绪论:基因工程概况 -...
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绪论:基因工程概况
吴传芳
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基因工程概况
吴传芳 13111886955
E-mail:wuchuanfang @scu.edu.cn
QQ: 879413966
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QQ群: 552072204
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pe=0&courseId=2241
课程网站网址
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教材与参考书
基因工程(第二版) 孙明 高等教育出版社
基因工程原理 吴乃虎
基因工程概论 张惠展
分子克隆
生物学期刊杂志
网络上的各种技术相关视频(优酷)
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课程内容 绪论
第一章 分子克隆工具酶
第二章 分子克隆载体与宿主
第三章 基因操作中大分子的分离与检测
第四章 基因操作中的核酸分析技术
第五章 PCR技术
第六章 DNA序列分析
第七章 基因的定点突变
第八章 基因的克隆与鉴定
第九章 大肠杆菌基因工程
第十章 酵母基因工程
第十一章 植物基因工程
第十二章 动物基因工程
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课程要求
考核方式:
1.平时成绩(60%):随堂考试2次(每次10分),
翻译文献、报告(20分),作业(10分),课堂表
现(问答、考勤)(10分);
http://www.ncbi.nlm.nih.gov
Primer premier 5 软件
2.期末考试(40%);开卷
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思考题
1.请问你对遗传学上所说的杂交的理解是?
2.为何要杂交?
3.杂交后代有何优势?
4.传统育种杂交中亲代的选择是?
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能发光的水母
不能发光的热带斑马鱼
能否让热带鱼也能发光?
设想
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能发荧光的热带斑马鱼
普通热带斑马鱼是不发荧光的
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抗虫害的玉米
抗虫棉
能产生人胰岛素的大肠杆菌
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糖尿病
糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性
疾病。高血糖则是由于胰岛素分泌缺陷或其
生物作用受损,或两者兼有引起。。
中国糖尿病患者人数高达1.14亿
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从大肠杆菌说起--胰岛素
胰岛素
每100kg 猪或牛的胰腺中提取 4~5g胰岛素
1979年,利用大肠杆菌的DNA分子重组,2000L培养液提取100g , 相当于2吨猪胰腺中提取的量
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胰岛素是治疗糖尿病的特效药,长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取,100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素,其产量之低和价格之高可想而知。
将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌,每2000L培养液就能产生100g胰岛素!大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题,还使其价格降低了30%-50%!
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从大肠杆菌说起--干扰素
干扰素
一千克纯的干扰素价值可达440亿美元。
传统生产方法:血液中提出白细胞,然后用病毒去感染它,这时会产生干扰素,1
个细胞最多生产100~1000个干扰素分子
基因工程:改造的大肠杆菌发酵生产:一天内便可生产20万个干扰素分子。1KG培养物中可以得到20~40mg干扰素
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现在市面上销售干扰素价格
爱尔兰先灵葆雅公司 100μg 支 1600;
上海罗氏制药有限公司 180ug/ml*0.5ml 瓶 1350;
安达芬注射用重组人干扰素α-2a 安徽安科生物(集团)股份有限公司 600万IU 支 52;
迪恩安注射用重组人干扰素α-2a 辽宁卫星生物制品研究所(有限公司) 600万IU 支 76.5;
福康泰注射用重组人干扰素α-2a 长春生物制品研究所
100万单位 支 19.4;
福康泰注射用重组人干扰素α-2a 长春生物制品研究所
300万iu 支 42.2。
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干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”!过去从人血中提取,300L血才提取1mg!其“珍贵”程度自不用多说。
人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产,均为解除人类的病苦,提高人类的健康水平发挥了重大的作用。
人造血液及其生产
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思考:
1、为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上?
2、推测这种“嫁接”怎样能实现?
3、这种“嫁接”对品种的改良有什么意义?
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主要内容
1.基因工程的基本概念
2.基因工程的理论依据
3.基因操作的基本步骤
4.基因工程的发展历史
5.基因工程研究内容
6.转基因生物与转基因食品的安全性
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1.基因工程的基本概念
重组DNA技术
重组DNA技术是指将一种生物(供体)的基
因与载体在体外进行拼接重组,然后转入另
一种生物体(受体)内,使之按照人们的意
愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA
体外操作程序,也称为分子克隆技术。
因此,供体、受体、载体是重组DNA技术的
三大基本元件
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基因工程含义
基因工程(Gene Engineering):
利用DNA体外重组或PCR扩增技术从某种生物基因组
中分离靶基因,或是用人工合成的方法获取基因,然后经过
一系列切割,加工修饰,连接反应形成重组DNA分子,再将
其转入适当的受体细胞,以期获得基因表达的过程.
基因工程指重组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的大规模培养以
及基因产物的分离纯化过程。
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二、基因工程的理论依据
不同的基因具有相同的物质基础
基因是可以切割的
基因是可以转移的
多肽与基因间存在对应关系
遗传密码是通用的
基因可以通过复制把遗传信息传递到下一代
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四个基本步骤:
三基因操作的基本步骤
1)提取目的基因
2)目的基因与运载体结合
3)将目的基因导入受体细胞
4)目的基因的检测和表达
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四. 基因工程的发展历史
1)准备阶段
19世纪中 孟德尔 豌豆杂交试验 遗传因子 经典遗传
学
20世纪初 莫尔根 果蝇杂交试验 基因 基因学
1944年 艾弗瑞 肺炎双球菌转化实验 遗传物质DNA
1953年 沃森-克瑞克 DNA双螺旋结构 —搞清了遗传物质的分子机制
1958年至1971年确立中心法则,破译64种遗传密码—使
遗传学在分子水平上得到解释。
1972 年美国Berg, Jackson 等人将猿猴病基因组 SV40
DNA , 噬菌体基因,大肠杆菌半乳糖操纵子,体外重组
获得成功。
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四. 基因工程的发展历史
2)问世阶段
1973 年美国斯坦福大学 Cohen, Boyer 等,在体外构
建含有 四环素,链霉素,两个抗性基因的重组质粒分子,
导入大肠杆菌后稳定复制,赋予受体 细胞 相应 抗生素抗
性。
同时与别人合作将非洲爪蟾含核糖体基因的DNA片段
与质粒重组,转化大肠杆菌,转录出相应的RNA
-----(宣告基因工程诞生)
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Kan
rTetr
EcoRI
EcoRI EcoRI
pSC101 R6-5
EcoRI EcoRI
ligase
EcoRI EcoRI
Kanr
Tetr
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四. 基因工程的发展历史
3)发展阶段
1978年美国Genentech公司利用重组大肠杆菌合成人胰島
素的先进生产工艺--------(揭开基因工程产业化的序幕)
1983年,携带有细菌新霉素抗性基因的重组Ti 质粒转化 植
物细胞获得成功。
1990年,美国科学家对一名因腺苷脱氨酶基因缺陷患有重
度联合免疫缺陷症的儿童进行基因治疗获得成功。 -------
(分子医学新纪元)
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四. 基因工程的发展历史
1991年,美国倡导在全球实施人类基因组计划,用15年
时间斥资30亿美元,完成 12万5000个人类基因的全部测
序工作。
1997年,英国科学家利用体细胞克隆技术复制出“多利”
绵羊。------ (人类可以在实验室进行复制自身的尝试)
2005年,邓宏魁,丁明孝教授 克隆小白鼠在中国属首例。
2006.12 美国允许将克隆动物肉和奶制品进入市场,可以不
作标记. 但受百姓质疑.
克隆动物肉和奶制品将摆上百姓餐桌
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五、基因工程研究内容
基础研究
基因工程克隆载体的研究
基因工程克隆受体的研究
目的基因的研究
基因工程工具酶的研究
基因工程新技术研究
应用研究
基因工程药物研究
转基因植物研究
转基因动物研究
基因治疗
其他方面的应用研究
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载体
概念:
通过不同途径能将承载的外源DNA片段(基因)带
入受体细胞,并在其中得以维持的DNA分子称为DNA克
隆载体或基因克隆载体。
举例:
pET系列载体
T载体
pBR322等
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受体细胞
概念:
受体细胞也称为宿主细胞或寄主细胞,从技术
上讲是能摄取外源DNA并使其稳定维持的细胞;从
实验目的上讲是有运用价值和理论研究价值的细胞。
举例:
原核生物(大肠杆菌;蓝藻)
真核生物(酵母菌;植物;动物)
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目的基因
基因是一种资源,且是一种战略资源
基因工程研究的任务是开发人们特许需要的基因产
物
基因组计划:从1990年开始,耗费30亿,由美国、
英国、日本、德国、法国和中国一起完成,我国承
担基因组1%的测序任务。 2000年6月26日是人类历
史上值得纪念的一天。人类基因组的工作草图已经
绘制完毕并于这天向全世界公布。最终完成图要求
测序所用的克隆能忠实地代表常染色体的基因组结
构,序列错误率低于万分之一。
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工具酶
概念:
体外进行DNA合成、切割、修饰和连接等系列过程中
所需要的酶,包括DNA聚合酶、限制性核酸内切酶、修
饰酶和连接酶等。
举例:
DNA聚合酶(Taq酶,pfu酶)
限制性内切酶(Hind III、Sal I、Kpn I)
连接酶(T4连接酶)
修饰酶(碱性磷酸酶)
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新技术
核酸凝胶电泳技术
核酸分子杂交技术
细菌转化转染技术
DNA序列分析技术
寡核苷酸合成技术
基因定点突变技术
聚合酶链反应(PCR)技术
基因编辑技术
……….
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药物研究
1.基因工程激素类药物(胰岛素;生长激素;促卵泡激素)
2.基因工程细胞因子类药物(干扰素;集落刺激因子;白介素;肿瘤坏死因子;趋化因子等)
3.基因工程抗体(抗肿瘤、抗感染、防止器官移植中的排斥反应等)
4.基因工程受体(细胞因子受体;免疫球蛋白受体;补体受体;抗原受体)
5.基因工程疫苗(细菌疫苗;病毒疫苗;核酸疫苗;其他疫苗)
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我国生产的部分基因 工程疫苗和药物
许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限,其价格往往十分昂贵。
微生物生长迅速,容易控制,适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内,让它们产生相应的药物,不但能解决产量问题,还能大大降低生产成本。
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产品名称 菌株或细胞 应用
人胰岛素 大肠杆菌
人生长激素 大肠杆菌
表皮生长因子 大肠杆菌
白细胞介素-2 大肠杆菌
a—干扰素 酵母菌
乙型肝炎疫苗 酵母菌
溶血栓剂 哺乳动物
细胞
治疗糖尿病
治疗生长缺陷症
治疗烫伤、胃溃疡
治疗某些癌症
治疗癌症或病毒感染
预防病毒性肝炎 治疗心血管病
(心脏病)
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天竺葵+香茅醛
转基因龙胆花色奇异
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转基因植物研究
1983年,转基因烟草和转基因马铃薯获得成功
转基因的目的:
提高植物抗性
改良作物品质
作为生物反应器生产有用化合物
举例:
1. 提高植物抗性
抗病毒方面,将病毒外壳蛋白基因转入植株中,是植物获得抗病毒的能力。1986年首先将TMV外壳蛋白导入烟草和番茄中。见图
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抗CMV病毒转基因番茄 烟草
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甜椒在栽培的过程中,容易受
病毒的感染。我国科学工作者,
采用转基因技术,培育出抗病毒
的甜椒。
抗CMV病毒转基因甜椒
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转基因植物研究
1. 提高植物抗性
抗细菌和真菌——从抗病植物中克隆出抗病基因再导入
易感病植物中,从而提高后者的抗病性。
如:抗白粉病、赤霉病和黄矮病的小麦或将抗菌肽转入
植株
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转基因植物研究
1. 提高植物抗性
抗虫方面——将抗虫基因导入易感植物中提高植物的抗虫
性
苏云金杆菌的Bt杀虫蛋白基因;胰蛋白酶抑制基因;
凝集素基因
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抗虫棉花
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由中国农科院生物工程中心开发的Bt棉对棉铃虫有显著的抗性。与对照相比减少农药用量80%,并减少用工150个/hm2,以上两者可使每公顷节省1500元,Bt转基因棉种深受棉农的欢迎。
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如今中国北部地区的棉花有95%都已经是转基因的了,只有新疆北部地区还在种植非转基因棉花。.
我国大豆食用油近七成是“转基因”产品
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转基因植物研究
1. 提高植物抗性
抗除草剂——改变除草剂靶物的敏感性或导入编码除草
剂的解毒酶基因
如:将除草剂草甘膦的靶酶(EPSPS)的cDNA转入油菜,
使油菜对草甘膦的抗性提高4倍;
将bar基因、bxn基因、tfdA基因导入作物提高抗性
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抗除草剂大豆
抗除草剂作物
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转基因植物研究
1. 提高植物抗性
抗旱、抗寒、抗热和抗盐
转基因番茄
1994年,美国政府批准了他们研制成功抗干旱、早熟、保鲜的转基因番茄商品化之后,我国也相继成功培育出优良品种的转基因番茄,以满足人们的需求。
转鱼抗寒基因的番茄
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转基因植物研究
2.改善植物品质
通过转基因技术改变植物中氨基酸组成和含量,
提高植物的品质
我国科学工作者,用转基因技术,可以转变矮牵牛花的花色,使矮牵牛花的花色更加丰富多彩。
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样品比较(左为普通棉花,右为兔毛转基因棉花)
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转基因小麦
从植物体中分离出合成赖氨酸的基因,把这基因转入小麦植株中,培育出转基因小麦。用这种转基因小麦制造出来的面粉,更适合用来烤面包,而且面粉中赖氨酸含量高,这种面包的营
养价值高。
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转基因玉米
玉米是主要粮食之一,又可以提炼油脂,
也可以用作食品和工业的原料以及作饲料,浑身是宝。人们称它是含金的植物。如今培育出转基因玉米,品质更好,产量更高。
![Page 61: 绪论:基因工程概况 - scu.edu.cnccftp.scu.edu.cn:8090/Download/3d078afb-942f-456d-9df8-3984480… · 传统生产方法:血液中提出白细胞,然 后用病毒去感染它,这时会产生干扰素,1](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062608/60a3d06744f54773bf20d4e3/html5/thumbnails/61.jpg)
转基因油菜
油菜是人们食用油的主要来源之一。一般油菜籽的含油量约为40%左右。通过转基因技术,培育出来的油菜籽,可以大大地提高它的出油率。而且油的纯度质量更好。
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转基因动物
改良家畜、家禽和鱼的经济性状,或通过转基因动物生产某些药物和蛋白质等。
如:将牛的基因导入猪体内
美国弗吉尼亚技术制药工程研究院培育转基因猪,其体内含有人类的基因,产乳后其乳汁含有人体蛋白fatorⅧ。据估计,只需300~600只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。
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导入人基因具特殊用途的猪和小鼠
特殊动物
图为2001年12月底出生的5只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国PPL医疗公司称,这些转基因小猪将为研究和“生产”适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。
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世界上第一只转基因动物
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通过转基因技术可以使绵羊产生更多更好的毛,甚至可以使绵羊产出不同色彩的羊毛
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基因治疗
1.定义 基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传学疾病。正常的人类基因可以通过克隆并引入遗传病患者的体细胞,以替代、修复或纠正有缺陷的基因。通常使用一种反转录病毒作为基因治疗的转移系统,重组载体可以感染人的组织和细胞,但不自我复制。
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。1990年9月14日,安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩进
行基因治疗。这个4 岁女孩由于遗传基因有缺陷,自身不能
生产ADA,先天性免疫功能不全,只能生活在无菌的隔离
帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左
臂的一条静脉血管中,这种白血球都已经过改造,有缺陷
的基因已经被健康的基因所替代。在以后的10个月内她又
接受了7次这样的治疗,同时也接受酶治疗。
1991年1月,另一名患同样病的女孩也接受了同样的治疗。
两患儿经治疗后,免疫功能日趋健全,能够走出隔离帐,
过上了正常人的生活,并进入普通小学上学。
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其他方面的应用
1.酶制剂工业
传统来源:动植物或微生物
基因工程:将基因导入大肠杆菌,发酵获得
2.环境污染的检测与治理
工业生产导致环境污染,将降解有机污染物的基因导
入大肠杆菌中,分解有机物,净化环境。
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⑴ 环境监测: 基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。
1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来
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利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况,却不易因环境污染而大量死亡,甚至还可以吸收和转化污染物。
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⑵ 环境污染治理: 基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。
通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类,用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属,分解
DDT等毒害物质。
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其他方面的应用
3. 食品工业
通过基因重组使各种转基因生物提高生产谷氨酸、调
味剂、酒类等有机物的产率或提高利用价值。
4.化学工业方面
构建工程菌株,发酵过程提高丙酮、醋酸、丙烯酸、
酒精等有机物的转化效率,达到提高产量,降低成本等目的。
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2006年3月14日绿色和平组织发布消息,称亨氏营养米粉含有转Bt基因抗虫水稻成分。
那么转基因食品到底安全吗?什么样的转基因食品才能上市?如何面对市场上的转基因食品呢?
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美科研机构对72名中国儿童做转基因食品试验
2012年8月1日发布于《美国临床营养学杂志》的论文
公布了其对24名中国湖南省儿童进行转基因大米人体试验
的结果。美国的这项研究共选取了72名六到八岁的健康儿
童,受试儿童全部是湖南省衡阳市一所小学的学生。研究
者令其中24名儿童在21天的时间里每日午餐进食60克黄金
大米,并对其体内维生素A含量进行检测,得出的结论是黄
金大米与维生素A胶囊效果相当。该项研究旨在检验美国先
正达公司研制的转基因“黄金大米”对补充人体维生素A的
作用。
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六、转基因生物与转基因食品的安全性
两种观点
不安全:证据
安全:证据
http://sulingboke.blog.163.com/blog/static/239425088201473110245235/
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安全观点:
1、转基因食品与非转基因食品的构
成是一样的;
2、减少农药使用、减少环境污染;
3、节省生产成本,降低粮食售价;
4、增加食品营养、提高食品产量等。
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不安全观点:
1、可能产生抗除草剂的超级杂草;
2、可能使疾病的散播跨越物种障碍;
3、可能损害农作物的生物多样性;
4、认为创造新物种,可能干扰生态
系统的稳定性;
5、可能产生新毒素和新过敏源。
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课后问题
1.重组DNA的含义是什么?
2.在cohen构建有生物功能重组体的第一步实验中,用EcoR I切割了R6-5质粒,然后转化E.coli C600,在卡那霉素抗性平板上筛选到了pSC102,它是由R6-5的三个EcoR I片段组成,请推测这个质粒具有什么遗传特性?
3.何为分子克隆?
4.基因克隆是如何使含有单个基因的DNA片段得到纯化的?
5.比较遗传工程、基因工程和生物技术。
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