生物技术与养殖业.ppt

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1、7.2 生物技术与养殖业 农业动物为人类提供肉、蛋、奶，以及毛皮、绢 丝等产品，满足人类对动物蛋白的营养需要或其他生 活需要。 肉 蛋 奶 毛 皮 绢 丝 生产农业动物的养殖业包括畜牧、水产和其他有 关副业，涉及的动物门类有 贝类、昆虫、鱼类、两栖 类、爬行类和哺乳类 。 贝 类 昆 虫 鱼 类 哺 乳 类 现代生物科技的迅速发展为养殖 业的革命提供了有效的技术手段。基 因工程、细胞工程和胚胎工程技术 的 日臻成熟，给农业动物生产注入前所 未有的活力， 短时间内大量繁殖优良 动物品种或创造具有新性状的良种已 不再是遥远的梦想 。 7.2.1动物分子育种技术 7.2.2动物繁殖新技术 7.2.3

2、生物技术在动物饲养工作上的应用 7.2.4畜禽基因工程疫苗 7.2.5动物生物反应器 7.2.6核移植技术及其在养殖业中的应用 7.2.7胚胎干细胞技术及其在养殖业中的应 用 7.2.1.1动物转基因技术 1982年，美国华盛顿大学 R.D.Palmiter 教授等将大白鼠生长激素基因转移到小白 鼠受精卵中，成功地育出个体比正常小白 鼠大 1倍的超级小鼠，开创了 转基因生物 研 究的先河。 7.2.1动物分子育种技术 （ 1）动物转基因技术基本原理 ： 将特定的目的基因从某一生物体分离出 来，进行扩增和加工，再导入另一动物的 早期胚胎细胞中，使其整合到宿主动物的 染色体上，在动物的发育过程中表

3、达，并 通过生殖细胞传给后代。 这种在基因组中稳定整合有人工导入外 源基因的动物称为 转基因动物 （ transgenetic animal）。 芬兰的科学家， 把治疗人贫血症的促红 细胞生成素的基因，转移到奶牛的胚胎中， 生下的牛，就变成了转基因牛 ， 它的牛奶 中含有促红细胞生成素。 一头转基因牛的 牛奶里，生成的促红细胞生成素，它的价 值可达到 40多亿美元。 转基因奶牛 现在， 人类血红蛋白的基因，转移到猪的 胚胎中去，生下来的转基因猪，它的血液里 就含有 30是人的血红蛋白。 如果能进一步 解决人血与猪血的血红蛋白分离问题，从中 提取人的血红蛋白，那就可以解决人类输血 的血源问题。据

4、推测，一头转基因的猪，可 代替近百名献血者。 转基因猪 诞生于武汉的快速生长 转基因鲤鱼，成为世界上 第一种走出实验室 、实现 商品化的转基因动物。 2002年 10月 17日，中科院 水生生物研究所耗时十余 年的 “ 快速生长转基因鲤 鱼的中试研究 ” 成果通过 了专家鉴定。 这种把 草鱼 的生长激素基因转到普通 鲤鱼身上而培育出来的鲤 鱼，生长速度比普通鲤鱼 快 140以上。 转基因鲤鱼 世界上第一种走出实验室的转基因动物 转基因鳟鱼 1987年， 世界上第一只 商业化转基因绵羊 在英国 著名的罗斯林研究所诞生。 这只转基因母羊的 乳汁中 可以分泌 -抗胰蛋白酶， 含量高达 30毫克 /升

5、。 这 只转基因羊的出现表明， 利用转基因动物生产药用 蛋白是完全可行的。这为 医药产业开辟了一个崭新 的制药途径。 同时， 生 物反应器 的概念也由此 产生 。 转基因绵羊 转基因山羊 抗胰蛋白酶基因 外源目的基因的制备 外源目的基因有效导入生殖细胞或胚胎干细胞 选择获得携有目的基因的细胞 选择合适的体外培养系统和宿主动物 转基因细胞胚胎发育及鉴定 筛选所得的转基因动物品系 动物转基因的步骤： 导入外源基因的办法： 显微注射法 病毒载体法 脂质体介导法 精子介导法 胚胎干细胞法 显微注射转基因技术 利用显微操作技术转 移外源基因的方法。此法 转入基因 长度可达数百 kb； 并 能随机地整合在

6、受体细 胞染色体 DNA上，因此应 用范围广。但是这种整合 有时会导致转基因动物基 因组的重排、易位、缺失 或定点突变。 许多动物病毒在感染宿主细胞后会重组到宿主的 基因组中。更重要的是动物病毒基因组的启动子能 被宿主细胞识别，可以引发导入基因的表达。 在转基因操作中，病毒可以直接感染着床前或 着床后的胚胎，也可以整合到宿主细胞体内，再 通过宿主细胞与胚胎共育感染胚胎。 病毒载体的优 点是单拷贝整合， 整合率高，插入 位点易分析等 ； 缺点是安全性和 公众的接受程度 还有待评价。 用脂质体作为 人工膜包裹 DNA,以此作 为载体将外源 DNA导入细胞。 这种方法转基 因效率高。 成熟的精子与外

7、源 DNA共育，精子 有能力携带外源 DNA进入卵里，并 使外源 DNA整合到染色体。 这种能 力使人们看到提高动物转基因效率 的希望。 精子作为转移载体的机制 还在探索之中，但至少为大型动物 转基因的研究又提供了一个新途径 。 胚胎干细胞是从早期胚胎的内细胞团经体外培养建立 起来的 多潜能细胞系，被公认为转基因动物、细胞核移 植和基因治疗的新材料，具有广泛的应用前景。 （ 2）转基因技术在动物生产上的应用： 1）转基因鱼： 20世纪 80年代中期，国内外开始了转基 因鱼的研究。转基因鱼是迄今为止最成功 的转基因动物之一。 鱼类因其产卵量大， 体外受精、体外孵化等特点，大大简化了 转基因操作的

8、步骤。 1984年，我国学者朱作言首次用人的生长激 素基因（ hGH)构建了转基因金鱼 ，目前已有 鲫鱼、鲤鱼、泥鳅、鳟鱼、大马哈鱼、鲶鱼、 罗非鱼和鲂等各种淡水鱼被用于转基因研究。 朱作言 2） 转基因家禽 转基因家禽研究主要集中在转基因鸡。 生产转基因鸡的方法可分为 蛋产出前的操 作 和 产出后的操作 两种类型。 蛋产出前的操作方法是在受精后第一次 卵裂前取出单细胞的卵，在体外进行转基 因操作，然后用蛋壳作为培养皿在体外培 养至孵化。 英国学者 Peery和 Sang等用 蛋产出前 的操作方法于体外 显微注射外源 DNA，获得转基因鸡。这种操作方法类似于 杀鸡取卵，一个受精卵的成本是一只鸡

9、，而且转基因后受 精卵需用人工蛋壳孵化，条件也很复杂，成本高，难度大。 美国州立大学的 Mozdziak 和 Petitte则采用 蛋产出后 操作 方法，以逆转录病毒为载体将 外源基因注射到产出后的受精 卵，孵化后也得到转基因鸡。 3）转基因家畜 家畜的转基因研究得益于小鼠（最早的 转基因动物）的有关实验，进展较快。 转 基因猪、牛、马、羊和兔等家畜纷纷出现， 并逐步走出实验室进入实用阶段。 转生长激素基因的猪， 饲料转化率和增重率提 高，脂肪减少。转 Mxl 基因的猪，抗流感病毒 的能力增强。 通过转基 因方法解决器官移植中 的超敏排斥反应 的设想 在转基因猪的研究中得 到令人鼓舞的结果。

10、7.2.1.2 分子标记技术与动物育种 进入 20世纪 80年代中后期以来，随着分 子生物学和分子遗传学的迅速发展，以 DNA分子标记为核心的各种分子生物技术 不断出现。 目前，常用的分子标记技术已有十多种。 例如， 限制性片段长度多态性、 DNA指纹、 聚合酶连反应、随机扩增多态性 DNA等。 这些方法的应用，大大促进了动物分子育 种工作的进展。 这些方法可用于 ： （ 1）构建分子遗传图谱和基因定位 （ 2）基因的监测、分离和克隆 （ 3）亲缘关系的分析 （ 4） DNA标记辅助选种 （ 5）性别鉴定与控制 （ 6）突变分析 7.2.2.1 人工授精 人工授精就是 利 用合适的器械采集 公

11、畜的精液 ，经过 品质检查、稀释或 保存等适当的处理， 再用器械 把精液适 时地输入到发情母 畜的生殖道内 ，以 代替公母畜直接交 配而使其受孕的方 法。 图为人工授精产下的利木赞杂交牛仔。 7.2.2动物繁殖新技术 7.2.2.2 胚胎移植 胚胎移植 也称 受精 卵移植 ，它是将一头 良种母畜配种后的早 期胚胎取出，移植到 另一头的生理状态相 同的母畜体内，使之 继续发育成为新个体， 所以也有人通俗地叫 人工受胎 或 借胎怀孕 。 7.2.2.3 胚胎的冷冻保存 冷冻胚胎的推 广，使世界范围内 的良种推广大大简 化。现在已有 鼠、 兔、牛和羊等十多 种动物胚胎冷冻成 功 ，其中有些种类 的冷

12、冻技术已经程 序化，并出现了商 品化的试剂盒。 工作人员查看液氮中冷冻的华南虎细胞 7.2.2.4 体外胚胎生产 体外胚胎生产是指 将原来在输卵管进行的 精卵结合生成胚胎的过程人为地改在体外 进行。 三个方面的意义： 1）提供大量胚胎进行商业性胚胎移植。在欧洲 和日本，奶牛犊比肉牛犊便宜，体外生产肉牛胚 胎移植给奶牛，达到用奶牛生产肉牛的目的，在 经济上是合算的，生双犊就更赚钱。 2）为克隆胚胎提供核受体并进行胚胎切割前的 体外早期培养以降低成本。 3）为某些研究提供大量已知准确发育时期的胚 胎。 7.2.2.5 胚胎分割 胚胎分割 :（ Embryo bisection） 借助显微操作技术

13、或徒手操作方法切割 早期胚胎成二、四等 多等份再移植给受体 母畜，从而获得同卵 双胎或多胎的生物学 新技术。来自同一胚 胎的后代有相同的遗 传物质，因此， 胚 胎分割可看成动物无 性繁殖或克隆的方法 之一。 胚胎分割 羊 胚 胎 分 割 牛 7.2.2.6 性别控制技术 动物的 性别控制（ sex control） 是通过人为 地干预或操作，使动物按人们的愿望繁殖所需 性别后代的技术。 性别控制技术主要采用两条 途径，即 X精子和 Y精子的分离和胚胎性别鉴定。 通过对家畜的性别进行控制，可以达到以下 效果： 1）提高畜牧业的经济效益 2）减少性连锁遗传病的发病率 3）加快珍稀动物的繁殖和保存进

14、程 4）加快奶畜群的更新。 7.2.3.1 DNA重组生长激素的研究与应用 大量研究表明， 给奶牛注射 DNA重组牛生长激 素（ BST）能提高产奶量 15% -30%，其在奶中 的残留在允许范围内。 美国食品和药物管理局已 于 1993年 11月正式批准牛 BST上市。重组猪生长 激素（ PST）的实验研究表明， 注射 PST能提高 猪生长速度 10%-30%，改善饲料转化率 5%-15%， 提高胴体瘦肉率 10%-20%。另一方面，人们正在 研究使用 BST和 PST引起的动物营养需要量的变 化，如氨基酸和钙、磷需要量的变化等。 7.2.3 生物技术在动物饲养工业上的应用 7.2.3.2

15、发酵工程技术研究与应用 大多数 饲用酶制剂 、添补氨基酸、饲用维生素、 抗生素和益生菌是由微生物发酵工程技术生产的。 由特异微生物发酵生产的 饲用外源酶制剂包括 - 葡萄糖酶、戊聚糖酶和植酸酶 等。 外源酶制剂 在饲料工业中应用的时代已经到来。 由于上述三种酶制剂在鸡、猪饲粮中的成功应用， 正激发人们研究其他酶制剂，如纤维酶、蛋白酶 和淀粉酶等在饲料工业中的应用。 外源酶制剂 应用的目的主要有四： 第一，弥补动物体内源酶分泌的不足，如用于幼畜 和病畜上 ; 第二，分解动物饲粮中的抗营养因子，如葡聚糖、 戊聚糖、植酸和纤维等，从而提高饲料养分的消化利 用率 ; 第三，分解某些饲料中的毒素因子，如

16、棉酚和异硫 氰酸酯等，提高这些饲料原料的利用潜力 ; 第四，在体外对难消化的动物副产品，如羽毛粉和 皮革粉等进行预处理，从而提高这些动物副产品的利 用价值。 7.2.3.3 寡肽、寡糖添加剂研究与应用 最新的研究表明，寡糖不仅能 刺激 益生 菌 的生长、抑制有害物质的生长、提高机 体的免疫功能和增强抗病力，而且能有效 破坏饲料中的黄曲霉毒素，消除此毒素对 动物的有害影响 。寡糖添加剂既有抗生素 的作用，又无抗生素的药性和残留问题， 而且还有抗生素不具备的特性，因此，有 人把此类添加剂也称为“ 益生素 ” （ prebiotics）。 益生菌 是一类可在动物和人体应用的单一 的活的微生物的培养物

17、或多种混合的活的微 生物的培养物， 这些活的微生物包括真菌、 酵母菌和细菌，正常情况下来源于动物肠道， 可能 通过在胃肠道中的粘膜细胞上抢先附着， 并大量繁殖，建立优势菌群，从而将有害的 病原微生物排出体外，因而促进动物的健康 和生长。 可见，益生菌强调的是活的微生物的作 用，与抗生素作为微生物的代谢产物而发挥 作用有明显区别。在许多方面， 益生菌可视 为抗生素的天然替代物 ，但是，益生菌在畜 禽饲粮中的应用情况差异很大。由于很多因 素的影响，如益生菌产品的组成、活力和稳 定性的不恒定、研究中使用剂量、试验持续 期和所用动物年龄的变异以及一些未知的环 境和营养因素对肠道中益生菌活力的影响， 使

18、得人们难以揭示益生菌在动物体内的确切 作用机理，这些也是不同益生菌试验结果差 异很大的原因。 7.2.3.4 饲料加工处理技术研究与应用 此类技术的主要目的， 在于改善饲料的适口性、分解 饲料中的抗营养和毒素因子、提高饲料的消化率和营养价 值。 它包括的内容很多，如饲料的加热膨化、激光处理、 秸秆氨化、蛋白质和氨基酸过瘤胃技术和饲料颗粒化等。 其中除激光技术外，其他技术均已在生产中广泛应用。 美国科学家最近发现，用激光照射草料，能撕裂粗饲 料中的纤维结构，有助于家畜对饲料养分的消化和吸收。 目前，家畜采食的草料，若用电动切草机切碎，一般需花 费较多的时间，而 用激光照射草料，草料即被激光击穿，

19、 既省时又方便，而且饲喂效果好，既能大大缩短草料在家 畜体内的消化时间，又能使家畜从纤维消化中吸收更多的 营养。 当牛、羊和其他一些草食家畜采食了用激光照射的 草料后，消化能力可提高 3%，体重可增加 25%-30%。国 外正在研究如何将这种新技术有效地应用于生产实际中。 7.2.3.5 天然植物提取物的研究开发 目前 世界各国广泛使用的药物饲料添加剂多为抗生素 和化学合成药，这些添加剂在畜禽饲料中长期使用所带来 的副作用已引起人们的普遍关注。因此，开发天然药物， 以代替现有抗生素和化学合成药物饲料添加剂，是目前的 研究热点。 国外所采用的方法是以有效成分作为研究天然 药物的出发点，通过现代高

20、新科技手段进行有效成分的提 取、分离或合成，制成产品。 如以常山酮为主要成分的抗球虫药“速丹”， 荷兰 Alltech公司从丝兰属植物中提取出消除粪臭素的活性成 分“ CU”，目前已形成产品。 这种研究路线与我国中药讲 究复方配伍的经验思想明显不同，虽然可能没有复方的协 同增效作用，但凭借先进的技术，雄厚的资金，确切的成 分及疗效，以及完善的市场运行机制，使其 产品迅速占领 了世界各国饲料添加剂市场。 7.2.4畜禽基因工程疫苗 目前的基因工程疫苗主要有以下几种： 基因工程亚单 位疫苗 、 基因工程活载体疫苗 、 合成肽疫苗 、基因缺失疫 苗、基因疫苗。 1 . 基因工程亚单位疫苗 亚单位疫苗

21、特点： 利用体外表达系统 (如大肠杆菌， 杆状病毒，酵母等 )大量表达病毒的主要保护性抗原蛋白 ， 作为亚单位疫苗不仅具有良好的安全性，而且便于规模化 生产。利用非疫苗用蛋白作为抗原建立的诊断方法将可以 区分亚单位疫苗免疫的动物和自然感染的动物。 这种疫苗 适用于发病快，病程急，中和抗体能有效控制发病的传染 病。 2.基因工程活载体疫苗 人们 可用基因工程的方 法对细菌和病毒进行改造， 使之成为活体重组疫苗。 这 种活体重组疫苗可以是非致 病性微生物通过基因工程的 方法使携带并表达某种特定 病原物的抗原决定簇基因， 产生免疫原性；也可以是致 病性微生物通过基因工程的 方法修饰或去掉毒性基因以

22、后，仍保持免疫原性。 活载 体疫苗克服了常规疫苗缺点， 兼有死疫苗和活疫苗的优点， 在免疫效力上很有优势 。 生长抑制激素基因工程活载体疫苗 （激生 1号） 口蹄疫病毒基因工程疫苗 3. 合成肽疫苗 合成肽疫苗是 利用人工方法合成病原具有保护作用的 抗原多肽，辅以适当的性剂和载体制成的疫苗。 合成肽疫苗的特点不仅安全可靠，质量可控，而且可以 随时根据流行毒株的情况加以调整， 利用非疫苗用蛋白抗 原建立的诊断方法也可以区分疫苗免疫的动物和自然感染 的动物。 合成肽疫苗分子是由多个 B细胞抗原表位和 T细胞抗原 表位共同组成的，大多需与一个载体骨架分子相耦联。合 成肽疫苗的研究最早始于口蹄疫病毒

23、(PMDV)合成肽疫苗， 主要集中在 FMDV的单独 B细胞抗原表位或与 T细胞抗原表 位，结合而制备的合成肽疫苗研究。 7.2.5动物生物反应器 一般把目的片段在器官或组织中表达的转基 因动物叫 动物生物反应器 （ bioreactor）。 几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都 可经过人为驯化为生物反应器 ,从生产的角度考虑， 生物反应器选择的组织和器官要 方便产物的获得， 例如，乳腺、膀胱、血液等， 由此发展了动物乳 腺生物反应器 ,动物血液生物反应器和动物膀胱生 物反应器等。 蚯蚓生物反应器 是世界著名蚯蚓专家爱得华滋 80年 代中期设计的一种有机废弃物处理装置。蚯蚓生物反应器是 一

24、种处理垃圾的机械设备，它主要有三部分组成：反应器主 体，加料部分和出料加工部分。 主要原理是利用蚯蚓和微生 物之间的互作，在蚯蚓消化有机废物的同时，生产出蚯蚓粪 肥。 蚯蚓在反应器中只是一种活的加工机。蚯蚓生长所需的 温度湿度等条件可以由电脑自动控制，使之保持在最佳生存 环境和高的处理效率。蚯蚓生物反应器最初在英国用于处理 植物生产废弃物（土豆加工废弃物）和动物粪便。 优点是具有操作简单、成本低廉、绿色环保等特点，即 可以使废弃物得到有效处理，又可变废为宝，生产出生物肥 料。 目前，这种反应器已经研制出小型、中型、大 型等多种规格的设备，可分别适用于工厂化、社 区、家庭处理垃圾之用。 我国第一

25、个大型蚯蚓生物反应器鱼 2002年 5月在河北省唐山市丰润 区建立，该反应器长 20米，宽 2.5米，能处理有机废弃物 6吨，同时产 生 4-5吨绿色环保有机蚓粪。 （这是一种小型蚯蚓生物反应器） 核 移 植 技 术 简 介 7.2.6核移植技术及其在养殖业中的应用 核移植（ nucleic translation， NT） 是将 动物早期胚胎或体细胞的 细胞核移植到去核受精卵 或成熟卵母细胞中、重新 构建新的胚胎，使重构胚 发育为供核细胞基因型相 同后代的技术，又称 动物 克隆技术。 精卵结合 胚 胎 细 胞 个 体 核移植技术的应用： 在畜牧业上，采用体细胞为核供体进行 细胞核移植是扩大优

26、良牧种的有效途径。 畜 牧业的效率主要来自动物个体的生产性能和 群体的繁殖性能，我们可以选用性能良好的 个体进行体细胞核移植。 例如，为了获得高 产奶牛，可以取高产奶牛的体细胞进行体外 培养，然后将体细胞核注入去核卵母细胞中， 使其发育到多细胞胚胎，再把它移入到普通 奶牛的体内。 这样，生产出的奶牛具有高产 的优良性状，从而加快育种速度并减少种畜 数量，更好地实现优良品质的保存。 7.2.7胚胎干细胞技术及其在养殖业 中的应用 概述 动物胚胎干细胞 （ embryonic stem cells, ES 细胞 ） 一般是指 从早期胚胎经 体外分化抑制培养分离 出来的具有全能性的细 胞。 ES细胞

27、是由 Evans和 Kauf-man ， 1981年首 次从延迟小鼠囊胚中分 离出来的多能性细胞， 当时称之为 EK细胞。以 后称之为 胚胎干细胞 。 ES细胞的特点 ES细胞具有胚胎细胞的特征， 在 形态上 表 现为 体积小、核大，核仁突出，培养时呈 克隆状生长 ；在 功能上 ， ES细胞具有 发育 的全能性 ，即具有分化为成年动物体内任 何一种细胞类型的能力。 ES细胞具有 细胞系的功能 ，在饲养层上能 维持未分化状态并实现自我更新。因此， 可无限增殖，也可冷冻保存。 胚胎干细胞研究的意义 ES细胞是哺乳动物个体发生发育规律的研究中极 有价值的工具； ES细胞是研究细胞分化的理想手段； E

28、S细胞是研究基因功能的首选细胞； Es细胞作为生产转基因动物的主要途径之一； ES细胞治疗技术将引起一场医学革命； ES细胞可用于研究细胞癌变机理和新药物的筛选。 胚胎干细胞的应用 生产克隆动物 ES细胞从理论上讲可以无限传代和增殖而 不失去其正常的二倍体基因型和表现型，以其作为核供体进 行核移植后，在短期内可获得大量基因型和表现型完全相同 的个体， ES细胞与胚胎进行嵌合克隆动物，可解决哺乳动物 远缘杂交的困难问题，生产珍贵的动物有着正要意义。 生产转基因动物 用于器官组织移植 作为一种被称之为“种子细胞”的 ES 细胞，为临床的组织器官移植提供大量材料。人 ES细胞经过 免疫排斥基因剔除后，再定向诱导终末器官以避免不同个体 间的移植排斥。这样就可能解决一直困扰着免疫学界及医学 界的同种异型个体间的移植排斥难题。 用于细胞治疗 细胞治疗是指用遗传工程改造过的人体细 胞直接移植或输入病人体内，达到治愈和控制疾病的目的。 ES细胞经遗传操作后仍能稳定地在体外增殖传代。