發布時間：2023-09-15 17:14:06
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的基因工程載體的種類樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
關鍵詞:生物技術;基因工程;細胞工程
現代生物技術的迅猛發展,成就非凡,推動著科學的進步,促進著經濟的發展,改變著人類的生活與思維,影響著人類社會的發展進程。現代生物技術的成果越來越廣泛地應用于醫藥、食品、能源、化工、輕工和環境保護等諸多領域。生物技術是21世紀高新技術革命的核心內容,具有巨大的經濟效益及潛在的生產力。專家預測,到2010～2020年,生物技術產業將逐步成為世界經濟體系的支柱產業之一。生物技術是以生命科學為基礎,利用生物機體、生物系統創造新物種,并與工程原理相結合加工生產生物制品的綜合性科學技術。現代生物技術則包括基因工程、蛋白質工程、細胞工程、酶工程和發酵工程等領域。在我國的食品工業中,生物技術工業化產品占有相當大的比重;近年,酒類和新型發酵產品以及釀造產品的產值占食品工業總產值的17%。現代生物技術在食品發酵領域中有廣闊市場和發展前景,本文主要闡述現代生物技術在食品發酵生產中的應用。
一、基因工程技術在食品發酵生產中的應用
基因工程技術是現代生物技術的核心內容,采用類似工程設計的方法,按照人類的特殊需要將具有遺傳性的目的基因在離體條件下進行剪切、組合、拼接,再將人工重組的基因通過載體導入受體細胞,進行無性繁殖,并使目的基因在受體細胞中高速表達,產生出人類所需要的產品或組建成新的生物類型。
發酵工業的關鍵是優良菌株的獲取,除選用常用的誘變、雜交和原生質體融合等傳統方法外,還可與基因工程結合,進行改造生產菌種。
(一)改良面包酵母菌的性能
面包酵母是最早采用基因工程改造的食品微生物。將優良酶基因轉入面包酵母菌中后,其含有的麥芽糖透性酶及麥芽糖的含量比普通面包酵母顯著提高,面包加工中產生二氧化碳氣體量提高,應用改良后的酵母菌種可生產出膨潤松軟的面包。
(二)改良釀酒酵母菌的性能
利用基因工程技術培育出新的釀酒酵母菌株,用以改進傳統的釀酒工藝,并使之多樣化。采用基因工程技術將大麥中的淀粉酶基因轉入啤酒酵母中后,即可直接利用淀粉發酵,使生產流程縮短,工序簡化,革新啤酒生產工藝。目前,已成功地選育出分解β-葡聚糖和分解糊精的啤酒酵母菌株、嗜殺啤酒酵母菌株,提高生香物質含量的啤酒酵母菌株。
(三)改良乳酸菌發酵劑的性能
乳酸菌是一類能代謝產生乳酸,降低發酵產品pH值的一類微生物。乳酸菌基因表達系統分為組成型表達和受控表達兩種類型,其中受控表達系統包括糖誘導系統、Nisin誘導系統、pH誘導系統和噬菌體衍生系統。相對于乳酸乳球菌和嗜熱鏈球菌而言,德氏乳桿菌的基因研究比較缺乏,但是已經發現質粒pN42和PJBL2用于構建德氏乳桿菌的克隆載體。有研究發現乳酸菌基因突變有2種方法:第一種方法涉及(同源或異源的)可獨立復制的轉座子,第二種方法是依賴于克隆的基因組DN斷和染色體上的同源部位的重組整合而獲得。通過基因工程得到的乳酸菌發酵劑具有優良的發酵性能,產雙乙酰能力、蛋白水解能力、胞外多糖的穩定形成能力、抗雜菌和病原菌的能力較強。
二、細胞工程技術在食品發酵生產中的應用
細胞工程是生物工程主要組成之一,出現于20世紀70年代末至80年代初,是在細胞水平上改變細胞的遺傳特性或通過大規模細胞培養以獲得人們所需物質的技術過程。細胞工程主要有細胞培養、細胞融合及細胞代謝物的生產等。細胞融合是在外力(誘導劑或促融劑)作用下,使兩個或兩個以上的異源(種、屬間)細胞或原生質體相互接觸,從而發生膜融合、胞質融合和核融合并形成雜種細胞的現象。細胞融合技術是一種改良微生物發酵菌種的有效方法,主要用于改良微生物菌種特性、提高目的產物的產量、使菌種獲得新的性狀、合成新產物等。與基因工程技術結合,使對遺傳物質進一步修飾提供了多樣的可能性。例如日本味之素公司應用細胞融合技術使產生氨基酸的短桿菌雜交,獲得比原產量高3倍的賴氨酸產生菌和蘇氨酸高產新菌株。釀酒酵母和糖化酵母的種間雜交,分離子后代中個別菌株具有糖化和發酵的雙重能力。日本國稅廳釀造試驗所用該技術獲得了優良的高性能謝利酵母來釀制西班牙謝利白葡萄酒獲得了成功。目前,微生物細胞融合的對象已擴展到酵母、霉菌、細菌、放線菌等多種微生物的種間以至屬間,不斷培育出用于各種領域的新菌種。
三、酶工程技術在食品發酵生產中的應用
酶是活細胞產生的具有高效催化功能、高度專一性和高度受控性的一類特殊生物催化劑。酶工程是現代生物技術的一個重要組成部分,酶工程又稱酶反應技術,是在一定的生物反應器內,利用生物酶作為催化劑,使某些物質定向轉化的工藝技術,包括酶的研制與生產,酶和細胞或細胞器的固定化技術,酶分子的修飾改造,以及生物傳感器等。酶工程技術在發酵生產中主要用于兩個方面,一是用酶技術處理發酵原料,有利于發酵過程的進行。如啤酒釀制過程,主要原料麥芽的質量欠佳或大麥、大米等輔助原料使用量較大時,會造成淀粉酶、俘一葡聚糖酶、纖維素酶的活力不足,使糖化不充分、蛋白質降解不足,從而減慢發酵速度,影響啤酒的風味和收率。使用微生物淀粉酶、蛋白酶、一葡聚糖酶等制劑,可補充麥芽中酶活力不足的缺陷,提高麥汁的可發酵度和麥汁糖化的組分,縮短糖化時間,減少麥皮中色素、單寧等不良雜質在糖化過程中浸出,從而降低麥汁色澤。二是用酶來處理發酵菌種的代謝產物,縮短發酵過程,促進發酵風味的形成。啤酒中的雙乙酰是影響啤酒風味的主要因素,是判斷啤酒成熟的主要指標。當啤酒中雙乙酰的濃度超過閾值時,就會產生一種不愉快的餿酸味。雙乙酰是由酵母繁殖時生成的α-乙酰乳酸和α-乙酰羥基丁酸氧化脫羧而成的,一般在啤酒發酵后期還原雙乙酰需要約5～10d的時間。崔進梅等報道,發酵罐中加入α-乙酰乳酸脫羧酶能催化α-乙酰乳酸直接形成羧基丁酮,可縮短發酵周期,減少雙乙酰含量。
四、小結
在食品發酵生產中應用生物技術可以提高發酵劑的性能,縮短發酵周期,豐富發酵制品的種類。不僅提高了產品檔次和附加值,生產出符合不同消費者需要的保健制品,而且在有利于加速食品加工業的發展。隨著生化技術的日益發展,相信會開發出更多物美價廉的發酵制品,使生物加工技術在食品發酵工業中的應用更加廣泛。
參考文獻
[1]趙志華,岳田利等.現代生物技術在乳品工業中的應用研究[J].生物技術通報.2006,04:78-80.
[2]王春榮,王興國等.現代生物技術與食品工業[J].山東食品科技.2004,07:31.
[3]徐成勇,郭本恒等.酸奶發酵劑和乳酸菌生物技術育種[J].中國生物工程雜志.2004,(7):27.
【關鍵詞】質粒載體；標記基因；插入失活
質粒是基因工程的常用載體，質粒結構和功能也是高考熱點問題之一，2016年全國卷理綜第40題再一次以質粒圖譜為基礎，考查了質粒作為載體應具備的條件，重組質粒導入受體細胞的篩選與鑒定問題，而這一方面的知識在教材中講解較少，理解起來較抽象，難以透徹的掌握這個知識點，給解題帶來困難。本文特針對質粒結構及重組質粒篩選與鑒定問題進行補充，以期能對老師教學和學生解題帶來幫助。
載體是一種可將外源DN段送入宿主細胞進行擴增和表達的運載工具。目前已構建成的載體主要有質粒載體、噬菌體載體、病毒載體和人工染色體等多種類型。其中最常使用的是質粒載體。
一、質粒載體
質粒是一種獨立于細菌擬核DNA之外，具有自我復制能力的小型環狀DNA分子。由于天然質粒作為載體存在著不同的局限性，科研人員對其進行了修飾改造。作為高質量的克隆載體的質粒必須具有如下特征：1.有復制原點，這是質粒在宿主細胞內能自主復制的基本條件。2.有多種限制酶的單一識別位點，以供外源基因的插入。3.有標記基因，理想的質粒載體應具有兩種抗菌素抗性基因，以便從平板中直接篩選陽性重組子。4.相對分子質量較小。5.有安全性，作為克隆載體應當只存在有限范圍內的宿主；在體內不進行重組；不會發生轉移；不產生有害性狀；不會離開宿主而自由擴散，因而是相對安全的。
二、插入失活
將外源DN段插入到載體的標記基因中使此基因失活，喪失其原有的表性特征，稱為插入失活。pBR332是研究最多，應用最廣泛的質粒載體之一，該質粒有兩個標記基因， 四環素抗性基因（Tetr）和氨芐青霉素抗性基因（Ampr），有8種限制酶識別位點位于Tetr內部，另外有2種限制酶的識別位點是存在于該基因的啟動區內，在這10個限制位點上插入外源DNA都會導致Tetr的失活，這時含有DNA插入片段的pBR322將使宿主菌抗氨芐青霉素，但對四環素敏感。3種限制酶的識別位點位于Ampr內，在這些位點插入外源DNA則會導致Ampr的失活，這時含有DNA插入片段的pBR322將使宿主菌抗四環素，但對氨芐青霉素敏感。插入失活是檢測重組質粒的一種十分有效的方法。
三、實例應用
2016年全國卷理綜第40題是一道很好的考查質粒結構和插入失活效應的題目：
某一質粒載體如圖所示，外源DNA插入到Ampr或Tetr中會導致相應的基因失活（Ampr表示氨芐青霉素抗性基因，Tetr表示四環素抗性基因）。有人將此質粒載體用BamHI酶切后，與用BamHI酶切獲得的目的基因混合，加入DNA連接酶進行連接反應，用得到的混合物直接轉化大腸桿菌，結果大腸桿菌有的未被轉化，有的被轉化。被轉化的大腸桿菌有三種，分別是含有環狀目的基因、含有質粒載體、含有插入了目的基因的重組質粒的大腸桿菌。回答下列問題：
（1）質粒載體作為基因工程的工具，應具備的基本條件有______（答出兩點即可），而作為基因表達載體，除滿足上述基本條件外，還需具有啟動子和終止子。
（2）如果用含有氨芐青霉素的培養基進行篩選，在上述四種大腸桿菌細胞中，未被轉化的和僅含有環狀目的基因的細胞是不能區分的，其原因是______；并且______和_____的細胞也是不能區分的，其原因是______。在上述篩選的基礎上，若要篩選含有插入了目的基因的重組質粒的大腸桿菌的單菌落，還需使用含有______的固體培養基。
（3）基因工程中，某些噬菌體經改造后可以作為載體，其DNA復制所需的原料來自______。
分析題目可知，本題考查了基因工程質粒載體特點、插入失活效應在重組質粒篩選中的應用及噬菌體侵染細菌后，合成子代噬菌體一切的原料來源于宿主細胞。分別解析如下：
（1）小題考查了質粒作為基因工程的載體應具備的基本條件，參考答案：具有復制原點；具有標記基因；具有限制酶的單一識別位點。
（2）小題考查插入失活及重組質粒的篩選問題，將此質粒載體用BamHI酶切后，與用BamHI酶切獲得的目的基因混合，加入DNA連接酶進行連接反應，用得到的混合物直接轉化大腸桿菌，得到的大腸桿菌表型有四種：未被轉化大腸桿菌，對四環素和氨芐青霉素都敏感，即AmpsTets表型；含有環裝的目的基因的大腸桿菌，即AmpsTets表型，含有質粒載體的大腸桿菌，即AmprTetr表型；含有插入了目的基因重組質粒的大腸桿菌，即AmprTets。若用含有氨芐青霉素的培養基進行篩選，在上述四種大腸桿菌細胞中，未被轉化的大腸桿菌和僅含有環狀目的基因的細胞是不能區分的，其原因是都對氨芐青霉素敏感，都不能存活，都無菌落產生。含有質粒載體的大腸桿菌（AmprTetr）和含有插入了目的基因重組質粒的大腸桿菌（AmprTets）因都能抗氨芐青霉素，都能存活，產生菌落；但因為目的基因重組質粒因插入失活破壞了四環素抗性基因導致四環素抗性基因失活，因此可用含有四環素的固體培養基加以篩選。若是在含有氨芐青霉素的培養基上能形成菌落而在含四環素的固體培養基上不能形成菌落，就是我們所要的含有插入了目的基因重組質粒的大腸桿菌。
【參考文獻】
[1]陳閱增普通生物學/吳相鈺主編.―2版.―北京：高等教育出版社，2005.1
Bt毒蛋白基因是目前應用得最為廣泛的抗蟲基因，主要特點是特異性強、殺蟲譜窄。Bt毒蛋白基因種類很多，其中CryI抗鱗翅目害蟲、CryII抗鱗翅目和雙翅目害蟲、CryIII抗鞘翅目害蟲、CryIV抗雙翅目害蟲。
外源凝集素可與昆蟲腸道上皮細胞的糖蛋白相結合，影響營養物質的正常吸收，同時，還可促進昆蟲消化道內細菌的繁殖，對消化道造成損傷，從而達到殺蟲的目的。研究表明，轉外源凝集素基因水稻對稻飛虱有抗殺作用。
白葉枯病是水稻三大病害之一。迄今，國際上已鑒定出25個抗白葉枯病基因，其中由國際水稻研究所Khush從印度長雄蕊野生稻中發現的抗白葉枯病基因—Xa-21，對印度、菲律賓和中國的所有白葉枯病小種均表現高抗。國內中國農業科學院章琦等也發現并定位了廣譜高抗白葉枯病基因Xa-23。1995年Song等克隆了Xa-21基因，研究表明，轉Xa-21基因水稻表現對白葉枯病的高度抗性和廣譜抗性。目前，我國雜交水稻大多數組合不抗白葉枯病，大力開展Xa-21抗白葉枯病基因工程育種具有重要意義。
稻瘟病是水稻三大病害之首。國內外已發現30多個抗稻瘟病基因，其中Pi-b和Pi-ta已被克隆。國內已有多個實驗室在進行抗稻瘟病基因的分離克隆，預計不久將會有克隆的基因用于我國水稻抗稻瘟病基因工程育種。
除此之外，抗病基因的轉化研究已經逐步向綜合性、多元性、廣譜性和間抗性的方向擴展，即同時轉化多個抗性基因以獲得對多種病原菌的抗性，如將Bt、Cptl、Chi 基因相連接一起轉化受體作物品種，或者轉化具有水平抗性的基因以獲得對多種病源菌的廣譜抗性，例如，轉化RIPs 基因可以同時獲得抗病毒、抗真菌、抗蟲的轉化體材料。
水稻分子育種研究主要包括基因工程育種和分子標記輔助選擇，利用這一技術在超高產育種中主要進行以下研究：
株型改良：利用這一技術，進行株型改良育種，如利用水稻分蘗控制基因MOCl，通過構建載體將正義、反義MOCl基因轉入到一些當家品種中，改良水稻株型，增加有效分蘗，形成理想株型的“分蘗梯度”。
提高水稻光合效率：為進一步提高水稻產量潛力，科學家們正在試圖用現代植物基因工程技術，提高光合效率。其途徑主要包括調節氣孔關閉、提高Rubisco的效率和引入C4基因等。
調控延緩葉片衰老系統：細胞激動素是一種重要的延緩葉片衰老的生長調節因子，其生物合成的第一步是異戊烯基側鏈轉移至5ˊ-AMP上。在農桿菌中，這一反應由tmr基因編碼的異戊烯基轉移酶所催化，并且這一反應是細胞激動素生物合成的限速步驟。Cao等通過農桿菌介導的遺傳轉化方法獲得了 PSAG12-IPT轉基因水稻植株，考察了自我調控延緩葉片衰老系統在水稻中的表現，結果表明具有早衰現象的水稻品種延緩葉片衰老后，能促進灌漿，增加籽粒的充實度，從而提高結實率和千粒重，并最終增加單株產量。
【關鍵詞】制藥工程；抗菌肽；微生物；生物技術
在當前社會發展中，生物技術廣泛的應用在各類制藥工程中，已成為制藥產業未來發展的主導基礎。抗菌肽作為一種廣泛存在于多種生物中的一類帶正電荷的小分子多肽，具有著光譜抗菌性，同時也具有著一定的抗真菌、抗病毒和抑制腫瘤活性的作用。伴隨著人們對藥品需求的不斷加大，抗菌肽在制藥工程中也得到了廣泛的應用，對于提高藥品的作用，提高人體免疫里發揮著不容忽視的重要作用。
一、抗菌肽概述
抗菌肽廣義上是一種存在于生物體中且具有著抵抗外界微生物入侵、消除體內出現突變細胞的一類小分子多肽結構。在上個世紀七十年代，瑞典科學家首次提出了抗菌肽的概念，自此以后，人們在生物技術研究中對抗菌肽研究也不斷深入和擴大，也獲得了較大的進展。在目前的社會發展中，抗菌肽在昆蟲、植物、動物、病毒等多種領域得到了廣發的應用與研究，其種類快有多大兩千多種。抗菌肽在目前的研究中，多事采用動物免疫細胞、各種器官粘膜、皮膚以及植物的花、果、皮進行研究。
經過多年的總結和研究我們發現，抗菌肽是一種分子量低、水溶性好、熱穩定性能好和強堿性高的特點，在目前社會發展中越來越受到人們的重視與研究。其在應用的過程中與其他抗菌機理完全不同，已成為一種轉基因抗病毒植物基因的來源基礎，同時在研究中對于抗菌、抗癌等藥品的研究與生產中也得到了廣泛的應用與研究。在當前社會發展中，隨著生物學的不斷發展。抗菌肽的三維結構也被精確的測定了出來，使得抗菌肽結構和功能關系存在著一定的關系。并且生物血液信息和計算機圖形圖像的處理現實中也出現了極大的變動與變化。在當前的制藥產業應用中，抗菌肽的分析設計手段已成為推動其發展核心與關鍵，更是促進了整個醫學領域的發展。
二、抗菌肽在制藥中的應用機理
1、應用機理
抗菌肽是人們從各種細菌、真菌和兩棲動物分裂獲得的一種抗菌活性較強的肽，一般也被人們稱之為肽抗生素。在早期的研究與應用的過程中主要是通過對天蠶免疫體制分析和研究的過程，也是由血淋巴產生的一種擬菌性的抗性物質成分。在抗菌肽在應用過程中具備著多種功能和作用，是通過多種氨基酸共同構成的堿性物質，在某些抗菌肽對部分真菌和原蟲處理中都具備著較為良好的殺傷作用與預防優勢。其在應用的過程中能夠通過單一應用的時候體現出擬殺多種病菌和真菌、細菌的模式，抗菌肽還對各種癌細胞有著良好的擬制作用。
2、抗菌肽的效應
抗菌肽是一種具備著光譜抗菌活性的一種新型微生物，也是一種有效對多種細菌進行根除和滅殺的活性抗生素。在目前的制藥過程中，其使用對于耐藥性能源具備著良好的滅殺作用，因此受到人們廣泛的重視。與此同時，其在制藥應用中對于提高身體免疫力也存在著重要優勢，還能夠加快傷口的愈合速度，在目前已成為康復中心和人們常用藥品中必備的物品之一。
三、抗菌肽的應用研究
抗菌太的應用已成為當前醫療事業發展的基礎前提，是未來制藥體系前景的核心動力。在目前各種醫療設備逐步完善的今天，抗菌肽的應用更是為抗生素產業的發展開辟了新市場和理論基礎。
1、在畜牧業上的應用
借鑒已成功的昆蟲抗菌肽轉基因工程，在當前各種生產行業中抗菌肽的應用不斷的在擴大中，在畜牧業中，由于其各種動物的繁雜，病菌出現種類的多樣，使得抗菌肽在其生產過程中廣泛的應用。
2、抗菌肽在基因工程上的應用
抗菌肽分子量較小，對多種動植物病原菌具有廣譜的抗性作用，同時對動植物細胞無毒副作用，因此抗菌肽動植物基因工程的研究能廣泛開展起來，期望將抗菌肽的基因轉入動植物體內并得到表達，達到抗病的目的。
3、抗菌肽作飼料添加劑應用的優勢
抗菌肽能耐受飼料制粒時的高溫，規模化發酵生產時，經高溫濃縮工序，可充分殺滅酵母菌體而不導致抗菌肽失活，產品在推廣應用后不會出現工程菌的擴散而導致環境生態問題。抗菌肽殺菌機理獨特，病原菌不易對抗菌肽產生耐藥性。
4、抗菌肽的藥用前景
4.1柞蠶免疫血淋巴治療乙型肝炎的效果
滯育柞蠶蛹經接種滅活的大腸桿菌誘導產生免疫血淋巴，含有多種免疫成分如抗菌肽、抗菌蛋白、溶菌酶等；供治療乙型肝炎的膠囊，試驗證實其在合適劑量能顯著或極顯著降低鴨血清乙型肝炎病毒水平，能抑制鴨體內乙型肝炎病毒復制增殖作用。
4.2抗菌肽在治療癌癥上的應用
抗菌肽對體外培養的癌細胞有作用，主要是使癌細胞膜上形成孔洞，內容物外泄，線粒體出現空泡化，嵴脫落，核膜界限模糊不清，有的核膜破損，核染色體DNA斷裂，并抑制染色體DNA的合成，細胞骨架也受到一定程度的損傷。昆蟲抗菌肽具有光譜抗菌、抗病毒、抗癌能力，以及活性濃度低，無致畸變作用，無蓄積毒性，不易產生抗藥性等優點，有望成為新一代的抗菌、抗病毒、抗癌藥物。
5、問題與展望
5.1要將抗菌肽應用到臨床治療，還有許多問題有待于解決
①由于抗菌肽的分子量比大部分抗生素大，生產成本高，目前還無法投入大規模生產。②表達系統載體和動物源的抗菌肽來源十分有限，不能滿足研究和臨床應用的需要；化學合成和基因工程成為獲得抗菌肽的主要手段，但成本較高，通過基因工程方法對抗菌肽進行表達，而大部分抗菌肽對表達載體都有抗殺作用，一般都選擇酵母菌，或者使抗菌肽以融合蛋白的形式表達，這樣又增加了后加工的難度。
5.2前景展望
近年來，隨著科學技術的不斷發展和各種微生物技術的不斷進步，抗菌肽在發展過程中也越來越瘦人們的重視，其在研究過程中也出現了多種不同方式的研究過程與方法。其在研究的過程中不僅在分子水平上研究抗菌肽在動物免疫防御系統中精細的合成過程及其調控機制，而且探討其藥用開發價值，通過對抗菌肽結構與功能關系的研究為設計新的多肽類抗生素提供了理論依據，研究各種生物分子與其組合的過程中形成的各種先進的治療藥品和抗病菌的成分。而且一些重要的抗菌肽的基因正陸續被克隆，轉基因研究已成為抗菌肽研究的熱點領域，如抗菌肽轉基因水稻、番茄等的成功，極大地提高了植物的抗病能力。
抗菌肽(antimicrobialpeptides)是具有抗菌活性短肽的總稱。1975年瑞典科學家G.Boman等人[2]等從惜古比天蠶(Hyatophoracecropia)蛹中誘導分離得到一種殺菌肽,并將其命名為cecropin。此后,許多抗菌肽相繼被分離、純化。一些抗菌肽的氨基酸一級結構和基因序列得到確定。80年代,有關抗菌肽的研究主要集中在大型的經濟昆蟲。90年代以來,在繼續對大型經濟昆蟲進行研究的同時,又擴展到一些小型昆蟲和其它無脊椎及脊椎動物,抗菌肽已成為免疫學和分子生物學研究的熱點。研究的內容包括:抗菌肽的分離與純化,氨基酸序列的分析,蛋白質構型與功能的關系,抗菌肽的作用機理[3,4],應用基因工程克隆與表達抗菌肽基因,改造合成抗菌肽基因以及動植物的轉抗菌肽基因工程等,其中昆蟲抗菌肽基因工程研究最受重視[5,6]。目前已發現抗菌肽或類似抗菌肽的小分子肽類廣泛存在于生物界,包括細菌、動植物和人類。這種內源性的抗菌肽經誘導而合成,在機體抵抗病原的入侵方面起著重要的作用,更被認為是缺乏特異性免疫功能生物的重要防御成分。抗菌肽具有廣譜殺菌作用,大多數對革蘭氏陽性菌有較強的殺滅作用,有些則對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均起作用。對某些真菌、原生動物,尤其對耐藥性細菌有殺滅作用,并能選擇殺傷腫瘤細胞,抑制乙型肝炎病毒的復制。
1.抗菌肽的分類
迄今為止從不同生物體內誘導的抗菌肽已不下200種,僅從昆蟲體內分離獲得的就多達170余種。根據抗菌肽的結構,可將其分為5類:(1)單鏈無半胱氨酸(Cys)的抗菌肽,或由無規則卷曲連接的兩段а-螺旋組成的肽。該類包括天蠶素Cecropins,Magainins等。Magainins最初是從非洲爪蟾的皮膚中發現的,它是爪蟾的皮膚在一定的環境壓力下分泌出的抗感染和促進傷口愈合的成分,由兩個緊密相連的肽鏈組成,每一個肽鏈有23個氨基酸,低濃度便可抑制許多細菌和真菌生長[7]。(2)富含某些氨基酸殘基但不含Cys的抗菌肽。如富含脯氨酸(Pro)或甘氨酸(Gly)殘基的抗菌肽。如從豬腸內分離的抗菌肽PR39中Pro含量占49%[6]。鞘翅肽Coleoptericin和半翅肽Hemiptericin的全序中富含Gly[8]。(3)含一個二硫鍵的抗菌肽,該二硫鍵的位置通常在肽鏈C端。如爪蟾皮膚細胞中產生的Brevinins[9]。(4)有兩個或兩個以上二硫鍵,具有β折疊結構的抗菌肽。如綠蠅防御素(Phormindefensin),分子內有6個Cys形成3個分子內二硫鍵,肽鏈C末段是帶有擬β轉角的反向平行的β片層[10]。實驗證明,分子中的二硫鍵在其抗菌作用中至關重要。(5)由其他已知功能較大的多肽衍生而來的具有抗菌活力的肽。
2.抗菌肽的作用及機理
2.1抗菌肽的抗菌作用及其機理抗菌肽分子可以在細菌細胞質膜上穿孔而形成離子孔道,造成細菌細胞膜結構破壞,引起胞內水溶性物質大量滲出,而最終導致細菌死亡。抗菌肽分子首先結合在質膜上,接著其分子中的疏水段和兩親性α-螺旋也插入到質膜中,最終通過膜內分子間的相互位移,抗菌肽分子聚集形成離子性通道,使細菌失去了膜勢而死亡[10-14]。但是,Gazit[15]等得出的實驗結果表明,抗菌肽只是結合到了單位膜的表面上,并未插入膜中,更未形成通道。然而,抗菌肽的作用靶部位是細菌細胞質膜,以及抗菌肽的作用結果是導致細菌細胞質膜通透性增大等基本內容是確切無疑的,這也正是抗菌肽與青霉素等傳統抗生素對細菌作用機制不同的本質所在。
2.2抗菌肽的抗病毒作用及其機理研究發現煙芽夜蛾幼蝦的血淋巴對6種DNA、RNA病毒有明顯的抑制作用,使病毒感染力迅速降低,而且這種抗病毒活性具有廣譜性。Mariam[16]試驗表明來源于爪蟾的抗菌肽Magainins及其它Magainins類抗菌肽具有抗皰疹病毒-HSV的作用,還發現人的嗜中性粒細胞防御素(HNP-1)對一種皰疹病毒有抑制作用。此外,蜂毒素和天蠶素也可以在亞毒性濃度下抑制艾滋病毒HIV-1的基因表達,從而抑制減少HIV-1的增殖。這表明抗菌肽對于當今人類的頑癥———艾滋病也有抑制作用。
2.3抗菌肽的抗寄生蟲作用及其機理抗菌肽可以有效地殺滅產生人類及動物寄生蟲病的寄生蟲,如瘧疾、Chagas氏病、萊什曼病等。目前發現一種合成的天蠶素-蜂毒素雜合體對萊什曼原鞭毛蟲有損傷作用,起作用的靶目標是細胞質膜,它可以快速降低H-OH的通透性,破壞膜電勢,質膜形態也受到損壞。Shahabuddin[17]研究發現昆蟲抗菌肽對感染蚊子的瘧原蟲發育的不同時期有不同的作用,主要對瘧原蟲的卵囊期和子孢子期造成明顯的損傷。
2.4抗菌肽對腫瘤細胞作用及其機理國內外已對抗菌肽殺傷腫瘤細胞的作用進行了廣泛研究,發現抗菌肽對體外培養的癌細胞的作用主要是使癌細胞膜上形成孔洞,內容物外泄,線粒體出現空泡化,嵴脫落。核膜界限模糊不清,有的核膜破損,核染色體DNA斷裂,并抑制染色體DNA的合成,細胞骨架也受到一定程度的損傷[18,19]。通過對荷瘤小鼠的研究證明,抗菌肽能顯著抑制ECA腹水瘤荷瘤小鼠腹水的積累;對S180肉瘤和U14宮頸癌的抑瘤率亦達30%-50%[20]。抗菌肽還可以調動機體的免疫機能,從體液免疫方面來抵抗癌瘤的入侵。
3.抗菌肽基因的融合表達
抗菌肽的天然產量低,合成或從機體中提取步驟復雜、產率低、價格相當昂貴,利用基因工程技術生產抗菌肽具有重要意義。抗菌肽所攜帶的堿性氨基酸使其對蛋白酶非常敏感,必須采用融合表達策略以抵消其堿性并降低其對宿主細胞的毒性。
謝維等合成了家蠶抗菌肽CMIV基因,并將其克隆到金黃色葡萄球菌A蛋白和IgG親合的結構域ZZ的融合表達載體中,得到Pezz318-CMIVV質粒,以此質粒轉化E.coliHB101,得到ZZ-CMIV融合表達的蛋白,用CBr切割后,得到CMIV肽。李秀蘭等[21]對天然抗菌肽CMIV的氨基酸序列作了50%的改動,根據E.coli偏愛的密碼子人工合成了肽基因片斷,重組到測序載體,再將此片斷重組到表達載體Pet28上進行表達,融合蛋白經CNBr裂解后,具有與天然抗菌肽相同的生物活性。吳映雅等將柞蠶抗菌肽D基因連接在牛成纖維細胞生長因子cDNA的上游,在酵母中成功地得到了表達,表達產物具有抗菌活性和牛成纖維細胞生長因子的抗原性。Kevin等[22]HNP(humanneutrophilpeptide1)和CEME(syntheticcecropin/melittinhybrid)分別與GST(glutathione-S-transferase)、ORRF、IgG結合序列及SPA(staphylococcalproteinA)在E.coli或S.aureus中融合表達,結果在S.aureus中雖實現了與SPA的融合分泌表達,但表達產量較低;Zhang等[23]選擇RepA蛋白的序列作為抗菌肽的融合表達伴侶,并插入Histag等序列作為純化親和位點,實現了在E.coli中的融合表達。ChristsnenB等研究中得到的融合抗菌肽的抗菌活性比其任何一個供體抗菌肽的活性都高。
4.抗菌肽轉基因研究
王志興等把大麥α-淀粉酶的信號肽序列和抗菌肽CecropinB基因或HhivaA基因構成嵌合基因,并把此基因導入馬鈴薯,結果加信號肽序列的CecropinB轉基因植株發青枯病延遲,病情指數降低。Yarus等[24]用顯微注射法將牛氣管抗菌肽基因轉入小鼠,轉基因鼠在牛氣管抗菌肽基因控制序列的驅動下成功的表達了牛氣管抗菌肽,在鼠乳中的牛氣管抗菌肽對大腸桿菌具有抗菌活性。Reed等研究了以IL-2啟動子/增強子控制轉基因鼠中抗菌肽的合成及隨后對布氏桿菌的抑制作用。Reed[25]構建了這樣一個DN斷:Shivala片斷,SV40多腺苷酸化/剪切信號肽基因片斷,此片斷加到鼠IL-2基因5’側-593─110區域。在受精卵精前核時將此融合基因注入受精卵(微注射法),得到26系小鼠。RT-PCR檢測:有兩系轉基因鼠,當其脾淋巴細胞置于3.25mg/kg的conA(刀豆蛋白,一種抗原誘導物)時,可以誘導產生成熟的ShivalamRNA。用一定量的布氏桿菌接種時,有兩系小鼠遭到攻擊。四星期后,在轉基因鼠脾臟組織布氏桿菌比非轉基因鼠少得多(P<0.05)。DavidWinder等[26]把編碼Ceropin或Melittin的基因放置在MLV(鼠白血病病毒)的啟動子下,轉染到EJ細胞(人膀胱癌細胞),然后把這些細胞注入到裸鼠內,發現這些腫瘤細胞停止生長或生長減弱DavidWinder等用PCR擴增,Prepromelittin(PPM前蜂毒素原),Premelittin(PM前蜂毒素)和Prececroppin(PC前抗菌肽)三種核酸片斷,均置于MLV啟動子下構建融合基因轉染進EJ細胞。三種類型的EJ細胞分別注入裸鼠后,測定50d后的腫瘤生長情況,無抗菌肽基因片斷的EJ細胞(對照組)致瘤率為70%,帶Cecropin基因片斷的EJ細胞致瘤率只有39%,PPM為50%,PM為65%,其抑制腫瘤的效果明顯。
5.抗菌肽的應用前景
目前,大部分植物抗菌肽是從植物種子中分離獲得的,它們可以保護植物組織和種子不受真菌病原菌的侵害,但是植物抗菌肽對大部分細菌無抑制活性。因此,依靠基因工程的方法用其它真核生物的抗菌肽基因來轉化農作物,培育抗病新品種是當前國內外研究的一個熱點。
動物抗菌肽和干擾素、補體一樣是機體非特異性天然防御系統的重要組成部分。機體受損傷或病原微生物入侵時,能迅速產生抗菌肽來殺傷入侵者,它對正常真核細胞幾乎沒有作用。另外,因為抗菌肽的合成速度非常快(假定核糖體上肽鍵合成速率不變,抗菌肽的產生比IgM要快100多倍),［27］而且小肽的擴散比大的蛋白質和免疫細胞更加迅速,作用更顯靈活,所以Boman曾指出,抗菌肽是機體的一種理想的一線防御物。與普通抗生素相比,抗菌肽的“抗菌譜”更廣,除了抗細菌外,有的抗菌肽還能作用于真菌、原蟲、有包膜的病毒及癌細胞(對癌細胞的選擇性作用可能與其細胞骨架的改變有關),同時能加速免疫和傷口愈合過程。這預示抗菌肽在治療及預防癌癥和抗病毒、抗感染等方面具有良好的應用前景。更為重要的是,由于抗生素的濫用導致菌株產生了抗性,人們需要尋找新的抗菌藥劑。抗菌肽這種從生物體中獲得的物質恰巧具有獨特的抗菌機理,不是像一般的抗生素那樣通過阻斷生物大分子的生物合成來發揮作用,因而極有希望開發成為一類新型的廣譜高效抗菌藥物。
隨著研究工作的進一步深入,可以預見,抗菌肽及其基因工程在醫藥、衛生、食品工業及農業等方面將會發揮更為重要的作用。另外,有些抗菌肽分子中含有D-氨基酸,這也為研究D-氨基酸如何在核糖體上合成多肽提供了一個理想的模式體系。
6.研究展望及存在問題
抗菌肽是哺乳動物防御系統的一個重要組成部分,具有熱穩定、水溶性好、廣譜殺菌甚至有的能殺真菌、原蟲等優點,而且許多抗菌肽在100℃加熱10min條件下仍能保持一定活力,且對較大的離子強度和較低或較高的pH都有較強的抗性,而對真核細胞幾乎無作用,僅作用于原核細胞和發生病變的真核細胞,并且與抗生素通過阻斷大分子生物合成的作用機制完全不同,病源菌不易對其產生耐藥性,由此顯示了它具有獨特的研究和應用價值。近20年來,人們對昆蟲抗菌肽已進行了比較系統的理論和應用研究,但有關畜禽抗菌肽基因工程應用研究方面的報道較少。從哺乳動物抗菌肽特有的性質,顯示了它具有以下幾個方面在畜牧生產上的研究和應用前景。研究展望及存在問題
6.1藥用前景隨著傳統抗生素的廣泛及長期的應用,許多病源菌對它們產生了耐藥性,而具有廣譜抗菌且有獨特的抗菌機制的抗菌肽顯然在這方面的應用研究中具明顯優勢。隨著對抗菌肽結構與活性的關系、抗菌肽作用機制及其基因表達調控機制認識的不斷深化,設計一種高效的、有利于人類健康的抗菌肽作抗生素替代品是完全可行的。
6.2轉基因研究及應用仔豬腹瀉、奶牛炎及各種病毒性疾病如豬瘟、雞新城疫等一直是棘手的疾病,不利于畜牧業的發展。借鑒已成功的昆蟲抗菌肽轉基因工程,如轉基因蚊子、轉基因馬鈴薯、轉基因水稻等,把特異的抗菌肽基因轉入畜禽特定細胞讓其表達,從而產生抗病新品種,不失為一條發展畜牧生產的新思路,前景深遠。
6.3抗菌肽基因表達調控及抗菌肽添加劑研究研究表明,［28］抗生素添加劑的使用嚴重破壞了動物腸道的微生物平衡,并易在動物體內殘留,嚴重影響了畜產品的品質和人類的健康。用基因工程方法生產環保型抗菌肽添加劑,或者,通過日糧因素調控抗菌肽基因的表達而達到畜產品無抗素化值得進一步研究。
然而,由于抗菌肽分子小,分離提純存在一定的困難,故天然資源有限。化學合成和基因工程法獲得抗菌肽是主要手段,但化學合成抗菌肽成本高,而通過基因工程在微生物中直接表達抗菌肽基因,則可能對宿主有害而不能獲取表達產物。所以,對抗菌肽的結構、構效關系及作用機理還需進一步研究。
7.結束語
抗菌肽是生物體對外界病原物質侵染而產生的一系列免疫應答反應產物,它的出現為人們尋找理想的抗菌藥物提供新的領域,尤其是當今許多抗生素產生了耐藥性,因此抗菌肽具有巨大的應用潛力。基因工程技術的發展,極大的促進了抗菌肽的研究和開發,通過抗菌肽基因的克隆與表達而大量生產成為可能。雖然抗菌肽目前還不能直接應用于養殖業,但抗菌肽獨特的作用機理不易產生耐藥性的特性將吸引科研工作的不斷深入,可以相信抗菌肽將在動物養殖和提高畜產品品質方面發揮重要作用。
參考文獻
［1］.HancockREW.TheLancet,1997,349(9049):418
［2］.STEINERHD,HULTMARKA。,ENGSTR¨OMH,etal.Sequenceandspecificityoftwoantibacterialtwoantibacterialproteinsinvolvedininsectimmunity[J].Nature,1981,292:246-248.
［3］.CAMMUEBP,DEBOLLEMF,SCHOOFSHM,etal.Gene-encodedantimicrobialpeptidesfromplants[J].CibaFoundSymposium,1994,186:91-106.
［4］.LAMBERTYM.InsectimmunityisolationfromthelepidopteeranHeliothisvirescensofanovelinsectdefensinwithpotentantifungalactivity[J].JbiolChem,1999,274:9320-9326
［5］.李文楚,黃自然.昆蟲抗菌肽及其基因工程、轉基因動物[M].廣州:廣東科學技術出版社,1996.118-128.
［6］.鄭青,鮑時翔,姚汝華,等.新型抗菌肽基因設計、合成及在酵母中表達Ⅰ———雜合抗菌肽基因的設計與合成[J].華南理工大學學報,1998,26(3):60-63.
［7］.ZaslofM,etal.ProcNatlAcadSciUSA,1987,84:5449～5455.
［8］.BAgerberth,JYLee,etal.EuropeanJournalofBiochemistry,1991,202:849～854.
［9］.陳留存,王金星.生物工程進展,1999,19(5):55～59.
［10］.饒賢才,胡福泉,等.生命的化學,2001,21(5):357～359.
［11］.MarchiniD,etal.[J].InsectBiochemMolBiol,1993,23(5):591-598.
［12］.RadermacherSW,etal.[J].JneurosiRes,1993,36(6):657-662.
［13］.LockeyTD,eral.[J].EurJBiochem,1996,236(1):236-271.
［14］.SaberoalG,.etal.[J].BiochemBiophysActa,1994,1197(2):109-131.
［15］.GazitE,etal.[J].Biochemistry,1994,33(35):10681-10692.
［16］.MariamE.etal.[J].InternationalJofAntimicrobialAgents,1999,13:57-60.
［17］.ShahabuddinM,etal.[J].ExperimentalParasitogy,1998,89(1):103-112.
［18］.王芳,等.[J].生物化學與生物物理進展,1998,25(1):64-67.
［19］.賈紅武,等.[J].蠶業科學,1996,22(4):62.
［20］.許玉澄,等.[J].動物學研究,1998,19(4):263-268.
[21].李秀蘭等.家蠶抗菌肽CMIV基因結構改造及表達產物的研究[J].中國生物化學與分子生物學報,1999,15(3):
387-391.
［22］.KevinLP,MelissaHB,RoberEW.RecombinantDNAproceduresforproducingsmallantimicrobialcationicpeptideinbacteria[J].Gene.1993,134:7-13.
［23］.ZhangL,FallaT,WuM,etal.Determintsofrecombinantproductionofantimicrobialcationicpeptidesandcreationofpeptidevariantinbacteria[J].mun.1998,247:674-680.
［24］.YarusS,RosenJM,ColeAM,etal.Productionofactivebovinetra-chealantimicrobialpeptideinmilkoftransgenicmice[J].ProcNatlAcadSciUSA.1996,93:14118-14121.
［25］.RddeWA,ElzerPH,EnrightFM,etal.Interleukin2promoer/enhancecontrolledexpressionofasyntheticcecropin-classlyticcpeptideintransgenicmiceandsubsequentresistancetoBrucellaSabortus[J].TransgenicResearch.
1997,6:337-347.
［26］.DavidW,WaterH,GunzburJ,etal.Expressionofantimicrobialpeptideshasanantitumoureffectinghumancell[J].Biochem
mun.198,242:608-612.(007)
[關鍵詞]林業育種 新技術 應用
中圖分類號：X12 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）30-0210-01
1.引言
林業育種是林業發展的基礎與重點所在。只有抓好育種工作，培育出易生長，快生長的樹木品種，才可以進一步實行退耕還林，增加社會的綠化面積。為達到這一目的。諸多的研究學者與工作人員在育種方面投入了巨大的精力，并取得了不錯的成績。在林業產業中，林木品種的好壞，直接影響著我們的林業產業發展的好壞。通過新技術的應用，可以有效快速的提高林業育種的成功率和優質率。
2.林業育種新技術的應用
科學的種植方法能夠節省森林建設成本，生長環節以及開采使用都更加科學合理。育種過程中如果土壤中的營養成分不足，可以人工進行補充，向土壤中灌輸營養液。生物技術以常規育種方法為基礎，并對之進行了相應的延伸與補充，這兩者密不可分。傳統的育種方法融合生物技術，是未來植物育種的研究方向。大力采用生物技術，逐步克服常規育種的不足，使傳統育種方式轉變為現代育種方式。
2.1 分子標記育種
通過分子標記來挑選育種材料，這種方式也叫分子標記育種。它受環境與季節的影響不大，可以有效提高選擇效率，促進育種進程提高。利用分子標記組裝各類抗病，高產優質樹種就可以成功被選中。林業分子標記的研究起步較晚，基礎差。目前，雖然分子標記技術在林業選擇育種中得到了一定的應用，但仍然存在著缺點和不足。首先，分子標記種類應用不平衡，RAPD以外的標記研究較少，而RAPD技術重演性低，穩定性差，易受環境影響。其次，現有的分子標記技術還不具備理想的DNA標記特點。AFLP技術對基因微小差異高度敏感，但其與RFLP技術一樣，對技術要求苛刻，成本高；SSR技術雖然多態性豐富、重復性高、穩定可靠，但必須依賴測序設計引物，成本也較高；SNP技術多態性高，速度快，基于SNP的圖譜用于群體分析具有許多優勢，但大多數普通類型的SNP信息量不大，某一個SNP在群體間的有用性不同，要在SNP與變化形式間建立相關性較難。第三，目前，植物分子標記大多數針對某單一性狀，分子標記的多態性低，遺傳圖譜飽和度差，標記間距離大。第四，分子標記技術對實驗人員、儀器設備和試劑等要求較高，且費用也相對較高，推廣該技術還需要一個長期的過程。相對于傳統的基于性狀表現的方法，運用分子標記技術可以對目標性狀基因型進行早期選擇而不受環境條件的影響。這使得人為定向修飾某或某些目標性狀并保留其他原有的優良性狀，培育出新、優、特的林業品種擁有了更高的可操作性，縮短了育種時間，提高了育種效率。近年來，分子標記技術在林業雜交親本的選配，雜種實生苗的早期鑒定選擇，雌雄異株幼苗的性別鑒定，抗病等目的基因的快速檢測等方面都有應用。它為人們充分了解、認識以及更好地改良、利用林業創造了有利條件。隨著生物化學、基因組學和計算機技術的進一步發展，分子標記技術將具有廣闊的發展空間。
2.2 細胞工程育種
林木細胞工程是指在離體組織或細胞水平上，對植物進行培養、增殖以及遺傳操作（體細胞融合等），從而大量繁育優良性狀植株或植物新品種以及代謝產品的技術體系。近20年來林木細胞工程有了突飛猛進的發展。從1990年開始，我國相繼對楊樹、毛白楊、懸鈴木、白花泡桐、桑樹、小葉楊、中華獼猴桃、枸杞等樹種進行了原生質體培養并獲得了植株。為原生質體融合及外源基因導入創造了良好的條件。南京林業大學獲得小葉楊×美洲黑楊雜種原生質體再生植株，并對其遺傳變異進行了研究，為楊樹細胞工程育種開辟了一條新路。
2.3 基因工程育種
基因工程是指把在體外插入病毒、質粒或其他載體分子的核酸分子（目的基因）導入受體細胞內進行無性繁殖，使重組基因在受體細胞內表達，產生出人類需要的基因產物。植物基因工程在目前社會中已經被應用在各個生產領域中。在林業工程中采用基因工程對林木新品種進行培育和改良，有助于減少環境污染，提高林業效率。蟲害是林業生產的大敵采用常規育種手段對林木抗蟲性進行改良，不僅周期長，而且抗性資源少，限制了林木的抗性育種。運用基因工程技術培育抗性品種則成為最有效的生物防治之一。在耐鹽堿基因工程方面，采用先進的轉基因技術，有利于對植物復雜的抗旱、耐鹽機制開展研究，了解植物一系列形態和代謝過程的變化。結合在干旱地區、海灘種植及可用海水澆灌的林木，開展多基因的轉化研究，可以增加外援基因的表達效率。利用基因技術，體胚誘導技術、細胞雜交技術等尖端技術不斷發展。目前，美國、德國等林業發達國家普遍利用組培技術進行了大規模工廠化育苗，取得了令人矚目的成績。
2.4 激光育苗技術
利用激光輻照生物體誘導其發生遺傳性變異，再根據育種目標進行選擇和培育新品種就是激光育種技術。激光具有極高的功率密度，可被應用于種子催芽和誘變育種，作為林木育種和基因改良的新技術手段。我國廣大育種工作者不懈努力，最近幾年，激光誘變育種研究有了新的進展。激光被應用于育種主要體現在：可以刺激植物種子催芽。小劑量激光輻照對生物有刺激效應。研究已表明，種子的休眠狀態可以被激光輻照打破，這樣種子活力得到提高，形態結構得到改善，植株生長發育更好。激光輻照誘變育種技術操作簡單、安全，正變率高，輻射損傷輕，誘變當代即可出現遺傳性突變等特點，是林木遺傳育種研究中一種十分有效的技術手段。此外，激光加熱還可引起林木種子一系列的變化，如酶失活、蛋白質變性，促使生物產生生理遺傳變異。再如，激光加熱以后，電磁場發揮作用，產生自由基導致DNA損傷，種子的微觀結構改變，進而引起遺傳突變。
3.結束語
綜上所述，獲得優質的林木幼苗往往需要很多年的研究、培育才能將新產品推廣。不僅經歷的繁重周期長，并且還需投入大量的人力物力。所以，只有不斷的提出更高的要求，尋找更新的方向，研究更精的技術，才能我國林業產業獲得長足的發展。
參考文獻
現代科學技術概論不但應該是現代科學技術成果的概論，而且也應該是現代科學技術發展歷史和規律的概論。離開現代科學技術發生、發展的歷史，靜止、孤立地介紹現代科學技術的基本理論和成果，就會使現代科學技術概論這門課程變得零亂龐雜而不成體系。而如果把“史”與“論”有機地結合和統一起來，則不但能克服“零亂龐雜”的缺陷，而且還能為現代科學技術概論這門課程注入生機和活力。同時，把“史”與“論”結合起來，更是為思想政治教育專業學生開設這門課程的教學目的之所需。作為思想政治教育專業的學生，通過現代科學技術概論課程的學習，不但要了解現代科學技術的主要成果、歷史演進和完整體系，而且要了解科學技術發生、發展的一般過程和規律，了解哲學產生的現代科學技術基礎以及對于推動科學技術發展的重要作用和意義。因此，只有做到史論結合，才能達到開課的目的和要求。
2現代科學技術概論的教學內容與體系
根據上述三原則，筆者認為，思想政治教育專業現代科學技術概論課程的內容與體系可做如下安排。導言。概要介紹現代科學技術及其理論基礎、前沿陣地、中心內容和綜合體現。
第一章，現代物理學革命及其影響。介紹現代科學技術的理論基礎———相對論和量子力學。引言，概述近代物理學的輝煌成就及其所遇到的“兩朵烏云”。第一節，相對論的建立。根據邏輯與歷史相統一的原則，具體講授伽利略變換和力學相對性原理，邁克爾遜—莫雷實驗，洛倫茲變換的提出，愛因斯坦的狹義相對論及其主要結論，廣義相對論及其驗證。第二節，量子力學的建立和發展。一、量子力學產生的歷史背景，概要介紹黑體輻射理論和紫外災難。二、量子力學的建立與發展，具體講述普朗克的量子假說，愛因斯坦的光量子理論，玻爾對原子結構的量子解釋，德布羅意的物質波，薛定諤的波動方程，海森伯的矩陣力學。第三節，現代化學理論的發展。主要講授元素周期理論的新發展和現代化學鍵理論。
第二章，原子物理學的開發研究及應用。主要講授從物質結構的研究到原子能的開發和應用。第一節，對微觀世界的探索和認識。一、物質結構初探，復習回憶德謨克利特的原子論，道爾頓的原子說，門捷列夫的元素周期律。二、向原子世界的進軍，主要講授X射線、放射性元素及電子的發現，原子結構模型及其實驗和發現，原子核結構模型及其實驗和發現，對基本粒子家族的認識。第二節，原子能的開發研究及應用。一、原子能的開發研究:重點介紹原子能開發研究中的三大發現，即慢中子效應的發現、核裂變的發現和鏈式反應的發現。二、原子能的應用，包括能源方面的應用和放射性同位素的應用。能源方面的應用包括兩個方面:一是軍用三彈即原子彈、氫彈和中子彈的研制;二是核電站的發展，主要介紹從慢中子反應堆到快中子增殖堆再到核聚變反應堆的歷史發展。放射性同位素的應用可概要介紹在生產、生活、科研、軍事上的應用及其成果。
第三章，生物學與生物工程技術。生物學是研究生命的科學;生物工程技術是用人工的方法創造生命的技術。生命科學是現代科學的三大前沿陣地之一;生物工程技術是現代科學技術的主要內容。第一節，生命的起源和生物的進化。一、生命起源的化學進化歷程:從無機小分子物質生成有機小分子物質;從有機小分子物質形成有機高分子物質;從有機高分子物質形成有機多分子體系;從有機多分子體系演化成原始生命物質。二、生物進化論，主要介紹拉馬克的生物進化學說和達爾文的生物進化論。第二節，現代遺傳學和分子生物學。一、遺傳學:主要講授孟德爾的豌豆實驗及其遺傳學說;摩爾根的果蠅實驗及其遺傳學說。二、分子生物學:重點介紹蛋白質的性質、結構和功能;核酸的性質、結構和功能。第三節，生物工程技術。生物工程包括酶工程、發酵工程、細胞工程和基因工程四個部分的內容。因學時限制，可重點介紹細胞工程和基因工程兩個部分。一、細胞工程，應首先講授細胞的全能性，然后在細胞全能性的基礎上具體介紹植物組織培養技術、細胞融合技術、細胞折合和胚胎移植技術、克隆技術等內容。二、基因工程:(1)基因工程的基礎研究，主要介紹限制性內切酶、連接酶和基因載體的發現和研制。(2)基因工程的基本程序和方法，包括獲取目的基因DNA、獲取載體基因DNA、目的基因DNA與載體基因DNA的重組、把重組的DNA轉入受體細胞進行增殖和篩選轉基因生物體五個步驟及方法。三、生物技術的應用前景。主要介紹生物醫藥的研制及應用、生化工業的迅速發展、轉基因動植物的大量出現，人類基因組計劃(HGP)及其廣闊的應用前景。
第四章，天文學和天體演化學說。天體演化學說是現代科學的三大前沿陣地之一，本章在重點講述天體演化學說之前，先把天文學的相關知識作一簡單介紹。第一節，天文學及其產生和發展。一、概要介紹天文學的研究對象和分類;二、重點講授天文學的產生和發展:具體介紹古代天文學、近代經典天文學和現代天文學的發展情況。第二節，獲取天體信息的渠道和手段;可分三個大問題來講述。一、獲取天體信息的渠道，主要介紹電磁輻射、宇宙線和中微子三條途徑;二、獲取天體信息的物質手段和儀器設備，主要介紹人眼的構造和功能、光學望遠鏡、射電望遠鏡和天體攝譜儀;三、天文觀測發展簡史:依次介紹光學天文學、射電天文學和空間天文學。第三節，天體的起源和演化。一、宇宙的起源和演化:主要介紹牛頓“無限無邊”宇宙模型及其疑難、愛因斯坦“有限無邊靜態”宇宙模型及其疑難、哈勃定律與大爆炸宇宙模型;二、星系的形成和演化:先對星系及其類型作一簡單的介紹，然后在此基礎上介紹星系的形成和演化;三、恒星的形成和演化:具體介紹恒星的形成，表征恒星演化過程的赫羅圖，恒星演化過程的三階段，即主序星階段、紅巨星階段和恒星的三種歸宿(白矮星、中子星和黑洞);四、太陽系的形成和演化:主要介紹太陽系的基本情況和太陽系的形成和演化兩部分內容;五、地球的構造和演化:包括地球概況、地球的圈層構造和地球的形成和演化。
第五章，信息技術和激光技術。人類歷史在經歷了6000年的農業社會和近300年的工業社會以后，現在正在迅速走向第三個文明社會———信息社會。所謂信息社會，就是信息在社會生產和生活中起主導作用的社會。信息技術和信息產業，是信息社會的重要支柱。所謂信息技術，就是信息的獲取、傳遞和處理技術。信息技術以微電子技術為基礎，包括計算機技術、通信技術、光導技術和人工智能技術等。第一節，微電子技術。一、微電子技術的出現:具體介紹集成電路的誕生、集成電路的種類及其歷史發展和集成電路的制作工藝;二、微電子技術的應用。第二節，計算機技術。一、計算機概述:具體介紹計算機的結構與功能、計算機的特點和計算機的歷史發展;二、計算機的應用:主要包括數值計算或科學計算、數據處理或稱信息處理、實時控制或稱過程控制、計算機輔助系統、人工智能或稱智能模擬等;三、信息高速公路。第三節，通信技術。一、電氣通信:主要介紹電話通信和非電話通信及傳真;二、光纖通信:具體介紹光纖通信的基本原理、光纖通信的優點、光纖通信的應用和發展;三、衛星通信。第四節，激光技術。一、激光與激光器:具體介紹激光產生的基本原理、激光的特點、激光器的構造等內容。二、激光技術的應用:概要介紹激光加工(包括激光鑄模、激光切割、激光焊接、激光雕刻等)技術及其在農業、醫療、軍事上的廣泛應用。
【關鍵詞】生物學科；導入方法；學習興趣
一節完整的課一般包括導入、新課講授、知識鞏固、課堂練習等幾個環節，其中，作為一節課“序曲”的導入環節，它的設計科學與否，將對于接下來整節課的教學質量產生重要的影響。在生物課堂教學中，可以通過哪些方式來設計導入環節呢？
一、復習式導入法
生物學科是一門系統性很強的學科，很多的知識之間都存在著千絲萬縷的聯系，新知識的學習往往要以舊知識作為基礎。因此，教師在開展生物教學的時候，可以利用復習的方式來設計導入環節。例如，我在給學生講到“光合作用”的時候，由于初中階段學習過光合作用的相關知識，于是在進行課前導入的時候，我就讓學生先回憶一下初中學習過的有關光合作用的知識，并思考什么是光合作用,光合作用發生的條件、過程和結果分別是什么。經過思考和討論以后，學生初步得出了有關光合作用的知識，包括光合作用吸收二氧化碳、呼出氧氣，光合作用可以把無機物轉化為有機物等。在有了一定的知識基礎以后，再進行本節知識的講解，讓學生對光合作用進行進一步深入的探討，這樣，會讓學生在思維方面有一定準備，從而有利于學生更好地接受新知識。
二、問題式導入法
問題是思維的源泉，很多時候，一個有價值的問題往往能夠激起千層浪，促進學生進行積極的思考。為此，我們在開展生物課時，就可以適當利用問題設置來導入新課，讓學生在問題的引導下自然地進入到新知識的學習中來。例如，我在給學生講到必修二第六章第二節的知識《基因工程及其應用》時，教材上雖然清楚地介紹了基因工程的原理及其操作步驟，但是如果教師在上課的時候直接進入主題，給學生按照教材的順序一一介紹基因工程的原理及其操作步驟，這樣，學生只會對這些知識形成一個較為淺顯的理解，而無法真正認識和理解基因工程這項技術。為此，我在上課之前，給學生設計了這樣一個導入環節：首先，我先讓學生回顧一下之前學習過的雜交育種和誘變育種的過程和方法，經過回顧舊知識，使得學生了解到，在傳統的育種方法中，一般只能夠在同一種類的生物中進行，而無法將一種生物的優良性狀移植到另外一種生物上。說到這里，自然就可以提出問題：“有沒有什么方法能夠實現不同種類生物之間的基因交流呢？”這時候，很多學生都想到了植物嫁接的方法。這時候，教師就可以接著提問：“雖然可以嫁接，但是嫁接后所生長出來的果實在性狀上還是同原來的生物一樣，有沒有什么方法只保留某個物種的某個優點呢？”這下，學生又再一次陷入了思考之中。片刻過后，就有學生提出了基因雜交、基因嫁接、基因轉移等。當學生思考到了這一步，基本上已經了解了基因工程的意義所在。為了拓展學生的思維，這時候，教師還可以引導學生自己想象一下，如何完成這個基因嫁接的技術。在教師的引導和相互討論中，學生想到了很多的方法，這時候，再打開課本，讓學生對比一下教材上的方法和自己想到的方法有哪些異同點，找出自己想法中的不足之處。通過這種對比以后，學生能夠迅速且準確地掌握本節課的新知識，從而達到了教學的目的。
三、實驗導入法
作為一門自然學科，生物學科的基礎也是源自于科學的實驗。由于高中階段很多的生物知識具有一定的抽象性，如果單靠語言的描述很難講的清楚透徹。為此，很多時候，教師都會借助于實驗來進行知識的講解。這種實驗手段相較于理論講授，其直觀性、生動性要更強，因此，大部分的學生對于實驗的興趣會更加濃厚。因此，在生物課上，教師也可以利用一些簡單的小實驗來引起學生的興趣，進而導入新課。例如，為了讓學生了解“植物細胞對于水分的吸收”，我就在上課之前，給學生做了一個植物細胞的吸水和失水實驗：將兩根放置了一段時間的蘿卜條分別浸入清水和鹽水之中，經過一段時間以后把兩根蘿卜條拿出來，經過觀察發現，浸入清水的蘿卜條變得比之前要堅挺的多，而浸入鹽水的蘿卜條則比之前更加軟。通過這個實驗，向學生生動地說明了植物的細胞對于水分的吸收，從而順利地導入新課內容。
四、比喻導入法
在生物學科中，很多的知識概念對于學生來說既陌生又抽象，從而給學生的理解帶來很多的困難。若教師在上課的時候，能夠利用生動的比喻來講解這些抽象的知識和概念，就會有效幫助學生理解和掌握知識。例如，我在給學生講到必修一第四章的“物質的跨膜運輸”，就在上課的時候用“過河”的比喻開啟了本節課的新知講解：現在，我們把物質的跨膜運輸比喻成某人要坐船過河，其中船相當于載體，而河則相當于膜，過河所需要的運費則相當于能量。就這樣，一個生動的比喻，就使得學生在上課的一開始，對于本節課的知識有了一個直觀清楚的認識，這樣，教師再進行新課的講解，效果自然事半功倍。
常言道，良好的開端是成功的一半。對于教師來說，能否設計好課前導入，在上課之初就做到先聲奪人，這對于提升課堂教學質量具有非常重要的意義。為此，作為一名高中生物教師，我們在開展生物課堂教學的時候，一定要結合生物學科的特點設計出適合的導入內容，努力通過科學有效的導入激發學生的學習熱情，啟發學生的思維，使得學生在短時間內迅速集中注意力，進入學習狀態，進而高效、圓滿地完成課堂教學任務，實現既定的課堂教學目標。
【參考文獻】
[1]孫曉東.論高中生物學科的導入藝術[J].教育教學論壇,2010年25期
[2]鄒光成.淺談高中生物學課堂教學導入藝術[J].凱里學院學報,2009年第03期
