xxx公司文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度生物化學(xué)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用12級生物技術(shù)林喆生物化學(xué)是研究生物分子和生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)，是運(yùn)用化學(xué)原理在分子水平上解釋生命現(xiàn)象的科學(xué)。從嚴(yán)格的意義上說，生物化學(xué)的發(fā)展歷史很短。分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、微生物學(xué)、生物工程學(xué)、免疫學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物反應(yīng)器等生化技術(shù)的發(fā)展為這門綜合性科學(xué)技術(shù)的形成提供了基礎(chǔ)；而60年代末至70年代初以來基因重組、細(xì)胞融合、固定化酶和固定化細(xì)胞等技術(shù)的出現(xiàn)，可認(rèn)為是生化工程的開端。它主要包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程等4個(gè)方面,已不同程度地開始在農(nóng)業(yè)上研究、應(yīng)用。

基因工程

絕大多數(shù)生物的遺傳信息是由一種生物大分子-脫氧核糖核酸(DNA)即基因決定的?；蚬こ碳磳⒉煌锏腄NA在生物體外進(jìn)行分離、剪切、拼接,然后把這種經(jīng)過人工重組的轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞內(nèi)大量復(fù)制，使新的遺傳特性得到表達(dá),從而人工構(gòu)建出新的生物,或賦予原有生物以新的功能。與農(nóng)業(yè)關(guān)系較為密切的主要有以下3項(xiàng)。

植物基因工程

已對近50種植物的基因用分子生物學(xué)方法進(jìn)行了研究。通過遺傳轉(zhuǎn)化進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移，已在、矮牽牛等植物上建立模式系統(tǒng)，正在向重要農(nóng)作物過渡。研究的范圍較廣，包括：與提高效率有關(guān)的1，5-二磷酸核酮糖羧化-加氧酶基因的結(jié)構(gòu)和功能，生物固氮基因的分離和改建，貯藏蛋白和提高必需氨基酸含量的基因工程，抗病蟲、耐鹽堿、抗等基因的分離以及激素和光敏色素對調(diào)節(jié)基因表達(dá)的作用等。蘇云金桿菌的毒素蛋白基因在轉(zhuǎn)給煙草等后已得到表達(dá)，并能遺傳給后代，培育出能殺死鱗翅目昆蟲的抗蟲作物。

動物基因工程

外源基因可通過顯微注射等技術(shù)，導(dǎo)入單細(xì)胞期胚胎的原核中，使之在每次細(xì)胞分裂時(shí)自動復(fù)制，并在個(gè)體水平上得到表達(dá)。用這種方法已將大鼠的生長激素基因?qū)胄∈?，產(chǎn)生的“超級”小鼠生長速度比普通小鼠快50％。、、的生長激素基因工程也在研究開發(fā)中。已知注射生長激素后，可在不增加飼料消耗的情況下提高產(chǎn)奶量；豬注射生長激素后可明顯增加日增重，提高瘦肉率。

獸用基因工程疫苗

目的是通過對微生物進(jìn)行的基因操作，生產(chǎn)高效、安全的獸用疫苗。目前豬、牛大腸桿菌性幼畜腹瀉疫苗、豬疫苗的研制已在實(shí)驗(yàn)室階段取得成功。

細(xì)胞工程

利用細(xì)胞、組織培養(yǎng)和細(xì)胞融合技術(shù)，改良生物品種，生產(chǎn)生物產(chǎn)品及其組分的技術(shù)。主要包括以下3種。

植物細(xì)胞的組織培養(yǎng)

利用植物細(xì)胞的“全能性”，現(xiàn)在已有幾百種植物能從葉片、莖尖、莖段、子葉、脛軸、根、幼穗、花藥、子房、胚珠、幼胚、愈傷組織、懸浮培養(yǎng)細(xì)胞或原生質(zhì)體等再生成完整的植株。再生的途徑，一是通過愈傷組織誘導(dǎo)器官發(fā)生，產(chǎn)生不定芽和根；一是通過體細(xì)胞胚胎發(fā)生形成與正常種子胚相似、具有胚根和胚芽的胚狀體，由它萌發(fā)直接形成幼小植株。這種方法由于分化頻率高，繁殖速度快，可用于珍稀和瀕危、苗木的大量快速繁殖，以加快優(yōu)良品種的推廣，保存種質(zhì)資源?，F(xiàn)在，已因許多快繁公司的建立而形成一個(gè)新行業(yè)──“組織培養(yǎng)工業(yè)”。由胚胎發(fā)生產(chǎn)生的胚狀體，與正常種子胚相似，遺傳穩(wěn)定性較好，可用褐藻酸鈉等加以包埋，形成一種外被膠囊的人工種子，直接用于生產(chǎn)。莖尖分生組織不帶或帶病毒較少，可結(jié)合進(jìn)行熱處理和離體培養(yǎng)，獲得無病毒植株，在、、香石竹等作物上已廣泛應(yīng)用。莖尖分生組織和懸浮細(xì)胞培養(yǎng)物還可在低溫或-196℃液態(tài)氮中保存，解凍后仍保持再生植株的能力;此法多用于保存種質(zhì)資源,并帶動了冷凍生物學(xué)的發(fā)展?；ㄋ幒妥臃康碾x體培養(yǎng)，可以產(chǎn)生染色體數(shù)比正常二倍體少一半的單倍體，經(jīng)秋水仙素等處理，使染色體加倍，可較快地形成遺傳上純合的優(yōu)良二倍體株系，大大縮短育種年限。在中國，由花培育成的水稻、、煙草等新品種，已在生產(chǎn)上大面積推廣。

細(xì)胞和組織培養(yǎng)中產(chǎn)生的體細(xì)胞變異已知是一種普遍現(xiàn)象，它為育種家們提供了一個(gè)重要的遺傳變異庫。試管受精和雜種胚培養(yǎng)，已用于克服遠(yuǎn)緣雜交中合子前和合子后的不親和性，獲得了如小麥×、栽培棉×野生棉、×大白菜等遠(yuǎn)緣雜種。不同種間、屬間植物的細(xì)胞融合（或稱體細(xì)胞雜交）已獲得番茄與馬鈴薯、擬南芥菜與油菜等的遠(yuǎn)緣體細(xì)胞雜種，都是自然界中原來不存在的新類型，被命名為“番茄薯”、“薯番茄”和“擬南芥油菜”等。通過細(xì)胞質(zhì)融合還獲得了有性雜交難以得到的胞質(zhì)雜種，轉(zhuǎn)移了由胞質(zhì)基因組控制的雄性不育性和除草劑抗性。栽培種與野生種的細(xì)胞質(zhì)融合，還轉(zhuǎn)移了對馬鈴薯卷葉病毒、線蟲、螨類等的抗性。

動植物細(xì)胞的大量培養(yǎng)技術(shù)，也可用于生產(chǎn)有用的次生代謝產(chǎn)物，如各種香料（薄荷、香精油）、食品添加劑（辣椒素、姜油酮、植物色素、甜味劑）以及中草藥的有效成分(長春新堿、人參皂苷、毛地黃堿)等，用作化妝品、食品、醫(yī)藥工業(yè)的重要原料。由紫草細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)的紫草寧，用于唇膏生產(chǎn)，已實(shí)現(xiàn)商用化。

胚胎移植和性別控制

雌性動物經(jīng)超數(shù)排卵處理和形成的胚胎，直接或經(jīng)液氮冷凍復(fù)蘇后移植至受體的生殖道內(nèi)，可獲得正常的后代。這種技術(shù)已在羊、毛兔、奶牛等經(jīng)濟(jì)動物上取得成功，受體可以是同種或異種動物。應(yīng)用這種技術(shù)，優(yōu)良母畜可加速排卵，借體懷胎，從而大大提高繁殖率。單個(gè)胚胎還可用顯微外科手術(shù)分割，得到同卵雙胎或一卵多胎。不同來源的胚胎嵌合則可獲得嵌合體(如山羊-綿羊嵌合體)。

性別控制對提高動物產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量有重要作用。如乳牛、乳羊、蛋用雞的生產(chǎn)需要雌性群體；而公羊的產(chǎn)毛量則比母羊高一倍，雄性肉牛、肉羊的飼料報(bào)酬也比雌性高，公鹿還可生產(chǎn)鹿茸，等等。因而性別的鑒別和控制，已成為胚胎移植技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵之一。在水產(chǎn)業(yè)中，魚蝦全雌或全雄群體的單性養(yǎng)殖和雜種優(yōu)勢利用，也可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。雌魚個(gè)體生長通常比雄魚快5～10％,雌性對蝦比雄性生長快30～50％；羅非魚則相反，雄魚比雌魚生長快40～60％。利用細(xì)胞核移植，受精卵處理誘導(dǎo)雌(雄)核發(fā)育，結(jié)合性控技術(shù)，可以培育魚蝦的全雌或全雄群體，大幅度提高產(chǎn)量。

雜交瘤技術(shù)和單克隆抗體

體外培養(yǎng)的骨髓瘤細(xì)胞和經(jīng)過抗原免疫的淋巴細(xì)胞，在誘導(dǎo)細(xì)胞融合后產(chǎn)生的雜交瘤細(xì)胞既具有骨髓瘤細(xì)胞能在體外無限增殖的能力，又具有淋巴細(xì)胞分泌抗體的能力。其后代因選自一個(gè)雜種細(xì)胞,所分泌的抗體可針對某一特定的抗原決定簇,質(zhì)地均一，被稱為單克隆抗體(McAb)。它與常規(guī)血清相比，具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用于家畜和植物病害的快速診斷，區(qū)分病毒的型、亞型和不同株系。獸醫(yī)和植物病害診斷上應(yīng)用的McAb已研制成功上百種，有的已制成診斷藥盒銷售。

酶工程

是在一定的生物反應(yīng)器中，利用酶的催化功能，將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成人類需要的產(chǎn)品。其主要內(nèi)容包括酶的分離和純化、酶或細(xì)胞的固定化，以及固定化酶的反應(yīng)器等。所謂固定化酶，系由水溶性酶通過吸附、包埋、交聯(lián)、共價(jià)結(jié)合等方法固定而得，既保持了催化的功能，又具有化學(xué)固相催化劑的優(yōu)點(diǎn)，易于同反應(yīng)液分開，可反復(fù)連續(xù)使用。酶工程應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的深加工，如利用α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構(gòu)酶的催化功能，以玉米淀粉等為原料生產(chǎn)高果糖漿，可大大提高產(chǎn)品的產(chǎn)值。乳制品加工則需用凝乳酶和乳糖酶。農(nóng)副產(chǎn)品的加工和綜合利用需要纖維素酶、果膠酶和木質(zhì)素酶。從木瓜中提取的木瓜蛋白酶，可用作肉類嫩化劑，在提高活性和固定化后則可用于啤酒及果汁的澄清等。

發(fā)酵工程

利用微生物的某些特定性能，通過現(xiàn)代工程技術(shù)手段進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)。主要包括微生物菌種的選擇、菌種最佳培養(yǎng)條件的優(yōu)選、發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和電子計(jì)算機(jī)程控技術(shù)的應(yīng)用，以及產(chǎn)品的分離提純等。發(fā)酵工程除用于農(nóng)產(chǎn)品深加工外,在農(nóng)業(yè)上,還可用于微生物次生代謝產(chǎn)物促進(jìn)動植物生長，防治疫病。微生物農(nóng)藥，是用來防治病、蟲、草害的微生物體或其代謝產(chǎn)物的發(fā)酵產(chǎn)品的統(tǒng)稱。赤霉素已證明是雜交水稻制種中控制花期相遇的一項(xiàng)重要措施。玉米赤霉稀酮用于和，可獲得增重效果。莫能菌素不但可以促進(jìn)肉牛增重和提高飼料利用率，而且可防治雞、牛、的。

利用微生物發(fā)酵，在農(nóng)業(yè)上還可生產(chǎn)出單細(xì)胞蛋白、畜用抗生素、氨基酸、維生素等，用作飼料添加劑。作物秸稈、谷殼、木屑、糖渣、木薯等經(jīng)微生物發(fā)酵可轉(zhuǎn)化成高效再生能源，如酒精、甲烷（沼氣）等。這種生物能源有“綠色石油”之稱。我國農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)落后于發(fā)達(dá)國家,在進(jìn)入21世紀(jì)的今天,為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,除了在種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)方面繼續(xù)實(shí)現(xiàn)突破外,加工業(yè)已上升到舉足輕重的地位。不能有效地進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的深加工和精加工,就難于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效益,就難于使我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平趕上世界先進(jìn)水平。發(fā)達(dá)國家特別重視農(nóng)產(chǎn)品的加工利用,不少國家采用先進(jìn)的微生物工程和酶技術(shù),利用農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)出各種各樣具特色的優(yōu)質(zhì)加工品,使原料升值幾倍甚至數(shù)十倍。美國利用大豆生產(chǎn)出200余種產(chǎn)品,包括營養(yǎng)食品、藥品、食品添加劑,例如高純度大豆卵磷脂、大豆蛋白、大豆異黃酮、大豆多肽、降血壓肽、大豆低聚糖、大豆皂甙等等。歐洲將雞蛋中各種成分分離,得到酪蛋白、清蛋白、卵磷脂、活性多肽等,再利用產(chǎn)品制備工程食品。日本利用淀粉生產(chǎn)出幾十種變性淀粉產(chǎn)品,均取得高額效益。用于農(nóng)產(chǎn)品加工的生物工程主要有酶工程和微生物工程,目前用于農(nóng)產(chǎn)品加工的生物酶已有幾十種。由于固定化酶工藝的進(jìn)步,使酶催化反應(yīng)更方便、更經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用更廣