第一篇：基因工程在藥用植物次生代謝物研究中的應用

基因工程在藥用植物次生代謝物研究中的應用

基因工程在藥用植物次生代謝物研究中的應用

摘要：

目的：藥用植物遺傳背景基礎資料缺乏，對其次生代謝途徑及其調控機制的認識不夠深入，阻礙了細胞或組織培養(yǎng)、代謝工程等在獲取高價值次生代謝物上的廣泛應用。功能基因組學方法，尤其cDNA-AFLP 轉錄輪廓分析和代謝組學的整合運用，將次生代謝物的變化與相關基因的表達相關聯(lián)，在挖掘次生代謝物生物合成相關基因、探索次生代謝途徑方面展現(xiàn)出廣闊的應用前景，是植物次生代謝物研究的新趨勢和重要手段之一，將有力地促進藥用植物資源更好的開發(fā)利用。植物在長期進化過程中與環(huán)境相互作用，產生大量不同種類的小分子有機化合物——次生代謝物(secondarymetabolites)。

【關鍵詞】 次生代謝物；功能基因組學；轉錄組學；代謝組學；代謝工程

植物在長期進化過程中與環(huán)境相互作用，產生大量不同種類的小分子有機化合物——次生代謝物(secondary metabolites)。次生代謝物在植物適應特殊生態(tài)環(huán)境、對抗生物或非生物壓力等方面發(fā)揮著重要作用，如抵御病蟲害、適應生態(tài)環(huán)境變化、誘導授粉或防紫外線灼傷等[1-2]。很多次生代謝物化學結構復雜而獨特，具有特殊的生物活性，是藥用植物的主要活性成分[3]。藥用植物在藥物研發(fā)中應用廣泛，是傳統(tǒng)中藥主要來源，其次生代謝物是新藥、新先導化合物(drug leads)、新化學實體(new chemical entities，NCEs)的重要來源[4-5]。

從生物合成的起源來看，藥用植物次生代謝物可分為5大類：多聚酮類(polyketides)、異戊二烯類(isoprenoids)、生物堿類(alkaloids)、苯丙烷類(phenyl propanoids)、黃酮類(flavonoids)。多聚酮類由乙酸-丙二酸途徑(acetate-malonate pathway)產生；異戊二烯類（包括萜類和固醇類）由五碳前體異戊烯焦磷酸(isopenteny l diphosphate，IPP）經過經典的甲羥戊酸途徑(mevalonic acid pathway，MVA pathway)或MEP 代謝途徑(methyl-erythritol phosphate pathway)產生；生物堿類由不同種類的氨基酸合成；苯丙烷類含有1 個C6-C3單元，起源于芳香氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸；黃酮類由苯丙烷類與多聚酮類相結合的途徑合成[6]。不同種類的藥用植物次生代謝物在藥物開發(fā)中均有應用[7]。然而，來源于藥用植物的次生代謝物往往含量低，且天然藥用植物資源有限，增加了藥物開發(fā)的難度[7]。藥用植物次生代謝產物的生物合成往往包含多個步驟，過程長而復雜，有多種酶參與，至今仍有很多問題懸而未決。目前，藥用植物中僅有少數(shù)次生代謝途徑（如黃酮類，吲哚三萜，異喹啉生物堿）經過多年經典生物化學研究已有較深入的認識[8-9]，而大部分次生代謝途徑還有待進一步闡明，阻礙了生物技術生產次生代謝物的成功應用。功能基因組學方法是全面探索生系統(tǒng)的有力工具，是發(fā)現(xiàn)次生代謝物生物合成相關基因及闡明次生代謝途徑的有效手段[10]，將成為藥用植物次生代謝物研究以及中藥現(xiàn)代化研究的發(fā)展趨勢之一[11-12]。

一、藥用植物次生代謝物的獲得途徑

總的來說，藥用植物次生代謝物的獲得途徑有①從植物（包括野生和栽培植物）中提取分離；②對結構已知的次生代謝物尋求化學合成或結構改造；③從植物細胞或組織培養(yǎng)物中獲得；④代謝工程生產。目前，從植物中提取分離仍是獲得次生代謝物最主要的途徑，而且其中大約2/3 來源于野生資源[13]。然而，大多數(shù)次生代謝物在植物中含量低，且只在特殊組織部位、特定生長階段或生長環(huán)境下積累，過度依賴野生資源會危及瀕危物種、破壞環(huán)境。藥用植物栽培在一定程度上可以緩解這些問題，但由于生長環(huán)境要求高、耗時長、勞動量大等原因，使得藥用植物栽培成本較高、難度較大[14]。大部分次生代謝物結構復雜，常含有特異的立體化學結構(stereochemistry)，使得化學全合成往往不可能或者經濟上不可行。

在基于次生代謝物作用機制知識的基礎上合成作用相似的替代物，或者對次生代謝物進行結構修飾，是藥物開發(fā)中一種經濟可行的策略。例如，以薯蕷皂苷元(diosgenin)為基本骨架，經化學修飾開發(fā)出大量類固醇激素類藥物。作為獲得藥物植物次生代謝物一種可能的替代方法，運用細胞或組織培養(yǎng)物產生有商業(yè)價值的次生代謝物的研究已廣泛開展。雖然許多不同種類的藥用植物細胞或組織培養(yǎng)體系已經被確定，但它們常常并不能產生足夠量的目標次生代謝物[15]。可能的原因如下：次生代謝物細胞內毒性高，導致其在培養(yǎng)物中往往并不積累或者含量很低[16]；培養(yǎng)物容易受后天變化(epigenetic changes)的影響，產物水平不穩(wěn)定，使得依靠經驗摸索選擇高產、穩(wěn)定的培養(yǎng)體系難度較大。通過篩選選擇高產率細胞系、優(yōu)化培養(yǎng)基、加入茉莉酸甲酯等誘導因子、運用毛狀根培養(yǎng)等方法能夠在一定程度上提高目標次生代謝物產量[17]。

成功的例子有： 運用紫草Lithospermum erythrorhizon 細胞懸浮培養(yǎng)生產紫草素(shikonin)；從罌粟Apaver somniferum 細胞培養(yǎng)生產血根堿(sanguinarine)等。但由于產量以及生產成本等問題，目前這種方法商業(yè)成功率仍然非常有限。代謝工程為產生目標次生代謝物、提高其含量提供了新的前景。調控次生代謝途徑要求徹底認識其整個生物合成途徑，詳細了解代謝途徑中控制啟動和流通的調控機制。目前，這種方法已經被成功的運用于微生物生產本體或異源次生代謝物[18]。例如，在大腸桿菌Escherichia coli 中生產抗瘧疾成分青蒿素的前體青蒿酸(amorphadiene)[19]。然而，藥用植物與微生物不同，通常次生代謝途徑更長，酶催化步驟更多，因此阻礙了代謝工程在藥用植物中的應用。功能基因組學研究將最終揭示次生代謝物的生物合成途徑，為藥用植物代謝工程以及細胞或組織培養(yǎng)與代謝工程相結合的途徑產生次生代謝物奠定堅實的理論基礎。

二、功能基因組學的基本研究工具

擬南芥、水稻全基因組測序完成，其他幾種植物如楊、苜蓿、蓮、土豆、玉米等序列信息的發(fā)現(xiàn)[20-22]，有力推進了基因組學的發(fā)展。然而，僅僅依靠大量序列信息，許多基因的功能無法闡明。通過改變單個因素或基因探索基因功能的方法效率較低、成本較高，這要求大規(guī)模分析基因功能[23]，從而催生了功能基因組學。功能基因組學(functional genomics)應用多重平行的方法，包括轉錄組學(transcriptomics)、蛋白質組學(proteomics)、代謝組學(metabolomics)，采用高通量模式在基因組或系統(tǒng)水平上全面研究分析基因功能，是全面探索生物系統(tǒng)的有力工具，最終將建立起基因組(genome)和表型組(phenome)之間的聯(lián)系[10,24]。

轉錄組學在整體水平上研究細胞中基因轉錄情況及轉錄調控規(guī)律，其發(fā)展使得全面系統(tǒng)研究基因表達、發(fā)現(xiàn)新基因、詮釋基因功能成為可能。常用的轉錄輪廓分析方法有：差異性顯示(differential display)，cDNA 微陣列（cDNA microarray），基因芯片(gene chip)，表達序列標簽(expressions equence tags，EST)分析，基因表達的系統(tǒng)分析(serial analysis of gene expression，SAGE)，大規(guī)模平行測序技術(massively parallel signature sequencing，MPSS)，cDNA-擴增片段長度多態(tài)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)的基礎上發(fā)明出來的一項RNA 指紋圖譜技術，基本原理是對cDNA 限制性酶切片段進行選擇性擴增，通過擴增片段獲得基因表達信息[27]。cDNA-AFLP 與基于雜交的轉錄圖譜技術cDNA 微陣列和基因芯片相比，最顯著的優(yōu)點為不需要事先知道基因組序列信息、靈敏度高、特異性高、重復性好、啟動成本相對較低，在基因表達研究方面可有效替代后兩者[28]。cDNA-AFLP 已逐漸成為探索基因序列信息相對缺乏的藥用植物基因表達的有力工具[29-30]，主要應用于定量基因表達分析，新基因發(fā)現(xiàn)，表達數(shù)量性狀基因坐(quantitative trait loci，QTL)作圖等方面，適用于任何物種[25]。

蛋白質組學在大規(guī)模研究基因表達、揭示蛋白質功能、探索酶的催化調控作用等領域發(fā)揮著舉足輕重的作用，主要的分離分析方法有：二維凝膠電泳(two dimensional gelelect rophoresis)，質譜技術，包括基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(matrix assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry，MALDI/TOF MS)、電噴霧離子化質譜(electro spraying ionization-mass spectrometry，ESI-MS)等。二維凝膠電泳技術是高效分離分析多種蛋白的主要手段。質譜技術靈敏度、特異性高，主要應用于精確鑒定蛋白質[31]。由于蛋白質自身結構復雜、特異，且存在相互作用，蛋白質組的研究常需要結合二維凝膠電泳、質譜技術以及用于研究蛋白質相互作用的分析技術，如酵母雙雜交技術、蛋白質芯片[32]。

代謝組學的形成和發(fā)展使得對于代謝網絡的整體動態(tài)變化的衡量成為可能或者更接近于真實，尤其適合于特定條件下的代謝表型(metabolic phenotypes)的研究[33-34]，并且迅速成為闡釋基因功能、全面了解細胞對生物環(huán)境反應的關鍵工具[35]，也是藥用植物、中醫(yī)藥現(xiàn)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)、氣相色譜-質譜聯(lián)用(gas chromatography coupled with mass spectrometry，GC-MS)、液相色譜-質譜聯(lián)用(liquid chromatography coupled with mass spectrometry，LC-MS)、傅立葉質譜(Fourier transform mass spectrometry，F(xiàn)TMS)和毛細管電泳-質譜聯(lián)用(capillary electrophoresis coupled with mass spectrometry，CE-MS)等[38]。近年來又發(fā)展出了串連質譜、液相色譜與核磁共振聯(lián)用等新技術。這些分析方法各有優(yōu)缺點，NMR 快速、選擇性好、代謝物結構鑒定方便，但靈敏度相對較低、檢測動態(tài)范圍窄；基于分離和質譜聯(lián)用的技術靈敏度高、專屬性好，但樣品前處理及分析需要相對較長的時間。選擇合適的分析技術需要綜合考慮代謝物譜的特征，分析速度、選擇性和靈敏度[39-40]。

三、藥用植物功能基因的挖掘

對于藥用植物來說，由于基因組序列信息及其相關數(shù)據(jù)庫、功能基因組學研究工具的缺乏，其次生代謝物相關基因的全面研究幾乎未見報道。整合轉錄組學與代謝組學的功能基因組學方法是該研究領域的一個突破口[6]（圖1）。使用茉莉酸甲酯(methyljasmonae，MeJA)、水楊酸(salicylic acid，SA)、殼聚糖(chitosan)或重金屬(heavy metals)等刺激因子處理未分化的細胞通常能夠提高次生代謝物產量[11-12]。

假設目標次生代謝物的含量提高的同時，與這些成分生物合成相關的基因也被激活，那么，在藥用植物細胞或組織培養(yǎng)物中，當目標次生代謝物誘導條件確定后，基因組層面的轉錄輪廓分析就能夠確定與之累積相關的基因表達，篩選出與次生代謝相關的基因進行功能分析，闡明和驗證它們的功能，進而應用于提高次生代謝物產量。理論上，這種方法適用于任何藥用植物細胞或組織培養(yǎng)物。

圖1 一種用于提高植物細胞中次生代謝物

含量的功能基因組學方法概要：Alain Goossens[43]等運用cDNA-AFLP 的轉錄輪廓和目標代謝物輪廓分析相結合的方法分析了茉莉酸甲酯誘導后的煙草細胞培養(yǎng)物，在2 萬個可見基因片段中，確定591個由茉莉酸甲酯誘導轉錄，同源搜索顯示，其中58％的基因片段功能已知，幾乎包括所有和尼古丁生物合成相關的基因，如編碼鳥氨酸脫羧酶、精氨酸脫羧酶、喹啉酸磷酸核糖基轉移酶的基因和許多據(jù)推測可能在生物堿合成中起作用基因；約15％的基因編碼功能不確定的蛋白以及信號轉導蛋白，如受體、激酶、磷酸酶和轉錄因子，這些蛋白的誘導與尼古丁生物合成相關基因的上調一致。Heiko Rischer[44]等運用cDNA-AFLP 轉錄輪廓分析和代謝輪廓分析相結合的方法，分析茉莉酸甲酯誘導的長春花細胞培養(yǎng)物，得到一系列已知或未知的基因標簽以及與二萜類吲哚生物堿(terpenoid indole alkaloids，TIAs)相關的代謝物；通過搜索417 個差異性表達基因標簽和178 個代謝峰的累積輪廓之間的關聯(lián)，他們首次描畫了從基因到基因(gene-to-gene)以及從基因到代謝(gene-to-metabolite)的網絡，這些代謝網絡揭示了二萜類吲哚生物堿具有不同的代謝分支，且不同的代謝途徑受到不同的植物激素調節(jié)，也揭示了與二萜類吲哚生物堿生物合成相關的一系列基因和代謝物。整合轉錄組學和代謝組學，構建從基因到代謝的網絡，將促進包含多種層面（包括基因表達、酶活性和代謝物水平）、相互作用的生物體系之間的信息的整合，發(fā)現(xiàn)關鍵調節(jié)成分從而闡明基因功能，進一步確定與藥用植物次生代謝物生物合成、轉運、調節(jié)、修飾相關的新基因及其調控機制[45]。

四、藥用植物次生代謝工程

代謝工程通過調控與代謝途徑相關的基因、關鍵酶、代謝通路、代謝物等途徑，改變目標次生代謝物含量。功能基因組學研究領域的基本問題是確定與次生代謝物生物合成相關的各個因素，包括基因表達、酶及其調節(jié)水平，其研究成果為代謝工程產生次生代謝物提供了理論基石，目前已經有較多應用。

引入或過量表達編碼關鍵酶如限速酶的基因能夠調控代謝途徑。Dae-Jin Yun[46]等的研究表明，在顛茄Atropa belladonna中引入編碼莨菪堿-6β-羥化酶(hyoscyamine-6β-hydroxylase)的基因，導致了顛茄中含量很低的高價值托品生物堿東莨菪堿(scopolamine)的累積，幾乎所有的莨菪堿都轉化成了東莨菪堿。該基因在黑莨菪Hyoscyamus muticus 毛狀根中過量表達效果更劇烈，不僅產生了大量的東莨菪堿，而且累積了高含量的莨菪堿[47]。Lee[48]等研究表明，在人參中過量表達角鯊烯合成酶基因(squalene synthase gene)獲得了更高含量的三萜(triterpenes)和植物甾醇(phytosterols)。使某個基因沉默導致代謝途徑中產生或阻斷代謝支路也能使某種代謝物累積。

Allen [49]等的研究已經表明，阻斷罌粟中產生嗎啡的代謝途徑，會導致荔枝堿(reticuline)及其甲酯的積累。在咖啡植物中，調控咖啡因的相關代謝通路可控制其含量[50]。轉錄因子(transcriptional factors)異常表達啟動整個代謝途徑的能力顯示了調控次生代謝途徑新的可能性。長春花二萜類吲哚生物堿(terpenoid indole alkaloids，TIAs)生物合成途徑的主導調節(jié)子基因Orca3，該基因編碼產物ORCA3含有一個AP2/ERF 功能域，為茉莉酸應答性調節(jié)子(jasmonate-responsive regulator)。在長春花細胞培養(yǎng)物中，連續(xù)產生過量ORCA3導致幾種與二萜類吲哚生物堿生物合成相關基因的過量表達以及二萜類吲哚生物堿累積[51]。在細胞或組織培養(yǎng)物中，次生代謝物常儲存在植物液泡內，轉運器(transporter)很可能在次生代謝物轉運區(qū)隔中發(fā)揮著重要作用。次生代謝物的細胞毒性限制了其在細胞中累積。尼古丁和其他生物堿對植物細胞毒性高，在轉基因土豆細胞中過量表達酵母ABC 轉運器(ABC transporter)PDR5 被證實能減小尼古丁的細胞毒性，增加其累積[52]。

功能基因組學的發(fā)展為產生或設計新的次生代謝物提供了前所未有的機會，運用代謝工程以及植物細胞或組織培養(yǎng)物與代謝工程相結合的方法產生次生代謝物將會取得更大的突破。

五、展望

由于藥用植物缺乏大量序列數(shù)據(jù)信息，使得基因表達的系統(tǒng)分析、微陣列等轉錄輪廓分析方法難以應用，嚴重阻礙了大規(guī)模的基因發(fā)掘。相比而言，由于不需要事先知道基因組序列信息，cDNA-AFLP 分子標記技術成為目前廣泛發(fā)掘藥用植物基因以及定量分析基因表達譜的有力工具。代謝組學的興起使得大規(guī)模定量檢測整體或目標代謝物成為可能。

作為對基因表達活動的響應，次生代謝物更為靈敏地反映了基因表達與調控的變化，基于cDNA-AFLP 的轉錄輪廓分析與代謝組學整合，能夠將基因表達變化與代謝物變化相關聯(lián)，并通過次生代謝物的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)新基因、推測代謝途徑、闡釋基因功能，在次生代謝物生物合成途徑及相關基因功能闡明研究中已顯現(xiàn)出廣闊的應用前景。

隨著技術的發(fā)展及研究的深入，基因組、基因表達數(shù)據(jù)庫的不斷擴充和完善，更多的功能基因組學研究工具，包括轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學及其全面深入的整合[45]，將越來越廣泛地應用于藥用植物及中醫(yī)藥研究領域。這種整體系統(tǒng)方法和傳統(tǒng)還原分析方向相結合，必將加速揭示藥用植物基因的功能，建立起基因表達水平、酶活性和次生代謝物之間的因果關聯(lián)，最終闡明次生代謝途徑及其相關基因的表達調控機制。

這些研究成果將促進細胞或組織培養(yǎng)基因工程、代謝工程產生高價值活性成分的應用，有力推進藥用植物次生代謝物的開發(fā)和中藥材新品種培育，在保護自然資源、保持生物多樣性的同時使人類極大受益[53-54]。

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第二篇：基因工程在食品工業(yè)中的應用

基因工程在食品工業(yè)中的應用

摘要：生物技術發(fā)展日新月異，基因工程的應用已經滲透到工、農、衣、國防和環(huán)保等各個領域，深刻影響著人類的生活和社會的進程；當然，基因工程技術在食品中的應用也越來越廣泛。它具有從本質上改變生物及食品性能的特性，因此越來越受到食品科技工作者的重視。本文闡述了基因工程的定義，詳細介紹了基因工程食品的由來，并介紹了基因工程在食品原料改良中的應用；基因工程在食品發(fā)酵中的應用；基因工程在農副產品加工中的應用，同時，展望了基因工程技術在食品工業(yè)領域中的美好發(fā)展前景。

關鍵詞：基因工程

食品工業(yè)

食品原料改良

食品發(fā)酵

農副產品

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、基因工程的定義

狹義：指用體外重組DNA技術去獲得新的重組基因；

廣義：指按人們意愿設計，通過改造基因或基因組而改變生物的遺傳特性。如用重組DNA技術，將外源基因轉入大腸桿菌中表達，使大腸桿菌能夠生產人所需要的產品；將外源基因轉入動物，構建具有新遺傳特性的轉基因動物；用基因敲除手段，獲得有遺傳缺陷的動物等。

基因工程食品: 基因工程食品是指利用生物技術改良的動植物或微生物所制造或生產的食品、食品原料及食品添加劑等。它是針對某一或某些特性以突變、植入異源基因或改變基因表現(xiàn)等生物技術方式，進行遺傳因子的修飾，使動植物或微生物具備或增強此特性，進而降低生產成本，增加食品或食品原料的價值，例如增強抗病性、改變營養(yǎng)成分，加快生長速度、增強對環(huán)境的抗性等

二、基因工程的發(fā)展史 基因工程是在分子生物學和分子遺傳學綜合發(fā)展基礎上于本世紀70年代誕生的一門嶄新的生物技術科學。一般來說，基因工程是指在基因水平上的遺傳工程，它是用人為方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質--DNA大分子提取出來，在離體條件下用適當?shù)墓ぞ呙高M行切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然后與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中，以讓外源遺傳物質在其中“安家落戶”，進行正常復制和表達，從而獲得新物種的一種嶄新的育種技術。

三、基因工程在食品原料改良中的應用

（一)水化合物的改良

食品碳水化合物類食品方面利用基因工程來調節(jié)淀粉合成過程中特定酶的含量或幾種酶之間的比例，從而達到增加淀粉含量或獲得獨特性質、品質優(yōu)良的新型淀粉。例如：通過反義基因抑制淀粉分枝酶可獲得完全只含有直鏈淀粉的轉基因馬鈴薯。這樣油炸后的產品更具有馬鈴薯的風味，更好的構質，較低的吸油量和較少的油味。

(二)油脂的改良

目前，控制脂肪酸鏈長的幾個酶的基因和控制飽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質。如通過導入硬脂酸-ACP 脫氫酶的反義基因，可使轉基因油菜 種子中硬脂酸的含量從 2%增加到 40%。而將硬脂酞 CoA 脫飽和酶基因導入作物后，可使轉基因作物中的飽和脂肪酸(軟脂酸、硬脂酸)的含量有所下降，而不飽和脂 肪酸(油酸、亞油酸)的含量則明顯增加，其中油酸的含量可增加 7 倍。除了改變 油脂分子的不飽和度外，基因工程技術在改良脂肪酸的鏈長上也取得了實效。事實上，高油酸含量的轉基因大豆及高月桂酸含量的轉基因油料作物芥花菜(Canola)在美國已經成為商品化生產的基因工程油料作物品種。

(三)蛋白質的改良

食品中動植物蛋白由于其含量不高或比例不恰當，可能導致蛋白營養(yǎng)不良。采用轉基因的方法，生產具有合理營養(yǎng)價值的食品，讓人們只需吃較少的食品，就可以滿足營養(yǎng)需求。例如，豆類植物中蛋氨酸的含量很低，但賴氨酸的含量很高；而谷類作物中的對應氨基酸含量正好相反，通過基因工程技術，可將谷類植物慕岡導入豆類植物，開發(fā)蛋氨酸含量高的轉基因人豆。

（四）碳水化合物的改良

對碳水化合物的改進，只有通過對其酶的改變來調節(jié)其含量。高等植物體中涉及淀粉合成的酶類主要有: ADPP葡萄糖焦磷酸酶(ADP-GPP)、淀粉合成酶(SS)和分支酶(BE)。通過反義基因抑制淀粉分支酶，可獲得完全只含直鏈淀粉的轉基因馬鈴薯。Monsanto公司開發(fā)了淀粉含量平均提高了20%-30%的轉基因馬鈴薯。油炸后的產品更具馬鈴薯風味、且吸油量較低。

四、基因工程在食品發(fā)酵中的應用

隨著食品工業(yè)的發(fā)展，對酶、蛋白質、氨基酸、香精、甜味劑等原輔料的需求量大增，而這些原輔料傳統(tǒng)上靠動植物供應，由于受氣候、季節(jié)、生長期等因素的影響，供應鼉往往不能滿足需要。現(xiàn)在基因工程技術已能將許多酶、蛋白質、氨基酸和香精以及其他多種物質的基岡克隆入合適的微生物宿主細胞中利用細菌的快速繁殖來大量生產。例如將牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物體內，由細菌生產這種動物來源的酶類，將解決奶酪工業(yè)受制于凝乳酶來源不足的問題；從西非發(fā)現(xiàn)的由植物果實中提取的甜味蛋自質(thaumatin)的DNA編碼序列已經被克隆入細菌，以生產這種高效低熱量新型甜味劑等。下面重點介紹基因工程程在啤酒工業(yè)、乳品工業(yè)方面的應用。

(一)啤酒工業(yè)

1、大麥的選育：

利用RF[，P(限制性片斷長度多樣性)技術對人麥進行抗病選育、Q一淀粉酶多基因族分析大麥醇溶蛋白的研究及品種鑒定。利用轉基因技術將外源基因直接導入大麥，用于品種改良、抗蟲和抗病選育，人們期待著基因重組技術能產生耐枯斑病等病害的大麥品種。

2、啤酒稻的選育：

大米是啤酒釀造中使用最廣的輔料，但普通大米的用帚提高到30％以上時，麥汁中Q一氨基氮含量會不足而影響酵母的正常生長和發(fā)酵。利用基因轉移技術、細胞融合技術等選育高蛋白、低脂肪、低NSP(非淀粉多糖)的稻品種，專門用于啤酒釀造，進一步提高輔料比例，降低生產成本。

3、啤酒酵母的改造：

利用糧食替代晶釀造啤酒的首選原料是纖維素因為纖維素自然界存量最多的有機物，某些真菌如平菇、香菇、靈芝、紅曲霉等對纖維素有很強的分解能力，如果利用現(xiàn)代基因工程技術將這些真菌中控制纖維素酶，合成的基闐轉移到啤酒酵母中去，那么啤酒酵母就能利用纖維素釀造啤酒，改變傳統(tǒng)的啤酒生產中消耗大量的大麥和大米等糧食的局面。

(二)乳品工業(yè)

l、提高牛乳產量：

將采用基因工程技術生產的牛生長激素(BST)注射到母牛上，可提高母牛產奶量。目前利用DNA的克隆繁殖技術，把人垂體激素(ST)重組體互)陋UBST的mRNA中，利用外源BST來注射乳牛，可提高15％左右的產奶量，BST現(xiàn)已進入商業(yè)化領域?，F(xiàn)在英、美等國都已采用BST來提高乳牛的產奶量，具有極大的經濟效益，且對人體無害。

2、改善牛乳的成分：

利用13一半乳糖苷酶水解乳中的乳糖，對眾多乳糖不耐癥者是一個難得的好產品?？蓪⒕幋a通過基因工程技術將B一半乳糖苷酶基因轉入GRAS級的微生物細胞作為宿主，在宿主調節(jié)基因的調控下，在發(fā)酵罐規(guī)模上生產表達有優(yōu)良特性的13一半乳糖營酶基因。此外，針對礦乳白蛋白的mRNA，用核酸編碼的轉基因，使與乳糖合成有關的a_乳白蛋白(是乳糖產生的催化物質)的基因被淘汰，以此達到降低乳中乳糖含量的目的。

五、基因工程在農副產品加工中的應用

改良果蔬采收后品質增加其貯藏保鮮性能 隨著對番茄、香蕉、蘋果、菠菜等果蔬成熟及軟化機理的深入研究和基因工程技術的迅 速發(fā)展，使通過基因工程的方法直接生產耐儲藏果蔬成為可能。事實上，現(xiàn)在無論在國外還 是國內都已經有了商品化的轉基因番茄。促進果實和器官衰老是乙烯最主要的生理功能。在 果實中乙烯生物合成的關鍵酶主要是乙烯的直接前體—l-氨基環(huán)丙烷一 1-梭酸合成酶(ACC 合成酶)和ACC 氧化酶。在果實成熟中這兩種酶的活力明顯增加，導致乙烯產生急劇上升，促進果實成熟。在對這兩種酶基因克隆成功的基礎上，可以利用反義基因技術抑制這兩種基 因的表達，從而達到延緩果實成熟，延長保質期的目的。因此，利用反義基因技術可以成 功的培育耐儲藏果蔬。目前，有關的研究正在繼續(xù)進行，并已擴大到了草莓、梨、香蕉、芒 果、甜瓜、桃、西瓜、河套蜜瓜等，所用的目的基因還包括與細胞壁代謝有關的多聚半乳糖 醛酸酶(PG)、纖維素酶和果膠甲脂酶基因。反義PG 轉基因番茄還具有更強的抗機械損傷和 真菌侵染能力，且有更高的果醬產率。

（六）、展望

目前，包括我國政府在內的各國政府對基因工程技術在農業(yè)和食品工業(yè)中的應用都制定了相關的管理條例，因此只要合理地使用，基因工程技術將是發(fā)展綠色食品產業(yè)的有效手段?；蚬こ碳夹g是一門誕生不久的新興技術，正如其它一些新技術的產生過程一樣，由于人們一開始對新技術的了解程度不夠，由此而產生的疑慮和爭論是可以理解的，更何況基因工程技術研究的產品與人類健康息息相關。雖然現(xiàn)在對基因工程技術仍有許多爭論，但目前科學界已基本上達成共識，即基因工程本身是一門中性技術，只要能正確地使用該項技術就可以造福于人類可以預言，在2l世紀，以基因工程為核心的生物技術必將給食品工業(yè)帶來深刻的革命

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第三篇：基因工程在廢水處理中的應用與展望

基因工程在廢水處理中的應用狀況及展望

摘要：本文對現(xiàn)代基因工程技術在污水生物處理系統(tǒng)中的應用進行了概述, 利用基因工程技術提高微生物凈化環(huán)境的能力是用于廢水治理的一項關鍵技術。筆者就基因工程技術的原理、研究內容和在污水處理領域中的應用進行了闡述了，并對其研究方向作了展望。

關鍵字：基因工程，污水處理，應用

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

生物法處理生活污水如今已被廣泛的應用，但揭示污水中復雜微生態(tài)系統(tǒng)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進化的微生物難于降解，基因工程的引進開辟了培育高降解能力的新品菌種方法，利用基因工程技術檢測微生物性狀、提高微生物凈化環(huán)境的能力是用于廢水治理的一項關鍵技術?；蚬こ痰亩x

基因工程（genetic engineering）是指重組DNA技術的產業(yè)化設計與應用，包括上游技術和下游技術兩大組成部分。上游技術指的是基因重組、克隆和表達的設計與構建（即重組DNA技術）；而下游技術則涉及到基因工程菌或細胞或基因工程生物體的大規(guī)模培養(yǎng)以及基因產物的分離純化過程。基因工程是利用重組技術，在體外通過人工“剪切”和“拼接”等方法，對各種生物的核酸（基因）進行改造和重新組合，然后導入微生物或真核細胞內，使重組基因在細胞內表達，產生出人類需要的基因產物，或者改造、創(chuàng)造新特性的生物類型。

一個完整的、用于生產目的的基因工程技術程序包括的基本內容有：（1）外源目標基因的分離、克隆以及目標基因的結構與功能研究。這一部分的工作是整個基因工程的基礎，因此又稱為基因工程的上游部分。（2）適合轉移、表達載體的構建或目標基因的表達調控結構重組。（3）外源基因的導入。（4）外源基因在宿主基因組上的整合、表達及檢測與轉基因生物的篩選。（5）外源基因表達產物的生理功能的核實。（6）轉基因新品系的選育和建立，以及轉基因新品系的效益分析。（7）生態(tài)與進化安全保障機制的建立。（8）消費安全評價。基因工程技術在廢水處理中的應用

環(huán)境污染已遠遠超出了自然界微生物的凈化能力，已成為人們十分關注的問題。尤其是在污水處理方面，生物法逐漸成為廢水處理的主要方法。但是由于廢水的多樣性及其成分的復雜性，自然進化的微生物降解污染物的酶活性往往有限。20世紀90年代后期問世的DNA改組技術可以創(chuàng)新基因，并賦予表達產物以新的功能，創(chuàng)造出全新的微生物，就可以定向獲得具有特殊降解性狀的高效菌株，方便有效地應用于水污染處理。因此，構建基因工程菌成為現(xiàn)代廢水處理技術的一個重要研究方向，且日益受到人們的重視。

2.1 基因工程技術在污水檢測中的應用

2.1.1 聚合酶鏈反應(PCR)技術在污水檢測中的應用

聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction)是20世紀80年代后期由K.Mullis等建立的一種體外酶促擴增特異DNA片段的技術，PCR是利用針對目的基因所設計的一對特異寡核苷酸引物，以目的基因為模板進行的DNA體外合成反應。由于反應循環(huán)可進行一定次數(shù)(通常為25~30個循環(huán))，所以在短時間內即可擴增獲得大量目的基因。這種技術具有靈敏度高、特異性強、操作簡便等特點。PCR技術的基礎是只有在微生物特定核酸存在的條件下，重復性酶促DNA合成和擴增才能夠發(fā)生。PCR擴增產物可通過瓊脂糖凝膠電泳來檢驗和純化，也可以被用來克隆、轉化和測序.在具體應用中往往采用經過修正的或與其它技術聯(lián)合應用的PCR衍生技術，如RT-PCR、競爭PCR、PCR-DGGE、PCR-SSCP和巢式PCR等。

PCR通過對待測DNA片段的特異性擴增，一方面作為菌株定性鑒定的重要手段，同時也為定性和定量研究微生物的群落特征提供幫助。自PCR技術問世以來，通過其自身的不斷完善以及同其它相關技術的聯(lián)用，在污水生物處理微生物的檢測和鑒定方面得到了長足的發(fā)展，為該領域的研究提供了一個高效、靈敏、簡便的研究工具。應用PCR-DGGE(Polymerase Chain Reaction Denaturing Gradient Gel Electrphoreses)方法對環(huán)境微生物進行研究可以不經過培養(yǎng)，直接從樣品中提取細菌的DNA，再將編碼有16SrDNA的基因進行擴增。通過這種方法能夠直接了解樣品中微生物分布結構，并能大致比較相同條件下單一菌群的生物量。王峰等采用PCR-DGGE技術來分析活性污泥與生物膜中微生物種群的結構，可以不經過常規(guī)培養(yǎng)而直接從活性污泥和生物膜樣品中提取DNA；Marsh等利用PCR-DGGE分析并獲得了活性污泥中真核微生物的種群變化情況；Nicolaisen等利用PCR-DGGE技術發(fā)現(xiàn)Nitrosomonas-like細菌是上流式好氧流化床顆粒污泥中的主要氨氧化菌。以上的事實均說明，PCR-DGGE結合測序技術是一種完全可行的適于環(huán)境樣品微生物研究的快速分析方法。

2.1.2 熒光原位雜交技術(FISH)技術在污水檢測中的應用

熒光原位雜交技術(Fluorescence In Situ Hybridization，F(xiàn)ISH)結合了分子生物學的精確性和顯微鏡的可視性，能夠在自然的微生物環(huán)境中檢測和鑒定不同的微生物個體，并提供污水處理過程中微生物的數(shù)量、空間分布和原位生理學等信息。FISH技術的基本原理是通過熒光標記的探針在細胞內與特異的互補核酸序列雜交，通過激發(fā)雜交探針的熒光來檢測信號從而對未知的核酸序列進行檢測。

Nielsen等(2001)對工業(yè)廢水處理廠活性污泥的細菌表面疏水性進行了原位檢測，并應用FISH技術結合細胞表面微球體分析研究了絲狀細菌的胞外聚合物。Konuma等(2001)運用FISH法來測定氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria)的數(shù)量，結果表明，F(xiàn)ISH法對氨氮含量高的活性污泥混合液檢測結果較好，但對氨氮含量低的污水廠出水和河水的檢測效果不佳。表1列舉了FISH技術的一些應用實例。

表1 FISH技術在廢水中微生物檢測的具體應用實例

Table1 The applications of FISHin the microorganism detections in wastewater 應用

檢測活化污泥反應器中的Microthrix parvicella 在EBPR系統(tǒng)中,考察聚磷菌(PAOs)的微

生物特性和生化特性

探明廢水處理濕地生物膜中影響氨氧化的主要功能菌群

揭示UASB反應器中高溫和中溫顆粒污泥的厭氧微生物群落的空間分布和多樣性 鑒定了活性污泥中硝化細菌群落的數(shù)量和空間分布

SBR反應器內,不同電子受體條件下,反 硝化除磷菌(DNPAOs)的種群變化

文獻來源（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重組技術在污水檢測中的應用

DNA重組技術的實質是，將兩個或多個單獨的DNA片段連接起來產生一個能在特定宿主中自主復制的DNA分子。其基本程序是:外源DNA的獲得；選擇載體并進行處理；將目的DNA片段和處理后的載體連接；將連接產物導入合適的宿主細胞內，使重組DNA分子在宿主細胞內復制擴增；將轉化菌落在平板培養(yǎng)基上培養(yǎng)成單個菌落，篩選獲得含有重組DNA的陽性克隆。在廢水的處理過程中僅靠分離和篩選的功能性微生物是不夠的。在混合的微生物群體中篩選特定的微生物菌種時往往得不到預期的結果；特定的微生物可能難以培養(yǎng)，從而無法應用到實際的生物反應器中；人類排放到環(huán)境中的污染物越來越復雜且難以處理。因此，有必要通過基因工程技術并根據(jù)具體的需要構建有效的基因工程菌或培育出可高效降解復雜多樣的有害污染物的細菌來解決以上的問題。

2.2 利用基因工程菌降解廢水中的有機污染物

生物處理法是廢水中有機污染物降解的主要方法，但是部分難降解有機污染物需要不同降解菌之間的協(xié)同代謝或共代謝等復雜機制才能最終得以降解,這無疑降低了污染物的降解效率。首先,污染物代謝產物在不同降解菌間的跨膜轉運是耗能過程,對細菌來說這是一種不經濟的營養(yǎng)方式；其次,某些污染物的中間代謝產物可能具有毒性，對代謝活性有抑制作用；此外,將不同種屬、來源的細菌的降解基因進行重組,把分屬于不同菌體中的污染物代謝途徑組合起來以構建具有特殊降解功能的超級降解菌,可以有效地提高微生物的降解能力。

Satoshi Soda等[11]將基因工程菌P.putidaBH(pSl0-45)接種到SBR反應器的活性污泥中,用于處理500mg/L的苯酚廢水,在大大提高苯酚去除率的同時改善了污泥沉降性能。南京大學、揚子石油化工有限責任公司、香港大學、國家環(huán)?？偩帜暇┉h(huán)境科學研究所聯(lián)合完成了跨界融合構建基因工程菌處理石化廢水的生物工程技術。在優(yōu)化調控技術的基礎上,該菌株對二甲苯、苯甲酸、鄰苯二甲酸、4-羧基苯甲醛和對苯二甲酸的降解率分別高達86%、94%、99%、97%和94%,比原工藝提高了20%～30%,總有機碳去除率達到了94%；污水經過處理后,銅、錳、鋅、硒的濃度符合國家規(guī)定排放標準,生物毒性明顯降低。

劉春等以生活污水為共基質,考察了基因工程菌在MBR和活性污泥反應器中對阿特拉津的生物強化處理效果,以及生物強化處理對污泥性狀的影響。結果表明,基因工程菌在MBR中對阿特拉津具有很好的生物強化處理效果,阿特拉津平均出水濃度為0.84 mg/L,平均去除率為95%,最大去除負荷可以達到70mg/(L·d)。生物強化的MBR對生活污水中COD的平均去除率為71%,COD平均出水濃度65mg/L。

呂萍萍等研究發(fā)現(xiàn)，克隆有苯降解過程中的關鍵基因——甲苯加雙氧酶的基因工程菌E.coli.JM109(pKST11)對苯具有較高的降解效率和降解速度,應用于固定化細胞反應器中效果突出。在較短的水力停留時間內,可以將1500mg/L苯降解70%,降解速度為1.11mg/(L·s),延長水力停留時間,可以使去除率達到95%以上。該反應器對高濃度的苯具有突出的處理效果。同時所得到的產物為環(huán)己二烯雙醇,可以被野生非高效菌W3快速利用。

2.3 基因工程技術在處理重金屬廢水中的應用

將基因工程技術應用于重金屬廢水的治理，就是通過轉基因技術，將外援基因轉入到微生物細胞中進行表達，使之表現(xiàn)出一些野生菌沒有的優(yōu)良的遺傳性狀。2.3.1基因工程菌強化生物化學法處理重金屬廢水

生物化學法指通過微生物處理含重金屬廢水,將可溶性離子轉化為不溶性化合物而去除。硫酸鹽生物還原法是一種典型生物化學法,該法是在厭氧條件下硫酸鹽還原菌通過異化的硫酸鹽還原作用,將硫酸鹽還原成H2S,重金屬離子和H2S反應生成溶解度很低的金屬硫化物沉淀而被去除,同時H2SO4的還原作用可將SO2-4轉化為S2-而使廢水的pH值升高,從而形成重金屬的氫氧化物而沉淀。中國科學院成都生物研究所從電鍍污泥、廢水及下水道鐵管內分離篩選出35株菌株,從中獲得高效凈化Cr(VI)復合功能菌。

袁建軍等利用構建的高選擇型基因工程菌生物富集模擬電解廢水中的汞離子,發(fā)現(xiàn)電解廢水中其他組分的存在可以增大重組菌富集汞離子的作用速率,且該基因工程菌能在很寬的pH范圍內有效地富集汞。但高濃度的重金屬廢水對微生物毒性大,故此法有一定的局限性,不過,可以通過遺傳工程、馴化或構造出具有特殊功能的菌株,微生物處理重金屬廢水一定具有十分良好的應用前景。2.3.2 基因工程強化生物絮凝法處理重金屬廢水

生物絮凝法是利用微生物或微生物產生的具有絮凝能力的代謝物進行絮凝沉淀的一種除污方法。生物絮凝劑又稱第三代絮凝劑，是帶電荷的生物大分子，主要有蛋白質、黏多糖、纖維素和核糖等。目前普遍接受的絮凝機理是離子鍵、氫鍵結合學說。前述硅酸鹽細菌處理重金屬廢水可能的機理之一就是生物絮凝作用。目前對于硅酸鹽細菌絮凝法的應用研究已有很多[，有些已取得顯著成果[7]。運用基因工程技術，在菌體中表達金屬結合蛋白分離后，再固定到某些惰性載體表面，可獲得高富集容量絮凝劑。

Mehran Pazirandeh等人將含金屬結合肽(Cys．Gly．Cys—Cys．GIy)的基因與麥芽糖結合蛋白的基因進行融合，并將融合蛋白在E．coli細胞膜處表達，表達該融合蛋白的基因工程菌對人工合成廢水中Cdz+和H +的去除率有很大的提高，Cdz 和H +的富集能力分別達到每毫克濕細胞1．1和1．3nmol，而對照菌株(缺少金屬結合肽)的富集能力低于每毫克濕細胞0．1 nmol Masaaki Terashima 等利用轉基因技術使 E.coli表達麥芽糖結合蛋白（pmal）與人金屬硫蛋白（MT）的融合蛋白pmal-Ml并將純化的 pmal-MT 固定在Chitopeara 樹脂上，研究其對 Ca2+和 Ga2+的吸附特性，該固定了融合蛋白的樹脂具有較強的穩(wěn)定性，并且其吸附能力較純樹脂提高十倍以上。展望

自2000年，國際上提出基于系統(tǒng)生物學原理的基因工程概念后，基因工程被應用于社會各個領域，并且手段日新月異。在環(huán)境領域當中，基因工程正迅速應用到廢水檢測和廢水治理當中，培養(yǎng)出新的特效物種并進一步提高其應用效率、降低應用成本。隨著分子生物學技術、環(huán)境工程檢測技術的發(fā)展并結合我們已經掌握的微生物群落結構和功能方面的知識,我們逐漸了解到污水生物處理系統(tǒng)中微生物群體的多樣性、實際生存狀態(tài)、功能特點,并更有效地對其加以開發(fā)和利用。此外，基因工程菌的出現(xiàn)，使以往的一些難降解有機廢水、制藥廢水、石油廢水、重金屬污染廢水以及其他有毒有害廢水等都得到了有效地治理，還會實現(xiàn)廢水資源化。當下引入DNA 擴增和其它生物技術的環(huán)境監(jiān)測方法等將是基因工程技術研究的側重方向。

基因工程技術作為一種新興技術以極快的速度發(fā)展。以下兩方面的研究將對水資源保護有著重要意義。一是對基因工程菌的深入研究,如基因工程菌對污染物的代謝途徑、控制目的基因表達的啟動子基因序列、降解基因表達的調控條件的優(yōu)化等方面的研究；二是對環(huán)境中微生物的習性及基因工程菌與環(huán)境中微生物和污染物之間的相互作用進行研究。目前的研究主要是利用單一的基因工程菌對污染物進行處理,隨著研究的不斷深入,利用多種基因工程菌相結合對污染物進行處理,將對水資源保護起到更為重要的作用。參考文獻

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第四篇：淺談基因工程在食品領域內的應用

07食品科學與工程二班

史養(yǎng)棟

20070940079 淺談基因工程在食品領域內的應用

摘要：21世紀是生物技術的世紀。轉基因技術作為生物技術的核心，在解決當今世界所面臨的一系列重大的問題上發(fā)揮愈加顯著的作用。這是一個新興獨立的技術領域，必將成為21世紀最具發(fā)展前景的高科技領域和國民經濟的支柱產業(yè)之一。而基因工程在食品各個領域內的應用與研究更是被各國提上議程！

The 21st century is the century of biotechnology.Transgenic technology as the core of biotechnology in addressing today's world faces a series of major issues increasingly play a significant role.This is a new stand-alone technology, will become the 21st century and the most promising high-tech sector and the national economy of the pillar industries.And genetic engineering in food applications within various fields and research has also been put on the agenda of the world.關鍵詞：轉基因食品、基因工程、食品類型、食品的功能改良與貯存保鮮 前言

隨著科學技術的日新月異，人民的物質文化需求越來越高。始終圍繞著“提高人口素質”的主題來發(fā)展，這是當前社會和時代的必然趨勢。而“民以食為天”這一條亙古不變的道理就像一根無形的指揮棒指導者科技工作者朝著這方面努力探求新知。在食品領域內涌現(xiàn)出了一個又一個的奇葩，其中基因工程功不可沒!下面詳細介紹一下基因工程在各個食品領域內的突破與應用。

1.基因工程在三大類食品領域內的應用 1.1基因工程在蛋白質類食品中的相關應用

蛋白質是人類賴以生存的營養(yǎng)素之一，植物是人類的主要蛋白供應源，蛋白原料中有65%來自植物。與動物蛋白相比，植物蛋白的生產成本低，而且便于運輸和貯藏，然而其營養(yǎng)也較低。谷類蛋白質中賴氨酸(Lys)和色氨酸(Trp),豆類蛋白質中蛋氨酸(Met)和半光氨酸(Cys)等一些人類所必需的氨基酸含量較低。通過采用基因導入技術，即通過把人工合成基因、同源基因或異源基因導入植物細胞的途徑，可獲得高產蛋白質的作物或高產氨基酸的作物。

Yang等合成了一個292個by的能編碼高含量必需氨基酸DNA(high essential amina acid ecoding DNA)，再把HEAAC-DNA導入馬鈴薯細胞中去，該基因在馬鈴薯細胞中能表達，表達水平為HEAA蛋白占總蛋白的0.35%。1990年Clercq等用Met密碼子序列取代了擬南芥菜2s白蛋白的可復區(qū)域，所獲得的轉基因擬南芥菜可生產富含Met的2s白蛋白。這些工作說明通過導入人工合成基因來修飾編碼蛋白質的基因序列，來提高蛋白質中必需氨基酸含量是可行的。

植物體中有一些含量較低，但氨基酸組成卻十分合理的蛋白質，如果能把編碼這些蛋白質的基因分離出來，并重復導入同種植物中去使其過量表達，理論上就可以大大提高蛋白質中必需氨基酸含量及其營養(yǎng)價值。小麥中有一富含賴氨酸((Lys)的蛋白質，在其270位到370位區(qū)間有富含賴氨酸((Lys)的片斷，Singh在1993年成功地克隆了編碼該蛋白質的。DNA，并把該基因確定為小麥蛋白質工程的內源目的基因。目前同源基因的研究工作尚停留在目的基因的分離和監(jiān)定階段。

異源基因是指從分類學關系較遠的植物中分離獲得的目的基因。巴西豆BN2s白蛋白富含Met(18%)和Cys(8%), Altenabch在1991年把巴西豆編碼BN2s白蛋白的基因轉移到煙草和油菜中去，發(fā)現(xiàn)BN2 s基因在轉基因煙草中和油萊中能很好地表達，表達水平達8%。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，構建嵌合基因的起動子的種類會影響到BN2 s基因的表達水平。

1.2基因工程在油脂類食品方面的應用

人類日常生活及飲食所需的油脂高達70%來自植物。高等植物體內脂肪酸的合成由脂肪合成酶(FAS)的多酶體系控制，因而改變FAS的組成就可以改變脂肪酸的鏈長和飽和度，以獲得高品質、安全及營養(yǎng)均衡的植物油。目前，控制脂肪酸鏈長的幾個酶的基因和控制飽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質。如通過導入硬脂酸-ACP脫氫酶的反義基因，可使轉基因油菜種子中硬脂酸的含量從2%增加到40%。而將硬脂酞CoA脫飽和酶基因導入作物后，可使轉基因作物中的飽和脂肪酸(軟脂酸、硬脂酸)的含量有所下降，而不飽和脂肪酸(油酸、亞油酸)的含量則明顯增加，其中油酸的含量可增加7倍。除了改變油脂分子的不飽和度外，基因工程技術在改良脂肪酸的鏈長上也取得了實效。事實上，高油酸含量的轉基因大豆及高月桂酸含量的轉基因油料作物芥花菜(Canola)在美國已經成為商品化生產的基因工程油料作物品種。

1.3基因工程在碳水化合物類食品方面的應用

利用基因工程來調節(jié)淀粉合成過程中特定酶的含量或幾種酶之間的比例，從而達到增加淀粉含量或獲得獨特性質、品質優(yōu)良的新型淀粉。高等植物體內涉及淀粉生物合成的關鍵性酶類主要有:ADP葡萄糖焦磷酸化酶(ADPGlcpyrophosphorylase, AGPP),淀粉合成酶(Starchsynthase,SS)和淀粉分支酶(Starchbranchingenzyme, SBE)，其中淀粉合成酶又包括顆粒凝結型淀粉合成酶(Granule-boundstarch synthase, GBSS)和可溶性淀粉合成酶(Solublestarch synthase, SSS)。

淀粉含量的增加或減少，對作物而言，都有其利用價值。增加淀粉含量，就可能增加干物質，使其具有更高的商業(yè)價值。減少淀粉含量，減少淀粉合成的碳流，可生成其它貯存物質，如貯存蛋白的積累增加。目前，在增加或減少淀粉含量的研究方面都有成功的報道。Stark等人利用突變的大腸桿菌菌株618來源的AGPP基因和CMV35啟動子構建了一個嵌合基因，并把此基因導入煙草、番茄和馬鈴薯中去，結果得到極少的轉達基因植物，表明AGPP基因的組成性表達對植物的生長、發(fā)育是有害的，它很可能改變了植物不同組織之間源庫與沉積的關系。后來改用塊莖特異表達的Patatin基因的啟動子來構建嵌合基因，就得到了相當多的馬鈴薯，轉基因馬鈴薯塊莖中淀粉的含量比傳統(tǒng)的馬鈴薯提高了35%。在減少淀粉含量方面，Mulle:等人利用含有不同啟動子和反向連接的AGPP大或小亞基cDNA的融合基因構建表達載體，轉化馬鈴薯。在35S加上反向連接的AGPP大亞基。DNA的融合基因轉化植株中，葉片的AGPP活性僅為野生型的5%--30%，塊莖中A GPP活性降得更低，活性僅為野生型的2%。分析轉化植株淀粉含量，結果表明轉化植株塊莖淀粉含量僅為野生型的5%一3.5%。伴隨這淀粉含量的下降，轉化植株細胞內可溶性糖顯著升高，蔗糖和葡萄糖分別占塊莖干重的30%和8%。在已有的改變淀粉含量的研究之中，多數(shù)是針對AGPP的，反映出AGPP在控制淀粉合成速率方面的重要性。

對動物類食品原料的基因改造研究遠不如植物類那樣普及，但也取得了很大的進展。其研究內容主要集中在改良家畜、家禽的經濟性狀和通過轉基因動物進行藥物或蛋白的生產等幾個方面。繼1980年Cordon等人用顯微注射法育成帶有人胸腺游酶基因片斷的轉基因小鼠,1982年Palmiter等人將人的生長素基因導入小鼠受精卵育成超級轉基因“碩鼠”，新型“碩鼠”比普通小鼠生長速度快2.4倍，體型大1倍?，F(xiàn)已獲得轉基因兔、轉基因羊，轉基因豬、轉基因牛和轉基因雞等多種轉基因動物。如美國伊利諾斯大學研究出一種帶有?；虻呢i，這種轉基因豬生長快，個體大，瘦肉率高，飼料利用率高，可望給養(yǎng)豬業(yè)帶來豐厚的經濟效益;梁利群等克隆子大馬哈魚的生長激素因子，在體外經過和鯉魚的MT啟動子基因重組，導入黑龍江野鯉，選育出了“超級鯉”。另外，在提高奶牛產奶量和食用動物的脂肪與瘦肉的構成都取得了一定的成績。

2.基因工程在食品功能改良與儲存保鮮領域內的應用

2.1基因工程在改良果蔬采收后品質增加其貯藏保鮮性能方面的應用

隨著對番茄、香蕉、蘋果、菠菜等果蔬成熟及軟化機理的深入研究和基因工程技術的迅速發(fā)展，使通過基因工程的方法直接生產耐儲藏果蔬成為可能。事實上，現(xiàn)在無論在國外還是國內都已經有了商品化的轉基因番茄。促進果實和器官衰老是乙烯最主要的生理功能。在果實中乙烯生物合成的關鍵酶主要是乙烯的直接前體—l-氨基環(huán)丙烷一1-梭酸合成酶(ACC合成酶)和ACC氧化酶。在果實成熟中這兩種酶的活力明顯增加，導致乙烯產生急劇上升，促進果實成熟。在對這兩種酶基因克隆成功的基礎上，可以利用反義基因技術抑制這兩種基因的表達，從而達到延緩果實成熟，延長保質期的目的。利用反義RNA技術抑制酶活力已有許多成功的例子，其中最為成功的就是延緩成熟和軟化的反義RNA轉基因番茄。Hamilton等于1990年首次構建了ACC氧化酶反義 RNA轉基因番茄，在純合的轉基因番茄果實中，乙烯的合成被抑制了97%，從而使果實的成熟延遲，儲藏期延長。導入ACC合成酶反義基因的番茄也得到了類似的結果。轉基因番茄的乙烯合成也被抑制了99.5%,果實中不出現(xiàn)呼吸躍變，葉綠素降解和番茄紅素合成也都被抑制。果實不能自然成熟，不變紅，不變軟，只有用外源乙烯處理6d后才能使轉基因番茄恢復正常成熟。因此，利用反義基因技術可以成功的培育耐儲藏果蔬。目前，有關的研究正在繼續(xù)進行，并已擴大到了草莓、梨、香蕉、芒果、甜瓜、桃、西瓜、河套蜜瓜等，所用的目的基因還包括與細胞壁代謝有關的多聚半乳糖醛酸酶(PG)、纖維素酶和果膠甲脂酶基因。反義PG轉基因番茄還具有更強的抗機械損傷和真菌侵染能力，且有更高的果醬產率。

2.2基因工程在改善酶及發(fā)酵制品的品質并降低成本方面的應用

醬油風味的優(yōu)劣與醬油在釀造過程中所生成氨基酸的量密切相關，而參與此反應的梭膚酶和堿性蛋白酶的基因已克隆并轉化成功，在新構建的基因工程菌株中堿性質白酶的活力可提高5倍，梭膚酶的活力可大幅提高13倍。醬油制造中和壓榨性有關的多聚半乳糖醛酸酶、葡聚糖酶和纖維素酶、果膠酶等的基因均已被克隆，當用高纖維素酶活力的轉基因米曲霉生產醬油時，可使醬油的產率明顯提高。另外，在醬油釀造過程中，木糖可與醬油中的氨基酸反應產生褐色物質，從而影響醬油的風味。而木糖的生成與制造醬油用曲霉中木聚糖酶的含量與活力密切相關?，F(xiàn)在，米曲霉中的木聚糖酶基因已被成功克隆。用反義RNA技術抑制該酶的表達所構建的工程菌株釀造醬油，可大大地降低這種不良反應的進行，從而釀造出顏色淺、口味淡的醬油，以適應特殊食品制造的需要。

在正常的啤酒發(fā)酵過程中，由啤酒酵母細胞產生的二-乙酞乳酸經非酶促的氧化脫梭反應會產生雙乙酞。當啤酒中雙乙酞的含量超過閾值((0.02-0.10 mg/L)時，就會產生一種令人不愉快的餿酸味，嚴重破壞啤酒的風味與品質。去除啤酒中雙乙酞的有效措施之一就是利用α-乙酞乳酸脫梭酶。但由于酵母細胞本身沒有該酶活性，因此，利用轉基因技術將外源α-乙酞乳酸脫梭酶基因導入啤酒酵母細胞，并使其表達，是降低啤酒中雙乙酞含量的有效途徑。Sone等用乙醇脫氫酶的啟動子和穿梭質粒載體Yep13將產氣腸桿菌+-乙酸孚L酸脫梭酶基因導入啤酒酵母，并使其表達。當用此轉基因菌株進行啤酒釀造時，可使啤酒中的雙乙酞含量明顯降低，且不影響其他的發(fā)酵性能和啤酒中的正常風味物質。但由于用此法所構建的基因工程菌株中α-乙酞乳酸脫梭酶基因是存在于酵母的質粒而不是染色體上，因而使該基因易于隨著細胞分裂代數(shù)的增加而發(fā)生丟失，造成性能的不穩(wěn)定。因此，Yaman。等將外源的oa-乙酞乳酸脫梭酶整合入啤酒酵母的染色體中，從而構建了能穩(wěn)定遺傳的轉基因啤酒酵母。使用這種轉基因酵母釀制啤酒，也能明顯地降低啤酒中的雙乙酚含量，而且不會對啤酒釀造過程中的其他發(fā)酵性能造成不良影響。

另外，利用基因工程技術可生產出高效能高質量的酶產品，目前能利用遺傳技術生產大多數(shù)常用的酶產品，并投放市場。世界上第一個應用在食品上的基因工程酶為凝乳酶。將牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物體內，由細菌生產這種動物來源的酶類，解決了奶酪工業(yè)受制于牛胃蛋白酶來源不足的問題，并降低了生產成本。

2.3基因工程在開發(fā)新型功能性食品方面的應用

利用基因工程技術可以研制特種保健食品的有效成份。例如將一種有助于心臟病患者血液凝結溶血作用的酶基因克隆至羊或牛中，便可以在羊乳或牛乳中產生這種酶。1997年9月上海醫(yī)學遺傳所與復旦大學合作的轉基因羊的乳汁中含有人的凝血因子，為通過動物大量廉價生產人類的新型功能性食品和藥品邁出了重大的一步

以上即為基因工程在食品領域內的各個應用與突破，將基因工程應用于食品領域內是一個劃時代的突破，它不僅有利于提高食品的產量，而且更是大大提高了食品的質量。然而基因工程卻是一把雙刃劍，如果不慎的話將會釀成大錯。對我們的生態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境產生不可估量的破壞！進一步的探索和追求將一直綿延下去，直至我們的子孫后代。

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第五篇：基因工程在親子鑒定方面的應用

基因工程在親子鑒定方面的應用

【摘要】日益成熟的基因在給社會帶來進步的同時也給人們的生活帶來了方便。基因工程誕生的意義不亞于歷史上任何一次工業(yè)革命?；蚬こ讨饕獞糜谝韵聨讉€方面：

1、醫(yī)藥衛(wèi)生。包括生產基因工程藥品、基因診斷和基因治療。

2、農牧業(yè)、食品工業(yè)方面。

3、環(huán)境保護的應用。主要是環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境凈化等。下面筆者主要談一下基因工程在親子鑒定方面的應用。

【關鍵字】親子鑒定STRPCR瓊脂糖凝膠電泳DNA測序儀血緣關系

【正文】DNA鑒親子鑒定就是利用醫(yī)學、生物學和遺傳學的理論和技術，從子代和親代的形態(tài)構造或生理機能方面的相似特點，分析遺傳特征，判斷父母與子女之間是否是親生關系。親子鑒定在中國古代就已有之，如滴骨驗親，滴血驗親等。

一、DNA鑒定的準確性

傳統(tǒng)的血清方法能檢測紅細胞血型、白細胞血型、血清型和紅細胞酶型等，這些遺傳學標志為蛋白質（包括糖蛋白）或多肽，容易失活而導致檢材得不到理想的檢驗結果。此外，這些遺傳標志均為基因編碼的產物，多態(tài)信息含量（PIC）有限，不能反映DNA編碼區(qū)的多態(tài)性，且這些遺傳標志存在生理性、病理性變異（如A型、O型血的人受大腸桿菌感染后，B抗原可能呈陽性。因此，其應用價值有限。

DNA檢驗可以彌補血清學方法的不足，其中STR位點和單核苷酸（SNP）位點檢測分別是第二代、第三代DNA分析技術的核心，是繼VNTRs（可變數(shù)量串聯(lián)重復序列多態(tài)性）研究而發(fā)展起來的檢測技術。作為最前沿的刑事生物技術，DNA分析為法醫(yī)物證檢驗提供了科學、可靠和快捷的手段，使物證鑒定從個體排除過渡到了可以作同一認定的水平，DNA檢驗能直接認定犯罪、為兇殺案、強奸殺人案、碎尸案、強奸致孕案等重大疑難案件的偵破提供準確可靠的依據(jù)。隨著DNA技術的發(fā)展和應用，DNA標志系統(tǒng)的檢測將成為破案的重要手段和途徑。此方法作為親子鑒定已經是非常成熟的，也是國際上公認的最好的一種方法，準確率達99.99%。

SNP主要是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性。SNP所表現(xiàn)的多態(tài)性只涉及到單個堿基的變異，這種變異可由單個堿基的轉換(transition)或顛換(transversion)所引起，也可由堿基的插入或缺失所致。但通常所說的SNP并不包括后兩種情況。理論上講，SNP既可能是二等位多態(tài)性，也可能是3個或4個等位多態(tài)性，但實際上，后兩者非常少見，幾乎可以忽略。因此，通常所說的SNP都是二等位多態(tài)性的。這種變異可能是轉換(C T，在其互補鏈上則為G A)，也可能是顛換(C A，G T，C G，A T)。轉換的發(fā)生率總是

明顯高于其它幾種變異，具有轉換型變異的SNP約占2/3，其它幾種變異的發(fā)生幾率相似。在基因組DNA中，任何堿基均有可能發(fā)生變異，因此SNP既有可能在基因序列內，也有可能在基因以外的非編碼序列上?？偟膩碚f，位于編碼區(qū)內的SNP(coding SNP,cSNP)比較少，因為在外顯子內，其變異率僅及周圍序列的1/5。SNP自身的特性決定了它更適合于對復雜性狀與疾病的遺傳解剖以及基于群體的基因識別等方面的研究：

STR(short tandem repeat，短片段重復序列)又稱微DNA.廣泛存在于人類及哺乳動物的基因組中，具有高度多態(tài)性，它們一般由2-6個堿基構成一個核心序列，人類一般是（CA/GT）n,簡稱(CA)n核心序列串聯(lián)重復排列，由核心序列重復數(shù)目的變化產生長度多態(tài)性。對于一個特定的個體，染色體上某個特定位臵的重復序列的重復次數(shù)是固定的，而對于不同的個體在同一位臵處的重復次數(shù)可能不同，這就構成了人群中這些重復序列的多態(tài)性。由于人類基因組中這種重復序列非常多，通過對這種多態(tài)性的檢測，就可以明確區(qū)分個體與個體的不同，確定父母子的親緣關系。

二、DNA親子鑒定的原理

1、理論基礎

通過遺傳標記的檢驗與分析來判斷父母與子女是否親生關系，稱之為親子試驗或親子鑒定。DNA是人體遺傳的基本載體，人類的染色體是由DNA構成的，每個人體細胞有23對（46條）成對的染色體，其分別來自父親和母親。夫妻之間各自提供的23條染色體，在受精后相互配對，構成了23對（46條）孩子的染色體。如此循環(huán)往復構成生命的延續(xù)

由于人體約有30億個核苷酸構成整個染色體系統(tǒng)，而且在生殖細胞形成前的互換和組合是隨機的，所以世界上沒有任何兩個人具有完全相同的30億個核苷酸的組成序列，這就是人的遺傳多態(tài)性。盡管遺傳多態(tài)性的存在，但每一個人的染色體必然也只能來自其父母，這就是DNA親子鑒定的理論基礎

2、原理

不同個體中，STR核心序列的重復次數(shù)不同。根據(jù)子代的兩條DNA一條來自于父方一條來自于母方，其子代某一特定DNA分子上STR核心序列重復次數(shù)必定與父母相同。通過設計引物，運用PCR技術進行DNA擴增，采用瓊脂糖凝膠電泳技術分理出微衛(wèi)星DNA片段。利用微衛(wèi)星DNA探針于不同個體的DNA分子雜交，就會呈現(xiàn)出各自特有的雜交圖譜

三、方法步驟

方法一：DNA測序法

步驟：

1、樣本的選擇

DNA檢測樣本很多。一般來說，人體的任何組織或分泌物都可以做。DNA樣

品收集主要采用抽少量靜脈血或者末梢血或者收集口腔上皮細胞。此外，我們也可以進行頭發(fā)、組織、血跡、胎兒之絨毛等特殊樣本的DNA鑒定。

2、DNA的提取

CTAB（十六烷基三甲基溴化銨）是一種陽離子去污劑，具有從低離子強度的溶液中沉淀核酸和酸性多聚糖的特性，在這種條件下，蛋白質和中性多聚糖留在溶液中。在高離子濃度下，CTAB與蛋白質和除大多數(shù)酸性多聚糖以外的多聚糖形成復合物，但不能沉淀核酸。在一定的鹽濃度下，DNA、蛋白質與多糖在CTAB溶液中溶解度不一樣而達到去多糖的目的。生物體內的DNA與蛋白質結合在一起，提取時需除去其結合的蛋白質，然后再將DNA與RNA分開，并進一步純化。此外需抑制 DNAase 的活性以防DNA被降解?；经h(huán)節(jié)：

．破碎細胞壁以釋放細胞內容物

．破壞細胞膜使DNA釋放到提取緩沖液中

．DNA釋放后，盡量確保DNA的完整性

．去除雜質（大量的RNA、蛋白質、多糖、單寧和色素等）

3、PCR擴增

〔1〕預變性 〔2〕 變性〔3〕退火 〔4〕 延伸（2~4步循環(huán)30次）〔5〕延伸

4、瓊脂糖凝膠電泳

5、挖膠

6、回收試劑盒回收DNA片段

7、與特定質粒形成重組DNA分子

8、導入大腸桿菌，篩選白斑

9、提取質粒DNA10、DNA測序

方法二：Southern雜交法

步驟：

1、樣本的選擇

2、DNA的提取

3、PCR擴增

4、瓊脂糖凝膠電泳

5、轉膜—進行Southern雜交（探針設計）—洗膜—晾干—包（用保鮮膜）—壓X光片（-20度—-70度保存3到7天）—沖洗—觀察雜交圖譜（全自動條帶分析系統(tǒng)）

注：探針設計將微衛(wèi)星DNA核心序列（CA)n串聯(lián)起來，—PCR擴增（加入P32標記的dNTP)—電泳—挖膠—回收試劑盒回收DNA片段—導入載體形成重 組DNA分子—導入大腸桿菌—選擇白斑—一部分培養(yǎng)保存，一部分提取質粒DNA—測序—作為探針

五、結果分析

方法一：電泳分離片段后，通過放射自顯影技術檢測單鏈DNA片段的放射性帶，就可以直接讀出DNA的核苷酸序列。如果小孩的遺傳位點和被測試男子的位點超過3個不一致，那么該男子便100％被排除血緣關系之外，即他絕對不可能是孩子的父親。如果孩子與其父母親的位點都吻合，我們就能得出親權關系大于99．99％的可能性，即證明他們之間的血緣親子關系。若有1～2個位點不同，要考慮是否發(fā)生了基因突變，這是要對多個STR序列位點進行鑒定。

方法二：若獲得的個體的雜交圖譜與親代的圖譜相同則證明是親子關系；反之，則不是。

六、實例分析

一家團圓

1999年3月12日，在北京打工的曾凡彬被人騙出屋后，幾名犯罪分子持刀闖入曾家搶走其子曾超。后經公安人員偵查，終于將被賣到在地的曾超解救回家。孩子被解救回來后，體貌特征已發(fā)生很大的變化。打拐辦民警帶曾超到北京市公安局法醫(yī)中心DNA實驗室抽取血樣進行DNA檢測，在全國丟失兒童父母DNA數(shù)據(jù)庫中上網比對，確認曾超與曾凡彬夫婦的DNA特征完全吻合，曾超終于回到父母身邊。

皇室之謎

法國國王路易十六的兒子路易夏爾究竟是在1795年死于巴黎一座監(jiān)獄，還是逃過了法國大革命的追捕？一直是個謎。有人懷疑路易夏爾的墳墓里躺的只是個替死鬼。1999年12月，科學家對墓地中不能確定的少年君主進行鑒定，并將其DNA結構與健在的和已故的皇室成員的DNA樣品進行了對比，結果證明死者就是路易夏爾，并分析出死因是結核病。

真假公主

十月革命后，蘇聯(lián)官方宣布沙皇一家于1918年7月19日被槍決。但一些歷史學家懷疑沙皇幼女安娜絲塔西婭公主可能逃過一死。從此，不斷有人聲稱自己就是安娜絲塔西婭公主。特別是其中一位移居美國的婦女，甚至取得了沙皇親屬的信任?？茖W家最終又求助于DNA分析法，他們找到了沙皇本人理發(fā)留下的頭發(fā)，提取了DNA，同時找到了那名婦女留下的組織片段，對比后發(fā)現(xiàn)這名婦女是個冒牌貨。

七、應用前景

由于DNA親自鑒定技術具有檢測迅速準確，安全可靠等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用于許多方面。不僅包括親子鑒定，還用于文物鑒別等方面。作為最前沿的生物技術，DNA分析將為法醫(yī)物證檢驗提供科學、可靠和快捷的手段，使物證鑒定從個體排除過渡到可以作同一認定的水平。DNA檢驗能直接認定犯罪，為兇殺案等重大疑難案件的偵破提供準確可靠的依據(jù)。隨著DNA技術的發(fā)展和應用，DNA標志系統(tǒng)的檢測將成為破案的重要手段和途經。讓我們共同期。

八、參考文獻

1、基因工程技術鐘衛(wèi)鴻主編化學化工出版社

2、生物谷網站

3、小木蟲網站

4、現(xiàn)代分子生物學朱玉賢主編高等教育出版社