基因工程在药用植物次生代谢物研究中的应用

基因工程在药用植物次生代谢物研究中的

应用

基因工程在药用植物次生代谢物研究中的应用

摘要：

目的：药用植物遗传背景基础资料缺乏，对其次生代谢途径及其调控机制的认识不够深入，阻碍了细胞或组织培养、代谢工程等在获取高价值次生代谢物上的广泛应用。功能基因组学方法，尤其cDNA-AFLP 转录轮廓分析和代谢组学的整合运用，将次生代谢物的变化与相关基因的表达相关联，在挖掘次生代谢物生物合成相关基因、探索次生代谢途径方面展现出广阔的应用前景，是植物次生代谢物研究的新趋势和重要手段之一，将有力地促进药用植物资源更好的开发利用。植物在长期进化过程中与环境相互作用，产生大量不同种类的小分子有机化合物——次生代谢物(secondarymetabolites)。

【关键词】次生代谢物；功能基因组学；转录组学；代谢组学；代谢工程

植物在长期进化过程中与环境相互作用，产生大量不同种类的小分子有机化合物——次生代谢物(secondary metabolites)。次生代谢物在植物适应特殊生态环境、对抗生物或非生物压力等方面发挥着重要作用，如抵御病虫害、适应生态环境变化、诱导授粉或防紫外线灼伤等[1-2]。很多次生代谢物化学结构复杂而独特，具有特殊的生物活性，是药用植物的主要活性成分[3]。药用植物在药物研发中应用广泛，是传统中药主要来源，其次生代谢物是新药、新先导化合物(drug leads)、新化学实体(new chemical entities，NCEs)

的重要来源[4-5]。

从生物合成的起源来看，药用植物次生代谢物可分为5大类：多聚酮类(polyketides)、异戊二烯类(isoprenoids)、生物碱类(alkaloids)、苯丙烷类(phenyl propanoids)、黄酮类(flavonoids)。多聚酮类由乙酸-丙二酸途径(acetate-malonate pathway)产生；异戊二烯类（包括萜类和固醇类）由五碳前体异戊烯焦磷酸(isopenteny l diphosphate，IPP）经过经典的甲羟戊酸途径(mevalonic acid pathway，MVA pathway)或MEP 代谢途径

(methyl-erythritol phosphate pathway)产生；生物碱类由不同种类的氨基酸合成；苯丙

烷类含有1 个C6-C3单元，起源于芳香氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸；黄酮类由苯丙烷类与多聚酮类相结合的途径合成[6]。不同种类的药用植物次生代谢物在药物开发中均有应用[7]。然而，来源于药用植物的次生代谢物往往含量低，且天然药用植物资源有限，增加了药物开发的难度[7]。药用植物次生代谢产物的生物合成往往包含多个步骤，过程长而复杂，有多种酶参与，至今仍有很多问题悬而未决。目前，药用植物中仅有少数次生代谢途径（如黄酮类，吲哚三萜，异喹啉生物碱）经过多年经典生物化学研究已有较深入的认识[8-9]，而大部分次生代谢途径还有待进一步阐明，阻碍了生物技术生产次生代谢物的成功应用。功能基因组学方法是全面探索生系统的有力工具，是发现次生代谢物生物合成相关基因及阐明次生代谢途径的有效手段[10]，将成为药用植物次生代谢物研究以及中药现代化研究的发展趋势之一[11-12]。

一、药用植物次生代谢物的获得途径

总的来说，药用植物次生代谢物的获得途径有①从植物（包括野生和栽培植物）中提取分离；②对结构已知的次生代谢物寻求化学合成或结构改造；③从植物细胞或组织培养物中获得；④代谢工程生产。目前，从植物中提取分离仍是获得次生代谢物最主要的途径，而且其中大约2/3 来源于野生资源[13]。然而，大多数次生代谢物在植物中含量低，且只在特殊组织部位、特定生长阶段或生长环境下积累，过度依赖野生资源会危及濒危物种、破坏环境。药用植物栽培在一定程度上可以缓解这些问题，但由于生长环境要求高、耗时长、劳动量大等原因，使得药用植物栽培成本较高、难度较大[14]。大部分次生代谢物结构复杂，常含有特异的立体化学结构(stereochemistry)，使得化学全合成往往不可能或者经济上不可行。

在基于次生代谢物作用机制知识的基础上合成作用相似的替代物，或者对次生代谢物进行结构修饰，是药物开发中一种经济可行的策略。例如，以薯蓣皂苷元(diosgenin)为基本骨架，经化学修饰开发出大量类固醇激素类药物。作为获得药物植物次生代谢物一种可能的替代方法，运用细胞或组织培养物产生有商业价值的次生代谢物的研究已广泛开展。虽然许多不同种类的药用植物细胞或组织培养体系已经被确定，但它们常常并不能产生足够量的目标次生代谢物[15]。可能的原因如下：次生代谢物细胞内毒性高，导致其在培养物中往往并不积累或者含量很低[16]；培养物容易受后天变化(epigenetic changes)的影响，产物水平不稳定，使得依靠经验摸索选择高产、稳定的培养体系难度较大。通过筛选选择高产率细胞系、优化培养基、加入茉莉酸甲酯等诱导因子、运用毛状根培养等方法能够在一定程度上提高目标次生代谢物产量[17] 。

成功的例子有：运用紫草Lithospermum erythrorhizon 细胞悬浮培养生产紫草素(shikonin)；从罂粟Apaver somniferum 细胞培养生产血根碱(sanguinarine)等。但由于产量以及生产成本等问题，目前这种方法商业成功率仍然非常有限。代谢工程为产生目标次生代谢物、提高其含量提供了新的前景。调控次生代谢途径要求彻底认识其整个生物合成途径，详细了解代谢途径中控制启动和流通的调控机制。目前，这种方法已经被成功的运用于微生物生产本体或异源次生代谢物[18]。例如，在大肠杆菌Escherichia coli 中生产抗疟疾成分青蒿素的前体青蒿酸(amorphadiene)[19]。然而，药用植物与微生物不同，通常次生代谢途径更长，酶催化步骤更多，因此阻碍了代谢工程在药用植物中的应用。功能基因组学研究将最终揭示次生代谢物的生物合成途径，为药用植物代谢工程以及细胞或组织培养与代谢工程相结合的途径产生次生代谢物奠定坚实的理论基础。

二、功能基因组学的基本研究工具

拟南芥、水稻全基因组测序完成，其他几种植物如杨、苜蓿、莲、土豆、玉米等序列信息的发现[20-22]，有力推进了基因组学的发展。然而，仅仅依靠大量序列信息，许多基因的功能无法阐明。通过改变单个因素或基因探索基因功能的方法效率较低、成本较高，这要求大规模分析基因功能[23]，从而催生了功能基因组学。功能基因组学(functional genomics) 应用多重平行的方法，包括转录组学(transcriptomics)、蛋白质组学(proteomics)、代谢组学(metabolomics)，采用高通量模式在基因组或系统水平上全面研究分析基因功能，是全面探索生物系统的有力工具，最终将建立起基因组(genome)和表型组(phenome)之间的联系[10,24]。

转录组学在整体水平上研究细胞中基因转录情况及转录调控规律，其发展使得全面系统研究基因表达、发现新基因、诠释基因功能成为可能。常用的转录轮廓分析方法有：差异性显示(differential display)，cDNA 微阵列（cDNA microarray），基因芯片(gene chip)，表达序列标签(expressions equence tags ，EST)分析，基因表达的系统分析(serial analysis of gene expression，SAGE)，大规模平行测序技术(massively parallel signature sequencing，MPSS)，cDNA-扩增片段长度多态性（ cDNA-amplified fragment lengt polymorphism，cDNA-AFLP）等[22,25-26]。cDNA-AFLP 是Bachem 等1996 年在

AFLP(amplified fragment length polymorphism) 的基础上发明出来的一项RNA 指纹图谱技术，基本原理是对cDNA 限制性酶切片段进行选择性扩增，通过扩增片段获得基因表达信息[27]。cDNA-AFLP 与基于杂交的转录图谱技术cDNA 微阵列和基因芯片相比，最显著的优点为不需要事先知道基因组序列信息、灵敏度高、特异性高、重复性好、启动成本相对较低，在基因表达研究方面可有效替代后两者[28]。cDNA-AFLP 已逐渐成为探索基因序列信息相对缺乏的药用植物基因表达的有力工具[29-30]，主要应用于定量基因表达分析，新基因发现，表达数量性状基因坐(quantitative trait loci，QTL)作图等方面，适用于任何物种[25]。

蛋白质组学在大规模研究基因表达、揭示蛋白质功能、探索酶的催化调控作用等领域发挥着举足轻重的作用，主要的分离分析方法有：二维凝胶电泳(two dimensional gelelect rophoresis)，质谱技术，包括基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matrix assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry，MALDI/TOF MS)、电喷雾离子化质谱(electro spraying ionization-mass spectrometry，ESI-MS)等。二维凝胶电泳技术是高效分离分析多种蛋白的主要手段。质谱技术灵敏度、特异性高，主要应用于精确鉴定蛋白质[31]。由于蛋白质自身结构复杂、特异，且存在相互作用，蛋白质组的研究常需要结合二维凝胶电泳、质谱技术以及用于研究蛋白质相互作用的分析技术，如酵母双杂交技术、蛋白质芯片[32]。

代谢组学的形成和发展使得对于代谢网络的整体动态变化的衡量成为可能或者更接近于真实，尤其适合于特定条件下的代谢表型(metabolic phenotypes)的研究[33-34]，并且迅速成为阐释基因功能、全面了解细胞对生物环境反应的关键工具[35]，也是药用植物、中医药现代化研究非常重要的手段[36-37]。

常用的分析方法有：核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)、气相色谱-质谱联用(gas chromatography coupled with mass spectrometry，GC-MS)、液相色谱-质谱联用(liquid chromatography coupled with mass spectrometry，LC-MS)、傅立叶质谱(Fourier transform mass spectrometry，FTMS)和毛细管电泳- 质谱联用(capillary electrophoresis coupled with mass spectrometry，CE-MS)等[38]。近年来又发展出了串连质谱、液相色谱与核磁共振联用等新技术。这些分析方法各有优缺点，NMR 快速、选择性好、代谢物结构鉴定方便，但灵敏度相对较低、检测动态范围窄；基于分离和质谱联用的技术灵敏度高、专属性好，但样品前处理及分析需要相对较长的时间。选择合适的分析技术需

要综合考虑代谢物谱的特征，分析速度、选择性和灵敏度[39-40]。

三、药用植物功能基因的挖掘

对于药用植物来说，由于基因组序列信息及其相关数据库、功能基因组学研究工具的缺乏，其次生代谢物相关基因的全面研究几乎未见报道。整合转录组学与代谢组学的功能基因组学方法是该研究领域的一个突破口[6]（图1）。使用茉莉酸甲酯(methyljasmonae，MeJA)、水杨酸(salicylic acid，SA)、壳聚糖(chitosan)或重金属(heavy metals)等刺激因子处理未分化的细胞通常能够提高次生代谢物产量[11-12]。

假设目标次生代谢物的含量提高的同时，与这些成分生物合成相关的基因也被激活，那么，在药用植物细胞或组织培养物中，当目标次生代谢物诱导条件确定后，基因组层面的转录轮廓分析就能够确定与之累积相关的基因表达，筛选出与次生代谢相关的基因进行功能分析，阐明和验证它们的功能，进而应用于提高次生代谢物产量。理论上，这种方法适用于任何药用植物细胞或组织培养物。

图1 一种用于提高植物细胞中次生代谢物

含量的功能基因组学方法概要：Alain Goossens[43]等运用cDNA-AFLP 的转录轮廓和目标代谢物轮廓分析相结合的方法分析了茉莉酸甲酯诱导后的烟草细胞培养物，在2 万个可见基因片段中，确定591个由茉莉酸甲酯诱导转录，同源搜索显示，其中58％的基因片段功能已知，几乎包括所有和尼古丁生物合成相关的基因，如编码鸟氨酸脱羧酶、精氨酸脱羧酶、喹啉酸磷酸核糖基转移酶的基因和许多据推测可能在生物碱合成中起作用基因；约15％的基

因编码功能不确定的蛋白以及信号转导蛋白，如受体、激酶、磷酸酶和转录因子，这些蛋白的诱导与尼古丁生物合成相关基因的上调一致。Heiko Rischer[44]等运用cDNA-AFLP 转录轮廓分析和代谢轮廓分析相结合的方法，分析茉莉酸甲酯诱导的长春花细胞培养物，得到一系列已知或未知的基因标签以及与二萜类吲哚生物碱(terpenoid indole alkaloids，TIAs)相关的代谢物；通过搜索417 个差异性表达基因标签和178 个代谢峰的累积轮廓之间的关联，他们首次描画了从基因到基因(gene-to-gene)以及从基因到代谢(gene-to-metabolite)的网络，这些代谢网络揭示了二萜类吲哚生物碱具有不同的代谢分支，且不同的代谢途径受到不同的植物激素调节，也揭示了与二萜类吲哚生物碱生物合成相关的一系列基因和代谢物。整合转录组学和代谢组学，构建从基因到代谢的网络，将促进包含多种层面（包括基因表达、酶活性和代谢物水平）、相互作用的生物体系之间的信息的整合，发现关键调节成分从而阐明基因功能，进一步确定与药用植物次生代谢物生物合成、转运、调节、修饰相关的新基因及其调控机制[45]。

四、药用植物次生代谢工程

代谢工程通过调控与代谢途径相关的基因、关键酶、代谢通路、代谢物等途径，改变目标次生代谢物含量。功能基因组学研究领域的基本问题是确定与次生代谢物生物合成相关的各个因素，包括基因表达、酶及其调节水平，其研究成果为代谢工程产生次生代谢物提供了理论基石，目前已经有较多应用。

引入或过量表达编码关键酶如限速酶的基因能够调控代谢途径。Dae-Jin Yun[46]等的研究表明，在颠茄Atropa belladonna中引入编码莨菪碱-6β-羟化酶(hyoscyamine-6β

-hydroxylase)的基因，导致了颠茄中含量很低的高价值托品生物碱东莨菪碱(scopolamine)的累积，几乎所有的莨菪碱都转化成了东莨菪碱。该基因在黑莨菪Hyoscyamus muticus 毛状根中过量表达效果更剧烈，不仅产生了大量的东莨菪碱，而且累积了高含量的莨菪碱[47]。Lee[48]等研究表明，在人参中过量表达角鲨烯合成酶基因(squalene synthase gene)获得了更高含量的三萜(triterpenes)和植物甾醇(phytosterols)。使某个基因沉默导致代谢途径中产生或阻断代谢支路也能使某种代谢物累积。

Allen [49]等的研究已经表明，阻断罂粟中产生吗啡的代谢途径，会导致荔枝碱(reticuline)及其甲酯的积累。在咖啡植物中，调控咖啡因的相关代谢通路可控制其含量[50]。转录因子(transcriptional factors) 异常表达启动整个代谢途径的能力显示了调控次生代谢途径新的可能性。长春花二萜类吲哚生物碱(terpenoid indole alkaloids，TIAs)生物合成途径的主导调节子基因Orca3，该基因编码产物ORCA3含有一个AP2/ERF 功能域，为茉莉酸应答性调节子(jasmonate-responsive regulator)。在长春花细胞培养物中，连续产生过量ORCA3导致几种与二萜类吲哚生物碱生物合成相关基因的过量表达以及二萜类吲哚生物碱累积[51]。在细胞或组织培养物中，次生代谢物常储存在植物液泡内，转运器(transporter)很可能在次生代谢物转运区隔中发挥着重要作用。次生代谢物的细胞毒性限制了其在细胞中累积。尼古丁和其他生物碱对植物细胞毒性高，在转基因土豆细胞中过量表达酵母ABC 转运器(ABC transporter)PDR5 被证实能减小尼古丁的细胞毒性，增加其累积[52]。

功能基因组学的发展为产生或设计新的次生代谢物提供了前所未有的机会，运用代谢工程以及植物细胞或组织培养物与代谢工程相结合的方法产生次生代谢物将会取得更大的突破。

五、展望

由于药用植物缺乏大量序列数据信息，使得基因表达的系统分析、微阵列等转录轮廓分析方法难以应用，严重阻碍了大规模的基因发掘。相比而言，由于不需要事先知道基因组序列信息，cDNA-AFLP 分子标记技术成为目前广泛发掘药用植物基因以及定量分析基因表达谱的有力工具。代谢组学的兴起使得大规模定量检测整体或目标代谢物成为可能。

作为对基因表达活动的响应，次生代谢物更为灵敏地反映了基因表达与调控的变化，基于cDNA-AFLP 的转录轮廓分析与代谢组学整合，能够将基因表达变化与代谢物变化相关联，并通过次生代谢物的变化规律发现新基因、推测代谢途径、阐释基因功能，在次生代谢物生物合成途径及相关基因功能阐明研究中已显现出广阔的应用前景。

随着技术的发展及研究的深入，基因组、基因表达数据库的不断扩充和完善，更多的功能基因组学研究工具，包括转录组学、蛋白质组学和代谢组学及其全面深入的整合[45]，将越来越广泛地应用于药用植物及中医药研究领域。这种整体系统方法和传统还原分析方向相结合，必将加速揭示药用植物基因的功能，建立起基因表达水平、酶活性和次生代谢物之间的因果关联，最终阐明次生代谢途径及其相关基因的表达调控机制。

这些研究成果将促进细胞或组织培养基因工程、代谢工程产生高价值活性成分的应用，有力推进药用植物次生代谢物的开发和中药材新品种培育，在保护自然资源、保持生物多样性的同时使人类极大受益[53-54]。

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生物技术与药用植物次生代谢产物_谢静

生物技术与药用植物次生代谢产物 谢静 (成都医学院药学系,四川成都610083) 作者简介:谢静(1979-),女,四川眉山籍,硕士,从事天然药物教学和研究工作。 【关键词】　药用植物;次生代谢产物:生物技术 【中图分类号】　R282.71 【文献标识码】　A 【文章编号】　1672-7193(2007)03-0089-02 药用植物在我国传统医学中具有重要地位。目前我国药用植物有11118种,市售中成药中,从植物中提取的药物或经半合成的药物占商品的20%[1]。药用植物体内的次生代谢产物是细胞生命活动或植物生长发育非必需的一类小分子化合物,其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。自然界许多药用植物的有效成分都是其次生代谢产物,萜烯、酚、生物碱三类化合物是植物中最重要的次生代谢产物。 20世纪50年代药用植物次生代谢产物的工业化生产开 始利用植物细胞大量培养作为主要手段。目前药用植物的生物技术研究主要集中在药用植物资源学研究、药用植物栽培学研究、药用植物生态学研究、药用植物化学研究、质量控制和药效评价等领域,近年已经取得了一定的进展[2]。下面就生物技术应用于药用植物次生代谢产物方面的研究情况进行综述。 1　细胞培养技术和药用活性成分生产 我国传统药材中88%为植物药。植物单个细胞在适宜的环境下可分化发育成植株,并具有整株植物所具有的合成化合物的能力,也即植物细胞具有全能性,这为通过植物组织和细胞培养来获得其药用活性成分提供了有效途径。 目前利用细胞培养技术生产药用植物有效成分主要有三种方法:液体悬浮培养、固定化细胞培养和发酵工程技术[3]。液体悬浮培养主要用于生产细胞内的有效成分,利用该方法生产植物来源药物最成功的是紫杉醇和紫草宁色素的生产。 紫杉醇是20世纪70年代从短叶红豆杉树皮中提取出来的具有独特抗癌作用的天然产物,被认为是治疗卵巢癌的首选药物,近年不断发现它对其它癌症的治疗作用,是有发展前途的抗癌新药。到目前为止,发现紫杉醇只存在于裸子植物红豆杉科的红豆杉属Taxus L 和澳洲红豆杉属种中。由于红豆杉类植物多属珍稀物种,数量稀少,生长缓慢,紫杉醇的含量又非常低,而全球每年需要紫杉醇200～300kg,所以靠砍伐提取的方法远不能满足人们对紫杉醇的需要[4]。为了克服这一问题研究人员从各个方面探索解决紫杉醇的来源问题,1991年美国研究人员用75000生物反应器生产紫杉醇获得成功 [5] 。 紫草宁色素是一组蒽醌类色素,主要是作为染料和在化妆品中的生产,还兼有抑菌消炎作用,在国际市场上价格十分昂贵[6]。日本三井石化公司1983年用细胞培养法生产紫草宁色素投入市场,成为药用植物细胞工程产品化和商业化的先例[7]。 我国的细胞培养始于20世纪50年代,在我国研究比较成功的例子是人参,1964年中国科学院上海植物生理研究所的罗士韦研究员首先成功地进行了人参的组织培养,随后我国和其他国家的学者将人参的细织培养过渡到工业化生产。目前人参的10L 体积的大规模培养在我国已实现,对其培养细胞进行化学成分和药理活性比较分析,表明与种植人参无明显差异,中国药科大学丁家宜等已将其作为美容保健品投放市场,这是我国药用植物生物技术产品商品化的第一个范例[3]。 据不完全统计,目前已经从400多种植物中建立了组织和细胞培养物,从中分离出600多种代谢产物,其中40多种化合物在数量上超过或等于原植物[8]。其中代表性的研究成果如:紫草、红豆杉、人参、黄连、毛地黄、长春花、曲洋参等细胞培养,但是至今只有少数品种(紫草、人参等)达到了生产规模[9]。和植物栽培比较,尽管它有许多优点,如不受地域及气候条件的影响,可进行特定的生物转化反应,生产人们需要的活性成分、缩短生物合成周期、产量大、不污染环境等[10,11],但由于增殖率不够高,产物不稳定,常低于原植物的水平,导致成本高不能与栽培植物和微生物发酵竞争,成为阻碍细胞培养技术进入商业性开发的主要因素。因此,多年来研究方向一直集中在提高培养物的增殖速度和保持产物的稳定和高产上。 植物组织和细胞培养的工业化生产遇到的主要问题[12]: (1)利用植物组织和细胞培养成本高于采集野生植物或 种植的生产方式,限制了此技术的发展。 (2)植物组织和细胞培养与微生物发酵相比,生长速度 慢、活性物质产量低。利用链霉菌发酵生产抗生素的发酵周期为72～96h,其最终产物高达8000mg/I 。,而植物组织和细胞培养的周期在18天以上,有效成分的含量也较低。 (3)适合植物组织和细胞培养的生物反应器尚有待研究 解决。问题的关键不是受制造生物反应器工程技术的制约,而是人们对植物组织和细胞在离体培养条件下的生长与发育的规律了解甚少。 (4)对植物次生代谢产物合成途径及所参与反应的各种 酶的了解不多,有的甚至连有效成分的化学结构尚未明确,因此对次生代谢的调控存在着很大的盲目性。 2　毛状根培养 利用发根农杆菌感染双子叶植物形成毛状根,是近10年来继细胞培养后又一新的培养系统。发状根的培养对中草药 9 8

药用植物次生代谢工程研究进展

药用植物次生代谢工程研究概况 摘要高等植物的次生代谢产物是许多天然药物的重要来源，随着对药用植物次生代谢合成途径日渐全面的认识，采取有效的代谢工程策略对植物次生代谢途径进行遗传改良，已经取得了诸多研究成果。本文介绍了黄酮类化合物 ( flavonoids )、萜类化合物 ( terpenoids )及生物碱( alkaloid )这三种重要药用植物次生代谢产物的结构及生物合成途径，说明了次生代谢工程在提取高质量药用植物活性物质中的研究现状，为今后药用植物次生代谢产物的大规模研究和利用提供借鉴。 关键词植物药；次生代谢产物；代谢工程 高等植物的次生代谢产物是许多天然药物的重要来源，植物药在国际医药市场中占有重要的地位。由于许多植物的天然活性物质的结构特殊，很难用化学方法完全合成，因此这类物质的生产必须依赖于天然植物资源。针对植物天然药物可持续发展问题，药用植物次生代谢产物的应用吸引了国内外众多研究者的关注。 植物次生代谢的概念最早于1891年由Kossel 明确提出。次生代谢产物(Secondary metabolites) 是由次生代谢(Secondary metablism) 产生的一类细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子有机化合物，其产生和分布通常有种属、器官、组织以及生长发育时期的特异性。次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、萜类、甾体及其甙、生物碱七大类。还有人根据次生产物的生源途径分为酚类化合物、萜类化合物、含氮化合物( 如生物碱) 等三大类。 代谢工程( Metabolic engineering )是生物工程的一个新的分支，通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径，主要是针对提高某种重要的次生代谢物或其前体的含量，以期在较广范围内改善细胞性能，满足人类对生物体的特定需求。随着现代生物工程技术的发展，充分利用基因组学的研究成果，解析和调控植物次生代谢的生物合成途径，进而利用代谢工程的方法大幅度提高药用植物中目标产

毕业论文(生物技术在药用植物中的应用及研究进展)

毕业论文

生物技术及应用论文关于生物技术的论文 生物技术在药用植物中的应用及研究进展 摘要：参阅大量文献资料对近年来生物技术在我国药用植物研究中的应用进展进行了综述。从组织培养技术在药用植物中的应用、细胞培养的研究概况、基因工程和分子生物学在药用植物中的应用等内容出发，指明了生物技术在我国药用植物中的应用前景。 关键词：中草药；生物技术；组织培养；基因工程 我国野生药用植物种质资源非常丰富，已发现11 000多种药用植物，种类和数量均居世界首位，为我国研制新的天然药物奠定了良好的资源基础。但传统的中草药获取方法是以采集和消耗大量的野生植物资源为代价的，当采集和消耗量超过自然资源的再生能力时，必然会导致物种濒危甚至灭绝。为了解决药用植物的供需矛盾，人们多采用人工栽培的方法扩大药源，但在人工栽培药用植物时又面临着花费时间长、繁殖系数小、耗种量大、种子带病与农药残留等问题，严重影响了产量和品质。近年来，生物技术的兴起，为我国药用植物的研究和发展提供了良机和手段。 1 植物组织培养 1.1历史与现状

近40年来，植物组织培养已成为生物学科研究的重要技术手段，并在农业、林业、医药业等行业中被广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会效益。而我国药用植物组织培养的研究，可以追溯到20世纪60年代。1964年。中国科学院上海植物生理研究所罗士韦教授等首先报道了人参组织培养获得成功的研究成果。到目前为止，已有100多种药用植物通过离体培养获得试管植株，其中大多数为珍贵的药用植物。其中有的还利用试管繁殖技术用于生产栽培种植药材，如苦丁茶、芦荟、怀地黄、枸杞、金钱莲等。宁夏农林科学院枸杞研究所利用试管繁殖与嫩枝扦插相结合的方法繁殖新品种宁杞1号和宁杞2号苗木100多万株，加速了该品种的推广。 1.2组织培养技术在药用植物中的应用 1.2.1 药用植物种苗的快速繁殖利用植物组织培养技术进行药用植株无性繁殖来解决药用植物天然资源不足这一棘手问题，具有成本低、效率高、生产周期短、无性遗传特性一致的优点。特别是对某些种子繁殖慢、难繁殖的药用植物。组织培养通过选择材料的部位(如根、茎、叶的段、片、块等)，运用培养基获得芽体，最后培养成为植株。现在已经在药用植物中广泛应用，已在上百种药用植物上成功完成组织培养。 1.2.2无性植株的再生无性植株的再生是对植物通过组织培养和遗传工程进行品种改良的一个先决条件，也是实现获得大量人工种苗的重要途径，目前我国药用植物用组织培养技术繁殖的无性系可概括

基因工程的应用练习题(超好)

基因工程的应用练习题7-14 点滴积累汇江海厚积薄发 1、下列各项中，说明目的基因完成了表达的是 A、棉珠中含有杀虫蛋白基因 B、大肠杆菌中具有胰岛素基因 C、酵母菌中产生了干扰素 D、抗病毒基因导入土豆细胞中 2、转基因动物是指 A、提供基因的动物 B、基因组中增加外源基因的动物 C、能产生白蛋白的动物 D、能表达基因信息的动物 3、抗病毒转基因植物成功表达后，以下说法正确的是 A．抗病毒转基因植物，可以抵抗所有病毒 B．抗病毒转基因植物，对病毒的抗性具有局限性或特异性 C．抗病毒转基因植物可以抗害虫D．抗病毒转基因植物可以稳定遗传，不会变异4．如果通过转基因技术，成功改造了某血友病女性的造血干细胞，使其凝血功能全部恢复正常。当她与正常男性结婚，婚后所生子女的表现型为 A．儿子、女儿全部正常B．儿子、女儿中各一半正常 C．儿子全部有病，女儿全部正常D．儿子全部正常，女儿全部有病 5．若利用基因工程技术培育能固氮的水稻新品种，其在环保上的重要意义是 A．减少氮肥的使用量，降低生产成本B．减少氮肥的使用量，节约能源 C．避免氮肥过多引起环境污染D．改良土壤结构 6．疗白化病、苯丙酮尿症等人类遗传病的根本途径是 A．口服化学药物B．注射化学药物 C．采用基因治疗D．利用辐射或药物诱发致病基因突变 7．在基因诊断技术中，所用的探针DNA分子中必须存在一定量的放射性同位素，后者的作用是A．为形成杂交的DNA分子提供能量B．引起探针DNA产生不定向的基因突变 C. 作为探针DNA的示踪元素D．增加探针DNA的分子量 8．下列关于基因工程应用的叙述，正确的是 A．基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因B．一种基因探针能检测水体中的各种病毒C．基因诊断的基本原理是DNA分子杂交D．原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良9．采用基因工程的方法培育抗棉虫，下列导入目的基因的作法正确的是 ①将毒素蛋白注射到棉受精卵中②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中 ③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导入细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养 ④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵 A．①②B．②③C．③④D．④① 10．科学家能利用基因工程技术培育出特殊的西红柿、香蕉，食用后人体内可产生特定的抗体，这说明这些西红柿、香蕉中的某些物质至少应 A．含有丰富的免疫球蛋白B．含有某种抗原特异性物质 C．含有一些生活的病菌D．能刺激人体内的效应T细胞分泌抗体 11、切取某动物合成生长激素的基因，用某种方法将此基因转移到鲇鱼的受精卵中，从而鲇鱼比同类个体大3～4倍，此项研究遵循的原理是 A．基因突变，DNA→RNA→蛋白质B．基因工程，DNA→tRNA→蛋白质 C．细胞工程，DNA→RNA→蛋白质D．基因重组，DNA→RNA→蛋白质 12．下列各项不属于基因工程在实际中的应用的是 A．转基因抗虫棉的培育成功B．利用DNA探针检测饮用水中有无病毒 C．培育工程菌使之能产生胰岛素D．将C4植物细胞内的叶绿体移入C3植物细胞内 13．有关基因工程的成果及应用的说法正确的是 A．用基因工程方法培育的抗虫植物也能抗病毒 B．基因工程在畜牧业上应用的主要目的是培养体型巨大、品质优良的动物 C．基因工程在农业上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗逆性的农作物 D．目前，在发达国家，基因治疗已用于临床实践 14、运用现代生物技术的育种方法，将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜中，培育出转基因抗虫的油菜品种，这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫有显着抗性，能大大减轻菜青虫对油菜的危害，提高油菜产量，减少农药使用，保护农业生态环境。根据以上信息，下列叙述正确的是 A、Bt基因的化学成分是蛋白质 B、Bt基因中有菜青虫的遗传物质 C、转基因抗虫油菜能产生杀虫蛋白是由于具有Bt基因 D、转基因抗虫油菜产生的杀虫蛋白是无机物 15．基因工程培育的“工程菌”通过发酵工程生产的产品，不包括 A．白细胞介素一2 B．干扰素C．聚乙二醇D．重组乙肝疫苗 16、利用基因工程技术将生长激素基因导入绵羊体内，转基因绵羊生长速率比一般的绵羊提高30％，体型大50％，在基因操作过程中生长激素基因的受体细胞最好采用 A．乳腺细胞B．体细胞C．受精卵D．精巢 17、下列不属于利用基因工程技术制取的药物是 A、从大肠杆菌体内制取白细胞介素 B、在酵母菌体内获得的干扰素 C、在青霉菌体内提取青霉素 D、在肠杆菌体内获得胰岛素 18、基因治疗是人类疾病治疗的一种崭新手段，下列有关叙述中不正确的是 A、基因治疗可使人类遗传病得到根治 B、基因治疗是一种利用基因工程产品治疗人类疾病的方法 C、基因治疗是指将健康基因导入有基因缺陷的细胞中 D、基因治疗的靶细胞可以是体细胞和生殖细胞 19．下列有关基因工程技术的应用中，对人类不利的是 A．制造“工程菌”用于药品生产B．创造“超级菌”分解石油、DDT C．重组DNA诱发受体细胞基因突变D．导人外源基因替换缺陷基因 20．“工程菌”是指 A．用物理或化学方法诱发菌类自身某些基因得到高效表达的菌类细胞株系 B．用遗传工程的方法把相同种类不同株系的菌类通过杂交得到新细胞株系 C．用基因工程的方法使外源基因得到高效表达的菌类的细胞株系 D．从自然界中选取的能迅速增殖的菌类 21．生产上培育无子番茄、青霉素高产菌株、杂交培育矮秆抗锈病小麦、抗虫棉的培育原理依次是 ①生长素促进果实发育②染色体变异③基因重组④基因突变⑤基因工程 A．①②③④B．①④③②C．①④②⑤D．①④③③ 22、下列属于利用基因工程技术培育的新品种的是 Ａ、耐寒的小黑麦Ｂ、抗棉铃虫的转基因抗虫棉Ｃ、太空椒Ｄ、试管牛 23、下列有关基因工程的叙述中，不正确的是 A.DNA连接酶将黏性末端的碱基对连接起来 B.基因探针是指用放射性同位素或荧光分子等标记的DNA分子 C.基因治疗主要是对有基因缺陷的细胞进行替换 D.蛋白质中氨基酸序列可为合成目的基因提供资料

植物次生代谢工程试题

植物次生代谢工程试题 一、简答题（20分） 1. 植物次生代谢产物的概念及分类 2. 植物次生代谢的特点和主要途径 3. 植物次生代谢工程的主要研究策略 二、论述题（40分） 结合近年植物次生代谢的研究进展论述植物次生代谢工程的研究意义。 药用植物次生代谢工程的市场应用前景 植物次生代谢物（plant secondary metabolites）是指植物中一大类并非植物生长发育所必需的小分子有机化合物，其产生和分布通常有种属、器官组织和生长发育期的特异性。植物次生代谢物种类繁多，化学结构迥异。现在，已知大约有10，000种次生代谢物，包括酚类、黄酮类、香豆素、木脂素、生物碱、糖苷、萜类、甾类、皂苷、多炔类、有机酸等，可分为酚性化合物、萜烯类化合物、含氮有机物三大类。植物次生代谢是植物在长期进化中对生态环境适应的结果，对植物在其生态系统中的生存起作用，如抗虫、抗病、异株相克、吸引昆虫授粉、与共生微生物相互作用等。 植物次生代谢物的应用，其历史悠久，各民族传统草药和香料的有效成分大多是植物次生代谢物。现在，这些天然产物仍在人的生活中起着重要的作用，尤其是为医药、轻工、化工、食品及农药等工业的发展所必不可少的。以医药为例，至今人们依赖于从植物中提取的重要的药物就有五十多种。随着“重返大自然”的呼声日益高涨，人们已认识到：现在是从高等植物的次生代谢产物中去寻找、开发新药的

时代。然而，长期不当采集致使生态环境受到破坏，许多野生植物趋于濒危，有些需要特殊环境的植物人工引种困难。能够引种栽培的植物要占用大量的农田，加之人工栽培受环境的制约，次生物的含量和质量不稳定。此外，在通常的情况下，天然植株中目的次生产物含量过低（如紫杉醇），在对资源植物有效成分分析的基础上，采用化学合成的方法，又会遇到工艺流程复杂、成本高、合成过程中形成同分异构体及造成环境污染等许多问题。近年来，随着对植物代谢生理生化及生态适应方面认识的深入，以及分子生物学的渗透，将外源新基因转入植物现在已属常规的操作，基因枪轰击和根癌农杆菌介导是最常用的方法，植物次生代谢分子生物学研究发展迅速。以基因工程大规模生产次生代谢产物，其具有诱人的前景。 应用次生代谢工程改良植物性状的可能性有多种多样：使内源性抗性化合物（如植物抗毒素）在高水平上表达，表现出更高的抗虫抗病能力，提高产量和质量；在花卉栽培中培育出新的花色、花香；提高水果的口感；降低食品和饲料中有毒成分的含量；提高有益成分的含量。药用植物的代谢工程是针对提高某种重要次生代谢物或者其前体的含量的，以期解决药源问题。紫杉醇是获得美国FDA(1992)认证的优良抗肿瘤药物。由于紫杉醇结构复杂，化学全合成步骤多，产量低，而且成本很高。目前，临床上使用的紫杉醇，主要是从红豆杉属植物的树皮、枝叶等组织中分离提取获得的，也有部分是以红豆杉组织粗提液中的紫杉烷类物质为前体，通过化学半合成得到。但是红豆杉植物生长缓慢，紫杉醇的含量非常少，大量砍伐、毁坏，会导致红豆杉资源趋于枯竭。为寻找紫杉醇及其半合成前体的继续稳定供应的渠道，人们纷纷把眼光转向生物技术方法，如组织器官培养、细胞大规模培养、微生物发酵等。阐明紫杉醇生物合成途径及其调控机制，实施次生代谢工程，是应用生物技术方法大量生产紫杉醇的重要措施。为此，各国科学家付出艰辛努力寻找新的药源和替代物，其中对紫杉醇生源途径的研究处于核心地位。红豆杉树皮中紫杉醇的含量为万分之二，其在国际市场上售价为20万美元/kg，远远不能够满足市场需求。如果能够用基因工程的方法提高其含量，将具有巨大的经济效益和社会效益。 2. 3 代谢工程 大量的天然产物都由相似的基本骨架经过不同的结构修饰而成, 催化这些修饰过程的酶大多具有底物特异性。近年来对次生代谢途径的研究有了长足的进展, 但是在代谢途径的总体调控以及次生代谢途径之间的协调等方面, 仍然了解甚少。最近, 科学家非常重视预见性代谢工程[20] , 即利用系统生物学的方法来整合代谢组、蛋白组和转录组的分析数据, 从而在代谢网络的水平上进行反复的系统模拟, 最终得到比较接近真实状态的结果。现有的各种数据库和仪器分析手段已经使这样的系统分析在一定程度上成为可能。近年来通过代谢工程改善植物品质已经有一些成功的例子, 如将胡萝卜素代谢途径在稻米的胚乳中表达, 创制了金色稻米( golden rice) , 为提高某些不发达地区人群胡萝卜素摄入量开辟了一个新的途径[21] 。我国唐克轩课题组通过基因工程显著提高了颠茄毛状根莨菪烷类生物碱的合成与积累。最近, 美国加利福尼亚大学伯克利分校的Jay D. Keasling 等采用一系列的转基因调控方法, 通过基因工程酵母合成了青蒿素的前体物质) ) ) 青蒿酸, 其产量超过100 mg/ L, 为有效降低抗疟药物的成本提供了机遇。此外, 植物次生代谢的酶类还可以用于环境修复[ 23] 、工业生物技术等其他目的[ 20] 。

基因工程在药用植物次生代谢物研究中的应用

基因工程在药用植物次生代谢物研究中的 应用

基因工程在药用植物次生代谢物研究中的应用 摘要： 目的：药用植物遗传背景基础资料缺乏，对其次生代谢途径及其调控机制的认识不够深入，阻碍了细胞或组织培养、代谢工程等在获取高价值次生代谢物上的广泛应用。功能基因组学方法，尤其cDNA-AFLP 转录轮廓分析和代谢组学的整合运用，将次生代谢物的变化与相关基因的表达相关联，在挖掘次生代谢物生物合成相关基因、探索次生代谢途径方面展现出广阔的应用前景，是植物次生代谢物研究的新趋势和重要手段之一，将有力地促进药用植物资源更好的开发利用。植物在长期进化过程中与环境相互作用，产生大量不同种类的小分子有机化合物——次生代谢物(secondarymetabolites)。 【关键词】次生代谢物；功能基因组学；转录组学；代谢组学；代谢工程 植物在长期进化过程中与环境相互作用，产生大量不同种类的小分子有机化合物——次生代谢物(secondary metabolites)。次生代谢物在植物适应特殊生态环境、对抗生物或非生物压力等方面发挥着重要作用，如抵御病虫害、适应生态环境变化、诱导授粉或防紫外线灼伤等[1-2]。很多次生代谢物化学结构复杂而独特，具有特殊的生物活性，是药用植物的主要活性成分[3]。药用植物在药物研发中应用广泛，是传统中药主要来源，其次生代谢物是新药、新先导化合物(drug leads)、新化学实体(new chemical entities，NCEs) 的重要来源[4-5]。 从生物合成的起源来看，药用植物次生代谢物可分为5大类：多聚酮类(polyketides)、异戊二烯类(isoprenoids)、生物碱类(alkaloids)、苯丙烷类(phenyl propanoids)、黄酮类(flavonoids)。多聚酮类由乙酸-丙二酸途径(acetate-malonate pathway)产生；异戊二烯类（包括萜类和固醇类）由五碳前体异戊烯焦磷酸(isopenteny l diphosphate，IPP）经过经典的甲羟戊酸途径(mevalonic acid pathway，MVA pathway)或MEP 代谢途径 (methyl-erythritol phosphate pathway)产生；生物碱类由不同种类的氨基酸合成；苯丙

基因工程及其应用教学设计

第2节基因工程及其应用 孝义三中高一生物组张文 一、教材内容分析 基因工程是现代四大生物工程之一。《基因工程及其应用》是人教版高中生物必修2第6章第2节内容。本节内容主要包括三个方面，分两课时讲授。第1课时简要介绍“基因工程的原理”，第2课时介绍“基因工程的应用”及“转基因生物和转基因食品安全性”。本节内容是对前面所学育种内容的补充，是即贴近生活又远离生活的微观内容。由于在选修3中还有基因工程的介绍，因此本节的要求相对简单一些。 二、学情分析 对于基因操作的工具和基本步骤，内容抽象和复杂，学生接触少，会出现掌握不好，甚至理解错误的情况。虽然经过必修1的学习，学生的生物基础知识较扎实，思维的目的性、连续性和逻辑性已初步建立。但基因工程一节对学生来说难点较多，如果处理不好，会变成简单的死记硬背。因此在教学过程中，尽量通过生活化打比喻的方式和模型建构活动及采用多媒体动画形象化教学，并在教师引导下适时加强学生解决问题和运用图解等生物学语言归纳结论等方面的能力。切记不可讲的太多。 三、教学目标 1、简述基因工程的基本概念； 2、简述基因工程的基本工具； 3、简述基因工程的基本操作步骤； 4、通过基因工程的简介，鼓励学生积极探索新知和科学创新，树立一分为二的辩证唯物主义思想； 四、教学重点、难点分析 教学重点：基因工程的基本原理（概念、工具、操作步骤） 教学难点：基因工程的基本原理 五、教学思路 本节课主要解决如下几个问题：1）什么是基因工程？2）基因工程的主要原理是什么？3）基因工程的操作过程如何？4）基因工程有哪些方面的应用？如何看待转基因食品？由于本节内容和前面的育种内容联系比较紧密，因此可以让学生回顾前面几种育种方法的成果，再通过情景展现传统育种方法所不能达到的地方，进而引出基因工程，通过列举生活中的转基因成果让学生知道基因工程就在我们身边。而后通过与学生们所熟知的器官移植做对比，让学生理解基因工程的本质和操作过程。通过对转基因食品的讨论让学生树立辩证唯物主义观念。 六．教学策略及教学媒体 根据激趣原则，通过展示色彩绚丽的转基因生物图片入手，引出基因工程的概念，采取“引导—互动—探究”模式，即采用师生互动探究式教学，借助老师生活化打比喻和多媒体动画并安排学生制作模型活动从而使抽象的课程内容具体化，直观化和形象化。 七、教学设计流程图第1课时“基因工程的原理”

基因工程在农业中的应用与发展前景

（一）基因工程的定义、诞生及重大发现 基因工程是利用人工的方法将DNA在体外进行切割，再和一定的载体拼接重组，获得重组的DNA分子，然后导入宿主细胞或者个体，使受体生物的遗传特性得到修饰或改变的过程。 基因工程的正式诞生是以斯坦福大学的Cohen等人于1973年建立的基因工程的基本模式为标志。Cohen的实验向人们证实，基因工程很容易打破不同的物种之间的界限，可以依据人们的目的和意愿定向地改造生物的遗传特性，甚至创造新的生命类型，因此把这一年定为基因工程诞生元年。基因工程得以诞生完全依赖于分子生物学、分子遗传学、微生物学等多学科研究的一系列重大突破，概括起来，从20世纪40年代开始，在现代分子生物学研究领域中，理论上的三大发现和技术上的三大发现对基因工程的诞生起到了决定性作用。 基因工程理论上的三大发现： （1）1928年，英国医生格里菲斯发现了生物主要的遗传物质是DNA （2）1953年，沃森和克里克明确了DNA的双螺旋结构和半保留复制的机制 （3）1961年，以莱文伯格为代表的一批科学家，经过大量的实验，1966年全部破译了64个密码，编排了一本遗传密码字典。 基因工程技术上的三大发现： （1）DNA分子的体外切割和连接。 （2）利用载体携带DNA片段 （3）大肠埃希菌转化体系的建立 （二）园艺基因工程的介绍 园艺基因工程具有的特点：1、植物细胞具有全能性2、园艺植物遗传资源丰富3、植物细胞具有细胞壁4、染色体基因组庞大而且往往是多倍体。 园艺基因工程主要包括：目的基因的克隆、表达载体的构建、目的基因的植物细胞的遗传转化、细胞培养及蜘蛛再生、转化植株的筛选与鉴定等。 园艺基因工程的研究与发展的领域：1、花卉基因工程2、果树基因工程3、蔬菜基因工程4、药用植物基因工程 -----------------------文献 （三）基因工程在农业中应用实例 随着人口的不断增加，在世界上不少地方视频的供给都成了大问题。生物工程技术的应用为最终解决了这一问题提供了有效的途径。科学家利用基因工程可培育出具备抗寒、抗旱、抗盐碱、抗病等特性的品种，使得适合农作物生长的范围大大增加。 （１）提高植物固氮能力和光合效率 科学家发现了一种与合成脯氨酸有关的基因，将其转入固氮菌后，后者获得了即固氮又抗盐的能力，从而有助于植物的生长。植物光合作用效率的高低决定了其产量的多少，英国剑桥的植物育种所研究了如何转移叶绿体基因，将其中的高光效基因转移到另一种品种中去，以增强其光和效率，从而能产生更多的粮食。根瘤菌可帮助豆科植物固定、吸收和利用空气中游离的氮，科学家们曾把肺炎克氏杆菌的孤单基因转入大肠杆菌，是大肠杆菌也能直接利用空气中的氮。日本已成功将固氮基因转入到水稻根系微生物中，这种微生物可向水稻提供1/5的需氮量，因而可减少氮肥的使用量。 （２）提高粮食蛋白质含量 应用基因工程技术还可以使粮食中的蛋白质含量提高。美国威斯康星大学的研究人员从菜豆中提取了储藏蛋白质基因，并将其转移到向日葵中后，表达了该基因美国明尼苏达大学也进行了类似的研究，他们把玉米醇溶蛋白基因转移到了向日葵根部的细胞中。这些实验

《基因工程及其应用》习题

《基因工程及其应用》习题 一、选择题 1、不属于基因工程方法生产的药物是（） A、干扰素 B、白细胞介素 C、青霉素 D、乙肝疫苗 2、质粒是基因工程最常用的运载体，它的主要特点是（） ①能自主复制②不能自主复制③结构很小④是蛋白质⑤环状RNA分子 ⑥环状DNA ⑦能“友好”地“借居” A、①③⑤⑦ B、②④⑥ C、①③⑥⑦ D、②③⑥⑦ 3、1993年，我国科学工作者培育成的抗棉铃虫的转基因抗虫棉，其抗虫基因来源（） A、普通棉花的基因突变 B、棉铃虫变异形成的致死基因 C、寄生在棉铃虫体内的线虫 D、苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因 4、下图表示限制酶切割某DNA的过程，从图中可知，该限制酶能识别的碱基序列及切点是（） A、CTTAAG，切点在C和T之间 B、CTTAAG，切点在G和A之间 C、GAATTC，切点在G和A之间 D、GAATTC，切点在C和T之间 5、切取牛的生长激素和人的生长激素基因，用显微注射技术将它们分别注入小鼠的受精卵中，从而获得了“超级鼠”，此项技术遵循的原理是（） A、基因突变：DNA→RNA→蛋白质 B、基因工程：RNA→RNA→蛋白质 C、细胞工程：DNA→RNA→蛋白质 D、基因重组：DNA→RNA→蛋白质 6、控制细菌的抗药性、固氮、抗生素基因存在于（） A、核区 B、线粒体 C、质粒 D、核糖体 7、科学家将含人的α-抗胰蛋白酶基因的DNA片段，注射到羊的受精卵中，该受精卵发育的羊能分泌含α-抗胰蛋白酶的奶。这一过程没有涉及（） A、DNA按照碱基互补配对原则自我复制 B、DNA以其一条链为模板合成RNA

C、RNA以自身为模板自我复制 D、按照RNA密码子的排列顺序合成蛋白质 8、下列高科技成果中，根据基因重组原理进行的是（） ①我国科学家袁隆平利用杂交技术培育出超级水稻 ②我国科学家将苏云金杆菌的某些基因移植到棉花体内，培育出抗虫棉 ③我国科学家通过返回式卫星搭载种子培育出太空椒 ④我国科学家通过体细胞克隆技术培养出克隆牛 A、① B、①② C、①②③ D、②③④ 9、下列关于基因工程应用的叙述，正确的是（） A、基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因 B、基因诊断的基本原理是DNA分子杂交 C、一种基因探针能检测水体中的各种病毒 D、原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良 10、上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。转基因动物是指（） A、提供基因的动物 B、基因组中增加了外源基因的动物 C、能产生白蛋白的动物 D、能表达基因信息的动物 二、非选择题 11、据调查，随着化学农药的产量和品种逐年增加，害虫的抗药性也不断增强，危害很严重，如近年来，棉铃虫在我国大面积爆发成灾，造成经济损失每年达100亿元以上。针对这种情况，我国科学工作者经研究发现一种生活在棉铃虫消化道内的苏云金芽孢杆菌能分泌一种毒蛋白使棉铃虫致死，而此毒蛋白对人畜无害。通过科技攻关，我国科技工作者已成功地将该毒蛋白基因导入到棉花植株内并成功实现表达。由于棉铃虫吃了新品种“转基因抗虫棉”植株后会死亡，所以该棉花新品种在1998年推广后，取得了很好的经济效益。 请据上述材料回答下列问题： （1）“转基因”抗虫棉新品种的培育应用了新技术，毒蛋白对人畜无害，但能使棉铃虫致死，从蛋白质的特性看，蛋白质具有性。 （2）在培养转基因抗虫棉新品种过程中，所用的基因的“剪刀”是，基因的针线是，基因的运载工具是。

基因工程及其应用图文稿

基因工程及其应用文件管理序列号：[K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688]

第2节基因工程及其应用（第1课时）知识链接及考试地位 本知识与“DNA分子的结构与复制”、“基因突变和基因重组”、“DNA 重组技术的基本工具”、“基因工程的基本操作程序”等内容相联系，考试过程中常设计基因工程的原理、基本工具等基础知识，多以个别填空或选择题的形式呈现。 知识回顾 1、DNA分子的结构特点是什么？ 2、什么是基因重组？ 学习目标 1、简述基因工程的诞生。 2、简述基因工程的原理及技术。要明确基因工程操作的基本步骤和最基本的工具。 重难点 1．教学重点 基因工程的基本原理。 2．教学难点 基因工程的基本原理 新知探究

传统育种的方法一般只能在生物中进行，很难将一种生物的优良性状移植到生物身上。基因工程的出现使人类有可能按照自己的意愿地改变生物，培育出。 一、基因工程的原理 基因工程又叫做或。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以，然后放到另一种生物细胞里，地改造生物的遗传性状。基因工程是在DNA上进行的 水平的设计施工，基因的剪刀是指，简称限制酶。其作用特点是一种限制酶只能识别一种序列。基因的针线是 指。目前常用的运载体有、和等。质粒存在于许多以及等生物中，是细胞染色体外能够自主复制的小型分子。 基因工程的操作步骤是：、目的基因与运载体结合，目的基因导入受体细胞、目的基因的和。 二、基因工程的原理、操作对象各是什么？ 三、限制性内切酶的分布、特点、作用部位和作用结果如何？ 四、作为基因的运载体，需具备哪些条件？ 五、DNA连接酶的作用对象、位置和结果如何？ 六、基因工程的优点是什么？ 七、基因重组与基因工程比较

药用植物叶绿体基因组研究

世界科学技术—中医药现代化★专题讨论：中药资源研究的前沿技术 〔World Science and Technology/Modernization of Traditional Chinese Medicine and Materia Medica 〕收稿日期：2010-06-02修回日期：2010-06-12 *国家自然科学基金面上项目（30970307）：叶绿体全基因组条形码鉴定方法研究，负责人：陈士林。** 联系人：林小涵，在读博士研究生，主要研究方向：生药学，E-mail ：lxhlena@https://www.wendangku.net/doc/1d18433428.html, ；李西文，博士，主要研究方向：中药资源可持续利 用，E-mail ：xwli@https://www.wendangku.net/doc/1d18433428.html, 。 摘要：本文在总结植物叶绿体基因组测序研究进展基础上， 提出了药用植物叶绿体基因组测序的策略，对物种的选择， 测序平台的确定，生物信息学工具的综合分析应用，样品提取、分析及检测等技术环节进行了深入讨论。 关键词：药用植物叶绿体全基因组测序策略 doi:10.3969/j.issn.1674-3849.2010.03.027 叶绿体相关研究在过去的数十年取得了巨大成 就，尤其在利用基因序列研究叶绿体的起源、 结构、进化、正反向遗传学、叶绿体基因工程等方面取得了 重大进展[1~3]。随着大规模测序技术的不断发展， 特别是二代测序技术的应用，极大推动了叶绿体基因组 的深入研究。目前， 已有170多个物种的叶绿体全基因组序列在NCBI 发布(https://www.wendangku.net/doc/1d18433428.html,/ genomes/genlist.cgi?taxid=2759&type=4&name=Eukary -otae%20Organelles ），但多数物种为农作物或经济作物，药用植物的叶绿体全基因组序列相对较少，很大程度上限制了药用植物的药物代谢工程、转基因工程、物种鉴定及进化等方面的发展。本文在前人研究的基础上，基于新一代测序技术在药用植物叶绿体全基因组测序研究中的应用进行探讨，提出一种新的叶绿体基因组测序的策略。 一、药用植物叶绿体基因组及其测序研究现状1986年，烟草和地钱叶绿体全基因组测序完成[4~5]， 开创了叶绿体全基因组测序的先河，也第一次揭示了叶绿体基因组的结构特征。之后陆续有其他物种的叶绿体基因组序列在NCBI 发布，但数量增长缓慢。至2000年，仅有16个物种完成了叶绿体全基因组测序。但2005年以后在NCBI 上公布的叶绿体全基因组序列的物种数直线上升，截止2010年5月， 已有176个叶绿体基因组序列公布（图1）。叶绿体全 基因组序列的测定不仅加速了物种的进化、迁徙等方面的研究，对物种的鉴定和转基因研究也存在着巨大的推动作用。以往的叶绿体基因组研究多侧重于农作物和经济作物如大麦、高梁、大豆、甘蔗等[6~8]， 以及具有进化意义的孓遗物种如桫椤、 台东苏铁等[9~10]，仅有少数药用植物的叶绿体基因组序列发布，如人参、木贼麻黄、薏苡等[11~13]，且这些药用植物的叶绿体 442

光对药用植物次生代谢产物形成与积累影响的研究进展

光对药用植物次生代谢产物形成与积累影 响的研究进展 植物次生代谢的概念最早于1891 年由Kossel 明确提出，它是相对于初生代谢或基本代谢而言的。植物的次生代谢是植物在长期进化中与环境相互作用的结果，次生代谢产物在植物提高自身保护和生存竞争能力、协调与环境关系中充当着重要角色。 植物生长发育过程中经常受到各种环境胁迫。植物次生代谢产物（Secondarymetabolites）是由次生代谢（Secondarymetablism）产生的一类细胞生命活动或植物生长发育正常运行的非必需的小分子有机化合物，是植物对环境的一种适应。次生代谢产物通常也是中药的主要药效成分，次生代谢产物在药用植物体内的分布和代谢及次生代谢产物的分类、化学、药理药效等已进行了大量研究，但对研究环境胁迫对中药次生代谢产物积累的影响刚刚起步。 研究逆境条件下药用植物次生代谢产物的产生和积累变化以及药效成分变化的机制，可为药用植物栽培环境的选择以及相适应的栽培技术制定提供理论依据，这将有利于传统中药药源植物的标准化和目标化种植，并对中药材质量控制及可持续利用具有重要意义。 光照对药用植物次生代谢的影响 首先，光强不同对药用植物次生代谢的影响也不同。将虎杖愈伤组织分别于暗光、弱光和强光3个条件下进行培养，结果在弱光条件下培养的虎杖愈伤组织中白藜芦醇的含量最高；遮阴条件下培养的长春花叶片中生物碱和黄酮的合成呈下降趋势，单层遮阴条件下2种双吲哚生物碱（长春碱和长春新碱）含量最高，双层遮阴条件下 2 种单吲哚生物碱（文多灵和长春质碱）含量最高；全光照条件下培养的

长春花叶片中总黄酮含量最高。其次，光质对药用植物次生代谢也有很大影响。与同等光合有效辐射强度的白光相比，白光补充蓝光处理和白光补充红光处理均能使丹参根系中丹酚酸B的含量提高。而将冬凌草再生植株置于不同光质的培养箱中培养30d后，绿光照射条件下冬凌草体内冬凌草甲素和迷迭香酸积累量最高，其次为白光，而红光条件下2种次生代谢产物的积累量最低。 此外，光照时间是影响药用植物次生代谢的另一个重要因素，因此根据药用植物开花所需时间的长短将其分为长日照植物、短日照植物和中间性植物。对于某些药用植物来说，适当缩短或延长光照时间，其药用次生代谢物的含量也随之改变，如长日照可提高许多药用植物酚酸和黄酮类化合物的含量。 光照胁迫对次生代谢产物的影响 光照是植物生长所必需的，在植物生长发育及初生代谢中起重要作用。在植物化学生态研究中，光照也是广泛受到重视的生态因子，它影响着许多植物次生代谢过程。很多情况下适当改变光照强度、光照时间及光质，在一定程度上可刺激药用植物体内次生代谢产物的合成和积累。王洋等研究发现喜树幼苗叶片的喜树碱含量随着遮阴程度的增加而增加，当光强为全光照的40％时喜树碱含量显著增加，但光强为全光照的20％时（严重遮阴），喜树碱含量降低，分析认为喜树碱含量的变化是喜树幼苗通过次生代谢过程对不良环境（遮阴）的一种适应性反应。广西莪术为阳生植物，陈旭等研究发现，通过人为的遮阴使其光照强度减少至自然光照强度的85％，该环境条件下莪术挥发油和莪术醇含量最高。王华田等有相似的报道，银杏叶片中的黄酮和内酯含量受光照强度的影响，人为遮阴处理后叶片黄酮和内酯含量发生变化，在42％的自然光照强度条件下，黄酮含量和内酯含量最高。

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第2节基因工程及其应用（第1课时） 知识链接及考试地位 本知识与“DNA分子的结构与复制”、“基因突变和基因重组”、“DNA重组技术的基本工具”、“基因工程的基本操作程序”等内容相联系，考试过程中常设计基因工程的原理、基本工具等基础知识，多以个别填空或选择题的形式呈现。 知识回顾 1、DNA分子的结构特点是什么？ 2、什么是基因重组？ 学习目标 1、简述基因工程的诞生。 2、简述基因工程的原理及技术。要明确基因工程操作的基本步骤和最基本的工具。 重难点 1．教学重点 基因工程的基本原理。 2．教学难点 基因工程的基本原理 新知探究 传统育种的方法一般只能在生物中进行，很难将一种生物的优良性状移植到生物身上。基因工程的出现使人类有可能按照自己的意愿地改变生物，培育出。 一、基因工程的原理 基因工程又叫做或。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的某种基因提取出来，加以，然后放到另一种生物细胞里，地改造生物的遗传性状。基因工程是在DNA上进行的水平的设计施工，基因的剪刀是指，简称限制酶。其作用特点是一种限制酶只能识别一种序列。基因的针线是指。目前常用的运载体有、和等。质粒存在于许多以及等生物中，是细胞染色体外能够自主复制的小型分子。 基因工程的操作步骤是：、目的基因与运载体结合，目的基因导入受体细胞、目的基因的和。 二、基因工程的原理、操作对象各是什么？ 三、限制性内切酶的分布、特点、作用部位和作用结果如何？ 四、作为基因的运载体，需具备哪些条件？ 五、DNA连接酶的作用对象、位置和结果如何？ 六、基因工程的优点是什么？

2021届高考生物考点专项突破练习：基因工程及其应用含解析

第2课时基因工程及其应用 1.限制酶的作用实际上就是把DNA上某些化学键打断,一种能对GAATTC 专一识别的限制酶, 断的化学键是( )。 A.G与A之间的键 B.G与C之间的键 C.A与T之间的键 D.磷酸与脱氧核糖之间的键 2.将ada(腺苷酸脱氨酶基因)通过质粒pET28b导入大肠杆菌并成功表达腺苷酸脱氨酶。下列叙述错误 的是( )。 ．． A.每个大肠杆菌细胞至少含一个重组质粒 B.每个重组质粒至少含一个限制性核酸内切酶识别位点 C.每个限制性核酸内切酶识别位点至少插入一个ada D.每个插入的ada至少表达一个腺苷酸脱氨酶分子 3.质粒之所以能作为基因工程的运载体,是由于质粒( )。 A.含蛋白质从而能完成生命活动 B.具有环状结构而保持连续性 C.是RNA能指导蛋白质的合成 D.能够自我复制、能携带目的基因 4.基因工程中使用到的限制性核酸内切酶,其作用是( )。 A.将目的基因从染色体上切割出来 B.识别并切割特定的DNA碱基序列 C.将目的基因与运载体结合 D.将目的基因导入受体细胞内 5.某生物的基因型为AaBB,通过某些技术可以分别将它们转变为以下基因型的生物:①AABB;②aB;③AaBBC;④AAaaBBBB,则所用技术分别是( )。 A.诱变育种、转基因技术、花药离体培养、多倍体育种 B.杂交育种、花药离体培养、转基因技术、多倍体育种 C.花药离体培养、诱变育种、多倍体育种、转基因技术 D.多倍体育种、花药离体培养、诱变育种、转基因技术 6.下列不是 基因工程常用的工具的是( )。 ．． ①限制性核酸内切酶②DNA聚合酶③DNA连接酶④运载体⑤解旋酶 A.②④⑤ B.①③④ C.①②③ D.②⑤ 7.下列能说明目的基因完成了表达的是( )。 A.棉株中含有杀虫蛋白基因 B.大肠杆菌中具有胰岛素基因 C.土豆含有抗病毒的基因 D.酵母菌中提取到了干扰素