遗传特征, 通常能产生大量
的后代；而且借助于如风、重力、昆虫传播等自然条件，授精范
围广、速度快、效率高。因此，即便是频率极低的基因突变和重
组事件，其遗传后果也易被观察。
整株植物的再生性
植物损伤后，会在伤口长出一块软组织，称为 愈伤组织 。如果将一
小片鲜嫩的愈伤组织取下，放在含有合适营养和植物生长激素的组织培
养基中，则这些细胞便会持续生长并分裂成悬浮液。将这些细胞涂在特
定的固体培养基上，就会长成新的幼芽，并且这些愈伤组织重新分化成
为叶、根、茎，最终成为整株开花植物。
愈伤组织的细胞分化取决于植物 生长素 （ Auxins） 和 分裂素 （
Cytokinins） 的相对浓度 。 生长素与分裂素之比高, 则根部发育；生长素
与分裂素之比低，则茎部发育。
整株植物的再生性
植物细胞通常不能有效地吸收外源 DNA,因为它们具有纤维素构成
的细胞壁。可用纤维素酶处理植物细胞壁，形成 原生质体,待吸收 DNA
分子后，经过 再生,再通过 愈伤组织 形成培育出整株植物。这项技术有
一定的局限性，即大多数 单子叶农作物 （如谷类作物）很难从原生质再
生出完整细胞。
染色体的多倍体性
很多高等植物拥有比人类更大的基因组，并以多倍体的形式存在。
大约三分之二的 禾本科植物 呈多倍体型，其染色体数目范围从 24至 144
不等。这种多倍体植物在组织培养过程中呈现出较高的 遗传不稳定性,
导致体细胞变异。
B 高等植物基因工程的基本概念
9 高等植物基因工程
高等植物基因工程
高等植物细胞基因表达技术 高等植物转基因技术
转基因植株 植物工程细胞
农作物遗传性状改良 蛋白多肽物质大规模生产
小分子化合物大规模生产
高等植物基因工程的发展历程
1983 年 美国和比利时科学家首次将外源基因导入烟草和胡萝卜
1994 年 世界上第一种耐储藏的番茄在美国批准上市
1995 年 转基因的抗虫、抗除草剂的玉米和棉花在美国投入生产
2000 年 美国转基因大豆的种植面积首次超过普通大豆
迄今为止 世界上共批准了 12种作物, 6大类性状的 48个转基因品种
进行商业化生产, 其中包括水稻, 玉米, 马铃薯, 小麦, 黑麦, 红
薯, 大豆, 豌豆, 棉花, 向日葵, 油菜, 亚麻, 甜菜, 甘草, 卷心
菜, 番茄, 生菜, 胡萝卜, 黄瓜, 芦笋, 苜蓿, 草莓, 木瓜, 猕猴
桃、越橘、茄子、梨、苹果、葡萄等。
C 高等植物的基因转移系统
9 高等植物基因工程
Ti 质粒介导的整合转化程序
植物病毒介导的转染程序
植物细胞的直接转化程序
植物原生质体的再生程序
Ti 质粒介导的整合转化程序
几乎所有的双子叶植物尤其是豆科类植物的根部常常会形成
根瘤, 这是由于植物根部被一种革兰氏阴性土壤杆菌 农杆根瘤菌
（ A.tumefaciens） 感染所致, 其致瘤特性是由该菌细胞内的野生
Ti 质粒的结构与功能
型质粒 Ti（ Tumor-inducing） 介导的。
Ti 质粒的结构与功能
LB RB
A u x in
ia a M
ia a H
( t m s )
Cy t o k in in
ip t Z
( t m r )
Op in e
( t m t )
Op in e
代谢区
复制起始区
V ir 区 T i pl a s m i d
Ti 质粒的图谱
区
代谢区
复制起始区
整个质粒 160 - 240 kb
T-DNA
其中 T-DNA 12 - 24 kb
tms 的编码产物负责,
合成吲哚乙酸
tmr 的编码产物负责,
合成植物分裂素
tmt 的编码产物负责,
合成氨基酸衍生物
冠瘿碱
Ti 质粒的结构与功能
Ti 质粒致瘤的分子机制
损伤的植物根部会分泌出乙酰
丁香酸和羟基乙酰丁香酸，它
们能诱导 Ti质粒上的 vir基因以
及根瘤菌染色体上的一个操纵
子表达。 vir基因产物将 Ti质粒
上的 T-DNA单链切下，而根瘤
菌染色体上的操纵子表达产物
则与单链 T-DNA结合形成复合
物，后者转化植物根部细胞。
植物根部
乙酰丁香酸 羟基乙酰丁香酸
植物细胞
Ti 质粒
单链 T -D N A
根瘤菌细胞
Ti 质粒的结构与功能
T-DNA的染色体整合机制
表达
特异性核酸内切酶
单链 T - D N A 整合在植物的基因组上
在 LB 和 RB 的第三和第四个碱基之间切开
T-DNA的染色体整合机制
Ti 质粒的结构与功能
Ti 质粒的改造
除去 T-DNA上的生长素 （ tms） 和分裂素 （ tmr） 生物合成基因, 因
为大量的生长素和分裂素会抑止细胞再生长为整株植物；
除去 T-DNA上的有机碱生物合成基因 （ tmt） ； 因为有机碱的合成大
量消耗精氨酸和谷氨酸, 影响植物细胞的生长；
安装大肠杆菌复制子, 使其能在大肠杆菌中复制, 以利于克隆操作；
安装植物细胞的筛选标记, 如 neor 基因, 使用植物基因的启动子
和 polyA化信号序列；
安装多聚人工接头以利于外源基因的克隆 。
除去 Ti 质粒上的其它非必需序列, 最大限度地缩短载体的长度；
共整合转化程序
大肠杆菌质粒
大肠杆菌筛选标记
农杆菌筛选标记
多克隆位点
重组质粒
转化
大肠杆菌农杆菌
细菌接合 T -D N A 区同源整合
农杆菌
感染植物根部细胞 T - D N A 区整合在植物细胞基因组上
二元整合转化程序
LB RB
T - D N A
外源基因
植物细胞筛选标记 Km r
大肠杆菌-农 杆菌穿梭质粒
大肠杆菌筛选标记
农杆菌筛选标记
农杆菌 ori
大肠杆菌 ori
将外源基因克隆在大
肠杆菌 -农杆菌穿梭
质粒的 T-DNA区内；
重组质粒直接转化农
杆菌株, 该菌株携带
只含 vir区不含 T-DNA
区的 Ti辅助质粒；
以上述重组农杆菌感
染植物细胞 。
植物病毒介导的转染程序
随着植物病毒分子生物学及遗传学研究的不断深入, 用病毒基因
组作为载体转化植物细胞日益受到人们的重视, 因为病毒载体能将外
源基因导入植物的所有组织和细胞中, 而且不受单子叶或双子叶的限
制 。
在大约 300种特征清楚的植物病毒中, 单链 RNA病毒约占 91%，
双链 RNA病毒, 双链 DNA病毒, 单链 DNA病毒各占 3%。 利用植物病
毒载体转化植物细胞大致有以下两种战略,
植物病毒介导的转染程序
以双链 DNA病毒 花椰菜花斑病毒 （ CaMV） 基因组作为载体, 去
除有关的致病性基因, 换上外源基因, 体外包装成有感染力的病毒颗
粒, 转染植物细胞原生质体, 并由此再生成整株植物 。
转染植物细胞原生质体
植物病毒介导的转染程序
植物 双生病毒 （ Geminiviruses） 为一单链 DNA病毒, 成熟的双
生病毒呈双颗粒状, 每一个颗粒中含有一条不同的 DNA单链 。 其中 A
链 能单独在植物细胞中复制, 并含有一部分病毒包衣蛋白基因； B链
编码另一部分包衣蛋白基因及感染性基因 。 A,B两条链必须同处于一
个植物细胞中, 方能形成有感染力的病毒 。 双生病毒具有广泛的宿主
细胞范围, 因此是一种很有潜力的植物病毒载体 。
转染植物组织
转染植物组织
双生病毒家
族成员蕃茄
金花叶病毒
（ TGMV） 克
隆表达载体
的构建程序
TG M V A 链
T G M V d s D N A
体外复制
用目的基因和标记基因取代病毒包衣基因
克隆
穿梭质粒
农杆菌筛选标记 大肠杆菌筛选标记
转化
携带辅助质粒的农杆菌
染色体上已整合了病毒 B 链基因的植物茎组织
注射
重组病毒感染其他植物组织并表达目的基因
植物细胞的直接转化程序
枪击法
将待转化的 DNA沉淀在细小金属珠的表面, 用特制枪将金属珠直
接打入植物细胞, 枪的威力为 430 m / s,植物细胞通常是胚胎细胞,
玉米籽, 叶子等, 但进去的 DNA片段整合效率极低 。
电击法
将高浓度的质粒 DNA加入到植物细胞的原生质体悬浮液中, 混合
物在 200 - 600 V / cm 的电场中处理若干秒钟, 然后将原生质体在组
织培养基中生长 1 - 2 周, 再生出整株植物 。
融合法
将外源 DNA与特殊的疏水性高分子化合物混合, 在水中这些疏水
性化合物分子形成球状的 脂质体, 后者与植物细胞原生质体融合, 筛
选融合子, 再生植物细胞壁 。
所有涉及到植物原生质体的基因转化方法均存在一个难题, 即：
原生质体很难再生出整株植物 。
花粉管导入法
将外源 DNA沿着花粉管经过珠心进入尚未形成正常细胞壁的卵,
合子或早期胚胎细胞中, 从而实现基因的转移 。 这一方法是我国科学
家周光宇首先提出设计的, 目前已应用于水稻, 小麦, 棉花, 大豆,
花生, 蔬菜等作物的转基因研究,
花粉管导入法的特点是直接, 简便 。 它的受体材料为植株整体,
省略了细胞组织培养的诱导和传代过程, 排除了植株再生的障碍, 特
别适合于难以建立有效再生系统的植物 。 由于转化的是完整植株的卵
细胞, 受精卵或早期胚胎细胞, 导入的 DNA分子整合效率较高 。
植物原生质体的再生程序
原生质体的再生效率在植物转基因技术中至关重要 。 标准的高等
植物原生质体制备和再生程序是：将植物嫩叶, 幼芽或愈伤组织切成
碎片, 浸入含有纤维素酶的缓冲液中保温；悬浮物离心除细胞碎片；
将原生体悬浮液滴在无菌滤纸片上, 并置于含有普通植物细胞 （ 即所
谓的 滋养细胞 ） 的固体再生培养基的表面, 使原生质体与 滋养细胞 不
直接接触, 但可吸收由 滋养细胞 分泌扩散出来的植物生长因子及其它
化合物；培养 2-3周后, 将滤纸上的植物细胞蔟转移至含有高浓度分
裂素和低浓度生长素的固体培养基上继续培育 2-4周, 滤纸片上便长
出嫩芽；将嫩芽置入含有低浓度生长素而无分裂素的固体培养基上,
使其根部发育；大约 3周后再将之移植在土壤中, 长成整株植物 。
植物原生质体的再生程序
D 高等植物的基因表达系统
9 高等植物基因工程
植物转基因技术已成为研究和改良植物遗传资源的强有力工具,
其中 启动子 是决定基因表达部位, 时间, 强度的主要调控元件 。 花椰
菜花斑病毒 CaMV的 35S启动子 能在许多植物物种中的几乎所有发育
阶段及所有组织中高效表达, 它已经被广泛用于构建转基因植株 。
在高等植物基因工程中, 外源基因的 时空特异性表达 具有重要意
义, 因为很多外源基因的表达产物对植物早期的生长和发育有影响,
甚至会致死植株 。
D 高等植物的基因表达系统
9 高等植物基因工程
外源基因的四环素诱导系统
外源基因的乙醇诱导系统
外源基因的地塞米松诱导系统
外源基因的类固醇诱导系统
外源基因的四环素诱导系统
Tc-on型四环素诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
TetR
E.coli tetR
四环素阻遏蛋白基因表达盒
CaMV 35S P Plant nos t b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因 GUS
四环素诱导型报告基因表达盒
tet
外源基因的四环素诱导系统
Tc-on型四环素诱导系统
TetR
CaMV 35S P Plant nos t b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因 GUS tet
CaMV 35S P Plant nos t b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因 GUS tet
显色反应
四环素
外源基因的四环素诱导系统
Tc-off型四环素阻遏系统
CaMV 35S P Plant nos t
tTA融合蛋白
tetR
tTA激活因子表达盒
CaMV 35S P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP
四环素阻遏型报告基因表达盒
tet
VP16
外源基因的四环素诱导系统
Tc-off型四环素阻遏系统
CaMV 35S P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP tet
CaMV 35S P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP tet
四环素
外源基因的乙醇诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
AlcR
巢曲霉菌 alcR
转录激活因子表达盒
CaMV 35S P Plant nos t 氯霉素乙酰转移 酶基因 CAT
乙醇诱导型报告基因表达盒
alcA 启动子控制区
alcA 巢曲霉菌乙醇降解酶编码基因
外源基因的乙醇诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
AlcR
巢曲霉菌 alcR
转录激活因子表达盒
CaMV 35S P Plant nos t 氯霉素乙酰转移 酶基因 CAT
乙醇诱导型报告基因表达盒
乙醇
氯霉素抗性
外源基因的地塞米松诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
tTA融合蛋白
Yeast Gal4
tTA激活因子表达盒
Plant P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP
地塞米松诱导型报告基因表达盒
Gal4 结合区
VP16
地塞米松诱导系统
Rat GR
酵母转录因子 Gal4
大鼠激素受体蛋白
单纯疱疹病毒转录激活因子
外源基因的地塞米松诱导系统
CaMV 35S P Plant nos t
tTA融合蛋白
Yeast Gal4 VP16
地塞米松诱导系统
Rat GR
Plant P Plant nos t 荧光蛋白编码基因 GFP Gal4 结合区
地塞米松
外源基因的地塞米松诱导系统
35S P pAcos t VP16
地塞米松诱导型四环素抑制型系统
GR tetR NLS pA35S t GUS 35S P tet
显色反应
tetR tet 结合蛋白
NLS 核定位信号序列
GR 激素受体蛋白
VP16 转录激活因子
GUS b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因
四环素
地塞米松
外源基因的类固醇诱导系统
PG10-
90
E9 t hER
雌激素诱导型的外源基因表达系统
lexA VP16 nos t hpt MCS
lexA 细菌 lexA 基因的 DNA 结合区
VP16 病毒转录激活因子编码区
MCS 外源基因多克隆位点 hER 人雌激素受体编码区
hpt 潮霉素抗性基因
雌激素
PNOS lexA O - 35S P 3A t
XVE转录激活因子表达盒 潮霉素标记基因表达盒 外源基因表达盒
lexA O LexA蛋白结合位点
外源基因的类固醇诱导系统
蜕皮激素诱导型的外源基因表达系统
35S P nos t HEcR LBD GR DBD GRact VP16
GUS 35S P nos t GRE
融合转录因子
显色反应
蜕皮激素
GRact 激素受体转录激活区 GR DBD 激素受体 DNA结合区
HEcR LBD 昆虫激
素受体的配体结合区
E 利用植物转基因技术研究基因的表达调控
9 高等植物基因工程
利用报告基因展示高等植物基因表达与调控的信息谱
利用病毒载体探查植物基因重排
利用转座元件克隆植物基因
利用 T-DNA构建植物遗传突变株
利用报告基因展示高等植物基因表达与调控的信息谱
T P b-葡糖醛酸糖苷酶报告基因 GUS 应答调控元件
转录调控因子
卤代葡萄糖醛苷酸 X-gluc 蓝色化合物
荧光素酶报告基因 GFP
发射荧光 昆虫荧光素
利用病毒载体探查植物基因重排
植物基因组
报告基因
ori
Apr
病毒载体
利用转座元件克隆植物基因
植物基因组 Ac
克隆
以 Ac序列为探针杂交筛选
利用 T-DNA构建植物遗传突变株
植物突变株基因组 LB
酶切 连接 克隆
RB NTPII pBR322
卸下克隆的植物基因片段
重组克隆 DNA
植物突变基因的 DNA片段
杂交野生型植物基因组
基因序列分析
经历突变的野生型全长基因
F 利用转基因植物生产功能蛋白和工业原料
9 高等植物基因工程
利用植物生物反应器生产医用蛋白
利用植物生物反应器生产食品或饲料添加剂
利用植物生物反应器生产工业原料
F 利用转基因植物生产功能蛋白和工业原料
9 高等植物基因工程
转基因植物作为生物反应器的优势如下,
植物易于生长, 农田管理成本相对低廉, 操作技术要求也不高
绝大多数植物的表达产物对人和牲畜无毒副作用, 安全可靠
植物具有完整的真核表达修饰系统, 利用转基因植物生产的重组蛋
白药物和疫苗在分子结构和生物活性上, 与人体来源的蛋白质相似
利用植物生物反应器生产医用蛋白
借助于根瘤农杆菌介导的转化系统, 将小鼠抗体的轻链和重链编
码基因分别置于两种烟草植物体内表达, 然后两种重组植物品系进行
杂交, 产生的子代植物能同时合成小鼠的轻链和重链两种多肽 。 从这
种转基因烟草的叶子里可检测到完整的抗体分子, 含量为叶细胞蛋白
总量的 1.5%。 实验结果表明, 植物细胞的蛋白分泌系统能够有效识别
小鼠抗体前体的信号肽序列 。
转基因烟草表达小鼠抗体
转基因烟草表达小鼠抗体
利用植物生物反应器生产医用蛋白
人葡萄糖脑苷脂酶 （ hGC） 是治疗高歇斯症 （ Gausher disease）
遗传病的特效药, 可能也称得上当今世界最昂贵的药物 。 每生产一个
剂量的 hGC要消耗 2000-8000 只人类胎盘, 因此这种药物一直供不应
求 。 美国 VPI研究机构的专家将克隆的 hGC基因经改造导入到烟草中,
并获得高效表达 。 在每克这种转基因烟草的新鲜叶片中, hGC的含量
竟高达 1mg,也就是说, 从一株转基因烟草中就能产生出传统工艺需
要消耗数千只胎盘才能获得的药物 。
转基因烟草表达人 葡萄糖脑苷脂酶
利用植物生物反应器生产食品或饲料添加剂
果聚糖是果糖的多聚体, 可被人体肠胃中的微生物发酵, 刺激双
歧杆菌生长, 释放短链脂肪酸进入循环系统, 保健价值高 。 3-6聚体的
果聚糖有甜味, 是低能量的助甜剂, 有助于降低体重, 因此国际上果
聚糖的销售量很大 。 荷兰科学家把 果糖基转移酶基因 导入烟草和马铃
薯中, 在获得的转基因植株中, 果聚糖含量占 8%（ 干重 ） 以上, 具有
良好的开发前景 。
转基因烟草和马铃薯生产果聚糖
利用植物生物反应器生产食品或饲料添加剂
在许多植物的种子中, 磷元素主要是以 肌醇 -6-磷酸 （ 即植酸 ） 的
形式存在 。 单胃动物如猪和家禽几乎不能利用这些磷元素, 因此必须
在饲料中添加无机磷以满足动物营养的需要 。 在饲料中添加植酸酶则
可以提高动物对植酸磷元素的利用率, 减少动物粪便中磷酸盐含量,
改善畜牧业发达地区磷酸盐富集化污染的程度 。 荷兰科学家从黑曲霉
菌中克隆到 植酸酶基因, 并将之导入到烟草的种子中表达 。 在饲料中
添加这种转基因烟草的种子便可达到良好的效果 。
转基因烟草生产植酸酶
利用植物生物反应器生产工业原料
首批用于大规模生产并取得巨大经济效益的非食用性转基因植物
产品是工业用油, 其中包括制造肥皂等去垢剂的十二碳 月桂酸 。 油菜
通常产生十八碳的不饱和脂肪酸, 但只要在其体内表达另一个特殊的
基因即可使转基因油菜改为合成月桂酸, 并可使其含量提高到 44%。
此外, 鉴于油菜植物易生长且产量高的特点, 人们还致力于用它来生
产其它工业用油, 如可作润滑油和尼龙生产原料的 芥酸 以及用于麦淇
淋制作的 6-十八碳烯酸 等 。
转基因油菜生产肉桂酸
利用植物生物反应器生产工业原料
聚 -b-羟基烷酸 （ PHAs） 和 聚羟基丁酸 （ PHB） 两种结构相似的多
聚体具有热塑性好, 可被微生物完全分解的特性, 因此被认为是最好
的无污染性塑料原料 。
转基因拟南芥生产聚羟基丁酸
将核细菌 真养产碱菌 的 PHB生物合成基因导入拟南芥中, 转基因
植物在整个生命周期中, PHB的含量逐步增加, 并达到每克湿重植物
产 10毫克 PHB的最大产量, 大约相当于细胞干重的 14%。
G 植物转基因技术在植物品种改良中的应用
9 高等植物基因工程
控制果实成熟的转基因植物
抗病虫害的转基因植物
抗除草剂的转基因植物
改变花卉形状和颜色的转基因植物
抗环境压力的转基因植物
产高品质产物的转基因植物
控制果实成熟的转基因植物
蔬菜和水果成熟后, 其组织呼吸速度和乙烯合成速度普遍加快,
并迅速导致果实皱缩和腐烂 。 控制蔬菜水果细胞中乙烯合成的速度,
能有效延长果实的成熟状态及存放期, 为长途运输提供了有利条件,
具有重要的经济价值 。
植物细胞中的乙烯由 S-腺苷甲硫氨酸经 氨基环丙烷羧酸合成酶
ACC和 乙烯合成酶 EFE催化裂解而成 。 科学家采用反义 RNA技术封闭
番茄细胞中上述两个酶编码基因的表达, 由此构建出的重组番茄的乙
烯合成量分别仅为野生植物的 3%和 0.5%,明显增长了番茄的保存期 。
控制果实成熟的转基因植物
植物体内乙烯的生物合成机制
抗病虫害的转基因植物
昆虫对农作物的危害极大, 全世界每年因此损失数千亿美元 。 目
前对付昆虫的主要武器仍是化学杀虫剂, 它不但严重污染环境, 而且
还诱使害虫产生相应的抗性 。 将抗虫基因导入农作物是植物基因工程
的得意之笔, 能避免化学杀虫剂所造成的许多负面影响 。 目前, 抗虫
作物已占全球转基因作物的 22％ 。 用于构建抗虫害转基因植物常见的
外源基因有苏云金芽孢杆菌的 毒晶蛋白 基因, 蛋白酶抑制剂 基因, 淀
粉酶抑制剂 基因, 凝集素 基因, 脂肪氧化酶 基因, 几丁质酶 基因, 蝎
毒素, 蜘蛛毒素 基因等 40多个, 其中毒晶蛋白基因, 蛋白酶抑制剂基
因和凝集素基因应用最为广泛 。
细菌毒素蛋白编码基因的植物转基因程序
抗除草剂的转基因植物
在大田里, 尽管每年花费上百亿美元使用 100多种化学除草剂, 但
杂草的生长仍使农作物减产 10%。 目前使用的除草剂特异性不强, 或
多或少会影响农作物的生长 。 利用转基因技术构建抗除草剂的重组植
物可望解决这一问题, 其战略包括,
抑制农作物对除草剂的吸收
高效表达农作物体内对除草剂敏感的靶蛋白
降低敏感性靶蛋白对除草剂分子的亲和性
向农作物体内导入除草剂的代谢灭活能力
抗环境压力的转基因植物
长期的植物生理学研究结果表明, 植物对盐, 碱, 旱, 寒, 热等
环境不利因素的自我调节能力很大程度上取决于细胞内的渗透压, 提
高渗透压往往能改善植物对上述环境不利因素的耐性 。 为达到此目的
至少有两种战略可供选择：一是高效表达能提高植物胞内渗透压的同
源或异源蛋白；二是借助于蛋白质工程技术改变植物细胞内丰度较高
的蛋白质的氨基酸组成, 如在不影响蛋白质结构与功能的前提下适当
提高脯氨酸残基的含量等 。
产高品质产物的转基因植物
植物油大都是含有双键的不饱和脂肪酸, 故在室温下呈液态 。 人
造黄油的制作是通过催化加氢使植物油熔点上升, 这种工艺不但加工
成本很高, 而且还会导致顺式双键转变为对健康不利的反式双键 。 利
用反义 RNA技术, 特异性灭活植物体内 硬脂酰 -ACP脱饱和酶 的编码基
因, 即可提高转基因油料作物中饱和脂肪酸的含量 。
将不饱和脂肪酸转化为饱和脂肪酸
产高品质产物的转基因植物
一般粮食种子的储存蛋白中几种必需氨基酸的含量较低, 例如禾
谷类蛋白的赖氨酸含量低, 豆类植物的蛋氨酸, 胱氨酸, 半胱氨酸含
量低, 直接影响到人类主食的营养价值 。 将蚕豆中一种富含赖氨酸和
甲硫氨酸的蛋白编码基因植入玉米中, 可显著提高其营养价值 。 马铃
薯和水稻的类似改良也在进行之中 。
提高粮食中必需氨基酸的含量
产高品质产物的转基因植物
目前全世界有 24亿人以大米为主食, 约有 1.3亿人因缺铁而引起贫
血, 2.5-10亿人患有不同程度的维生素 A缺乏症 。 为了增加稻米中的铁
质含量, 从大豆芽中分离出铁蛋白编码基因, 将之转入亚洲稻谷一个
普通品系中 。 结果发现, 转基因稻谷能储存相当于普通稻谷 3倍的铁质
研究还发现, 普通稻米中含有一种植物酸, 阻碍人的消化系统对铁的
吸收 。 瑞士科学家将来自水仙等植物的相关基因植入水稻中, 不仅铁
的含量有所提高, 而且维生素 A的含量也丰富了 。
提高粮食中铁元素和维生素的含量
改变花卉形状和颜色的转基因植物
花卉的颜色是由花冠中的色素成分决定的 。 大多数花卉的色素为
黄酮类物质, 由苯丙氨酸通过一系列的酶促反应合成, 而颜色主要取
决于色素分子侧链取代基团的性质和结构, 如花青素衍生物呈红色,
翠雀素衍生物呈蓝色等 。 在黄酮类色素的生物合成途径中, 苯基苯乙
烯酮 合成酶 （ CHS） 是一个关键酶 。 利用反义 RNA技术可有效抑制矮
牵牛花属植物细胞内的 CHS基因表达, 使转基因植物花冠的颜色由野
生型的紫红色变成了白色, 并且对 CHS基因表达抑制程度的差异还可
产生一系列中间类型的花色 。
改变花卉的颜色
改变花卉形状和颜色的转基因植物
植物激素在控制花朵的形状和大小方面起着重要的作用 。 例如,
细胞分裂素与植物生长素的比值可以决定植株包括花的形状 。 分子生
物学和遗传学的研究都表明, 同源异形 基因表达的加强或减弱都会改
变花的大小和形状, 而这些基因的表达时间直接影响到植物的花期 。
同源异形基因控制花形的过程十分保守, 在几乎所有的观赏花卉中都
是一样的, 这就为人们用基因工程的方法改变花形和花期提供了有利
条件 。
改变花卉的形状
9 高等植物基因工程
C 高等植物的基因转移系统
B 高等植物基因工程的基本概念
A 高等植物的遗传学特征
D 高等植物的基因表达系统
E 利用植物转基因技术研究基因的表达调控
F 利用转基因植物生产功能蛋白和工业原料
G 植物转基因技术在植物品种改良中的应用
