第一篇：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]。

[参考文献] [1] Dixon R A.Natural products and plant disease resistance[J].Nature，2001，411(6839)：843.[2] Wink M，Schimmer O.Functions of plant secondary metabolites andtheir exploitation in biotechnology[M].Sheffield ： Sheffield Academic Press，1999：17.[3] Itokawa H，Morris-Natschke S L，Lee K H，et al.Plant-derived natural product research aimed at new drug discovery[J].J Nat Med，2008，62(3)：263.[4] Butler M S.The role of natural product chemistry in drug discovery [J].J Nat Prod，2004，67(12)：2141.[5] Newman D J，Cragg G M，Snader K M.Natural products as sources of new drugs over the period 1981-2002 [J].J Nat Prod，2003，66(7)：1022.[6] Oksman-Caldentey K M，Inze D.Plant cell factories in the post-genomic era ： New ways to produce designer secondary metabolites [J].Trends Plant Sci，2004，9(9)：433.[7] Balunas M J，A D Kinghorn.Drug discovery from medicinal plants[J].Life Sci，2005，78(5)：431.[8] Dixon R A，Steele C L.Flavonoids and isoflavonoids-A gold mine for metabolic engineering[J].Trends Plant Sci，1999，4(10)：394.[9] Hashimoto T，Yamada Y.New genes in alkaloid metabolism and transport[J].Curr Opin Biotech，2003，14(2)：163.[10] Colebatch G，Trevaskis B，Udvardi M.Functional genomics：tools of the trade[J].New Phytol，2002，153(1)：27.[11] 陈晓亚.植物次生代谢研究[J].世界科技研究与发展，2006，28(5)[12] 王永炎.中医药研究中系统论与还原论的关联关系[J].世界科学技术——中医药现代化，2007，9(1)：70.[13] Edwards R.No remedy in sight for herbal ransack[J].New Sci，2004，181(2429)：10.[14] Wu Jianyong，Zhong Jianjiang.Production of ginseng and its bioactive components in plant cell culture：Current technological and applied aspects[J].J Biotechnol.1999，68(2/3)：89.[15] Ramachandra R S，Ravishankar G A.Plant cell cultures：Chemical factories of secondary metabolites[J].Biotechnol Adv，2002，20(2)： [16] Vanisree M，Lee C Y，Tsay H S，et al.Studies on the production of some important secondary metabolites from medicinal plants by plant tissue cultures [J].Bot Bull Acad Sinica，2004，45(1)：1.[17] Verpoorte R A，Contin，Memelink J.Biotechnology for the production of plant secondary metabolites[J].Phytochem Rev，2002，[18] Mijts B N，Schmidt-Dannert C.Engineering of secondary metabolite pathways[J].Curr Opin Biotech，2003，14(6)：597.[19] Martin V J J，Pitera D J，Keasling J D，et al.Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids[J].Nat Biotechnol，2003，21(7)[20] Kaul S，Koo H L，Jenkins J，et al.Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana[J].Nature，2000，408(6814)：796.[21] Sasaki T.The map-based sequence of the rice genome [J].Nature，2005，436(7052)：793.[22] Rensink W A，Buell C R.Microarray expression profiling resources for plant genomics[J].Trends Plant Sci，2005，10(12)：603.[23] Jansen R C.Studying complex biological systems using multifactorial perturbation[J].Nat Rev Genet，2003，4：145.[24] Vij S，Tyagi A K.Emerging trends in the functional genomics of the abiotic stress response in crop plants ：Review article[J].Plant Biotechnol J，2007，5(3)：361.[25] Marnik V，Johan D P，Michiel J T van Eijk.AFLP-based transcript profiling(cDNA-AFLP)for genome-wide expression analysis[J].Nat Protoc，2007，2(6)：1399.[26] Busch W，Lohmann J U.Profiling a plant：Expression analysis in Arabidopsis [J].Curr Opin Plant Biol，2007，10(2)：136.[27] Bachem C W B，Visser R G F，R S van der Hoeven，et al.Visualization of differential gene expression using a novel method of RNA fingerprinting based on AFLP：Analysis of gene expression during potato tuber development[J].Plant J，1996，9(5)：745.[28] Reijans M，Lascaris R，Groeneger A O，et al.Quantitative comparison of cDNA-AFLP，microarrays，and genechip expression data in Saccharomyces cerevisiae[J].Genomics，2003，82(6)：606.[29] Breyne P，Dreesen R，Vandepoele K et al.Transcriptome analysis during cell pision in plants[J].Proc Natl Acad Sci USA，2002，99(23)：14825.[30] Sarosh B R，Meijer J.Transcriptional profiling by cDNA-AFLP reveals novel insights during methyl jasmonate，wounding and insect attack in Brassica napus[J].Plant Mol Biol，2007，64(4)：425.[31] Beranova G S.Proteome analysis by two-dimensional gelelectrophoresis and mass spectrometry：Strengths and limitations[J].Trac-Trend Anal Chem，2003，22(5)：273.[32] Chen S，Harmon A C.Advances in plant proteomics[J].Proteomics，2006，6(20)：5504.[33] Fiehn O.Metabolomics ——The link between genotypes and phenotypes[J].Plant Mol Biol，2002，48(1/2)：155.[34] Villas-Boas S G，Rasmussen S，Lane G A.Metabolomics or metabolite profiles?[J].Trends Biotechnol，2005，23(8)：385.[35] Schauer N，Fernie A R.Plant metabolomics：Towards biological function and mechanism[J].Trends Plant Sci，2006，11(10)：508.[36] 贾 伟，蒋 健，刘平，等.代谢组学在中医药复杂理论体系研究中的应用[J].中国中药杂志，2006，31(8)：621.[37] 齐炼文，李 萍，赵 静.代谢组学与中医药现代研究[J].世界科学技术——中医药现代化，2006，8(6)：79.[38] Sumner L W，Mendes P，Dixon R A.Plant metabolomics：Large-scale phytochemistry in the functional genomics era[J].Phytochemistry，2003，62(6)：817.[39] Dettmer K，Aronov P A，Hammock B D.Mass spectrometry-based metabolomics [J].Mass Spectrom Rev，2007，26(1)：51.[40] Dunn W B，D I Ellis.Metabolomics：Current analytical platforms and methodologies[J].Trac-Trend Anal Chem，2005，24(4)：285.[41] Poulev A，Neal J M O，Logendra S，et al.Elicitation，a new window into plant chemopersity and phytochemical drug discovery[J].J Med Chem，2003，46(12)：2542.[42] Zhao J，Davis L C，Verpoorte R.Elicitor signal transduction leading to production of plant secondary metabolites[J].Biotechnol Adv，2005，23(4)：283.[43] Goossens A，Hakkinen S T，Laakso I，et al.A functional genomics approach toward the understanding of secondary metabolism in plant cells[J].Proc Natl Acad Sci USA，2003，100(14)：8595.[44] Rischer H，Orešič M，Seppänen-Laakso T，et al.Gene-to-metabolite networks for terpenoid indole alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus cells[J].Proc Natl Acad Sci USA，2006，103(14)：5614.[45] Yuan J S，Galbraith D W，Dai S Y，et al.Plant systems biology comesof age[J].Trends Plant Sci，2008.13(4)：165.[46] Yun D J，Hashimoto T，Yamada Y.Metabolic engineering of medicinal plants：Transgenic Atropa belladonna with an improved alkaloid composition[J].Proc Natl Acad Sci USA，1992，89(24)：11799.[47] Jouhikainen K，Lindgren L，Jokelainen T，et al.Enhancement of scopolamine production in Hyoscyamus muticus L.hairy root cultures by genetic engineering[J].Planta，1999，208(4)：545.[48] Lee M H，Jeong J H，Seo J W，et al.Enhanced triterpene and phytosterol biosynthesis in Panax ginseng overexpressing squalene synthase gene[J].Plant Cell Physiol，2004，45(8)：976.[49] Allen R S，Millgate A G，Chitty J A，et al.RNAi-mediated replacement of morphine with the nonnarcotic alkaloid reticuline in opium poppy[J].Nat Biotechnol，2004，22(12)：1559.[50] Ogita S，Uefuji H，Yamaguchi Y，et al.Producing decaffeinated coffee plants[J].Nature，2003，423(6942)：823.[51] Van Der Fits L，Memelink J.ORCA3，a jasmonate-responsive transcriptional regulator of plant primary and secondary metabolism[J].Science，2000，289(5477)：295.[52] Goossens A，Hakkinen S T，Laakso I，et al.Secretion of secondary metabolites by ATP-binding cassette transporters in plant cell suspension cultures[J].Plant Physiol，2003，131(3)：1161.[53] 刘昌孝.代谢组学与医药科学研究[J].中国医学科学院学报，2007，29(6)：712.[54] 陈 竺.系统生物学——21 世纪医学和生物学发展的核心驱动力[J].世界科学，2005，5：3.

第二篇：基因工程在食品工业中的应用

基因工程在食品工业中的应用

摘要：生物技术发展日新月异，基因工程的应用已经渗透到工、农、衣、国防和环保等各个领域，深刻影响着人类的生活和社会的进程；当然，基因工程技术在食品中的应用也越来越广泛。它具有从本质上改变生物及食品性能的特性，因此越来越受到食品科技工作者的重视。本文阐述了基因工程的定义，详细介绍了基因工程食品的由来，并介绍了基因工程在食品原料改良中的应用；基因工程在食品发酵中的应用；基因工程在农副产品加工中的应用，同时，展望了基因工程技术在食品工业领域中的美好发展前景。

关键词：基因工程

食品工业

食品原料改良

食品发酵

农副产品

Application of genetic engineering in food industry Abstr act: Changing biotechnology and genetic engineering applications have penetrated into industry, agriculture, national defense, clothing, and the environmental protection and other fields, and deeply influenced the process of human life and society;Genetic engineering application in the food, of course, also more and more widely.It has essentially changed biological and food performance characteristics, so more and more brought to the attention of the food science and technology workers.This paper expounds the definition of genetic engineering, gene engineering was introduced in detail the origin of the food, and introduces the application of genetic engineering in food raw material improvement;The application of genetic engineering in food fermentation;Genetic engineering application in the agricultural and sideline products processing, at the same time, discussed in the field of genetic engineering in food industry good development prospects.Key word: Genetic engineering

food industry

food raw material improvement

food fermentation

agricultural and sideline products

一、基因工程的定义

狭义：指用体外重组DNA技术去获得新的重组基因；

广义：指按人们意愿设计，通过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。如用重组DNA技术，将外源基因转入大肠杆菌中表达，使大肠杆菌能够生产人所需要的产品；将外源基因转入动物，构建具有新遗传特性的转基因动物；用基因敲除手段，获得有遗传缺陷的动物等。

基因工程食品: 基因工程食品是指利用生物技术改良的动植物或微生物所制造或生产的食品、食品原料及食品添加剂等。它是针对某一或某些特性以突变、植入异源基因或改变基因表现等生物技术方式，进行遗传因子的修饰，使动植物或微生物具备或增强此特性，进而降低生产成本，增加食品或食品原料的价值，例如增强抗病性、改变营养成分，加快生长速度、增强对环境的抗性等

二、基因工程的发展史 基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于本世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。一般来说，基因工程是指在基因水平上的遗传工程，它是用人为方法将所需要的某一供体生物的遗传物质--DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源遗传物质在其中“安家落户”，进行正常复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。

三、基因工程在食品原料改良中的应用

（一)水化合物的改良

食品碳水化合物类食品方面利用基因工程来调节淀粉合成过程中特定酶的含量或几种酶之间的比例，从而达到增加淀粉含量或获得独特性质、品质优良的新型淀粉。例如：通过反义基因抑制淀粉分枝酶可获得完全只含有直链淀粉的转基因马铃薯。这样油炸后的产品更具有马铃薯的风味，更好的构质，较低的吸油量和较少的油味。

(二)油脂的改良

目前，控制脂肪酸链长的几个酶的基因和控制饱和度的一些酶的基因已被克隆成功，并用于研究改善脂肪的品质。如通过导入硬脂酸-ACP 脱氢酶的反义基因，可使转基因油菜 种子中硬脂酸的含量从 2%增加到 40%。而将硬脂酞 CoA 脱饱和酶基因导入作物后，可使转基因作物中的饱和脂肪酸(软脂酸、硬脂酸)的含量有所下降，而不饱和脂 肪酸(油酸、亚油酸)的含量则明显增加，其中油酸的含量可增加 7 倍。除了改变 油脂分子的不饱和度外，基因工程技术在改良脂肪酸的链长上也取得了实效。事实上，高油酸含量的转基因大豆及高月桂酸含量的转基因油料作物芥花菜(Canola)在美国已经成为商品化生产的基因工程油料作物品种。

(三)蛋白质的改良

食品中动植物蛋白由于其含量不高或比例不恰当，可能导致蛋白营养不良。采用转基因的方法，生产具有合理营养价值的食品，让人们只需吃较少的食品，就可以满足营养需求。例如，豆类植物中蛋氨酸的含量很低，但赖氨酸的含量很高；而谷类作物中的对应氨基酸含量正好相反，通过基因工程技术，可将谷类植物慕冈导入豆类植物，开发蛋氨酸含量高的转基因人豆。

（四）碳水化合物的改良

对碳水化合物的改进，只有通过对其酶的改变来调节其含量。高等植物体中涉及淀粉合成的酶类主要有: ADPP葡萄糖焦磷酸酶(ADP-GPP)、淀粉合成酶(SS)和分支酶(BE)。通过反义基因抑制淀粉分支酶，可获得完全只含直链淀粉的转基因马铃薯。Monsanto公司开发了淀粉含量平均提高了20%-30%的转基因马铃薯。油炸后的产品更具马铃薯风味、且吸油量较低。

四、基因工程在食品发酵中的应用

随着食品工业的发展，对酶、蛋白质、氨基酸、香精、甜味剂等原辅料的需求量大增，而这些原辅料传统上靠动植物供应，由于受气候、季节、生长期等因素的影响，供应鼍往往不能满足需要。现在基因工程技术已能将许多酶、蛋白质、氨基酸和香精以及其他多种物质的基冈克隆入合适的微生物宿主细胞中利用细菌的快速繁殖来大量生产。例如将牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物体内，由细菌生产这种动物来源的酶类，将解决奶酪工业受制于凝乳酶来源不足的问题；从西非发现的由植物果实中提取的甜味蛋自质(thaumatin)的DNA编码序列已经被克隆入细菌，以生产这种高效低热量新型甜味剂等。下面重点介绍基因工程程在啤酒工业、乳品工业方面的应用。

(一)啤酒工业

1、大麦的选育：

利用RF[，P(限制性片断长度多样性)技术对人麦进行抗病选育、Q一淀粉酶多基因族分析大麦醇溶蛋白的研究及品种鉴定。利用转基因技术将外源基因直接导入大麦，用于品种改良、抗虫和抗病选育，人们期待着基因重组技术能产生耐枯斑病等病害的大麦品种。

2、啤酒稻的选育：

大米是啤酒酿造中使用最广的辅料，但普通大米的用帚提高到30％以上时，麦汁中Q一氨基氮含量会不足而影响酵母的正常生长和发酵。利用基因转移技术、细胞融合技术等选育高蛋白、低脂肪、低NSP(非淀粉多糖)的稻品种，专门用于啤酒酿造，进一步提高辅料比例，降低生产成本。

3、啤酒酵母的改造：

利用粮食替代晶酿造啤酒的首选原料是纤维素因为纤维素自然界存量最多的有机物，某些真菌如平菇、香菇、灵芝、红曲霉等对纤维素有很强的分解能力，如果利用现代基因工程技术将这些真菌中控制纤维素酶，合成的基阗转移到啤酒酵母中去，那么啤酒酵母就能利用纤维素酿造啤酒，改变传统的啤酒生产中消耗大量的大麦和大米等粮食的局面。

(二)乳品工业

l、提高牛乳产量：

将采用基因工程技术生产的牛生长激素(BST)注射到母牛上，可提高母牛产奶量。目前利用DNA的克隆繁殖技术，把人垂体激素(ST)重组体互)陋UBST的mRNA中，利用外源BST来注射乳牛，可提高15％左右的产奶量，BST现已进入商业化领域。现在英、美等国都已采用BST来提高乳牛的产奶量，具有极大的经济效益，且对人体无害。

2、改善牛乳的成分：

利用13一半乳糖苷酶水解乳中的乳糖，对众多乳糖不耐症者是一个难得的好产品。可将编码通过基因工程技术将B一半乳糖苷酶基因转入GRAS级的微生物细胞作为宿主，在宿主调节基因的调控下，在发酵罐规模上生产表达有优良特性的13一半乳糖营酶基因。此外，针对矿乳白蛋白的mRNA，用核酸编码的转基因，使与乳糖合成有关的a_乳白蛋白(是乳糖产生的催化物质)的基因被淘汰，以此达到降低乳中乳糖含量的目的。

五、基因工程在农副产品加工中的应用

改良果蔬采收后品质增加其贮藏保鲜性能 随着对番茄、香蕉、苹果、菠菜等果蔬成熟及软化机理的深入研究和基因工程技术的迅 速发展，使通过基因工程的方法直接生产耐储藏果蔬成为可能。事实上，现在无论在国外还 是国内都已经有了商品化的转基因番茄。促进果实和器官衰老是乙烯最主要的生理功能。在 果实中乙烯生物合成的关键酶主要是乙烯的直接前体—l-氨基环丙烷一 1-梭酸合成酶(ACC 合成酶)和ACC 氧化酶。在果实成熟中这两种酶的活力明显增加，导致乙烯产生急剧上升，促进果实成熟。在对这两种酶基因克隆成功的基础上，可以利用反义基因技术抑制这两种基 因的表达，从而达到延缓果实成熟，延长保质期的目的。因此，利用反义基因技术可以成 功的培育耐储藏果蔬。目前，有关的研究正在继续进行，并已扩大到了草莓、梨、香蕉、芒 果、甜瓜、桃、西瓜、河套蜜瓜等，所用的目的基因还包括与细胞壁代谢有关的多聚半乳糖 醛酸酶(PG)、纤维素酶和果胶甲脂酶基因。反义PG 转基因番茄还具有更强的抗机械损伤和 真菌侵染能力，且有更高的果酱产率。

（六）、展望

目前，包括我国政府在内的各国政府对基因工程技术在农业和食品工业中的应用都制定了相关的管理条例，因此只要合理地使用，基因工程技术将是发展绿色食品产业的有效手段。基因工程技术是一门诞生不久的新兴技术，正如其它一些新技术的产生过程一样，由于人们一开始对新技术的了解程度不够，由此而产生的疑虑和争论是可以理解的，更何况基因工程技术研究的产品与人类健康息息相关。虽然现在对基因工程技术仍有许多争论，但目前科学界已基本上达成共识，即基因工程本身是一门中性技术，只要能正确地使用该项技术就可以造福于人类可以预言，在2l世纪，以基因工程为核心的生物技术必将给食品工业带来深刻的革命

参考文献

[1]林影、石磊、杜红丽.食品与基因工程.北京.化学工业出版社,2007.10 [2]周如金，郭华，彭志英.基因工程及其在食品中应用[J].2002，4:33．

[3]杨淑芳.发酵工程在农产品加工上的应用[J].农业工程技术，2007，(12)：1l-13． [4]江梅.生物技术的应用[J].生物学通报，1996，6：4-8．

[5]何水林.郑金贵.农业生物技术在作物品质改良中的应用[J]．福建农业大学学报,2000,(3):2O [6] 陈宗道,赵国华,李洪军等.食品基因工程研究进展[J].中国食物与营养，2000，4：14-16． [7] 汪秋安．基因工程食品[J]．广西轻工业，2003，6：5-6．

[8] 郑铁松,何国庆,应铁进.基因工程技术在食品品质改良中的应用[J].食品工业科技,2000,21(4):70-72．

[9] 伊国等 基因工程在食品工业中的应用进展，食品科技，2001年02期 [10] 吴乃虎.基因工程原理[M].北京：科学出版社，1999．

[11] 李淑侠，齐凤兰，李伯林.基因食品的研究进展[J].食品科学，2002，21(3)：6-10． [12]彭志英主编．食品生物技术[M]．北京：中国轻工业出版社，1999．8：26-33． [13] 邵学良.刘志伟 基因工程在食品工业中的应用 [期刊论文]-生物技术通2009(7)[14]贾士荣．转基因植物的环境及食品安全性[J]．生物工程进展．1997，6：38-42．

[15]张建全，张倩，马建军.基因工程技术在视食品工业中的应用[J].山东农业科学，2008，2:106-108.[16] El—Khateib T，Yousef A E．Ockerman H W．Inactivation and attachment of Listeria monocytogenes on beef muscle treated with lactic acid and selected bacteriocins[J]．J．Food Protect，1993，56：29-33．

[17] Uzogara，Stella G The impact of genetic modification of human foods in the 2 1 st century：A review[J]．Biotechnology Advances，2000，1 8(3)：179-2O6．

[18] De Vefies AG，Faucitano L，Soenicki A.The use of gene technology for optimal development of pork meat quality[J]．Food Chemistry，2000，69(4)：397-405．

[19] Marc Van Montagu, Jeff Schell(1935-2003): Steering agrobacterium-mediated plant gene engineering[J].Trends in Plant Science , 200

[20] El-Khateib T,Yousef A E,Ockerman H W.Inactivation and attachment of Listeria monecytogenes on beef muscle treated with lactic acid and selected bacteriecins[J].J.Food Protect, 1993, 56: 29-33.

第三篇：药用植物开发利用研究

药用植物的利用研究

摘要：药用植物的保护是世界性的课题，我国在药用植物开发利用领域上取得显著成就，但是，仍然存在许多问题，尤其在要用植物的保护以及可持续研究和开发利用上存在很大不足。因此，就药用植物资源的开发利用的问题上，应根据现状以及存在问题，有针对性的加以开发利用。同时在开发利用的过程中应注意资源的可持续。通过近年来我国药用植物资源研究现状的综述分析其存在的主要问题，同时提出合理开发利用的技术手段和措施并指出重视药用植物资源可持续发展的必要性。

关键词：药用植物，存在问题，生态资源利用，可持续发展

1.我国药用植物资源开发利用研究成果

建国63年来，药用植物资源的开发和利用己逐步形成多层次、多方位和多学科的研究和汗发的特点，取得了显著成果。

1.1药用植物的调查和整理

经过40余年的考察，已查明我国高等植物约3万种，居世界第3位，其中药用植物有11146种（包括9933种和1213种下单位），相继出版了一些具有代表性的大型著作，如《全国中草药汇编》（1975年）、《中药大辞典》（1977年）《新华本草纲要》（3卷）（1988年）、《中国本草图录》（12卷）（1988一1997年）、《中国中药资源志要》（1994年）、《中国中药区划》（1995年）等，使我国在药用植物的调查、整理和总结工作方面居于世界领先水平。

1.2 药用植物的引种裁培

目前，我国家种的大宗药用植物就有150多种，种植面积已达440多万亩，在选择育种、杂交育种、诱变育种及组织培养育种等方面进行了卓有成效的工作。据初步统计，49年来由野生转为家种的药用植物不下60种，主要的有防风、龙胆、柴胡、甘草、辽细辛、五味子、半夏、山茱萸、何首乌、天麻等，引种国外药用植物约30余种，重要的有颠茄、丁香、毛花洋地黄、古柯、安息香、大风子等。这些药用植物的引种成功，在数量和质量上满足了我国人民保健事业用药的需要，促进了我国医药卫生事业的发展，也丰富了引种驯化理论宝库。

1.3 重要药用植物资源的开发利用

在对全国药用植物资源进行调查和整理的基础上，对一些重要的药用植物进行了多学科的深入研究和开发利用，取得了显著的成果，如50年代中国科学院植物研究所利用植物分类与化学分类原理，找出萝芙木，取代了进口降压药利血平；根据《本草纲目》关于青蒿（黄花蒿治疟记载，从该植物中分离出青蒿素；中国科学院成都生物研究所研究野生薯蓣的活性成分，生产了治冠心病药“地奥心血康”，其年产值 1992年近1.3亿元；此外在罗布麻、沙棘、灵芝、绞股蓝、芦基、西洋参、天麻、三

七、千层塔等的资源开发利用方面也取得了显著的进展

从上述可以看到，我国药用植物资源开发利用的研究工作主要集中在“家底清查”和“重要资源开发”，这为今后的发展打下了坚实的基础和积累了丰富的经验，但是，随着现代文明的发展和人民生活质量的提高，对植物药品和产品提出了“安全、有效、可控、稳定”的更高要求，其核心就是要求提高药用植物资源的质量，这也就必然涉及药用植物资源中的“道地性”和“质量控制”等问题，加之生态环境的日益恶化，构成了当前及今后药用资源开发利用急待解决的问题。

2.药用植物资源当前利用形势

2.1 药用植物资源的破坏

尽管我国有得天独厚的优越条件，药材种类如此丰富，又具有浓厚的文化底蕴，但中药资源面临着严重的危机。我国古代传说中的灵芝、人参等被称为能起死回生的仙药现在已逐步退化。古代有名的“上当人参”主要产于山西、河北、河南、山东等地，他的发现和利用均早于东北人参，其药用价值也优于东北人参，但由于森林生态系统的破坏和数代人掠夺性的采挖，在明代就已绝迹，现存只有东北人参这一品种。自从发现了红豆杉能提取治癌的药物紫杉醇以后，我国西南和东北地区的野生紫杉属植物遭到毁灭性破坏。上百年的大树被扒

下树皮制成粗提物销到国外，甚至连小树也被锯掉制成碗、茶杯、酒杯或汤勺，而人们只知道能治癌、防癌，根本不知道紫杉醇在树木上不是活性的。20世纪80年代第三次全国重要资源普查的数据说明，中药资源的危机已经来临，有近30多种药材已处于濒临灭绝。

2.2 药材的退化

史料记载和文学作品以及传说中的中药材，往往具有浓厚的神话色彩，如《白蛇传》中的灵芝、史料记载中的贡品“上当人参”等，都具有非常好的药用价值，而为什么古时代的作用明显呢? 一方面是经过加工的夸大疗效，而野生资源的枯竭也是重要原因。中药往往是某种特定的自然环境所产生的野生品种最为有效。随着生态的破坏和人类掠夺性采挖，许多野生品种已经绝迹，往往正品被某些近缘物种所取代，有些取代品种甚至不属于同属同科，只是俗名叫法一样罢了。在中药材五加皮的使用中，习惯上同属的刺五加、无梗五加也做五加皮用，但近代五加皮已经绝迹，到20世纪70年代，市场上的五加皮已被萝藦科的杠柳根皮取代，而正品五加皮从此绝迹。

3.药用植物资源的可持续开发利用

3.1 药用植物资源的保护

全国建立了300 多个不同类型的自然保护区,如吉林长白山自然保护区、黑龙江五味子、防风和龙胆保护区。保护区内实现了保护和利用的有效结合,对资源紧张的药材采取“轮采轮育、边采边育、封山育药”等措施,加强资源管理,恢复和提高了资源的再生能力。

对一些生长条件特殊、生产力或繁殖力较低的野生濒危物种,产区可就地建立繁育基地,研究其生长习性,模拟其生长条件,逐步实现人工种植。如川贝母、肉苁蓉、绞股蓝、冬虫夏草等野生资源人工繁育已取得一定进展。此外,我国已建成杭州药用植物种质基因库、四川南川药用植物场、中国医学科学院药用植物资源开发研究所植物园等,为今后新品种选育和纯化工作提供了重要的物质基础。

目前大部分的野生药用资源都生长在保护区内，而它们又是当地群众赖以生存的物质基础，要可持续的利用好这些资源，首先离不开当地群众的参与，要改变把村民视为破坏资源的主体的主观意识，认同村民是资源管理的主要力量，与村民一道制定野生药用植物可持续利用管理的方案，指导村民进行科学采集、野生抚育和人工种植。让社区老百姓参与进去,打破社区和保护区的二元结构，共建和谐、可持续、共赢的局面。二是要积极想办法帮助社区群众开拓经济发展新路子，帮助社区群众提高收入，使群众从“靠山吃山”的生产方式中解放出来。通过一系列的社区扶助活动可以缓和保护区与社区之间的矛盾，改善双方的关系，社区也在长期的宣传教育下接受可持续利用的意识。

野生药用资源的合理开发利用和保护是一个复杂的系统工程，有关的法律法规体系、行政管理体系、技术措施、经济措施等方面需要协调、配套。野生药用资源既是一种特殊的资源又是一种特殊的产品，它是整个自然资源的一部分，不能脱离开整个自然资源而独立存在，它也是中药工业和中药商业。发展所依托的重要基础，要改变目前野生资源源头管理与发、利用、加工和产品销售管理脱节的问题，建立系统化的管理机制，一是涉及到的相关部门、特别是林业和保护机构都要纳入到这一管理系统中;二是要完善相关的法律、法规和政策，要避免政出多门所出现的法律、政策之间的冲突和矛盾;三是要制定对野生药用资源进行科学管理和开发利用的规划和制度，使野生资源的保护者受到奖励、野生资源的破坏者受到制裁、野生资源的使用者受到约束。

通过对药用野生植物资源的引种驯化，达到人工再生性优质种源，并形成社会生产力后，可有效地保护我国药用野生植物资源，实现对资源的永续利用和促进社会与经济的可持续发展。目前，我国的栽培药材仅占常用中药材品种的30% 左右，因此,中药材引种驯化和人工种植还有相当大的潜力，要按照中药材生产质量管理规范(GAP)的要求，建立中药材生产基地，使一些濒危、稀有的野生中药资源实现人工替代，以满足中药产业发展对原料的需求，缓解野生中药资源保护工作的压力，缓解市场供需矛盾。由于人工种植的适宜区主要是贫困山区和生态脆弱区，因此，在这些地区建立良种繁育基地、人工种植基地、人工抚育基地和规范化示范基地时，要结合山区特色农业产业的发展，促进当地群众的脱贫致富。同时需要注意的是，进行规范化、规模化的种植一定要注意保护野生药材资源、保护生态环境。

3.2 发展规范化栽培和药用植物综合研究

实现野生资源的有效保护，大力发展规范化栽培是实现药用植物资源可持续利用的根本

出路人类将来的生存和健康一大部分依赖对药用植物资源的合理开发和使用。为切实保护好药用植物的生物多样性，实现资源的可持续利用应做好如下工作： 加强野生药用植物资源的保护：实行植物的就地或迁地活体保存；利用现有的种质资源库或新建专用的药用植物种质资源库，进行种质的低温保存；在药用植物种质资源分布集中的地域，建立自然保护区；有效控制对野生药材资源的采挖；开展致危因子、繁殖特性等方面的研究。但很多濒危稀缺药用植物的野生资源蕴藏量已经很少，其资源的自我再生能力难以满足市场需求。对每一种来源于野生资源，大量开发使用的药用植物，研究它们成熟的栽培技术，建立产业化生产基地，是保证药用植物资源可持续利用最有效的手段。另一方面，面对当前天然产物开发的热潮，我们不能再走开发→资源破坏→濒危→保护→栽培的老路，对每一种正在开发利用的野生药用植物，都应未雨绸缪，研究它们的栽培技术，建立起相应的人工生产基地。目前这两种植物已开始大量种植，缓解了药源危机。一些重要的产自国外的药用植物也已在中国引种成功，如西洋参、白豆蔻、马钱子、丁香、番泻叶及非洲萝芙木等。目前中国的药用植物栽培正在经历一场革命。GAP即将颁布实施，近100种药材的规范化种植技术研究已启动。栽培药用植物正在走向规范化和产业化，将为国内外的天然药物及相关产品提供大量的标准化绿色原料。美国的植物药产业指南，欧洲的药用植物和芳香植物GAP，日本的药用植物栽培指针和汉方药GMP也都高度重视药用植物的规范化种植和质量控制，所有这些都将保证全世界药用植物开发利用的可持续性。

药用植物研究所是中国唯一从事药用植物综合研究的国家级科研院所。隶属中国医学科学院和中国协和医科大学。目前已形成了三个相辅相成，相互配套的研究方向和体系：从药用植物中开发新药、药用植物资源保护和药用植物栽培。多年来承担了国家研究课题200余项。其中的“西洋参大面积农田栽培技术研究”、“常用中药材品种整理及质量研究”、“八百种药用植物种子生理的研究”、“沙棘资源利用及系列产品开发”、“天麻种子与真菌共生萌发生长机理和纯菌种伴播技术研究”、“66种常用中药材质量标准及其对照品的研究”等获自然科学发明奖、国家科技进步奖等国家级成果奖，40余项成果获卫生部、国家中医药管理局等部级成果奖。发表论文上千篇，主持编写了《中药志》、《中国本草图录》、《中国药用植物栽培学》、《中国药用真菌学》、《中国天麻栽培学》、《质谱学》等专著30余部（卷），已被世界卫生组织确认为“世界卫生组织传统医学研究合作中心”，设有生药学科的博士点和硕士点。为中国药用植物资源保护和可持续利用做了大量的基础性研究工作。目前我们承担了全国药材种质资源收集的研究工作，以及甘草、麻黄、黄芪、党参、远志、柴胡、枸杞、板蓝根、白芍、桔梗、款冬花、黄芩等药用植物的规范化种植技术研究。为了更好地引导药用植物研究所在二十一世纪的发展，我们进一步明确了未来的发展方向：以我国药用植物资源、栽培的应用基础为重点，倡导原创性探索，加强以技术创新为主的基础研究，促进科技成果的转化，大力开展应用研究，努力成为国内外天然药物产业发展知识与技术保证体系中的重要力量。我们将加大在药用植物资源保护和可持续利用方面研究的力度，力争建立国家级中药材资源与栽培研究中心，成为药用植物种质资源保护保存、中药材标本保存、绿色中药材认证、野生药材资源状况动态监测、中药材种子种苗质量检测等方面研究的重要力量。

3.3 药用植物资源“地道性”与质量控制评价

“道地药材”是一个约定俗成的、古代药物标准化的概念，它以固定产地生产、加工或销售来控制药材质量，保证药材的货真质优，是古代对药用植物资源疗效的认知和评价，至今仍然对指导药用植物资源的开发和利用有着重要的借鉴意义和参考价值。如何用现代科学理论来阐明药材道地性的科学内涵，使之在指导药用植物资源开发和利用中发挥出更大的作用将是迫切需要研究的第二个命题。

对于药材道地性的研究，应该说，在几千种中药当中，是研究得比较多、比较深入的一部分（研究内容包括引种栽培、成分分析等），但距离阐明药材道地性的科学内涵还相差很远。因此，我们应该对过去的研究进行认真的总结和反思，寻找出解决问题的关键所在。建议用居群生态学和居群遗传学的方法研究上述特征及其影响因素，以使研究从药材来源于生物这一本质入手，从而更接近道地药材的本质。揭示道地药材的本质和科学内涵，对于开发和利用优质高效的药用植物资源，指导药用植物的人工栽培具有非常重要的意义。令人可喜的是目前已实施国家自然科学基金重点项目“道地药材的系统研究”，并设立了生物组，专门对上述问题进行研究。希望在不远的将来，对药材道地性的研究会有突破性的进展。

药用植物的化学成分受生长环境、采收季节、生长年限、贮藏和加工方法等随机因素的影响。现代科学已经证明，即使同一品种，因采收时间不同，其化学成分含量也有不同。尤其增加药用植物的质量评价难度的是药用植物化学成分很复杂，包括其赖以防治疾病的有效成分和辅助成分以及无效成分，并且有效成分只对某一种疾病为有效，而对另一种疾病则为辅助成分甚至是无效成分。因此，如何解决药用植物质量的控制和评价，将是搞好药用植物资源开发和利用的第三命题。

药用植物质量的控制和评价应建立在化学成分协同作用而产生传统疗效的基础上，不把各药用植物所含特征化学成分含量测定值的整体与该药用植物的种属和临床疗效全面相关。克服这个缺点要依靠科技进步。目前，中药质量化学模式识别研究就是运用分析化学、药理学和计算机科学的跨学科技术，以中药的传统形态学鉴定为线索，以重视药味协同作用的中药复方理论为指导，在研究阶段用计算机科学把化学成分含量测定值的整体与反映其疗效的药理作用相关以确定有效成分及其权重，而在常规应用阶段则仅用各有效化学成分的整体做质量控制指标。现已比较成功地对黄芩、厚朴、龙胆、威灵仙、大黄、人参、牡丹皮等进行了化学模式识别。相信这一方法能成为药用植物质量控制和评价的法定方法。

3.4 中药的现代化与保健

开发研制1种新的药物，西医需根据临床发现的病症特征、研究发病原因、查找治病的根原对病原进行化学成分分析,然后根据病原体的基因链组成,寻找打破其基因链的方法,再去用化学合成的方法，研制某种另外成分的化学制品,破坏病原,达到以菌治菌或以某种化学成分抑制另1种化学成分的过程。因此，西医绝大部分疗效确切，有效成分清楚,作用明显，但副作用较大。而中医的中药已经经过了数百年甚至上千年的临床试验，而且确实有效，唯一的工作就是中药的配方，以及对中药有效成分找出来，在理论上与西药接轨，达到国际标准。但传统的东西也很复杂，特别是对某一种中药的有效成分容易测定，而对几种中药配方混合后的有效成分的分析很难被国际认定，因此中药现代化任重而道远。在日常生活中，我们经常接触中药，如绿豆汤、菊花茶去火、黑豆明目、山楂生津开胃，有些饭店酒楼的药膳，止血、消炎、去火、滋补、止泻、排毒等举不胜举，中药与保健与人类生活密不可分。市场上的保健食品种类繁多，在回顾自然呼声的推动下，很多人在心理上的认识存在误区，盲目的选择保健食品，甚至把保健品当成治疗药物或包治百病，这都是不正确的。要根据的身体特点，有针对性、有目的选用适合自己的保健食品，而不要轻信广告的宣传或盲目滥买滥用。

4.总结语

中医药是我国民族医药的瑰宝,历史悠久,疗效确切,越来越受到世界各国的重视。目前,随着人民生活水平的提高和对回归大自然呼声的日益增长,人们对天然药物的向往和需求越来越强烈和迫切,加之目前大部分化学药物都具有一定的毒副作用,因此,对人类的健康产生较大的潜在影响和威胁,而天然药物往往具有确切而稳定的疗效和保健功能,一般较少有毒副作用,为此,世界各国越来越多地把健康和保健寄托在天然药物上。

我国拥有世界上最丰富的药用植物物种资源，现有有记载的药用植物11146种。目前我国药用植物资源的开发和利用己逐步形成多层次、多方位和多学科研究的特点，在选择育种、杂交育种、诱变育种及组织培养育种等方面都卓有成效。由于中医药产业的迅速发展导致药用植物资源开发过度，生物多样性遭到破坏，有相当一部分珍稀药用植物资源濒临灭绝。因此保护我国丰富的药用植物迫在眉睫，合理开发和利用药用植物资源刻不容缓。

参考文献：

[1]张卫明.现代中药研究与实践[J ].2004,(05).[2]彭勇，肖培根.中国药用植物资源开发利用研究的回顾与展望[J ].植物资源与环境，1993.[3]陈士林等.中国中药资源可持续发展体系构建[J ].中国中药, 2005,(15).[4]王年鹤，袁昌齐，吕晔等.药用植物稀有濒危程度评价标准的讨论[J ].中国中药杂志，1992.

第四篇：基因工程在废水处理中的应用与展望

基因工程在废水处理中的应用状况及展望

摘要：本文对现代基因工程技术在污水生物处理系统中的应用进行了概述, 利用基因工程技术提高微生物净化环境的能力是用于废水治理的一项关键技术。笔者就基因工程技术的原理、研究内容和在污水处理领域中的应用进行了阐述了，并对其研究方向作了展望。

关键字：基因工程，污水处理，应用

The application status of gene engineering technique to wastewater

treatment and its prospects

Abstract: The application of gene engineering technique in wastewater treatment process had been discussed in this paper, and gene engineering technique was the key technique for wastewater treatment by improving the purifying environment ability of microbes.The author formulated the principle, main research content of gene engineering technique, and the application of gene engineering technique in wastewater treatment, and discussed its research orientation in the end.Key words: gene engineering, wastewater treatment, application

生物法处理生活污水如今已被广泛的应用，但揭示污水中复杂微生态系统方面存在很大的局限性，并且有些特殊污水用自然界中自然进化的微生物难于降解，基因工程的引进开辟了培育高降解能力的新品菌种方法，利用基因工程技术检测微生物性状、提高微生物净化环境的能力是用于废水治理的一项关键技术。基因工程的定义

基因工程（genetic engineering）是指重组DNA技术的产业化设计与应用，包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组DNA技术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞或基因工程生物体的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。基因工程是利用重组技术，在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对各种生物的核酸（基因）进行改造和重新组合，然后导入微生物或真核细胞内，使重组基因在细胞内表达，产生出人类需要的基因产物，或者改造、创造新特性的生物类型。

一个完整的、用于生产目的的基因工程技术程序包括的基本内容有：（1）外源目标基因的分离、克隆以及目标基因的结构与功能研究。这一部分的工作是整个基因工程的基础，因此又称为基因工程的上游部分。（2）适合转移、表达载体的构建或目标基因的表达调控结构重组。（3）外源基因的导入。（4）外源基因在宿主基因组上的整合、表达及检测与转基因生物的筛选。（5）外源基因表达产物的生理功能的核实。（6）转基因新品系的选育和建立，以及转基因新品系的效益分析。（7）生态与进化安全保障机制的建立。（8）消费安全评价。基因工程技术在废水处理中的应用

环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力，已成为人们十分关注的问题。尤其是在污水处理方面，生物法逐渐成为废水处理的主要方法。但是由于废水的多样性及其成分的复杂性，自然进化的微生物降解污染物的酶活性往往有限。20世纪90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因，并赋予表达产物以新的功能，创造出全新的微生物，就可以定向获得具有特殊降解性状的高效菌株，方便有效地应用于水污染处理。因此，构建基因工程菌成为现代废水处理技术的一个重要研究方向，且日益受到人们的重视。

2.1 基因工程技术在污水检测中的应用

2.1.1 聚合酶链反应(PCR)技术在污水检测中的应用

聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)是20世纪80年代后期由K.Mullis等建立的一种体外酶促扩增特异DNA片段的技术，PCR是利用针对目的基因所设计的一对特异寡核苷酸引物，以目的基因为模板进行的DNA体外合成反应。由于反应循环可进行一定次数(通常为25~30个循环)，所以在短时间内即可扩增获得大量目的基因。这种技术具有灵敏度高、特异性强、操作简便等特点。PCR技术的基础是只有在微生物特定核酸存在的条件下，重复性酶促DNA合成和扩增才能够发生。PCR扩增产物可通过琼脂糖凝胶电泳来检验和纯化，也可以被用来克隆、转化和测序.在具体应用中往往采用经过修正的或与其它技术联合应用的PCR衍生技术，如RT-PCR、竞争PCR、PCR-DGGE、PCR-SSCP和巢式PCR等。

PCR通过对待测DNA片段的特异性扩增，一方面作为菌株定性鉴定的重要手段，同时也为定性和定量研究微生物的群落特征提供帮助。自PCR技术问世以来，通过其自身的不断完善以及同其它相关技术的联用，在污水生物处理微生物的检测和鉴定方面得到了长足的发展，为该领域的研究提供了一个高效、灵敏、简便的研究工具。应用PCR-DGGE(Polymerase Chain Reaction Denaturing Gradient Gel Electrphoreses)方法对环境微生物进行研究可以不经过培养，直接从样品中提取细菌的DNA，再将编码有16SrDNA的基因进行扩增。通过这种方法能够直接了解样品中微生物分布结构，并能大致比较相同条件下单一菌群的生物量。王峰等采用PCR-DGGE技术来分析活性污泥与生物膜中微生物种群的结构，可以不经过常规培养而直接从活性污泥和生物膜样品中提取DNA；Marsh等利用PCR-DGGE分析并获得了活性污泥中真核微生物的种群变化情况；Nicolaisen等利用PCR-DGGE技术发现Nitrosomonas-like细菌是上流式好氧流化床颗粒污泥中的主要氨氧化菌。以上的事实均说明，PCR-DGGE结合测序技术是一种完全可行的适于环境样品微生物研究的快速分析方法。

2.1.2 荧光原位杂交技术(FISH)技术在污水检测中的应用

荧光原位杂交技术(Fluorescence In Situ Hybridization，FISH)结合了分子生物学的精确性和显微镜的可视性，能够在自然的微生物环境中检测和鉴定不同的微生物个体，并提供污水处理过程中微生物的数量、空间分布和原位生理学等信息。FISH技术的基本原理是通过荧光标记的探针在细胞内与特异的互补核酸序列杂交，通过激发杂交探针的荧光来检测信号从而对未知的核酸序列进行检测。

Nielsen等(2001)对工业废水处理厂活性污泥的细菌表面疏水性进行了原位检测，并应用FISH技术结合细胞表面微球体分析研究了丝状细菌的胞外聚合物。Konuma等(2001)运用FISH法来测定氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria)的数量，结果表明，FISH法对氨氮含量高的活性污泥混合液检测结果较好，但对氨氮含量低的污水厂出水和河水的检测效果不佳。表1列举了FISH技术的一些应用实例。

表1 FISH技术在废水中微生物检测的具体应用实例

Table1 The applications of FISHin the microorganism detections in wastewater 应用

检测活化污泥反应器中的Microthrix parvicella 在EBPR系统中,考察聚磷菌(PAOs)的微

生物特性和生化特性

探明废水处理湿地生物膜中影响氨氧化的主要功能菌群

揭示UASB反应器中高温和中温颗粒污泥的厌氧微生物群落的空间分布和多样性 鉴定了活性污泥中硝化细菌群落的数量和空间分布

SBR反应器内,不同电子受体条件下,反 硝化除磷菌(DNPAOs)的种群变化

文献来源（Eberlet al.,1997)(Minoet al.,1998)(Silyn-Robertset al.,2001)(Sekiguchiet al.,2002;Syutsuboet al.,2001)(Coskuneret al.,2002)(Johuanet al.,2002)

2.1.3 DNA重组技术在污水检测中的应用

DNA重组技术的实质是，将两个或多个单独的DNA片段连接起来产生一个能在特定宿主中自主复制的DNA分子。其基本程序是:外源DNA的获得；选择载体并进行处理；将目的DNA片段和处理后的载体连接；将连接产物导入合适的宿主细胞内，使重组DNA分子在宿主细胞内复制扩增；将转化菌落在平板培养基上培养成单个菌落，筛选获得含有重组DNA的阳性克隆。在废水的处理过程中仅靠分离和筛选的功能性微生物是不够的。在混合的微生物群体中筛选特定的微生物菌种时往往得不到预期的结果；特定的微生物可能难以培养，从而无法应用到实际的生物反应器中；人类排放到环境中的污染物越来越复杂且难以处理。因此，有必要通过基因工程技术并根据具体的需要构建有效的基因工程菌或培育出可高效降解复杂多样的有害污染物的细菌来解决以上的问题。

2.2 利用基因工程菌降解废水中的有机污染物

生物处理法是废水中有机污染物降解的主要方法，但是部分难降解有机污染物需要不同降解菌之间的协同代谢或共代谢等复杂机制才能最终得以降解,这无疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代谢产物在不同降解菌间的跨膜转运是耗能过程,对细菌来说这是一种不经济的营养方式；其次,某些污染物的中间代谢产物可能具有毒性，对代谢活性有抑制作用；此外,将不同种属、来源的细菌的降解基因进行重组,把分属于不同菌体中的污染物代谢途径组合起来以构建具有特殊降解功能的超级降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力。

Satoshi Soda等[11]将基因工程菌P.putidaBH(pSl0-45)接种到SBR反应器的活性污泥中,用于处理500mg/L的苯酚废水,在大大提高苯酚去除率的同时改善了污泥沉降性能。南京大学、扬子石油化工有限责任公司、香港大学、国家环保总局南京环境科学研究所联合完成了跨界融合构建基因工程菌处理石化废水的生物工程技术。在优化调控技术的基础上,该菌株对二甲苯、苯甲酸、邻苯二甲酸、4-羧基苯甲醛和对苯二甲酸的降解率分别高达86%、94%、99%、97%和94%,比原工艺提高了20%～30%,总有机碳去除率达到了94%；污水经过处理后,铜、锰、锌、硒的浓度符合国家规定排放标准,生物毒性明显降低。

刘春等以生活污水为共基质,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反应器中对阿特拉津的生物强化处理效果,以及生物强化处理对污泥性状的影响。结果表明,基因工程菌在MBR中对阿特拉津具有很好的生物强化处理效果,阿特拉津平均出水浓度为0.84 mg/L,平均去除率为95%,最大去除负荷可以达到70mg/(L·d)。生物强化的MBR对生活污水中COD的平均去除率为71%,COD平均出水浓度65mg/L。

吕萍萍等研究发现，克隆有苯降解过程中的关键基因——甲苯加双氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)对苯具有较高的降解效率和降解速度,应用于固定化细胞反应器中效果突出。在较短的水力停留时间内,可以将1500mg/L苯降解70%,降解速度为1.11mg/(L·s),延长水力停留时间,可以使去除率达到95%以上。该反应器对高浓度的苯具有突出的处理效果。同时所得到的产物为环己二烯双醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。

2.3 基因工程技术在处理重金属废水中的应用

将基因工程技术应用于重金属废水的治理，就是通过转基因技术，将外援基因转入到微生物细胞中进行表达，使之表现出一些野生菌没有的优良的遗传性状。2.3.1基因工程菌强化生物化学法处理重金属废水

生物化学法指通过微生物处理含重金属废水,将可溶性离子转化为不溶性化合物而去除。硫酸盐生物还原法是一种典型生物化学法,该法是在厌氧条件下硫酸盐还原菌通过异化的硫酸盐还原作用,将硫酸盐还原成H2S,重金属离子和H2S反应生成溶解度很低的金属硫化物沉淀而被去除,同时H2SO4的还原作用可将SO2-4转化为S2-而使废水的pH值升高,从而形成重金属的氢氧化物而沉淀。中国科学院成都生物研究所从电镀污泥、废水及下水道铁管内分离筛选出35株菌株,从中获得高效净化Cr(VI)复合功能菌。

袁建军等利用构建的高选择型基因工程菌生物富集模拟电解废水中的汞离子,发现电解废水中其他组分的存在可以增大重组菌富集汞离子的作用速率,且该基因工程菌能在很宽的pH范围内有效地富集汞。但高浓度的重金属废水对微生物毒性大,故此法有一定的局限性,不过,可以通过遗传工程、驯化或构造出具有特殊功能的菌株,微生物处理重金属废水一定具有十分良好的应用前景。2.3.2 基因工程强化生物絮凝法处理重金属废水

生物絮凝法是利用微生物或微生物产生的具有絮凝能力的代谢物进行絮凝沉淀的一种除污方法。生物絮凝剂又称第三代絮凝剂，是带电荷的生物大分子，主要有蛋白质、黏多糖、纤维素和核糖等。目前普遍接受的絮凝机理是离子键、氢键结合学说。前述硅酸盐细菌处理重金属废水可能的机理之一就是生物絮凝作用。目前对于硅酸盐细菌絮凝法的应用研究已有很多[，有些已取得显著成果[7]。运用基因工程技术，在菌体中表达金属结合蛋白分离后，再固定到某些惰性载体表面，可获得高富集容量絮凝剂。

Mehran Pazirandeh等人将含金属结合肽(Cys．Gly．Cys—Cys．GIy)的基因与麦芽糖结合蛋白的基因进行融合，并将融合蛋白在E．coli细胞膜处表达，表达该融合蛋白的基因工程菌对人工合成废水中Cdz+和H +的去除率有很大的提高，Cdz 和H +的富集能力分别达到每毫克湿细胞1．1和1．3nmol，而对照菌株(缺少金属结合肽)的富集能力低于每毫克湿细胞0．1 nmol Masaaki Terashima 等利用转基因技术使 E.coli表达麦芽糖结合蛋白（pmal）与人金属硫蛋白（MT）的融合蛋白pmal-Ml并将纯化的 pmal-MT 固定在Chitopeara 树脂上，研究其对 Ca2+和 Ga2+的吸附特性，该固定了融合蛋白的树脂具有较强的稳定性，并且其吸附能力较纯树脂提高十倍以上。展望

自2000年，国际上提出基于系统生物学原理的基因工程概念后，基因工程被应用于社会各个领域，并且手段日新月异。在环境领域当中，基因工程正迅速应用到废水检测和废水治理当中，培养出新的特效物种并进一步提高其应用效率、降低应用成本。随着分子生物学技术、环境工程检测技术的发展并结合我们已经掌握的微生物群落结构和功能方面的知识,我们逐渐了解到污水生物处理系统中微生物群体的多样性、实际生存状态、功能特点,并更有效地对其加以开发和利用。此外，基因工程菌的出现，使以往的一些难降解有机废水、制药废水、石油废水、重金属污染废水以及其他有毒有害废水等都得到了有效地治理，还会实现废水资源化。当下引入DNA 扩增和其它生物技术的环境监测方法等将是基因工程技术研究的侧重方向。

基因工程技术作为一种新兴技术以极快的速度发展。以下两方面的研究将对水资源保护有着重要意义。一是对基因工程菌的深入研究,如基因工程菌对污染物的代谢途径、控制目的基因表达的启动子基因序列、降解基因表达的调控条件的优化等方面的研究；二是对环境中微生物的习性及基因工程菌与环境中微生物和污染物之间的相互作用进行研究。目前的研究主要是利用单一的基因工程菌对污染物进行处理,随着研究的不断深入,利用多种基因工程菌相结合对污染物进行处理,将对水资源保护起到更为重要的作用。参考文献

[1] 李向东，冯启言，于洪锋.基因工程菌在制药废水处理中的应用.工业水处理，2008, 28(8)：70-71.[2] 杨 林,聂克艳,杨晓容,高红卫.基因工程技术在环境保护中的应用.西南农业学报,2007,20(5):11-30.[3] 邢雁霞,刘斌钰.基因工程技术的研究现状与应用前景.大同医学专科学校学报,2006年第3期:48.[4] Johwan A, Tomotaka D, Satoshi T, et al.2002.Characterization of denitrifying phosphate-accumulating organisms cultivated under different electron acceptor conditions using polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis assay [J].Wat Res, 36:403—412.[5] Leo E, Renate S, Aldo A, et al.1997.Use of green fluorescent protein as a marker for ecological studies of activated sludge communities[J].Fems Microbiology Letters, 149(1):20:77—83.[6] Marsh TL, Liu WT, Forney LJ.1998.Beginning a molecular analysis of the eukaryal community in activated sludge [J].Wat Sci Tech, 37(4—5):455—460.[7] Metcalf, Eddy, Inc.2003.Wastewater Engineering: Treatment and Reuse(Fourth Edition)[M].Beijing: Tsinghua University Press:129—130.[8] Mette H N, Niels B R.2002.Denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE)approaches to study the persity of ammonia-oxidizing bacteria [J].Journal of Microbiological Methods, 50:189—203.[9] Wang F, Fu Y G.2004.Characteristics of municipal sewage chem-bioflocculation treatment process by using PCR-DGGE technology[J].Environmental Science,25(6):74—80(in Chinese).[10] Wang J, Chicharro M, Rivas G,et al.1996.DNA biosensor for the detection of hydrazines[J].Anal Chem, 68(13): 2251—2254.[11] Zhang D, Zhang D M, Liu Y P,et al.2004.Community analysis of ammonia oxidizer in the oxygen-limited nitritation stage of OLAND system by DGGE of PCR amplified 16S rDNA fragments and FISH [J].Journal of Environmental Sciences, 16(5):838—842.[12] Sellwood J,Litton P A,Mcdermott J,et al.1995.Studies on wild and vaccine strains of poliovirus isolated fromwater and sewage [J].Wat Sci Tech, 31(5—6):317—321.[13] Selvaratnam S, Shoedel B A, Mcfarland B L, et al.1997.Application of the polymerase chain reaction and reverse transcriptase/PCR for determining the fate of phond-degrading Pseudomonas putida ATTCC 11172 in a bio-augmented sequencing bath reactor [J].Appl Environ Microbiol, 47:236—240.[14] SimonT.1999.PCR and the detection of microbial pathogens in water and wastewater[J].Wat Res,33(17):3545—3556.[15] Zhao, X.W., M.H.Zhou, Q.B.Li, et al.Simultaneous mercury bioaccumulation and cell propagation by genetically engineered Escherichia coli[J].Process Biochemistry,2005, 40(5):1 611-1 616.[16] Satoshi, S., I.Michihiko.Effects of inoculation of a genetically engineered bacterium on performance and indigenous bacteria of a sequencing batch activated sludge process treating phenol[J].Journal of Fermentation and Bioengineering,1998,86(1):90-96.[17] 陆杰, 徐高田, 张玲, 等.制药工业废水处理技术[J].工业水处理,2001,21(10):1-4.[18] 刘春,黄霞,孙炜,王慧.基因工程菌生物强化MBR工艺处理阿特拉津试验研究.环境科学,2007年2月,第28卷,第2期:417-421.[19] 袁建军,卢英华.高选择性重组基因工程菌治理含汞废水的研究.泉州师范学院学报(自然科学).2003年11月,第21卷,第6期:71-72.[20] Masaaki Terashima,Noriyuki Oka,Takamasa Sei，et o1．Biotech．no1．Prog．，2002，18：1318—1323．

[21] Caroliaa S，Pave[K,Tomas R，et ．J Bacterio1．，1998，180（9、：2280—2284． [22] 吕萍萍,王慧,施汉昌,等.基因工程菌强化芳香化合物的处理工艺.中国环境科学

2003,23(1)：12-15.[23] Mehran P，Bridget M W，Rebecca L R．App1．Environ．Microbio1．，1998，64(10)：：4068-4072.[24] 徐雪芹，李小明，杨麒，等.固定化微生物技术及其在重金属废水处理中的应用 [J].环境污染治理技术与设备，2006，7（7）：99-105.

第五篇：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。十几年来，转基因植物这一技术日趋完善，在提高植物抗性、改良作物品质以及作为生物反应器生产有用的化合物等方面发展迅速。用于植物转基因的技术大体可分为三类:一是农杆菌介导的基因转移;二是以原生质体或细胞作为受体的直接基因转移，如用聚乙二醇(PEG)、电激仪、基因枪、离子束等方法将基因导人细胞或原生质体，进一步培养成转基因植物;三是种质系统的基因转移，如利用子房注射，花粉管通导等方法导人外源基因。建立各种植物转基因技术的同时，将一些具有实用价值的外源基因分别导人多种作物，获得了一批转基因植物。在抗病毒方面，将抗病毒基因导人烟草、黄瓜、首蓓和花生等作物后，植株都表现出不同程度的抗病能力。在抗细菌和真菌方面，已转育成功了抗白粉病、赤霉病和黄矮病的小麦，及抗青枯病的马铃薯;在抗虫方面，转Bt基因的作物已有烟草、番茄、马铃薯、水稻和棉花等，均有较好的抗虫效果，此外，在抗除草剂方面，抗早、抗寒、抗热、抗盐及在改善植物品质方面，都获得了相应的转基因植物。当然转基因技术如何达到高效、快速、简便、适应性广仍然是植物基因工程的一个重要限制因子。

2、基因工程在制药方面的应用

目前，以基因工程药物为主导的基因工程应用产业已成为全球发展最快的产业之一，发展前景非常广阔。基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核甘酸药物等。它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要作用。在很多领域特别是疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作用。我们最为熟悉的干扰素(IFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子，在临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。

目前，应用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中试，并进入临床验证阶段；专门用于治疗肿瘤的“肿瘤基因导弹”也将在不久完成研制，它可有目的地寻找并杀死肿瘤，将使癌症的治愈成为可能。由中国、美国、德国三国科学家及中外六家研究机构参与研制的专门用于治疗乙肝、慢迁肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的体细胞基因生物注射剂，最终解决了从剪切、分离到吞食肝细胞内肝炎病毒，修复、促进肝细胞再生的全过程。经4年临床试验已在全国面向肝炎患者。此项基因学研究成果在国际治肝领域中，是继干扰素等药物之后的一项具有革命性转变的重大医学成果。

迄今为止，基因工程还没有用于人体，但已在从细菌到家畜的几乎所有非人生命物体上做了实验，并取得了成功。事实上，所有用于治疗糖尿病的胰岛素都来自一种细菌，其DNA中被插入人类可产生胰岛素的基因，细菌便可自行复制胰岛素。基因工程技术使得许多植物具有了抗病虫害和抗除草剂的能力；在美国，大约有一半的大豆和四分之一的玉米都是转基因的。目前，是否该在农业中采用转基因动植物已成为人们争论的焦点：支持者认为，转基因的农产品更容易生长，也含有更多的营养（甚至药物），有助于减缓世界范围内的饥荒和疾病；而反对者则认为，在农产品中引入新的基因会产生副作用，尤其是会破坏环境。

诚然，仍有许多基因的功能及其协同工作的方式不为人类所知，但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鲑鱼长得比自然界中的大几倍、使宠物不再会引起过敏，许多人便希望也可以对人类基因做类似的修改。毕竟，胚胎遗传病筛查、基因修复和基因工程等技术不仅可用于治疗疾病，也为改变诸如眼睛的颜色、智力等其他人类特性提供了可能。目前我们还远不能设计定做我们的后代，但已有借助胚胎遗传病筛查技术培育人们需求的身体特性的例子。比如，运用此技术，可使患儿的父母生一个和患儿骨髓匹配的孩子，然后再通过骨髓移植来治愈患儿。

3、基因工程在环保方面应用

工业发展以及其它人为因素造成的环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力，已成为人们十分关注的问题。基因工程技术可提高微生物净化环境的能力。美国利用DNA重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4种菌体基因链接，转移到某一菌体中构建出可同时降解4种有机物的“超级细菌”，用之清除石油污染，在数小时内可将水上浮油中的2/3烃类降解完，而天然菌株需1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢杆菌、且表达成功。它能钉死蚊虫与害虫，而对人畜无害，不污染环境。现已开发出的基因工程菌有净化农药的DDT的细菌、降解水中的染料、环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的工程菌、降解土壤中的TNT炸药的工程菌及用于吸附无机有毒化合物(铅、汞、镉等)的基因工程菌及植物等。90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因，并赋予表达产物以新的功能，创造出全新的微生物，如可将降解某一污染物的不同细菌的基因通过PCR技术全部克隆出来，再利用基因重组技术在体外加工重组，最后导入合适的载体，就有可能产生一种或几种具有非凡降解能力的超级菌株，从而大大地提高降解效率。

4、前景展望

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，大力发展基因工程技术的同时，需要严格管理，充分重视转基因生物的安全性。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。【参考文献】

[1]李庆军，董艳桐，施冰.植物抗虫基因的研究进展[J].林业科技，2002，27(2)：22 26.[2]吴福彪．基因工程与植物的遗传改良［J］生物学通报，2010，45(5);7－10．