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农业中的基因工程

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农业中的基因工程

摘要:地球上的耕地面积随着人口的增长,土地沙漠化,环境的破坏,可耕种面积越来越少。如何快速有效的改良作物品种,提高产量或产值,已经是越来越值得关注的人们的关注。利用基因工程技术进行作物品种改良可突破种族隔离,创造新的基因等等,达到育种效果。

关键词:基因工程、品种改良、转基因

一、前言

农业生产主要依赖土地、水分及空气等环境因素,在全球环境急剧变坏,加上土地沙漠化(desertification)、空气及工业污染等因素,使土壤、水分及空气品质等农业生产所依赖的自然资源急剧消耗。以目前粮食生产状况预估,传统农业将受到土地、环境及经济等因素之限制,届时地球有限的耕地面积及农业生产体系,将无法负担急速增加的世界人口。在可预见的未来,人类将会面对重大的粮食危机,生产足够的粮食对未来而已是一项挑战。因此未来农业生产需要克服更多的自然资源之限制和考虑更多的粮食品质、产量等等。

DNA 双螺旋结构的发现为分子生物学研究奠定了基础,DNA 重组技术的创立使分子生物学研究由理论进入实践,生物技术这门学科得到了更好的发展。生物技术被视为二十一世纪最重要的科技之一,如何应用此此一新兴科技,结合传统育种技术,进行作物品种改良,提高农业产业量及产值,以因应未来的粮食需求,已成为现阶段农业研究的首要目标之一。

所谓农业转基因育种,就是根据育种目标,从供体生物中分离并提取出控制某种性状的基因(目的基因),经DNA重组与整合或直接运载进入受体作物的基因组,获得稳定表达的转基因株,再进入田间试验,培育成农业生产上能应用的转基因新品种,并实现大面积推广。转基因育种相对于传统的杂交育种、诱变育种和多倍体技术育种来说,不仅缩短了育种周期,而且能准确地选择任何一个目的基因(植物动物乃至人类)从而打破了遗传物质分类上门、纲、目、科、属的界限,实现了基因的转移,大大拓宽了作物遗传改良可资利用的基因来源。应用转基因技术获得的高产、优质、抗逆的转基因作物新品种为实现农业可持续发展开辟了崭新的途径。

近年来,植物基因工程取得了辉煌的成就,而转基因技术由于其巨大的产业价值,特别是在作物品质改良、产量和抗逆性提高等方面的明显优势,一直是国际农业高新技术竞争的焦点和热点。

二、基因工程育种法

基因工程(genetic engineering)又称重组DNA技术(recombination DNA technique),是指将一种或多种生物的基因与载体在体外进行拼接重组,然后转入另一种生物(受体),使受体按人们的愿望表现出新的性状。

利用基因工程进行作物品种改良,称为基因工程育种或分子育种(molecular breeding),事实上基因工程育种是传统作物育种之延伸,系指利用遗传工程(genetic engineering) 技术,将自生物体内分离,或在生物体内分离改造之特定基因,利用基因转移技术(gene transfer techniques) 导入缺乏此一基因目标作物的育种方法。因此,基因工程育种系属特定基因的嵌入,每次基因转移步骤只将一个,或少数个基因导入目标作物的染色体内,与传统杂交育种之整个基因组的合并是不同的。利用基因工程育种法所育成之作物品种,统称为遗传修饰作物(genetically modified crop, GM crop) 或转基因植物(transgenic plants)。由于所有生物的基因,皆由ATGC四种核苷酸所组成的遗传密码排列而成。利用基因工程进行作物品种改良,可以突破种原之限制及种、属间杂交之瓶颈,亦即基因工程育种法可以「无中生有」,创造出原来种、属内所未有之新性状或新品种。

虽然,利用基因工程进行品种改良,初期需花费许多尝试错误的时间,人力与金钱进行研究。由于基因育种每次仅改良少数性状,若能选用现有优良品种为材料导入新性状或基因,一旦基因工程育种系统建立完成,即可缩短育种年限及选拔次数。

若传统育种所造成的农业称为绿色革命(green revolution),则利用基因工程进行育种所产生的农业突破或成就,就可称为基因革命(gene revolution),

目前我们已进入基因革命或利用基因工程育种的时代潮流。

三、现代技术改造传统农业

资源的缺乏、环境恶化、农产品品质差、效率不高、农民生产粮食的积极性不高,目前都已成为急需解决的问题。

生物技术的灵魂是基因工程技术,其核心是对生物遗传物质在分子水平或基因水平上进行复杂而精准的转基因操作(包括对生物基因图谱的测序绘制,基因定位分离,基因的扩增与标记等),从而形成对传统农业技术深刻地、大规模的改造。基因工程技术从根本上革新了孟德尔遗传学的染色体育种理论,创新了分子育种和基因育种的理论及方法。

转基因操作能够控制植物的生长发育及代谢。通过对花色素基因的控制,使鲜花开放出人们需要的色彩;通过对蔬菜顺义和反义反成熟基因的控制,美科学家培育出了,提前或延迟成熟的西红柿。通过转基因技术将把某些昆虫、微生物、病毒或者野生植物的抗病虫基因转移到农作物细胞内,从而使农作物获得抗病基因或杀虫基因,大大减少农药的使用和对生态环境的污染。

植物细胞工程采用染色体加倍,体细胞融合和细胞杂交,诱导组织器官分化等技术,改变了植物的遗传物质,创造新的育种技术,改变了长久以来人们用花器杂交、系圃法育种的格局,加快育种进程。细胞工程采用植物的根尖、茎尖、幼穗等进行离体培养,能有效地脱除病毒,提高作物的抗病毒性和丰产性,优化品种,增加经济收益。这种育种大大的缩短了育种周期,加快了品种推广的速度。同时,细胞工程有利于工厂化生产,集体化经营,创造更高的经济价值。

品种改良的实质就是通过对目标基因进行选择,实现优异基因集成的过程。因此,提高目标基因进行选择效率,是加快育种进程的关键。目前,常规育种方法还是依据基因的表型进行选择。分子标记(molecular marker)概述标记育种是利用与目标性状基因紧密连锁的遗传标记,对目标性状进行跟踪选择的一项育种技术。它标记数量大且不受环境影响,可以提高选择的准确性,从而大大缩短育种周期,减少工作量,提高工作效率。

四、基因工程育种步骤

培养转基因植物的方法一般包含以下步骤:

1.确定目标

2.寻找适当基因

3.基因构筑

4.基因转殖

5.细胞培养与植株再生

6.转殖株筛选

7.转殖株确认

8.田间繁殖与遗传稳定性

9.安全性检测

10.商业生产

转基因必须构筑在适当的载体上,目前以质体(plasmid) 为主,基因构筑应包括:

(1) 适当的启动子(promoter) 及促进子(enhancer)。

(2) 内含子(intron)。

(3) 转录的终结子(terminator)。

(4) 多聚腺嘌呤讯息(polyadenylation signal )。

(5) 不会进行转译的5’ 端及3’ 端引导序列。

(6) 正确的密码序列(codon usage)。

(7) 在转录和转译起始点有适当的调控序列。

(8) 加入讯息序列(transit sequence),使基因产物传送到细胞内适当的作用区域。

(9) 避免带有会引起不正确RNA 修饰(RNA processing) 的序列。

(10)避免不必要的醣基化作用(glycosylation) 的序列。

4.1.1 转基因的密码序列

一般会在质体上构筑两个基因,一个是目标基因,一个是筛选基因,其中筛选基因均为正向构筑。目标基因密码序列的构筑则有二种策略,一种是以正向构筑,以期表现正常功能的基因产物,增强基因表现,另一种是以反向构筑,以期

产生反义RNA (antisense RNA),与原来基因的RNA 结合后,可抑制基因表现,例如抑制细胞壁软化或乙烯生成,可以应用来控制蕃茄、瓜类等果实成熟,抑制病毒繁殖育成抗病毒植物,此外,常用来控制二次代谢物生成。

4.1.2 转基因表现之调控

早期的转基因构筑主要利用强表现或持续表现的启动子(constitutive promoter),例如CaMV 35S、actin、ubiquitin 等,持续驱动基因强表现,结果往往会影响植物的正常生长。现在启动子的选择则有非常多种,例如可诱导式启动子(inducible promoter)、发育时期专一性(temperal specific) 或组织专一性(tissue specific) 启动子,分别可以控制基因在特定的状况、不同发育时期、或不同器官内表现。此外,亦可在构筑中加入促进子、内含子等提高基因表现。

4.1.3 转基因数目与DNA 长度

早期的基因转殖只是单一基因性状修饰,一个质体只有一个目标基因,基因长度多在10Kb以内,若大于10 Kb,则基因容易断裂,使表现不正常。但是许多性状是复杂的代谢反应产物,牵涉到多基因的修饰,因此现在的趋势是多基因转殖,有二种策略,一是将拟转殖的基因构筑在同一个载体上,作一次转殖,二是将拟转殖的基因分别构筑在不同载体上,作多次转殖,这二种策略都有非常大的挑战。有研究者利用细菌人造染色体构筑成双偶型载体,加上一些帮助virG 和virE(致病基因)蛋白质产生的辅助载体,证实了农杆菌方法可有效地将至少150 Kb 的外来DNA 导入植物的染色体组中,并可遗传到子代。亦有研究将14种质体混和后用粒子枪转殖到水稻,得到含不同数目转基因的水稻,最高纪录是11个基因。当然,外来的多基因进入植物染色体组后,其彼此间之影响及遗传行为,更值得研究,最近针对转殖水稻发现共同转殖9个基因后,仍可遗传至后代,有趣的是9个基因聚集在同一个位置,后代呈现3:1分离比。

五、常用转基因育种的主要手段和方法

在植物基因工程研究中,关键步骤之一是通过特定的方法将外源基因导入受体植物细胞内,使之发生定向的、永久性的遗传变异,即所谓的植物遗传转化。为了方便有效地将外源基因导入植物体内,人们不断地探索、发展新的植物遗传转化方法。目前,应用到农业转基因中的遗传转化方法主要有农杆菌介导转化法和外源基因直接导入法。

5、1 农杆菌介导转化法

农杆菌在侵染植物伤口时,可将其携带质粒上的一段DNA(T-DNA)整合到植物基因组上,并在植物体内表达。因此,农杆菌作为一种天然载体系统被广泛应用到植物基因转化中,成为植物基因转化的首选方法。农杆菌介导的转基因方法具有以下优点:不需要专门仪器;宿主范围广,包括大多数双子叶植物和少数单子叶植物;插入外源基因的片段较大,可达以50Kb上;转化率明显高于其它

直接转化方法;外源基因整合到植物基因组上的拷贝数较少,多为单拷贝整合的外源基因变异小,后代的分离规律也遵循孟德尔遗传规律。缺点是仍受宿主范围和菌株特异性等因素的限制。

5、2 外源基因直接导入法

在早期的油菜遗传转化研究中取得成功的方法有3种:电激法、PEG法和显微注射法。近年来发展起来的还有基因枪法、激光微束穿刺法、真空渗入遗传转化法和花粉介导法等。

5.2.1电激法

电激法最初是从哺乳动物细胞转化中发展起来的一门新技术,后来用于植物细胞的遗传转化。国外,最早报道是1985年美国的Michael等将其用

于植物转基因上。

5.2.2 显微注射法

显微注射法是使用专门的仪器将外源基因直接注入到生物的生殖细胞中而获得转基因再生植株的一种方法。显微注射法多年前在动物中就已获得成功,由此促进了它在植物细胞中的应用。Neuhaus等以甘蓝型油菜的花粉胚为受体,利用显微注射法将nptⅡ(新霉素磷酸转移酶Neomycin Phosphotransferase II)基因的外源DNA注入细胞中。但这一方法需以精细的显微操作技术和细胞低密度培养为基础,并且必须建立固定植物细胞或原生质体的技术。

5.2.3 基因枪法

基因枪法是借用火药爆炸、高压气体或高压放电为动力,用微粒对植物进行轰击而将其上的外源基因带入到植物细胞内,此法可以不受基因型

和轰击靶组织的限制。

5.2.4 真空渗入遗传转化法

真空渗入遗传转化法是一种简便、快速、且无需经过组织培养阶段即可获得大量转化植株的基因转化方法。

5.2.5 激光微束穿刺法

激光微束穿刺法是利用聚焦到微米级的激光微束对组织进行穿刺,引起细胞膜的可逆性穿孔从而导入外源DNA的一种基因直接转化技术

早在1987年,Weber等就利用微束激光将荧光素标记的外源DNA导入叶绿体中这一技术具有操作,简便转化频率高,定位准确,对细胞损伤小以及外植体适用性广泛等优点。利用激光微束穿刺法导入植物的外源基因还有一些报告基因、筛选标记基因和抗病基因。

5.2.6 PEG法

PEG 融合法操作简单,处理量大,融合频率高,而且不影响再生,基本上已克服了再生植株是嵌合体情况的发生,而且不需要昂贵的仪器设备。其缺点是仍需进行原生质体培养、处理时间长、不易掌握、常形成多元原生质体融合体。有报道指出,将PEG 法与电击法等其他导入基因的方法相结合,能够提高转化率。

5.2.7 花粉介导法

花粉介导法是山西省农科院生物中心的孙毅博士,王景雪博士等发明了一种新的植物转化方法,即利用生殖细胞——花粉作为载体,结合超声波处理介导外源基因对植物进行转化。花粉介导法避免了其它转化方法所要求的组织培养技术,转化方法简单、易操作、转化率高、且费用低,具有很强的实用性。

六、主要农作物转基因研究进展

经过多年的实践和优胜劣汰,多数转化方法已被逐步放弃,形成了以农杆菌介导法和基因枪法占主导地位的两大植物转基因体系。,将一些有利用价值的外源基因导入了植物,并逐步将转基因植物应用到农业生产。植物基因工程研究已涉及到品种改良的各个方面,包括抗虫、抗病(病毒细、菌和真菌病害)、抗除草剂、抗逆(寒冷、盐碱、重金属等)、品质改良(碳水化合物、油脂和蛋白质等)、发育调控、营养吸收等。在开展主要农作物转基因技术体系和功能基因转化研究的同时,转基因大豆、玉米、棉花、油菜等作物新品种在生产上的产业化面积逐年增加。以下是几种转基因作物简介:

6、1 产业化的转基因棉花

从20 世纪90 年代起,,中国开始了转基因抗虫棉的研究, 在转基因抗虫棉研究方面, 研究最多、取得最大进展的为转Bt 基因抗虫棉的研究。Bt 即苏云金芽孢杆菌( Ba a llus thuringe nsis ) , 它是一种革兰氏阳性土壤芽孢杆菌, 在形成

芽孢过程中, 能产生一种对鳞翅目昆虫有毒杀作用的杀虫晶体蛋白( BtCry )。中国农科院生物技术中心自20 世纪80 年代末即开始进行Bt 基因的克隆研究, 于1996年, 分离出胰蛋白酶抑制因子( Cowpea trypsininibitor , 简称CP - TI ) 。CPTI 能抑制昆虫消化食物所必需的胰白酶的活性, 干扰昆虫的消化作用, 导害虫幼虫死亡。中国农科院生物技术研究所将人工合成的Bt 基因与改造后的CPTI 基因重组构成双价抗虫基因导入棉花中, 从而获得双价基因抗虫棉植株该研究所通

过多年的努力研究, 开发出一系列的转基因抗虫棉品种, 如早期的国抗2 号、国抗12 号和双价抗虫棉sGK321 等。

转基因棉花新品种具有抗棉铃虫、红铃虫、玉米螟等棉花害虫, 棉铃虫危害得到有效控制, 农药用量, 人畜中毒和环境污染大大减少, 害虫天敌和其它有益生物的种类与数量明显增加, 产生了显着的社会、经济和生态效益, 深受棉农欢

迎。

6、2 转基因水稻

水稻基因组大规模测序的完成获得的大量序列数据, 为揭示和开发功能基

因开辟了广阔的前景, 为在基因组水平上深入研究其生长、发育、抗病和高产等遗传机理提供了便利。目前的研究重心由建立高分辨率的遗传、物理和转录图谱为主的结构基因组学转向基因功能的研究利用图位克隆和电子克隆等方法已成功分离了多个水稻抗病、抗虫、抗逆境、抗倒伏、高产、优质等重要农艺性状相关的基因, 对培育水稻新品种, 促进农业的可持续发展意义重大。

科学家们利用现代的基因工程技术在水稻抗虫、抗寒、抗旱、耐盐和抗衰老等领域也进行了深入的研究。

株高和分蘖是水稻的重要农艺性状, 直接影响水稻耐肥水力和成穗能力, 从而影响水稻单位面积的产量。因此, 发掘、鉴定和利用新的矮秆和强分蘖资源已日益为水稻育种界所重视。

国内外在保健型、辅助疗效型及其它特种功能等类型的功能型水稻品种选育、开发和推广利用方面也取得了一些进展, 针对不同需求培育了富含β- 胡萝卜素、铁蛋白以及低谷蛋白等水稻新品种。如预防维生素A 缺乏症而培育富含β- 胡萝卜素的“黄金米”, 预防高血压而富含GABA Ha iminori 活性物质的中国糯167等。

6、3 转基因油菜

油菜是近年来转基因研究最为活跃的作物之一, 遗传转化研究日趋成熟, 用于转化的目的基因趋于多样化。, 通过对转基因油菜受体的类型进行整理, 发现油菜的下胚轴、叶柄、子叶等均是良好的转化外植体。油菜转化技术涉及到农杆菌介导法、基因枪轰击法、激光微束穿刺法、显微注射法等等均应用于油菜遗传转化, 各有其优缺点。油菜转基因的外源靶标基因包括抗除草剂、抗虫、抗病、品质改良和工程油的表达等等。

七、转基因食品的安全性问题

转基因技术之所以发展这么迅猛,主要是因为这项技术可提高作物产量,改善品质,减少除草剂、杀虫剂等农药使用量,节省大量劳动力,在解决全球不断增长的粮食需求和保障农业的可持续发展等方面发挥了重要作用,而且在缓解世界能源危机问题也将作出巨大贡献

转基因技术是把“双刃剑”,在享受它带的的科学发展、经济效益和社会效益的同时,社会公众也日益关注转基因作物及其产品对生态环境和人类健康造成的的安全性问题。转基因作物的外源基因可能会通过花粉和种子等途径在种群之间扩散,产生“超级杂草”,从而对生态环境和生物多样性造成危害。而且,关于转基因作物和以转基因作物为原料制造的转基因食品对人体的影响一直争论不休。

在转基因植物中,导入植物体内的外源基因通常包括两类:一是标记基因,它能赋予转基因植株抗抗生素或抗除草剂等特性,在转基因过程中的使用大大提高了转基因植物筛选的效率。二是目的基因,它是用来优化或赋予植物特定性状的基因。转基因作物引发的安全性问题也主要来自这两方面。

7、1 选择标记基因带来的安全性问题

为了将转基因细胞和非转基因细胞分开,在构建质粒载体时,人们常常把一类对抗生素类或除草剂类具有抗性的基因作为选择标记基因引入T-DNA,与目的基因一同转化到植物细胞。在组织培养过程中,培养基中加入抗生素或除草剂后,转化细胞可以正常生长,而非转化细胞在抗生素或者除草剂的作用下死亡。具有除草剂抗性的转基因作物的花粉可能会飘落到杂草或近缘野生品种上,使这些杂草和野生品种具有除草剂抗性,经过多次转移后可能成为“超级杂草”,从而破坏整个生态系统。

7、2 目的基因带来的安全性问题

无论是抗除草剂转基因作物和抗病虫害转基因作物,目的基因的引入都会带来安全隐患,对生态环境造成严重破坏一些抗病毒基因逃逸到其他土壤微生物也可能产生新的致病性病毒。而且由于导人外源目的基因,转基因作物已经突破了传统的界、门概念,具有普通物种不具备的优势特征。作为外来品种进入自然生态系统,往往具有较强的“选择优势”,可能会影响植物基因库的遗传结构,导致野生等位基因的丢失而淘汰原来栖息地上的物种和其它遗传资源,乃至影响农业生态系统中有益天敌生物的种类和种群数量,使生物多样性丧失。

所以基因食品对人以及生态环境的隐患不容忽视,需要寻求安全有效的解决办法,来解决这样隐患。

八、其他转基因作物的安全问题例子

8、1 基因发生水平转移(horizontal gene transfer)

基因转移至原本目标作物以外的其他生物体上,例如转移至细菌、其他植物、动物、甚至人类。目前已经知道基因确实可以在物种间移动,基因和转移途径包括:

8.1.1 抗抗生素基因:

作为筛选标志,例如抗kanamycin(卡那霉素)或neomycin(新霉素)的基因,用来辨别已转入基因的植株或菌落(colony)。目前虽无具体的研究结果可证实抗抗生素基因发生水平转移的可能性及机制,但是仍不可轻忽这个潜在的危机。因为一旦发生基因转移, 可能会导致抗药性细菌。

8.1.2 抗除草剂基因:

GM(转基因)作物的花粉是否会随昆虫或风飘送,使近亲的植物或杂草受粉,因而把抗除草剂基因转到杂草上,造成超级杂草呢?目前还没有报告GM作物会导致超级杂草出现,但”自然”杂志1999年2月的报告指出,在英国种植GM

马铃薯、甜菜、玉米、或油菜,经过10年的观察,并没有影响到杂草的生长行为。然而,在加拿大方面却有些令人担心的结果:原本有三种抗除草剂的油菜品系,种植数年后出现同时具有三种抗除草剂特性的油菜,显示抗性基因有转移的迹象。

8.1.3 抗毒素病基因:

是非常值得注意的,目前抗毒素病的转殖植物还不多,但是预测不久就会大量地增加。例如抗大麦黄萎毒素病的GM 小麦、大麦和燕麦等,可能在10 年内就会上市。这种黄萎毒素病会感染约100种禾草类。根据康乃尔大学Allison Power在实验室的研究,显示转殖的抗性基因会流到野燕麦上,如果在田间也发生这个现象的话,野燕麦可能会狂奔到美国的大西部,与当地的杂草竞争。

8、2 GM 作物是否影响物种演化与生态链

这个问题最大的疑虑来自Bt 抗虫基因,由于Bt是毒性蛋白质,长期使用下是否会导致产生抗Bt的昆虫?而含有Bt蛋白质的花粉四处飞散,不只杀死害虫,是否也可能造成益虫死亡?如果昆虫都被毒死了,是否影响鸟类的取食?1998年瑞士的研究报告指出:Bt抗虫基因转殖作物,有可能危害到其他无辜的生物,自此引起大家广泛的关切。一年后,康乃尔大学John Losey等将沾有Bt 玉米花粉的杂草叶片喂食帝王蝶幼虫,导致幼虫死亡,这个报告更引爆了大家对Bt抗虫植物的恐慌。然而这些毕竟只是来自实验室的结果,在实验的设计上,幼虫似乎被喂食了过量的Bt 蛋白质。为了审慎了解这个问题,美国环保署(EPA)邀集了许多相关学者进行探讨,其检测结果显示,如果1平方公分叶片上落有150 粒Bt 玉米的花粉,对帝王蝶幼虫还不致于产生伤害,而在马利兰州、内布拉斯卡州和安大略地区所做的调查,玉米田附近杂草叶面上的Bt玉米花粉粒,只有6 ~ 78粒/平方公分,离开玉米田愈远,玉米花粉粒愈少,帝王蝶幼虫寄生的杂草分布却愈多,花粉掉落在杂草上的位置,以中段平展成熟叶片的主脉附近最多,最上方的嫩叶叶片因为直立,花粉掉落的数目少,但嫩叶才是帝王蝶幼虫取食的位置,因此在田间的实际状况下,Bt玉米的花粉是不会威胁到帝王蝶生存的。此外,在技术上,也己经可以控制基因表现的组织专一性,使基因在花粉中不表现,例如上述专一重组酵素的方法。

此外,为了避免昆虫灭绝影响生态链,可以在转殖作物田周围仍种植一些非转殖作物,做为昆虫与病源生物的栖息区域,维持其生态,以免加速其变异产生。不过这些避难所的区域到底该有多大?农夫当然希望愈小愈好,环保人士则要求愈大愈好,因此目前还无法定论。

8、3 GM 作物与环境

这个问题比较乐观,GM作物极可能有助于环境保育。现今的农田中,每年都大量施用农药,包括杀虫剂、杀菌剂等,这些药剂残留在作物和土壤上,也会随着

冲刷流入地下水或河川等,对人类生活或野生生物都产生很大危害,而且生物产生抗性以后,需要用毒性更高的药剂,这些都是环保上的老问题,长久以来都没有改善。如今GM作物则可能提供了解决这些问题的曙光。栽培抗病抗虫的GM 作物,当然可以减少农药施用,除草剂方面,因为现在都是转殖抗glyphosate

的基因,所以施用量虽然没有明显减少,但glyphosate 却是对人畜毒性低的温和杀草剂,而避免了高毒性除草剂。美国NCFAP (National Center for Food and Agricultural Policy) 针对40项GM作物调查显示,目前已经少用了4千6百万磅的杀虫剂,未来将少用1亿6千3 百万磅,作物产量增加,质量也提高,因此GM作物对于环境安全性的维护,与健康食品的生产上,应该是相当正面的。

九、转基因作物育种技术的未来方向

由于转基因的研究水平不断提高, 基因克隆技术发展迅速, 转基因技术正在向集成应用,安全高效、多基因聚合、规模化方向发展。转基因作物育种技术的主要发展方向主要为安全高效、多基因聚合、规模化。新型载体、受体、时控表达调控组件(启动子、终止子等),叶绿体遗传转化等新型转化方法,无选择标记基因的安全转基因植物技术等也在开发过程中,并得到初步应用。

规模化转基因技术:

标准化、工厂化和流水线式基因转化是提高转基因育种效率的重要发展方向。完善的农杆菌介导法、花粉管通道法和基因枪轰击法等转基因技术,并通过系统集成,建立了规模化、工厂化高效转化体系。有效降低了转基因运行成本,拓宽了受体的基因型范围,显着提高了转基因效率。

9、1 多基因聚合转化技术:

由于作物中绝大多数性状是由多基因控制的,将多个基因按照育种目标进行组装后同时导入一个受体中,使其多个性状同时得到改良,将提高目标基因的表达,降低或去除连锁累赘,有效地聚合多个有利基因。

9、2 高效转化技术:

转化效率低是阻碍转基因作物研发进程的重要原因。在作物上,载体改良、定点整合、基因时空表达调控等技术创新,将突破基因型限制,提高转化效率。

9、3 品种分子设计技术:

“品种设计”是系统生物学的思想和方法在作物品种培育领域中的实际应用。近年来出现的品种分子设计把转基因技术、分子标记辅助选择技术、DNA shuffling技术和常规育种技术进行集成创新,已成为国际上提高育种效率的主要途径之一。

9、4 外源基因清除技术:

综合利用了两套位点特异重组酶的组件,即来源于细菌噬菌体的Cre/LoxP

系统和来自于酵母的FLP/FRT系统,这两套系统均通过重组酶识别特定的重组位点将插入该位点间的所有外源基因删除。外源基因清除技术具有几个显着优点:(1)能够将转基因植物花粉和种子中的外源基因全部清除。(2)大幅度地提高

了转基因植物中外源基因的删除效率。(3)外源基因清除技术更适合于生产上应用,尤其是在第二代和第三代转基因产品生产中更有应用价值。

十、结语

基因工程技术作为育种的新方向, 能够有效的改良品种提高产量和产值, 使作物能够抵抗环境的自然灾害, 也赋予作物更高的营养价值。在现今土地供应不足, 可耕作的农地日渐减少, 而人口日益膨胀的情况下, 转基因作物是未来农业发展的重要方向。然而作为一种新技术, 基因改造的食品安全和转基因作物对环境的影响也正在进行研究, 相信未来的发展能够平衡提高产量的同时, 也可以避免转基因带来的各种安全问题。

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生物技术通报.2008.

生物制品学

生物制品学 (仅供参考啊~有不全的,或不正确的自己补充一下、修改一下就好。) 第一章绪论 1.生物制品:采用现代生物技术手段来人为地创造一些条件,借用某些微生物、植物或动物体或利用生物体的某一组成部分,来生产某些初级代谢产物或次级代谢产物,制成作为诊断、治疗、预防疾病或达到某种特殊医学目的的医药用品,统称为生物制品。 2.生物制品学:研究各类生物制品的来源、结构特点、应用、生产工艺、原理、现状、存在问题与发展前景等诸方面知识的一门科学。 3.细胞工程:以细胞为基本单位,在体外条件下进行培养、繁殖,或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变,从而达到改良生物品种或创造新品种,加速繁育动、植物个体或获得某种有用的活性物质或生物制品的过程。 4.酶工程:是酶学与化工技术二者结合的产物,是利用酶、细胞器或细胞所特有的生物催化功能,或对酶分子进行改造或修饰,并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需要的产品的一项技术。 5.发酵工程:(微生物工程)利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点,在合适条件下,通过现代化工程技术手段,由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品。 6.蛋白质工程:在基因工程的基础上发展起来的一项新技术,又被称之为第二代基因工程技术;属亚分子水平的基因工程技术,结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质结构化学及蛋白质功能等多学科的基础知识,通过操纵基因内部的一至几个核苷酸来人为定向突变或改造等手段,从而达到对蛋白质的修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质的目的。 7.抗体工程:利用各种抗体分子或靶向药物治疗多种疾病的工程。 第一代抗体:最早的抗体又称为多克隆抗体,即第一代抗体,它是由具有多种抗原决定簇的病原微生物或抗原,刺激人或动物机体后,其B淋巴细胞产生的多种抗体分子的混合物,分泌入血清中,即称为多克隆抗体。 第二代抗体:单克隆抗体或单抗。可在体外无限繁殖的鼠骨髓瘤细胞与针对某一特定抗原决定簇能产生的单一抗体的脾脏B淋巴细胞融合后,筛选出来的特定融合子细胞系,经进一步培养和发酵后,即可获得针对某一抗原决定簇的特异性强、亲和力高、均一性好、便于大规模生产的单克隆抗体。 第三代抗体:针对单克隆抗体的免疫原性过强、会产生人抗鼠抗体(HAMA)、半衰期短、靶吸收差、生产复杂等缺点,而研发出来的新一代抗体,即基因工程抗体。 8.生物制品学的研究内容: 研究各类生物制品的结构、功能、制备工艺、开发现状与发展战略等内容。 9.生物制品的生产特点: ①起步晚、发展速度快、前景美好; ②有巨大的科研价值、重大的经济效益和巨大的社会效益,因为生物制品多涉及国民的健康、长寿,以及社会的稳定和经济的快速发展; ③研发的产品面广,具有高速的成长性和广阔的发展空间。 10.基因工程乙肝疫苗(HBV):在两种表达系统中获得成功。 (1)酵母系统; (2)哺乳动物细胞系统。 这些基因工程乙肝疫苗为预防乙型肝炎提供了重要措施。 提高抗原本身的免疫原性是获得高效廉价基因工程乙肝疫苗的重要途径;发展新的佐剂是提高基因工程乙肝疫苗免疫效果的另一重要途径。 11.基因工程干扰素(IFN)是一类重要的细胞因子,在同种细胞上具有广谱抗病毒、抗细胞分裂和免疫调节等生物学活性。 12.重组人白细胞介素-2:是淋巴因子家族的一类,分别由单核-巨噬细胞、淋巴细胞及其他多种细胞产生。白细

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

人教版教学教案第2节基因工程及其应用

第6章从杂交育种到基因工程 第2节基因工程及其应用 【课程标准】1?简述基因工程的基本原理 2?举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用 3?关注转基因生物和转基因食品的安全性 【学习重点】1.基因工程的基本原理 2. 转基因食品的安全性 【学习难点】基因工程的基本原理 【学习过程】 一、基因工程的原理 1 ?基因工程的概念 基因工程:又叫做 ____________________ 技术或___________________ 技术。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, 2?基因工程的基本内容 (1)基因的操作工具与工具酶 基因操作的两种工具酶属于基因的操作工具范畴。 ①基因的剪刀:____________________ 。注意:a.化学本质与专一性识别与切割; b.主要存在存在 于_________________ 中。 ②基因的针线:____________________ 。注意:作用的部位是_________________________________ 。 ③基因的运输工具:________________ 。常用的运载体是_____________________________________ 。 (2)基因操作的基本步骤: ①提取目的基因 ②目的基因与运载体结合: a.用_______________________________ 切割质粒和目的基因,加 入_______________ ,形成___________________ 分子;b.物质基础是目的基因与运载体的化学组成 单位与空间结构相同。 ③将目的基因导入受体细胞 ④目的基因的检测和表达 a. _______________________________________________ 检测:根据受体细胞是否具有某些判断目的基因是否导人。 b. ___________________________________ 表达:受体细胞表现出性状。

1.3 基因工程的应用

1.3 基因工程的应用 1.举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果。(重点) 2.了解基因工程的进展。3.了解基因工程在农业和医疗等方面的应用。(难点)

一、植物基因工程的成果(阅读教材P17~P20) 植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力,以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。 1.抗虫和抗病转基因植物 2. (1)抗逆基因:调节细胞渗透压的基因使作物抗盐碱、抗干旱;鱼的抗冻蛋白基因使作物耐寒;抗除草剂基因使作物抗除草剂。 (2)成果:烟草、大豆、番茄、玉米等。 3.利用转基因改良植物的品质

植物基因工程成果表现 “三抗一优良”,三抗是指“抗虫”“抗病”和“抗逆”,一优良是指转入的优良基因表达的性状表现优良。 二、动物基因工程的前景(阅读教材P20~P21)

三、基因工程药物(阅读教材P21~P23) 1.药物来源:转基因的“工程菌”。 2.成果:重组人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等。 四、基因治疗(阅读教材P23~P24) 1.概念:把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。 2.成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入患者淋巴细胞中,治疗复合型免疫缺陷症。 3.方法 (1)体外基因治疗:先从病人体内获得某种细胞,如T淋巴细胞,进行培养。然后,在体外完成基因转移,再筛选成功转移的细胞扩增培养,最后重新输入患者体内。 (2)体内基因治疗:直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法。 连一连 判一判

(1)转基因抗虫棉的Bt毒蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌。(×) (2)“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物。(×) 分析:转基因植物是指细胞中被转入了外源基因的植物,并非出现新基因。 (3)(2018·宿迁高二检测)基因工程中,要培育转基因植物和动物,选用的受体细胞都是受精卵。(×) (4)利用工程菌可生产人的胰岛素等某些激素。(√) (5)(2018·绵阳高二期末)直接在患者组织细胞中,进行改造致病基因的方法为体内基因治疗。(×) (6)基因治疗又叫基因诊断。(×) 三种转基因生物的生产过程

基因工程与生物药物

基因工程与生物药物 姓名:李华龙 班级:生物制药1301 学号:1302150003

摘要 自1972 年DNA重组技术诞生以来,生命科学进入了一个崭新的发展时期。以基因工程为核心的现代生物技术已应用到农业、医药、轻工、化工、环境等各个领域。它与微电子技术、新材料和新能源技术一起,并列为影响未来国计民生的四大科学技术支柱, 而利用基因工程技术开发新型生物药物更是当前最活跃和发展迅猛的领域[ 1]。从1982年美国Lilly 公司首先将重组人胰岛素投放市场,标志着世界第一个基因工程药物的诞生。基因工程制药作为一个新兴行业得到各国政府的大力支持, 各国都积极研究和开发各种基因工程药物,并取得了丰硕成果。本文通过对基因工程药物的开发、应用和研究方法等研究进展进行综述。Abstract Since 1972, DNA recombinant technology was born, life science has entered a new period of development.Gene engineering as the core of modern biotechnology has been applied to agriculture, medicine, light industry, chemical industry, environment and other fields . It and microelectronic technology, new materials and new energy technologies together, tied for the four future beneficial to the people's livelihood the big pillar of science and technology, and using genetic engineering technology to develop new biological drugs is the most active and rapidly developing field. From the United States in 1982 Lilly's first recombinant human insulin on the market, marking the birth of the world's first gene engineering medicine. Genetic engineering pharmaceutical as an emerging industry has received great support from governments the countries are actively research and development of various genetic engineering drugs, and achieved fruitful results. In this paper, through the development of gene engineering medicine, research and Application Research progress is reviewed in this paper. 关键词 基因工程、生物药物、研究进展、应用 Genetic engineering、biological medicine、research progress,、application

基因工程及其应用完整版

基因工程及其应用集团标准化办公室:[VV986T-J682P28-JP266L8-68PNN]

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?

生物制品定义

生物制品 生物制品 biological products [编辑本段] 什么是生物制品 用基因工程、细胞工程、发酵工程等生物学技术制成的免疫制剂或有生物活性的制剂。可用于疾病的预防、诊断和治疗。 生物制品不同于一般医用药品,它是通过刺激机体免疫系统,产生免疫物质(如抗体)才发挥其功效,在人体内出现体液免疫、细胞免疫或细胞介导免疫。[编辑本段] 起源与发展 在10世纪时,中国发明了种痘术,用人痘接种法预防天花,这是人工自动免疫预防传染病的创始。种痘不仅减轻了病情,还减少了死亡。17世纪时,俄国人来中国学习种痘,随后传到土耳其、英国、日本、朝鲜、东南亚各国,后又传入美洲、非洲。1796年英国人E.詹纳发明接种牛痘苗方法预防天花,他用弱毒病毒(牛痘)给人接种,预防强毒病毒(天花)感染,使人不得天花。 此法安全有效,很快推广到世界各地。牛痘苗可算作第一种安全有效的生物制品。微生物学和化学的发展促进了生物制品的研究与制作。19世纪中期,“免疫”概念已基本形成。1885年法国人L.巴斯德发明狂犬病疫苗,用人工方法减弱病毒的致病毒力,做成疫苗,被狂犬咬伤的人及时注射疫苗后,可避免发生狂犬病。巴斯德用同样方法制成鸡霍乱活疫苗、炭疽活疫苗,将过去以毒攻毒的办法改为以弱制强。D.E.沙门、H.O.史密斯等人研究加热灭活疫苗,先后研制成功伤寒、霍乱等灭活疫苗。19世纪末日本人北里柴三郎和德国人贝林,E.(A.)用化学法处理白喉和破伤风毒素,使其在处理后失去了致病力,接种动物后的血清中和相应的毒素,这种血清称为抗毒素,这种脱毒的毒素称为类毒素。R.科赫制成结核菌素,用来检查人体是否有结核菌感染。抗原—抗体反应概念的出现,有助于临床诊断。这些为微生物和免疫学发展奠定了基础,继续发展出各种生物制品,在预防疾病方面越发显得重要,是控制和消灭传染病不可缺少的手段之一。 中国的生物制品事业始于20世纪初。1919年成立了中央防疫处,这是中国第一所生物制品研究所,规模很小,只有牛痘苗和狂犬病疫苗,几种死菌疫苗、类毒素和血清都是粗制品。中华人民共和国成立后,先后在北京、上海、武汉、成都、长春和兰州成立了生物制品研究所,建立了中央(现为中国)生物制品检定所,它执行国家对生物制品质量控制、监督,发放菌毒种和标准品。后来,在昆明设立中国医学科学院医学生物学研究所,生产研究脊髓灰质炎疫苗。生物制

优秀教案(基因工程及其应用 第2课时)

第2课时 ●教学过程 [课前准备] 1.教师准备 (1)教师将听证会规则、程序、角色扮演的程序和具体要求以及评价标准复印好,分发给各学习小组。 (2)教师整理《转基因生物和转基因食品利弊争论的要点》,印发给各学习小组。 (3)收集转基因生物和转基因食品安全性的资料信息,转基因生物技术的利弊关系的资料,请有关专家学者到学校做有关基因工程知识的讲座。 (4)教师设计并参与制作计算机教学课件,在校园网上制作网页,查找大量资料,完善网页内容,建立内容丰富的“基因工程知识资源库”。 (5)教师根据学生的资料准备状况、知识的准确性、抢答的积极性、讲述的条理性、姿态的自然性、课件的美观性编制《学生听课记录和评价表》。 (6)教师编制《研究性学习课题研究专题报告》。 2.学生准备 (1)学生预习教材,对教材中的内容做宏观地了解。 (2)利用课余时间,通过看书、看报及看电视,收集有关基因工程的成果与发展前景的资料或信息并制成课件,也可以走访有关的专家、学者了解该内容。 (3)分组预习并完成教师下发的有关资料。 (4)按听证会的要求摆好课桌椅,根据各小组的选择按辩论的正方和反方分成左右两个大组。 [情境创设] 教师:通过课件向学生展示基因工程给人类带来巨大成就的图片。同时述说如下:基因工程自1973年诞生后,由于基因工程技术具有可以直接控制基因,将基因从一个物种转移至另一个物种,创造出新的物种或新的品种的显著特点,也就是说,可按照人们的主观愿望,创造出自然界中原先并不存在的新的生物类型,使人类从单纯地认识生物和利用生物的传统模式跳跃到随心所欲改造生物和创造生物的新时代。经过30多年的发展历程,取得了惊人的成绩,特别是近10年来,基因工程的发展更是突飞猛进。基因转移、基因扩增多技术的应用,不仅使生命科学的研究发生了前所未有的变化,而且在实际应用领域中,为农牧业、食品工业、医药卫生、环境保护等方面开拓了广阔的发展前景。 今天就由同学们来阐述自己的认识和看法。 [师生互动] 教师:首先请各小组汇报课前收集到的有关基因工程应用的事例资料。 学生分组汇报并交流课前收集资料的情况。 学生1:基因工程在农业上的应用主要表现在两方面: (1)通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物。 (2)用基因工程的方法可培育出具有各种抗逆性的作物新品种。现在已培育出一批分别具有抗病、抗虫、抗除草剂、抗盐碱、抗病毒、抗干旱等性状的转基因农作物。1996至2000年的短短五年间,全球转基因作物从170×104 hm2发展到4 420×104 hm2,其推广速度是前所未有的…… 学生2:基因工程在畜牧养殖业中的应用 基因工程在畜牧养殖业上的应用也具有广阔的前景,科学家将某种特定基因与病毒DNA构成重组DNA,然后,通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中,并由这种受精卵发育成新个体,这就是我们在前面提到的转基因动物。通过转基因动物人们

基因工程的应用

基因工程技术的应用和前景 【摘要】基因工程问世以来短短的二十年,显示出了巨大的活力,今后基因工程将重点开展基因组学、基因工程药物、动植物生物反应器和环保等方面的研究,展望未来,基因工程的前景将是更加灿烂辉煌。基因工程研究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域。【关键词】基因工程技术前景现状 随着基因工程技术的迅速发展,通过克隆或筛选出来的富基因,转到作物中进行表达,已取得很大的进展。由于基因工程运用DNA分子重组技术,能够按照人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体,具有新奇遗传性状的新型产物,增强了人们改造动植物的主观能动性、预见性。而且在人类疾病的诊断、治疗等方面具有革命性的推动作用,对人口素质、环境保护等作出具大贡献。所以,各国政府及一些大公司都十分重视基因工程技术的研究与开发应用,抢夺这一高科技制高点。其应用前景十分广阔。我国基因工程技术尚落后于发达国家,更应当加速发展,切不可坐失良机。 但是,任何科学技术都是一把“双刃剑”,在给人类带来利益的同时,也会给人类带来一定的灾难。比如基因药物,它不仅能根治遗传性疾病、恶性肿瘤、心脑血管疾病等,甚至人的智力、体魄、性格、外表等亦可随意加以改造;还有,克隆技术如果不加限制,任其自由发展,最终有可能导致人类的毁灭。还有,尽管目前的转基因动植物还未发现对人类有什么危害,但不等于说转基因动植物就是十分安全的,毕竟这些东西还是新生事物,需要实践慢慢地检验。转基因生物和常规繁殖生长的品种一样,是在原有品种的基础上对其部分性状进行修饰或增加新性状,或消除原来的不利性状,但常规育种是通过自然选择,而且是近缘杂交,适者生存下来,不适者被淘汰掉。而转基因生物远远超出了近缘的范围,人们对可能出现的新组合、新性状会不会影响人类健康和环境,还缺乏知识和经验,按目前的科学水平还不能完全精确地预测。所以,我们要在抓住机遇,大力 1、植物基因工程成果丰硕 自1983年首次获得转基因烟草、马铃薯以来,短短十余年间,植物基因工程的研究和开发进展十分迅速。国际上获得转基因植株的植物已达100种以上,包括水稻、玉米、马铃薯等作物;棉花、大豆、油菜、亚麻、向日葵等经济作物;番茄、黄瓜、芥菜、甘蓝、花椰菜、胡萝卜、茄子、生菜、芹菜等蔬菜作物;首楷、白三叶草等牧草;苹果、核桃、李、木瓜、甜瓜、草荀等瓜果;短牵牛、菊花、香石竹、伽蓝菜等花卉以及杨树造林树种。转基因植物研究取得了令人鼓舞的突破性发展。十

基因工程在生物制药技术中的应用

基因工程在生物制药技术中的应用 摘要 本文简述了基因工程在生物制药技术中的应用进展,主要对包括基因工程制药的流程,基因工程制药的技术手段,基因工程在药物生产中的应用,以及基因工程在新药开发中的应用等进行了介绍,随着对基因工程研究的不断深入,基因工程将会更多的应用在制药领域当中,并发挥不可替代的作用。 Application of biopharmaceutical in genetic engineering techniques This thesis describes the techniques progress of application about the genetic engineering in the biopharmaceutical, introducting what contain the processes of genetic engineering pharmaceutical , the technical means of genetic engineering pharmaceutical, and application of genetic engineering in new drug development and so on. With the research on genetic engineering increasing. Genetic engineering will be more applicated in the pharmaceutical sector and play an irreplaceable role. 1.基因工程制药 基因工程制药是指按照人们的意图, 将外源基因整合入宿主基因组中, 表达具有生物学活性的蛋白药物。基因工程技术的迅速发展不仅使医学基础学科发生了革命性的变化, 也为医药工业发展开辟了广阔的前景, 以DNA重组技术为基础的基因工程技术改造和替代传统医药工业技术已成为重要的发展方向【1】。 2.基因工程制药的流程 获得目的基因( DNA特定片段)→选择基因的合适运载体( 另一种DNA 分子) 组建重组质粒→( 将重组DNA 引入细菌或动植物细胞并使其增殖) 构建工程菌( 或细胞) →培养工程菌→( 蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、细胞生长因子及单克隆抗体等) 产物分离纯化、除菌过滤→半成品检定→成品检定→包装。 3.基因工程制药的技术手段 3.1 PCR技术 聚合酶链式反应【2】是一种在体外模拟天然DNA复制过程的核酸扩增技术。该法由Mullis等人于1985年发明, 并于1993年获得了诺贝尔化学奖。PCR 技术可分为定性PCR和定量PCR。定性PCR 技术包括: 反转录PCR (RT-PCR), 是从非常少量的mRNA样品构建大容量cDNA文库的方法,还发展出实RT2PCR用于定量实验【3】;多重PCR(multiplex PCR),是指在同一PCR 反应体系中加入多对不同的引物,以扩增同一模板的不同区域;反向PCR,该法可以对一个已知DNA片段两侧的未知序列进行扩增和研究;锚定PCR,现称为cDNA末端快速扩增技术【4】。定量PCR技术以实时PCR为代表, 其基本原理是在PCR反应体系中引入荧光标记分子,对每一反应时刻的荧光信号积累进行实时监测,计算出PCR产物量,或通过标准曲线法得出初始模板量。 3.2 基因芯片 基因芯片, 是生物芯片的一种, 其基本技术包括: 核酸方阵的构建、样品的制备、杂交和杂交图谱的检测及读出。根据用途不同可分为表达谱芯、测序芯片和诊断芯片。其中表达谱芯片的应用最为广泛, 可用于基因功能分析、疾病发生机制的探讨及药物研究和筛选【5】。( 1)确定药靶基因: 通过比较正常细胞与异常细胞表达谱之间的差异, 从而确定药靶基因。( 2) 监测药物治疗前后的基因表达变化:该监测可有3方面的作用。一是用于研究药物作用机制,

6.2---基因工程及其应用(一)

6.2---基因工程及其应用(一)

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

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 拓展延申 基因工程技术 一、基因工程诞生的理论依据 (1)DNA是遗传物质 不同基因具有相同的物质基础。地球上的一切生物,从细菌到高等动物和植物,直至人类,它们的基因都是一个具有遗传功能的特定核苷

酸序列的DNA片段。而所有生物的DNA的基本结构都是一样的。因此,不同生物的基因(DNA 片段)原则上是可以重组互换的。 虽然某些病毒的基因定位在RNA上,但是这些病毒的RNA仍可以通过反转录产生。DNA 并不影响不同基因的重组或互换。 A:肺炎双球菌转化实验 1944年美国微生物学家Avery,通过细菌(肺炎链球菌)转化(有毒与无毒)研究确定了基因的分子载体是DNA,而不是蛋白质。 B:噬菌体转染实验 1952年Alfred Hershy和Marsha Chase用标记物的噬菌体(P32和S35)感染大肠杆菌,发现只有P32标记的DNA注入寄主细胞才能繁殖下一代进一步证明遗传物质是DNA。 (2)DNA双螺旋结构 1953年James D. Watson和Francis H. C. Crick揭示了DNA分子的双螺旋结构和半保留复制机制。 (3)中心法则和遗传密码 遗传密码是通用的。一系列三联密码子(除极少数的几个以外)同氨基酸之间的对应关系,

生物制品

生物制品 第一章生物制品概述 一、生物制品的概念:生物制品是以微生物、细胞、动物或人源组织和体液等为原料,应用传统技术或现代生物技术(以基因工程、细胞工程)制成,用于人类疾病的预防、治疗和诊断的药品。 二、分类:根据不同的标准有不同的分类 (一)按照其用途分为以下三大类: 1、预防用生物制品:这类主要是疫苗。还有类毒素。 2、诊断用生物制品 3、治疗用生物制品:包括抗血清、抗毒素、微生态制剂、免疫制剂如干扰素、细胞因子等。 (二)按制备方法及物理性状分类: 1、粗制品(普通制品):未经浓缩纯化的生物制品,如普通的结核菌素,用的较少。 2、精制品:将粗制品用物理或化学方法除去无效成分,进行浓缩提纯制成精制品。如精制破伤风类毒素及抗毒素、精制人白细胞干扰素、提纯的结核菌素(PPD)等。 3、多联多价制品:一种剂型的成分包括几个同类制品者称多联制品;一种剂型的成分包括同一制品的不同群、型别者称多价制品。如犬六联苗可预防犬瘟热病、犬细小病毒病、犬钩端螺旋体病、传染性肝炎、传染性支气管炎和副流感病。 4、液态制品:一些疫苗、诊断试剂如血清等是液体状的生物制品。如大多数灭活疫苗、新型疫苗等。 5、冻干制品:是将液体制品经真空冷冻干燥制成的固体制品。这类制品有利于保存、运输和使用,几乎所有活菌苗、减毒活疫苗都为冻干制品。 6、吸附制品(佐剂制品):在液体制剂中加入氢氧化铝或磷酸铝等佐剂后制成。这类制品具有延长刺激时间(使抗原缓慢释放持续刺激机体)、增强免疫效果和减少注射次数及剂量等优点。 三、生物制品的发展前景 1、改善和提高现有传统疫苗的质量,改进品种结构 (1)由于超强毒和变异毒株的出现,传统疫苗预防接种难以起到很好的免疫保护作用。因此,研制新一代更有效的多血清型或亚型的疫苗将是发展的方向。 另一方面是一些毒力偏强的疫苗将严格限制使用或禁止使用。需要通过新技术研制出毒力更弱、更为安全稳定的疫苗。 (2)迫切需要研究开发高效的多联多价灭活疫苗,以达到一针防多病的目的。 (3)调节体内正常菌群及免疫机能的微生态制剂的研制开发将成为新的热点。 2.研制针对新疫病的疫苗 近些年来,一些严重危害养殖业的传染病,如鸡传染性贫血、网状内皮组织增生病、鸡淋巴细胞白血病(特别是以侵害肉鸡为主的I型白血病)、传染性腺胃炎、猪繁殖与呼吸障碍综合症、传染性脑脊髓炎、猪细小病毒病以及断奶仔猪多系统衰竭综合症等相继传入我国,已给我国养殖业造成了巨大的经济损失。人类也有新的疫病产生:如禽流感、SARS等。为了预防控制这些疾病和更多的新病,根据各种疾病的流行特点和免疫机理研制出安全有效的疫苗,将成为当前和今后相当一段时间的主要研究任务。 3、研制高效的新型疫苗 随着分子生物学、分子免疫学、分子遗传学的发展与基因工程技术的应用,研究开发新型疫苗是21世纪的主导方向。 21世纪我国疫苗研制将会发生革命性的变化。以分子生物学技术为基础的新一代兽用疫苗将会大范围投放市场,这些疫苗以基因工程疫苗为主体,包括亚单位疫苗、合成肽苗、抗独特型抗体疫苗、基因缺失疫苗、核酸疫苗以及转基因植物可食疫苗。 4、与疫苗直接相关的新型佐剂、免疫增强剂、活疫苗耐热保护剂的研究开发将成为热门 优良的免疫佐剂和免疫增强剂是提高传统疫苗和基因工程疫苗免疫效力必不可少的,特别是基因工程疫苗,因其免疫原性相对弱些,更需要好佐剂予以辅之。①脂质体。②MF59佐剂。③免疫刺激复合物佐剂。

生物制品学复习题

生物制品学复习题 一.名词解释(每小题2分,总分20分) 生物制品:指采用现代生物技术手段人为地创造一些条件,借用某些微生物、植物或动物体来生产某些初级代谢产物或次级代谢产物,或利用生物体的某一组成部分,制成作为诊断或治疗或预防疾病或达到某种特殊医学目的的医药用品。灭活疫苗:又称死疫苗,是指利用加热或甲醛等理化方法将人工大量培养的完整的病原微生物杀死,使其丧失感染性和毒性而保持其免疫原性,并结合相应的佐剂而制成的疫苗。 减毒活疫苗:又称弱毒疫苗,是指将微生物的自然强毒株通过物理的、化学的和生物学的方法,连续传代,使其对原宿主丧失致病力,或只引起亚临床感染,但仍保持良好的免疫原性、遗传特性,用这种毒株制备的疫苗就叫减毒活疫苗。亚单位疫苗:是指提取或合成细菌、病毒外壳的特殊蛋白结构,即抗原决定簇制成的疫苗,这类疫苗不是完整的病毒,是病毒的一部分物质,故称亚单位疫苗。 细胞因子:是一组由机体的免疫细胞和非免疫细胞合成和分泌的小分子或中等分子量的可溶性蛋白质(多肽)与糖蛋白。合成肽疫苗:也称表位疫苗,是指使用化学方法合成能够诱发机体产生合成免疫保护的多肽制成的疫苗。 微胶囊疫苗:也称可控缓释疫苗,是指使用微胶囊技术将特定抗原包裹后制成的疫苗,是一种使用现代材料和工艺技术改进现有

疫苗的剂型,简化免疫程序提高免疫效果的新型疫苗。 死菌疫苗:又称灭活疫苗,是指通常采用自然强毒菌株或标准菌株人工大量培养后,经加热处理或福尔马林、戊二醛、内酯等化学处理而制成。须加佐剂以提高其免疫效果。 单克隆抗体:将抗体产生细胞与具有无限增值能力的骨髓瘤细胞相融合,通过有限稀释法及克隆化使杂交瘤细胞成为纯一的单克隆细胞系,此细胞系能产生结构和特异性完全相同的高纯度抗体。这种抗体是针对一个抗原决定簇的抗体,又是单一的B淋巴细胞克隆产生的,故称为单克隆抗体。 血液代用品:是指具有载氧功能、维持血液渗透压和酸碱平衡及扩充容量的人工制剂。 人HCG:人绒毛膜促性腺激素是妇女在妊娠时由胎盘滋养层细胞合成和分泌的一种异源二聚体糖蛋白激素。 基因工程抗体:又称重组抗体,是指借助DNA重组技术和蛋白质工程技术,按人们的意愿在基因水平上对Ig进行切割、拼接或修筛,重新组装而成的新型抗体分子。 普通冰冻血浆:又称冷冻血浆(FP),将保存期内过期不满5天的抗凝全血或保存期满1年的新鲜冷冻血浆在4度条件下离心后分出的血浆迅速用—30度冰箱或速冻冰箱将血浆速冻成块,并冻存在—20度以下,由此制得的血浆称为冷冻血浆。血浆蛋白制品:是指从人血浆中分离制备的有明确临床疗效和应用意义的蛋白制品的总称,国际上将这部分制品成为血浆衍生物。

生物制品学复习题

生物制品学复习题 名词解释 生物制品:指采用现代生物技术手段人为地创造一些条件,借用某些微生物、动物或动物体来生产某些初级或次级代谢产物,或利用生物体的某一组成部分,制成作为诊断或治疗或预防疾病或达到某种特殊医学目的的医药用品,统称为生物制品。灭活疫苗:又称死疫苗,是指利用加热或甲醛等理化方法,将人工大量培养的完整的病原微生物杀死,使其丧失感染性和毒性而保持其免疫原性,并结合相应的佐剂而制成的疫苗。 减毒活疫苗:又称弱毒疫苗,是指将微生物的自然强毒株通过物理的、化学的和生物学的方法,连续传代,使其对原宿主丧失致病力或只引起亚临床感染,但仍保持良好的免疫原性、遗传特性,由此制备的疫苗称为减毒活疫苗。 亚单位疫苗:指提取或合成细菌、病毒外壳的特殊蛋白结构及抗原决定簇制成的疫苗。因不是完整病毒而是病毒的一部分物质,故称亚单位疫苗。 细胞因子:是一组由机体的免疫细胞和非免疫细胞合成和分泌的小分子或中等分子量的可溶性蛋白质(多肽)与糖蛋白。 合成肽疫苗:也成为表位疫苗,是指用化学方法合成能够诱发机体产生免疫保护的多肽制成的疫苗。 微胶囊疫苗:也称可控缓释疫苗,是指使用微胶囊技术将特定的抗原包裹后制成的疫苗。 单克隆抗体:小鼠骨髓瘤细胞和经某抗原免疫过的免疫细胞融合后产生杂合细胞,可持续分裂并产生相应抗体,该抗体称单克隆抗体。 血液代用品:指具有载氧功能、维持血液渗透压和酸碱平衡及扩充容量的人工制剂。人HCG:人绒毛膜促性腺激素,是妇女在妊娠时由胎盘滋养层细胞合成并分泌的一种异源二聚体的糖蛋白激素。 基因工程抗体:根据研究者的意图在基因水平对Ig分子进行剪切、连接或修饰,甚至是在人工全合成后导入受体细胞表达,产生新型抗体,也成第三代抗体。 普通冰冻血浆:又称冷冻血浆,制备的血液来源于保质期内过期不满五天的抗凝全血或保存期满一年的新鲜冷冻血浆。 血浆蛋白制品:是指从人血浆中分离制备的有明确临床疗效和应用意义的蛋白制品的总称,国际上也称血浆衍生物。 冷沉淀:又称冷沉淀抗血友病因子。将约200ml新鲜冷冻血浆在1~6℃复融后留下冰渣状不溶性成分,迅速离心后得到白色沉淀物即“冷沉淀”,主要有效成分是凝血因子Ⅷ。 细胞工程:以细胞为基本单位,在体外条件下进行培养、繁殖,或人为地使用细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变,从而改变生物品种或创造新品种,加速繁育动植物个体,或获得某种更有用的活性物质或生物制品的过程。 基因工程疫苗:也称遗传工程疫苗,是指使用重组DNA技术克隆并表达保护性抗原基因,利用表达的抗原产物,或重组体本身制成的疫苗。 双特异性抗体:对天然抗体分子进行改造,把其他效应物如毒素、酶、细胞因子、受体分子通过一定方法与两种杂交抗体Fab片段或V区连接起来,使之既可与靶细胞结合,又可介导其他一些效应功能,从而最大限度杀伤靶细胞,这种具有双特异性的抗体分子就称为双特异性抗体。

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自然主动免疫指机体受到各种病原体隐性或显性感染后主动产生的特异性免疫。 自然被动免疫指机体经胎盘或初乳被动获得的特异性免疫。 根据作用分类 1、人工主动免疫用生物制品供预防用的疫苗、菌苗和类毒素。现在国际上把细菌、病毒、螺旋体、立克次体和类毒素等抗原性生物制品统称为疫苗。 2、人工被动免疫用生物制剂供治疗或紧急预防用的抗细菌、抗病毒、抗毒素血清及高免卵黄液。3、诊断液4、非特异性生物制剂及其它 免疫调节剂:(1)细胞因子:干扰素、白细胞介素、集落刺激因子、红细胞生成素;(2)转移因子。 疫苗由病原微生物、寄生虫所制成的,用于人工自动免疫用的生物制品,接种机体后能产生自动免疫、预防疫病的一类生物制剂均称为疫苗。 单价苗:利用同一种微生物菌(毒)株或同一种微生物的单一血清型菌(毒)株的培养物所制备的疫苗。 多价疫苗:利用同一种微生物两种以上血清型菌(毒)株的培养物而制备的疫苗。多价苗能使免疫动物获得较为安全的保护,且可在不同地区使用。 多联苗:指利用不同种微生物的增殖培养物或其代谢产物,按免疫学原理、方法组合而成的疫苗。是一种一针防多病的生物制剂。 同源疫苗;指利用所要预防的传染病的病原体本身或其弱毒及无毒变种制成的疫苗,而又应用于同种类动物免疫预防的疫苗。如鸡瘟、猪瘟等。 异源疫苗;)利用具有共同性保护抗原的异种微生物所制成的疫苗。如 (3)基因工程苗①基因工程亚单位苗:指利用基因工程技术所构建的重组表达载体在高效表达系统中表达出来的强毒病原体的某种免疫原性成分而制成的疫苗。②基因缺失苗或突变苗) :利用基因工程技术,在DNA水平上造成毒力有关基因的缺失或突变,即切去基因组中编码致病性物质的某一片段核苷酸序列或使其突变失活,使该微生物致病性丧失,但仍保持其免疫原性及复制能力。③基因工程活载体疫苗:将病原体的保护性Ag基因片段插入到活载体病毒或细菌的基因非必需区内而获得重组活载体疫苗。④DNA疫苗:又称核酸疫苗,是应用基因工程技术将编码某种抗原蛋白质的外源基因与载体重组后直接导入动物体内,利用免疫原基因在宿主体内表达出的抗原蛋白质引起机体的免疫应答,以达到预防和治疗疾病的目的。2、类毒素(:又称脱毒毒素,细胞在生长繁殖过程中所产生的外毒素,经化学药品(如0.3-0.4%甲醛)处理后,成为无毒性而保留其免疫原性的生物制剂。 3、诊断制品:利用微生物,寄生虫及其代谢产物或者含有特异性抗体的血清制成的生物制剂,用于传染病或寄生虫的诊断、群体检疫、检测免疫状态以病原体的鉴定。 诊断液包括两大类:(1)诊断抗原(2)诊断血清:是应用已知的Ab制剂去检测未知的Ag。包括一般的阳性血清、单克隆抗体、荧光抗体、酶标抗体及各种因子血清等诊断制剂。 4、抗病血清(antiserum): 又称高免血清,为含有高效价特异性抗体的血清制剂。 即动物经反复多次地免疫后,机体的体液尤其是血清中就产生大量抗此中抗原的抗体,采取次此种动物的血液分离所得血清,即为高免血清、免疫血清、抗血清。 疫苗生产的根本菌种--培养--灭活--配苗--分装--检验--临床应用 1.毒力鉴定凡用作制备灭活苗和效力检验攻毒用的强毒菌种,需要确定其对本动物及实验动物的致死剂量;弱毒菌种必须明确其致死和不致死实验动物的范围及对被接种动物的安全程度。 2.免疫原性鉴定将菌(毒)种制疫苗免疫实验动物,经1-3周后攻毒,观察其保护情况。 3.稳定性试验通过传代培养鉴定其毒力稳定与否。细菌20-30代,病毒10代以上。 一、细菌的规模化培养1、固体培养基表面培养法:属于手工操作。一般将种子液均匀地接种于固体培养基表面(平皿、大扁瓶),平放于室温内进行静置培养,培养完后弃去凝集水,收集菌落、菌苔制成混悬液。用于制备诊断抗原和疫苗,此法可根据需要调节细菌浓度,但产量受限制,且劳动强度大。2、液体静置培养法:此法适用于一般菌苗的生产。培养容器可用大玻璃瓶,也可用一般发酵罐。按容器的深度加入1/2-2/3的培养基,灭菌后接种种子液1%-2%,在一定温度下静止培养。厌氧培养时培养基加入约70%,并在灭菌后冷却至37℃,立即接种种子液,在厌氧条件下培养本法简便、但细菌浓度不高。 3、液体深层通气培养法:又称反应罐通气培养。本法能加速细菌的生长繁殖,提高菌苗的产量和浓度,缩短培养时间,适宜于大量的培养,是目前菌苗生产的主要方法。应注意: ?①补充营养物质:根据不同细菌的营养要求,在培养过程中,要适量补充营养物质,添加葡萄糖补充碳源;添加蛋白胨补充氮源,这样才能更好地发挥通气培养作用,增加菌数。?②通气供氧:通气量必需适当,对要培养的细菌特性,必须要预先进行测量,掌握一定的规律,再进行大量培养。空气中的氧是通过溶氧状态供细菌利用的,而氧容量与通气量、通气方式、搅拌装置和速度、温度等有关系,另外,不同细菌在不同的生长时期其需氧量也不相同,故必需预先测定,掌握最佳的通气量。通气量过大,不能增加氧容量,反而会增加消泡剂的用量。③控制最适生长的PH:④通入气体必须是无菌的: ?4、透析培养法:指培养液与培养基之间隔一层半透膜的培养方法。 这种透析膜只允许小分子量的营养成分透过,而不允许大分子的细菌或毒素通过,因此可使培养基中高浓度的营养物质通过透析膜扩散到接种有细菌的培养室内,使细菌在生长过程中,不断获得必需的营养物质。因此,该法可获得高浓度的细菌或毒素。 二、病毒的培养(一)动物培养法(二)禽胚培养法(三)细胞培养法 SPF 动物(specific pathogen-free animals, SPF),无特定病原体动物,指在一个动物群中,不存在某些特定的病原微生物和寄生虫的动物。接种途径:常用的途径有尿囊腔:9-11日龄 绒毛尿囊膜:11-13日龄卵黄囊:6-9日龄羊膜腔:10-12日龄 (三)细胞培养(2)细胞培养的方法 ①静置培养将细胞悬液接入培养瓶或培养板中置温箱内静置培养,细胞贴壁生长繁殖成单层后即可接毒②转瓶培养将细胞悬液接入转瓶后置于细胞转瓶机上进行培养,使贴壁细胞不始终浸于培养液中,从而有利于细胞呼吸和物质交换而加速细胞的生长。③悬浮培养通过振荡或转动装置使细胞始终分散悬浮于培养液内的培养方法。④微载体以细小的微载体颗粒作为细胞载体,通过搅拌悬浮于培养液内,使细胞在微载体表面长成单层的一种细胞培养技术。该方法扩大了细胞的附着面,能充分利用生长空间和营养液,因此大大提高了细胞的生长效率和产量。培养时多在发酵罐中进行,兼有单层和悬浮培养的优点。 3、细胞的制备抗原液的培养→灭活→浓缩(稀释)→与佐剂配苗→分装→检验 一、抗原液的培养1、细菌的培养菌种=>> 种子培养(纯粹检查、活菌计数)=>>>种子液=>>> 菌液培养2、病毒的培养动物培养法→组织灭活细胞培养法→细胞灭活苗鸡胚培养法→鸡胚灭活苗 二、灭活1、定义指破坏或杀灭微生物使其成为无生命物质的过程,即破坏微生物的生物学活性、繁殖能力及致病性,但尽可能保留其免疫原性。 (1)甲醛:占95%。甲醛为无色气体,易溶于水和乙醇,36-40%的水溶液称福尔马林,为无色液体,有刺激性气味。 其作用机制——甲醛的醛基作用于蛋白质的氨基、酰氨基及核酸上的嘌呤或嘧啶上的非氢键结合的氨基而形成交联,使微生物结构发生轻微的改变,但不影响其抗原性。 甲醛的常用浓度:一般需氧细菌:0.1-0.2%,最大达0.8%厌氧细菌:0.4-0.5%类毒素:0.4% 病毒:0.05-0.1%作用温度、时间为:37-38℃16-24h。:猪肺疫:0.1% 37-38℃7

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