研究生創新教育係列叢書·作物基因工程：原理與技術 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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鬍銀崗 編

圖書標籤:

• 作物基因工程
• 基因工程
• 生物技術
• 農業科技
• 研究生教育
• 創新教育
• 遺傳學
• 分子生物學
• 植物科學
• 生物工程

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030409065

版次：1

商品編碼：11505574

包裝：平裝

叢書名： 現代生物農業

開本：16開

齣版時間：2014-07-01

用紙：膠版紙

頁數：336

字數：500000

正文語種：中文

編輯推薦

適讀人群 ：適於用作農學與作物學相關專業的本科生、研究生的教材，也適於從事其它相關專業研究的研究生、專業人員參考。
《作物基因工程：原理與技術》適於農學相關專業的研究生課程教學的需要，也適於其他生命科學相關專業的研究生、專業人員參考，同時滿足相關專業研究生和科研人員學習與科學研究工作中自學及參考的要求。

內容簡介

《作物基因工程：原理與技術》是為適應作物遺傳育種、種子工程等農學相關專業研究生教學的需要而編寫的。為瞭更好地符閤研究生課程的特點及滿足其即將開始的學位論文工作的需要，《作物基因工程：原理與技術》側重作物，依照基因工程的流程詳細講解作物基因工程各個環節的基本原理與技術。主要包括：概論；基因工程主要工具的原理與技術；目的基因的剋隆策略及各個策略中目前常用技術的原理與要點；作物基因工程錶達載體構建的原理與技術，以及作物基因工程中常用的錶達載體係統的特點及錶達載體的構建；作物遺傳轉化受體係統的建立和常用的作物遺傳轉化方法及其特點；作物轉基因植株鑒定的主要方法、特點及閤理利用，轉基因的遺傳特性及轉基因作物種質材料利用的主要途徑與方法；作物基因工程的安全性及其評價；以及作物基因工程中常用的實驗技術等內容。

作者簡介

鬍銀崗教授，多年從事小麥溫敏雄性不育的分子基礎及雜種優勢利用和作物抗旱節水性的遺傳改良研究。先後主持完成教育部重點科研項目“YS型小麥溫敏雄性不育的遺傳基礎研究”、春暉計劃啓動項目“YS型小麥溫敏雄性不育育性轉換的分子基礎”、國際閤作重點項目“小麥抗旱性改良的生理生化分子基礎”、聘請外籍教師重點項目“抗旱節水小麥種質篩選技術研究與利用”，科技部973計劃前期專項“小麥抗病和抗旱的功能基因學與分子基礎研究”等。目前主持澳大利亞政府ACIAR項目“提高中國和澳大利亞旱地小麥水分利用效率”，參加科技部863計劃重點項目子課題“農業高效用水精量控製技術與産品”、歐盟第七框架項目“育種優化中國農業”等。

內頁插圖

目錄

目錄
序
前言
第一章基因工程概論1
第一節基因及其研究曆程1
一、 基因學說的創立1
二、 基因與DNA分子2
三、 基因中遺傳信息的傳遞與錶達3
四、 基因與蛋白質多肽鏈3
五、 基因堿基序列與蛋白質氨基酸序列4
六、 基因的結構與功能4
七、 基因的錶達與調控6
八、 基因的分離與剋隆7
九、 基因的構建與錶達8
第二節基因工程的發展9
一、 理論上的三大發現9
二、 技術的三大發明10
三、 植物基因工程的發展簡史11
第三節基因工程的概念與主要內容12
一、 基因工程的概念和特點12
二、 作物基因工程的主要研究內容13
第四節作物基因工程的應用16
一、 作物基因工程的應用現狀16
二、 轉基因作物商業化中存在的問題18
思考題18
參考文獻18
第二章基因工程的工具20
第一節植物核酸及蛋白質的分離與製備20
一、 植物核酸的製備20
二、 植物蛋白質的分離與純化25
第二節凝膠電泳的基本原理28
一、 凝膠電泳的基本原理29
二、 瓊脂糖和聚丙烯酰胺凝膠電泳29
三、 RNA的變性凝膠電泳30
四、 脈衝電場凝膠電泳31
五、 核酸凝膠電泳的常見問題32
六、 蛋白質的凝膠電泳33
第三節基因工程的工具酶33
一、 限製性內切核酸酶（限製酶）34
二、 甲基化酶37
三、 DNA連接酶37
四、 DNA聚閤酶39
第四節分子雜交技術43
一、 DNA印跡法43
二、 RNA印跡法45
三、 斑點印跡法和狹綫印跡法45
四、 菌落印跡或噬菌斑印跡46
五、 基因芯片雜交47
第五節PCR基因擴增技術47
一、 PCR的原理47
二、 PCR反應體係48
三、 PCR條件的選擇49
四、 PCR條件的優化50
五、 常用PCR技術及其應用50
第六節基因工程的載體51
一、 質粒載體52
二、 λ噬菌體和M13噬菌體載體54
三、 cosmid（柯斯質粒）和phagemid載體係列56
四、 酵母載體58
五、 農杆菌Ti質粒載體60
六、 植物病毒載體62
第七節文庫構建的基本原理及應用63
一、 基因組文庫與cDNA文庫64
二、 剋隆文庫及錶達文庫65
三、 減法文庫65
四、 亞剋隆文庫65
第八節核酸與蛋白質測序的原理與技術65
一、 DNA測序技術65
二、 蛋白質測序技術69
第九節生物信息學技術72
一、 生物信息學數據庫72
二、 數據庫查詢73
三、 數據庫搜索74
四、 基因序列分析75
五、 電子剋隆技術76
思考題77
參考文獻78
第三章目的基因的剋隆與功能分析79
第一節基因組策略79
一、 基因組文庫篩選目的基因79
二、 圖位剋隆目的基因83
三、 突變體分析剋隆目的基因89
四、 已知DNA片段側翼基因組序列的分離96
第二節轉錄組策略100
一、 mRNA差異顯示分析篩選目的基因101
二、 cDNA文庫篩選目的基因103
三、 基因錶達係列分析（SAGE）篩選目的基因106
四、 基因芯片分析篩選目的基因108
五、 cDNA末端的快速剋隆（RACE技術）110
第三節功能蛋白質組策略分離基因112
一、 功能蛋白質組策略概述112
二、 蛋白質雙嚮電泳技術113
三、 功能蛋白的鑒定及氨基酸序列分析115
四、 功能蛋白基因的分離119
第四節目的基因分離的策略123
一、 目的基因分離的策略123
二、 基因分離剋隆策略的選擇123
第五節基因功能的初步分析與鑒定124
一、 通過mRNA檢測分析基因的錶達譜 124
二、 通過檢測蛋白質分析基因的錶達特徵125
三、 通過功能獲得和（或）功能缺失分析基因功能125
思考題126
參考文獻126
第四章基因錶達載體的構建128
第一節基因的錶達與調控128
一、 基因錶達調控是生命活動的必需128
二、 原核生物的基因錶達與調控129
三、 真核生物的基因錶達調控133
第二節目的基因的錶達與功能分析137
一、 目的基因功能與錶達分析的策略137
二、 基因錶達載體構建的基本原理138
第三節農杆菌Ti質粒轉化載體的構建146
一、 根癌農杆菌研究的曆史146
二、 Ti質粒的結構147
三、 T�睤NA的結構與功能152
四、 基於Ti質粒的轉化載體的係統演化157
五、 Ti質粒載體的構建策略161
六、 常用Ti質粒雙元載體的構建163
第四節植物基因錶達載體構建實例171
一、 植物基因錶達載體構建和優化策略171
二、 基因錶達載體構建的實例176
三、 選擇標記基因和報告基因的特點與選擇181
第五節植物病毒載體的構建185
一、 基於基因組操作的植物病毒錶達載體185
二、 基於基因轉錄機製的病毒錶達載體186
三、 VIGS載體的構建及應用187
四、 植物病毒載體的應用190
第六節基因沉默技術原理190
一、 RNA乾擾技術原理和應用191
二、 基因定點敲除技術192
思考題197
參考文獻197
第五章作物的遺傳轉化與轉化體篩選199
第一節作物基因轉化受體係統199
一、 作物基因轉化受體係統的條件199
二、 作物基因轉化受體係統的類型及其特性201
三、 作物基因轉化受體係統建立的程序203
四、 作物基因轉化受體係統建立中的常見問題205
第二節農杆菌介導的遺傳轉化207
一、 農杆菌的生物學特性208
二、 常用根癌農杆菌及其特性208
三、 根癌農杆菌介導的轉化程序209
四、 影響根癌農杆菌T�睤NA轉移的因素209
五、 根癌農杆菌介導的遺傳轉化技術213
六、 根癌農杆菌轉化係統評價219
第三節基因槍介導的遺傳轉化 219
一、 基因槍法的原理及其優缺點219
二、 基因槍轉化小麥未成熟胚的技術流程220
三、 注意事項222
第四節花粉管通道介導的遺傳轉化222
一、 花粉管通道法的技術原理223
二、 花粉管通道法的操作程序223
三、 花粉管通道法的應用224
第五節其他常用遺傳轉化方法225
一、 顯微注射法225
二、 聚乙二醇（PEG）介導法227
三、 電穿孔法229
四、 病毒介導的遺傳轉化230
參考文獻232
第六章轉基因植株的鑒定及利用234
第一節轉基因植株鑒定的策略234
一、 轉基因植株鑒定的證據234
二、 外源基因的檢測與鑒定策略234
三、 轉基因植株鑒定的步驟235
第二節選擇標記基因與報告基因的檢測235
一、 抗抗生素類236
二、 抗除草劑類237
三、 報告基因類238
第三節目的基因的檢測與分析240
一、 分子雜交240
二、 轉基因植物的PCR�睸outhern blotting檢測242
三、 外源基因錶達水平的RT�睵CR檢測243
四、 外源基因拷貝數的檢測244
五、 外源基因檢測的衍生方法246
第四節目的基因的整閤及效應247
一、 轉基因植物中外源DNA的整閤特性247
二、 轉基因植物中外源DNA整閤的遺傳效應251
三、 提高外源基因錶達效率的策略252
第五節目的基因的遺傳特性254
一、 轉基因的遺傳傳遞規律254
二、 轉基因的遺傳穩定性259
三、 外界環境對轉基因遺傳特性的影響261
第六節作物轉基因材料在育種中的應用261
一、 迴交育種261
二、 轉基因材料迴交育種的特點266
三、 轉基因快速、定嚮育種技術（以小麥為例）267
思考題269
參考文獻270
第七章作物基因工程的安全性評價272
第一節基因工程安全性的爭論272
一、 問題的由來272
二、 初步對策——安全準則273
第二節轉基因作物的安全評價274
一、 為什麼要對轉基因作物進行安全性評價？274
二、 轉基因作物安全性評價的主要內容275
三、 國內外轉基因作物的安全性評價概況280
第三節轉基因作物——惡魔還是救星281
思考題282
參考文獻282
附錄作物基因工程主要實驗技術284
一、 植物基因組DNA提取284
二、 植物基因組DNA的純度檢測285
三、 基因的PCR擴增287
四、 質粒DNA的綫性化與連接重組288
五、 重組DNA的遺傳轉化290
六、 質粒DNA的電泳檢測291
七、 植物總RNA的提取292
八、 RNA的變性瓊脂糖凝膠電泳294
九、 植物組織全蛋白的提取295
十、 植物可溶性蛋白含量的考馬斯亮藍染色法測定296
十一、 植物可溶性蛋白含量的紫外吸收法測定298
十二、 禾榖類作物種子醇溶蛋白的毛細管電泳300
十三、 禾榖類種子醇溶蛋白A�睵AGE鑒定301
十四、 蛋白質的SDS�簿郾�烯酰胺凝膠電泳分析303
十五、 植物組織蛋白質的雙嚮電泳304
十六、 小麥的SSR分子標記分析308
十七、 小麥BSMV�睼IGS解析基因功能310
十八、 作物基因工程綜閤大實驗312
參考文獻319

精彩書摘

第一章基因工程概論
基因工程（genetic engineering）也稱基因操作（gene manipulation）、DNA重組技術（DNA recombination technology），是在分子生物學和分子遺傳學等學科交叉發展的基礎上，於20世紀70年代誕生的一門新的生物技術科學。它的創立與發展直接依賴於基因及其分子生物學研究的進步，兩者之間有著密不可分的內在聯係。可以說，基因研究為基因工程的創立奠定瞭堅實的理論基礎，基因工程的誕生則是基因及其研究發展的必然結果，而基因工程的發展與應用，又深刻並有力地影響著基因的研究，進一步提高我們對基因本質的認識。因此，在介紹基因工程之前，有必要簡單地迴顧一下基因及其研究的發展過程。
第一節基因及其研究曆程
從20世紀開始，基因研究一直是影響整個遺傳學和分子生物學發展的主導因素。根據不同曆史時期的水平和特點，基因研究大體上可分為三個發展階段：在20世紀50年代以前，主要在細胞的染色體水平上，為基因的染色體遺傳學（或細胞遺傳學）階段；20世紀50年代之後，特彆是發現DNA雙螺鏇結構後，主要在DNA分子水平上，為基因的分子生物學階段；20世紀70年代以來，隨著DNA重組技術的完善和應用，基因的研究由傳統的錶現型分析到基因型分析，通過基因剋隆、構建、錶達等手段研究基因的結構、功能與調控及其與錶現型間的關係，基因研究進入瞭基因組學研究的新階段。
一、 基因學說的創立
遺傳因子（hereditary factor）最初是由孟德爾（G�� Mendel）提齣的。他根據長期的實驗觀察結果，推想生物的每一種性狀都是由遺傳因子控製的，這些遺傳因子從親代到子代，代代相傳；在體細胞中，遺傳因子是成對存在的，其中一個來自父本，一個來自母本；在形成配子時，成對的遺傳因子彼此分開，因此，遺傳因子在性細胞中則是單個存在的；在雜交子一代體細胞中，成對的遺傳因子各自獨立，彼此保持純一的狀態；在形成配子時，它們彼此分離，自由組閤，完整地傳給後代；由雜交形成的不同類型的配子數目相等；雌雄配子隨機結閤。從而奠定瞭遺傳學的獨立分配和自由組閤這兩大遺傳規律。
1909年，丹麥生物學傢約翰生（W�� Johannson）根據希臘文“給予生命”之義，創造瞭基因（gene）一詞，並用這個術語來代替孟德爾的“遺傳因子”。不過，他所說的基因並不代錶物質實體，而是一種與細胞的任何可見形態結構毫無關係的抽象單位。因此，那時所指的基因隻是遺傳性狀的符號，還未涉及基因的具體物質。
1910～1915年，美國遺傳學傢摩爾根（T�� H�� Morgan）通過果蠅試驗，首次將代錶某一性狀的基因同特定的染色體聯係起來，創立瞭遺傳的染色體理論（chromosomal theory of inheritance）。隨後遺傳學傢應用當時發展的基因作圖（gene mapping）技術，構建瞭基因的連鎖圖，進一步揭示瞭基因在其載體染色體上是按綫性順序排列的，從而使得科學界普遍接受瞭孟德爾的基因學說，也由此確定瞭遺傳學的連鎖遺傳規律。
二、 基因與DNA分子
盡管基因學說得到瞭普遍的認可，但是人們對基因的認識仍然缺乏準確而具體的物質內容。直到1944年，美國微生物學傢埃弗利（O�� T�� Avery）等通過細菌轉化研究，證明基因的載體是DNA而不是蛋白質，從而確立瞭遺傳的物質基礎，即DNA分子是遺傳信息的載體。1952年，美國冷泉港卡內基遺傳學實驗室的科學傢A�� D�� Hershey等利用雙同位素標記的噬菌體感染大腸杆菌宿主細胞的試驗驗證瞭Avery的結論。
1953年，美國遺傳學傢沃森（J�� Watson）和英國生物學傢剋裏剋（F�� Crick）揭示瞭脫氧核糖核酸（DNA）分子的雙螺鏇模型和半保留復製機製，解決瞭基因的自我復製和傳遞問題。至此，基因不再是一種隻能用遺傳實驗手段進行研究的神秘成分，而是一種真正的物質分子，對它能夠像對其他大分子一樣進行研究，從而開闢瞭基因的分子生物學研究新時代。
DNA分子是基因的載體，那麼是否每一段DNA都是基因呢？按照經典的基因概念，在染色體或DNA分子上，基因是呈串珠狀一個挨一個排列的，它們之間由非遺傳的物質連接起來。交換隻是在基因之間進行，而不是在基因內部發生。換言之，基因既是遺傳的功能單位，也是交換單位和突變單位。但是，許多研究錶明，基因並不是交換和突變的最小單位，基因內部也有不同的功能單位。1955年，S�� Benzer使用“順反子”（cistron）這個術語錶示基因，每一個順反子就是一段核苷酸序列，或者說是相當於一個基因的DNA或RNA單元，它編碼一條完整的多肽鏈。這種多肽鏈既可以是一種具有生物活性的蛋白質，也可以同其他多肽聚閤形成多功能的蛋白質。順反子是功能單位，由許多可以突變的位點組成，這些位點之間也可以發生交換。如同染色體上基因呈綫性排列，DNA分子上的基因也是綫性排列的。
在現代的遺傳學文獻中，順反子和基因這兩個術語是通用的。一般來說，一個順反子即一個基因，大約含有1500個核苷酸序列，是由一群突變單位和重組單位組成的綫性結構。基因不是最小單位，它仍然是可分的；並非所有的DNA序列都是基因，而隻有其中某一特定的多核苷酸區段纔是基因的編碼區即外顯子（exon），其餘部分稱之為內含子（intron）。
一般來說，從細菌到高等植物的全部生命有機體，它們的基因都是由DNA構成的，由於所有生物的DNA的基本結構都是一緻的，來自兩種生命形態的基因（DNA）可以融為一體。因此，基因的DNA共性是基因工程的第一個重要理論基礎。
但還必須指齣，隨後的研究工作錶明，在生物界並非所有的基因都是由DNA構成的，某些動物病毒、植物病毒及某些噬菌體等，它們的遺傳物質基礎是RNA而不是DNA。例如，A�� Gierer和G�� Schramm在研究煙草花葉病毒（TMV）時，發現瞭RNA分子能夠傳遞遺傳信息，同時還證明TMV病毒的RNA在感染的植株葉片中能夠誘導閤成新的病毒顆粒。
三、 基因中遺傳信息的傳遞與錶達
1958年，F�� Crick綜閤分析瞭關於遺傳信息流轉嚮的各種資料，提齣瞭描述DNA、RNA和蛋白質三者關係的中心法則（central dogma）。根據這個法則，如圖1��1所示，遺傳信息是從DNA流嚮RNA，再由RNA流嚮蛋白質的。在DNA的復製過程中，它的雙鏈解開，以單鏈形式作為閤成自己互補鏈（cDNA）的模闆；而在DNA到RNA的轉錄過程中，DNA是作為指導RNA閤成的模闆，按照堿基互補配對的原則閤成一條RNA鏈。實驗證明，細胞內DNA的兩條鏈中，隻有一條具有轉錄活性，另一條則隻能進行復製而無轉錄功能。在從RNA到蛋白質的翻譯過程中，RNA又作為閤成蛋白質氨基酸序列的模闆，指導多肽鏈的閤成。中心法則認為，遺傳信息一旦轉移到蛋白質分子，之後就不能再由蛋白質傳嚮蛋白質，也不能由蛋白質傳嚮DNA或RNA。隨著分子生物學研究的深入，發現很多RNA病毒，如流行性感冒病毒及大多數單鏈RNA噬菌體等，在感染瞭宿主細胞之後，都能夠進行RNA的復製。1970年，H�� M�� Temin和D�� Baltimore發現，一些RNA腫瘤病毒在宿主細胞中的復製過程是先以病毒的RNA分子為模闆，在反轉錄酶的作用下閤成DNA互補鏈，然後以該DNA鏈為模闆閤成新的病毒RNA，也就是說，遺傳信息可以從RNA反嚮傳遞到DNA。於是，1971年F�� Crick根據新的進展修改瞭中心法則，提齣瞭更為完整的圖解模式（圖1��2）。
圖1��1遺傳信息的流嚮
圖1��2修改後的中心法則


圖1��2中的實綫箭頭錶示三種存在於絕大多數生物細胞中的遺傳信息的傳遞方嚮。虛綫箭頭錶示特殊情況下的遺傳信息的傳遞方嚮，隻存在於極少數的生物中。而遺傳信息從DNA直接到蛋白質的傳遞隻是一種理論上的可能性，迄今尚未得到證實。基因中遺傳信息傳遞與錶達的共性是進行基因工程操作的又一個基石。
四、 基因與蛋白質多肽鏈
基因是細胞中所有的RNA及蛋白質分子的“藍圖”。有些基因編碼的最終産物是RNA分子，如rRNA基因、tRNA基因及其他小分子RNA基因等，而其他基因編碼的最終産物則是多肽，這些蛋白質是通過mRNA中介閤成的。
1941年，G�� W�� Beadle和E�� L�� Tatum在分析瞭有關紅色麵包黴的大量研究結果之後，認為生物體內發生的每一步代謝反應都是由一種特殊的酶控製的，而這種酶又是某一特定基因的閤成産物，提齣瞭“一種基因一種酶”假說（hypothesis of one gene to one enzyme）。一旦基因發生突變，那麼由它指導閤成的蛋白質也將隨之發生變化，甚至可能導緻活性的喪失，從而把基因的功能同蛋白質的作用聯係瞭起來。
1957年，英國科學傢V�� M�� Ingram對鐮狀細胞貧血（sickle cell anemia）的血紅蛋白和正常的血紅蛋白的氨基酸序列進行瞭對比研究，第一次用實驗證實瞭基因同蛋白質之間的直接聯係。進一步錶明基因的突變會直接影響到它編碼的蛋白質多肽鏈的改變。
通過對蛋白質結構的研究發現，許多種蛋白質都是由多個亞基組成的，這類蛋白質稱為多聚體蛋白質（multimeric protein）。在多聚體蛋白質中，如果所有的亞基都是同樣的，這種蛋白質就屬於同型多聚體（homo�瞞ultimer）蛋白質，由一種基因編碼。如果這些亞基各不相同，這種多聚體蛋白質便屬於異型多聚體（hetero�瞞ultimer）蛋白質，由多種基因編碼，如1個血紅素是由2個α亞基和2個β亞基組成的一種異型多聚體蛋白質。每種類型的亞基都是一種不同的多肽鏈，是不同基因編碼的産物。為瞭能夠適用於任何一種異型多聚體蛋白質的情況，“一種基因一種酶”的錶述後來便被修正為“一種基因一種多肽鏈”（one gene to one polypeptide chain），以更加準確地反映基因的本質。
五、 基因堿基序列與蛋白質氨基酸序列
翻譯與轉錄不同，不是簡單的核苷酸序列的抄寫，而是將RNA分子的核苷酸翻譯成蛋白質分子的氨基酸的復雜過程，涉及兩種不同信號之間的轉換問題。因此，在翻譯過程中，必定存在著一種特殊的遺傳密碼（genetic code）係統，纔能夠將RNA分子的核苷酸序列同蛋白質分子的氨基酸序列聯係起來。
經過許多人的共同努力，特彆是F�� Crick和S�� Brenner的齣色工作，1961年年底，有關遺傳密碼的主要問題都已經得到瞭解決。第一個問題是密碼比（coding ratio），遺傳實驗證實，由3個堿基編碼1種氨基酸，這種堿基三聯體稱為密碼子（codon）。第二個問題是密碼是否重疊，研究錶明遺傳密碼是不重疊的。第三個問題是相鄰的2個三聯體之間是否存在著“逗號”，堿基的缺失和插入突變研究證明，堿基的閱讀是從一個固定的起點按順序進行的。
1964年，M�� W�� Nirenberg和J�� H�� Matthaei等通過體外翻譯體係，成功破譯瞭大部分密碼子。1966年，H�� G�� Khorana利用重復的共聚體等破譯密碼子的途徑，發現瞭3個終止密碼子：UAA、UAG、UGA，它們不代錶任何氨基酸，而錶示鏈的終止。至此，所有64種密碼子便已全部破譯齣來。遺傳密碼的破譯，是基因和分子生物學研究中最激動人心的成就之一。
迄今為止，除在綫粒體和葉綠體中存在著個彆例外，所有生物（包括病毒、原核生物和真核生物）的密碼子同氨基酸之間的關係都是一樣的，遺傳密碼是通用的，遺傳密碼的通用性是基因工程的又一重要理論基礎。
六、 基因的結構與功能
基因是編碼遺傳信息的基本遺傳單位。從生物化學的角度看，基因是一段具有特定結構和功能的連續的DNA序列，是構成巨大遺傳單位染色體的重要組成部分。沒有基因就沒有生命，要全麵深入地瞭解任何生命過程，就必須對基因的結構及其功能進行詳盡的研究。
1955年，S�� Benzer發展瞭應用T4噬菌體rⅡ區的不同等位基因繪製基因內部圖譜（intragenic map）的方法，並證實瞭基因的最小突變單位和重組單位都是DNA的1 b

前言/序言

　　據預測，2050年世界人口將由現在的70多億達到90億，屆時要想滿足全球人口對糧食的需求，糧食産量與現在相比就必須增長50％以上。由於農業生産資源條件的限製，城市化的快速發展，適於糧食生産的耕地麵積越來越少，加之全球化的氣候變暖趨勢的不斷加快，與極端氣候條件相伴的乾旱、高溫、低溫等逆境的發生也將越發頻繁，農業生産的資源和環境將進一步惡化，糧食産量的增加不可能主要寄希望於耕地麵積的擴大和灌溉麵積的增加，而隻能依靠提高作物自身的抗逆性、高産性，進而提高糧食的單産和總産的穩定性來實現。　　作物基因工程技術能夠打破物種隔離的屏障，實現跨物種的遺傳物質轉移，進而對作物進行精確的改造，可顯著地提高作物的産量和抗逆性、改良作物的品質，進而大大提高作物産量，維持總産的穩定性，滿足人口增長對糧食等農産品的需要；同時，轉基因作物的生産應用也可極大地降低農業生産成本，提高資源利用效率，緩解不斷惡化的農業生態環境。在生産應用的近20年內，轉基因作物在全球範圍內的生産應用飛速發展，種植麵積直綫上升。2012年，全球轉基因作物種植麵積達到1．7億hm，開拓瞭農業生産的新領域，實現瞭農作物從高産、高耗嚮高效、低耗種植模式的改變，帶來瞭巨大的社會、經濟、生態和環境效益，已經並將繼續使全球農業生産發生深刻的變革，這是解決人類生存目前所麵臨的人口增長與耕地麵積減少的難題的一條有效途徑，也使人們看到瞭消除飢餓與貧睏的希望。　　盡管近年來轉基因作物的安全性在全球範圍內引起瞭激烈的爭論，但是，相信隨著作物基因工程研究的不斷深入和技術的不斷完善，這些問題會逐步得到澄清和解決，並將進一步對農業生産係統的健康發展、解決人類的糧食等問題起到十分重要的作用。　　鬍銀崗博士及其課程組成員長期從事作物基因工程相關研究。鬍博士曾在澳大利亞、加拿大、美國、以色列和英國等國傢進修，開展相關研究，對作物基因工程原理與技術有較為深刻的認識，多年來先後為本科生主講“普通遺傳學”、“植物基因工程”和“生物信息學”等課程，為碩士研究生主講“作物基因工程原理與技術”及相關實驗操作課程，針對作物遺傳育種、種子工程等作物學與農學相關專業研究生教學的需要編寫瞭這本《作物基因工程——原理與技術》。在編寫過程中，編者參考瞭國內外大量文獻，並結閤自己的教學和科研實踐經驗編撰，使得該書內容係統、簡明，可讀性較強，相信其齣版將為相關專業研究生的教學提供較好的幫助，也可為相關領域研究人員的工作提供一定的參考。相信該書的齣版將會對我國作物基因工程的研究和産業化發展起到積極的推動作用。

《作物基因工程：原理與技術》 引言 作物基因工程，作為現代生物技術的核心領域之一，已成為推動農業現代化、保障全球糧食安全以及應對環境挑戰的關鍵力量。本叢書旨在係統、深入地闡述作物基因工程的科學原理、核心技術及其在實際應用中的發展現狀與未來前景。我們將從基礎理論齣發，逐步深入到前沿技術的介紹，力求為讀者構建一個全麵而深刻的認知框架。 第一部分：作物基因工程的理論基礎 第一章：遺傳物質與基因結構 本章將從分子遺傳學的基本概念入手，迴顧DNA和RNA的化學結構、復製機製以及遺傳信息傳遞的基本規律。我們將重點闡述基因的概念，包括基因的組成、調控元件（如啓動子、增強子）的作用，以及基因在不同生物體中的錶達調控機製。理解這些基礎知識是掌握後續基因工程技術的前提。我們將深入探討原核和真核生物基因組的結構特點，特彆是基因內含子和外顯子的存在如何影響基因錶達的復雜性。此外，本章還將介紹基因組學、轉錄組學和蛋白質組學等新興學科在理解基因功能方麵的作用，為作物基因工程的研究提供更宏觀的視角。 第二章：作物遺傳轉化機理 作物遺傳轉化是將外源基因導入作物細胞並使其穩定遺傳下去的關鍵步驟。本章將詳細介紹目前主流的遺傳轉化方法，包括農杆菌介導法、基因槍轉化法、原生質體轉化法以及CRISPR/Cas9等基因編輯技術在作物遺傳轉化中的應用。我們將深入分析每種方法的原理、操作流程、優缺點以及適用範圍。同時，本章還將探討影響轉化效率的多種因素，如作物種類、組織類型、載體設計以及培養條件等，並介紹提高轉化效率的策略。對於基因編輯技術，我們將詳細解析其工作原理，包括嚮導RNA的設計、Cas9蛋白的作用機製以及脫靶效應的評估與規避，這部分內容將著重於其在實現精確基因修飾方麵的優勢。 第三章：基因錶達與調控 基因的有效錶達是實現基因工程目標的基礎。本章將深入探討基因轉錄和翻譯的分子機製，重點介紹啓動子、增強子、沉默子以及終止子等DNA調控元件的功能。我們將分析不同來源的啓動子（如組成型啓動子、誘導型啓動子、組織特異性啓動子）在作物基因工程中的應用，以及如何通過選擇閤適的調控元件來控製外源基因的錶達水平、錶達時間和錶達部位。此外，本章還將介紹轉錄後調控、翻譯後修飾以及小RNA（如miRNA, siRNA）在基因錶達調控中的作用，這些機製的理解對於優化基因錶達策略至關重要。我們將用實例說明，如何通過選擇特定的啓動子實現對目標基因在不同發育階段或不同組織中的精確控製，例如在果實成熟期或根係發育過程中特異性錶達某個基因。 第二部分：作物基因工程的核心技術 第四章：基因剋隆與載體構建 基因剋隆是將目標基因從其天然來源分離並進行大量擴增的過程。本章將詳細介紹基因剋隆的技術方法，包括限製性內切酶消化、PCR擴增、TA剋隆、Gateway剋隆係統等。我們將重點闡述基因載體的設計原理，包括選擇閤適的載體骨架（如質粒、病毒載體）、插入目的基因的限製性位點、標記基因（如抗生素抗性基因、熒光蛋白基因）的作用以及調控元件的插入。本章還將介紹構建不同功能導嚮的載體，例如用於基因過錶達、基因沉默（RNAi）、基因編輯的載體係統。我們將詳細講解構建包含多基因串聯錶達或串聯沉默的復雜載體，以及如何在載體中整閤外源DNA片段實現基因功能互補或基因敲除。 第五章：基因編輯技術在作物改良中的應用 基因編輯技術，尤其是CRISPR/Cas9係統，為作物基因組的精確修飾帶來瞭革命性的變革。本章將深入解析CRISPR/Cas9、TALENs、ZFNs等基因編輯技術的工作原理，包括嚮導RNA的設計、Cas蛋白的核酸酶活性以及DNA雙鏈斷裂修復途徑（NHEJ和HDR）。我們將重點介紹基因編輯在作物性狀改良中的應用，如抗病蟲害、提高産量、改善品質、增強抗逆性（耐旱、耐鹽堿）等。本章還將討論基因編輯技術的優勢，如高效性、特異性和操作簡便性，以及在剋服傳統基因工程技術局限性方麵的潛力。同時，我們將深入探討基因編輯技術的脫靶效應問題，及其檢測和規避方法，並介紹不同基因編輯策略（如單點突變、插入、刪除、基因替換）在實際應用中的案例分析。 第六章：基因沉默與基因敲除技術 基因沉默和基因敲除是用於研究基因功能和改良作物性狀的重要技術手段。本章將詳細介紹RNA乾擾（RNAi）、基因過錶達的反義RNA技術以及基因敲除技術（如利用CRISPR/Cas9係統誘導基因組大片段缺失）。我們將闡述RNAi的工作原理，包括siRNA和miRNA的生成、RISC復閤體的形成以及mRNA的降解或翻譯抑製。本章還將介紹如何設計siRNA或shRNA以高效沉默目標基因，並討論其在作物基因功能研究和性狀改良中的應用。對於基因敲除，我們將重點介紹其實現原理和技術途徑，以及在揭示基因功能冗餘性或關鍵基因調控網絡中的重要作用。例如，我們將討論如何利用RNAi技術降低作物對特定病原菌毒素的敏感性，或者通過基因敲除來消除作物中不良的代謝産物。 第七章：基因遞送與轉化後的篩選鑒定 將構建好的基因載體高效、穩定地導入作物細胞是基因工程成功的關鍵。本章將詳細介紹各種基因遞送方法，包括物理方法（基因槍、電穿孔）、生物方法（農杆菌介導）以及化學方法（聚閤物介導）等，並分析它們在不同作物體係中的適用性。轉化後的篩選與鑒定是驗證基因導入和錶達情況的重要環節。本章將介紹常用的篩選方法，如利用抗生素抗性基因進行篩選、利用熒光蛋白進行可視化篩選，以及利用PCR、Southern Blotting、Northern Blotting和Western Blotting等分子生物學技術進行DNA、RNA和蛋白質水平的鑒定。我們將重點介紹如何設計閤理的篩選策略，以高效分離齣成功轉化的再生植株。 第三部分：作物基因工程的應用與展望 第八章：作物抗病蟲害與抗逆性改良 利用基因工程技術提高作物的抗病蟲害能力和抗逆性是保障作物産量和質量的關鍵。本章將介紹開發抗病（如抗病毒、抗細菌、抗真菌）、抗蟲（如抗鱗翅目、鞘翅目害蟲）以及抗逆（如耐旱、耐鹽堿、耐高溫、耐低溫）作物新品種的基因工程策略。我們將重點介紹來源於Bt作物、R基因的剋隆與應用，以及利用基因編輯技術構建抗性基因。本章還將討論如何通過調控參與脅迫響應的關鍵基因來提高作物的環境適應性。例如，我們將詳細介紹Bt基因如何作用於害蟲體內，以及利用CRISPR/Cas9技術引入新的抗病基因或修飾現有抗性相關基因位點，以産生更廣譜、更持久的抗性。 第九章：作物産量與品質改良 提高作物産量和改善品質是滿足日益增長的人口對食物需求的關鍵。本章將介紹如何利用基因工程技術提高作物的光閤效率、氮素利用效率、養分積纍能力以及改善作物的營養品質（如富含維生素、礦物質、必需氨酸）和加工品質。我們將重點介紹基因工程在改良榖物、油料、蔬菜和水果等不同作物中的應用案例。例如，我們將探討如何通過調控光閤作用的關鍵酶來提高光閤速率，或者通過引入或激活關鍵代謝通路基因來增加作物的營養成分含量。 第十章：作物功能基因組學與閤成生物學 作物功能基因組學研究旨在全麵解析基因組中所有基因的功能，為作物改良提供理論基礎和技術支撐。本章將介紹基因功能鑒定技術（如T-DNA插入突變、RNAi、基因編輯）、基因功能分析方法（如錶型分析、代謝組學、轉錄組學）以及高通量基因分型技術。我們將重點介紹閤成生物學在作物育種中的應用，例如設計人工基因綫路、構建新的代謝途徑以産生有價值的次生代謝産物。本章還將展望未來，探討基因組編輯、閤成生物學與人工智能等前沿技術的融閤，將如何加速作物新品種的創製，並應對未來農業發展中的挑戰。 第十一章：作物基因工程的倫理、安全與法規 作物基因工程技術的廣泛應用伴隨著倫理、安全和法規等方麵的考量。本章將探討轉基因作物在環境安全、食品安全、生物多樣性以及社會倫理等方麵可能帶來的影響。我們將介紹當前國際和國內關於轉基因作物研發、審批和管理的法規體係，並討論基因編輯作物在監管方麵的特殊性。本章還將關注公眾對轉基因技術的認知和接受度，以及如何通過科學普及和公開透明的交流來增進理解。 結論 《作物基因工程：原理與技術》叢書的齣版，旨在為從事作物基因工程研究、開發和應用的研究人員、研究生以及相關從業者提供一本權威、係統、實用的參考書。通過對本叢書的學習，讀者將能夠深刻理解作物基因工程的核心原理，熟練掌握關鍵技術，並能夠把握這一領域未來的發展方嚮。我們相信，隨著科學技術的不斷進步，作物基因工程必將在保障全球糧食安全、促進農業可持續發展以及應對氣候變化等重大挑戰中發揮越來越重要的作用。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計給我留下瞭非常深刻的印象，硬殼精裝，觸感溫潤，那種沉甸甸的分量感，在如今這個追求輕薄的時代裏顯得格外珍貴。封麵設計簡潔而不失內涵，色調沉穩，似乎預示著內容的嚴謹和深度。當我拿到它的時候，那種對知識的敬畏感油然而生。在仔細翻閱前言和目錄時，我立刻被作者團隊的學術視野所吸引。他們似乎不滿足於僅僅羅列已有的知識點，而是試圖構建一個更宏大、更具前瞻性的知識體係。紙張的質量也值得稱贊，光滑細膩，即使用熒光筆做標記也不會洇墨，這對於需要反復研讀的學術著作來說至關重要。整體來看，這本書在視覺和觸覺上都提供瞭一種高品質的閱讀體驗，讓人願意沉下心來，慢慢品味其中的奧秘。可以說，光是這外在的包裝，就已經成功地將讀者從浮躁中拉迴，準備迎接一場嚴肅的學術探索。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘述邏輯清晰得令人贊嘆，盡管主題涉及復雜的前沿科學，但作者的筆觸卻異常流暢，幾乎沒有讓人感到晦澀難懂的地方。他們似乎深諳如何將高深的理論分解成易於理解的步驟。特彆是對一些核心概念的闡釋，往往先從最基礎的生物學背景講起，然後逐步引入復雜的分子機製，這種循序漸進的教學方法，極大地降低瞭學習麯綫。我特彆欣賞作者在關鍵轉摺點設置的小結和迴顧，它們就像是知識地圖上的路標，幫助讀者及時校準方嚮，避免在龐雜的細節中迷失。閱讀過程中，我感覺自己不是在被動接受信息，而是在與一位經驗豐富的導師進行深入的對話，他總能在你睏惑的地方恰到好處地提供啓發。這種以學習者為中心的行文風格，是許多同類教材所缺乏的，它真正體現瞭“傳道授業解惑”的精髓。

評分☆☆☆☆☆

從內容組織和結構安排來看，這本書展現齣瞭極高的係統性和條理性。它不是簡單地將各個知識點堆砌在一起，而是構建瞭一個嚴密的知識網絡。章節之間的銜接過渡自然流暢，一個章節所引入的概念，會在後續章節中得到更深層次的展開和應用，形成瞭良好的知識閉環。特彆是對實驗流程和技術操作的描述，詳略得當，既有宏觀的步驟概覽，又不乏關鍵參數的精確數據支持。我特彆喜歡書中穿插的那些“實驗思考”或“潛在陷阱”的提示框，這些內容往往是教科書中最容易被忽略，但對於實際操作卻至關重要的經驗之談。它們像是過來人的忠告，讓初學者能少走彎路，也讓資深研究者能對現有工作進行反思和優化。這種結構上的精雕細琢，極大地提升瞭這本書作為案頭參考書的實用價值。

評分☆☆☆☆☆

這本書最大的價值可能在於其蘊含的批判性思維的引導。作者在介紹各項技術時，並非一味地贊美其優越性，而是非常坦誠地指齣瞭每種方法固有的局限性、潛在的倫理爭議以及當前麵臨的技術瓶頸。這種客觀、審慎的態度，對於培養下一代科研工作者至關重要。它鼓勵讀者不僅要學會“如何做”，更要思考“為什麼這樣做”以及“這樣做是否是最好的選擇”。書中多次引述瞭不同學派之間的爭論和觀點碰撞，引導我們理解科學進步並非一帆風順，而是建立在不斷質疑和證僞的基礎之上。這種潛移默化的思維訓練，遠比死記硬背技術細節來得更有價值。讀完這本書，我感覺自己在專業知識上有瞭一個堅實的基礎，更重要的是，我的科研視野被打開瞭，學會瞭如何以更批判和全麵的視角去審視復雜問題。

評分☆☆☆☆☆

這本書的廣度與深度達到瞭一個令人驚嘆的平衡點。它不僅詳盡地覆蓋瞭領域內的經典理論和基礎技術，更令人驚喜的是，其中融入瞭大量近五年的最新研究成果和突破性進展。我注意到，作者並沒有僅僅停留在理論的描述，而是深入剖析瞭這些新技術的實際應用案例，甚至包括一些尚未完全商業化但極具潛力的前沿探索。這使得內容極具時效性，對於希望站在學科最前沿的科研人員來說，無疑是一座寶庫。例如，在討論到基因編輯工具的改良時，書中不僅迴顧瞭CRISPR-Cas9的經典模式，還詳細對比瞭近年來齣現的多種高精度、低脫靶效應的新型堿基編輯器，並對其優劣勢進行瞭客觀的評價。這種兼顧曆史沉澱與未來趨勢的編排方式，極大地拓寬瞭讀者的視野，讓人感覺手中捧著的不是一本陳舊的教科書，而是一份動態的、不斷進化的科學指南。