2022年现代农业生物技术概论 .pdf
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1、1 现代农业生物技术概论赵晓俊编著讲课目录第一章农业起源人类文明进步的阶梯第二章遗传改良农业新物种的塑造第三章生态环境食物生产和食品安全的保证第四章杂种优势绿色革命的摇篮第五章试管苗木植物细胞和器官的培养第六章走近基因遗传物质浅读第七章克隆世界有性繁殖框架的突破第八章基因转移 20世纪生命科学带给人类的礼物第九章无土栽培农业工厂的基础第十章设施农业 21世纪的阳光产业第一章农业起源人类文明进步的阶梯农业是与人类共始终的产业。 一般认为, 人类的迁移引发了农业的起源,大约离现在一万多年前,地球的环境发生了变化,气温由高温潮湿变为冷凉干燥。例如,非洲大陆随着环境变化喜欢高温多湿的茂密森林逐渐消亡,
2、并演变成能忍耐冷凉干燥的广柔草原。 环境的改变, 使得许多生物物种开始减少或者消亡,食物链被打断或者受到阻碍。单纯依靠采集和狩猎已经不能维持人口增长的需要。于是,人类便迁移到适合生存的地区,开始了动植物驯化和家养, 这就是农业的出现。我们可以说, 农作物的栽培和家畜的饲养是人类有史以来最重大的发明之一。从这里我们也可以看到, 人类和动物在进化中的差异。动物在进化中, 对环境的适应只能通过遗传而获得, 而人类的适应性不仅有生物遗传的一面,更主要的是通过文化的传授和共享知识,一代又一代地传递感觉和经验。一、农业与文明农业的起源支撑和推动了人类的文明,这就是我们通常所说的农耕文明,名师资料总结 -
3、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 48 页 - - - - - - - - - 2 或者叫绿色文明。 人类文明的出现要比人类起源迟得多,而且只在局部地区率先出现。人们不仅要问,为什么文明起源地只率先发生在少数几个地区呢?学术界主要有两种观点,分别以生态环境和农作物的作用为核心。(一)生态环境对人类文明的作用。说起人类文明时, 人们一般容易想到环境与人类的关系。只要观察一下世界上的文明古国, 就会发现它们都具有得天独厚的生态环境。在古老年代, 生产力低下,人类的生活和分布受自然
4、环境影响。凡是气候适宜,土地平坦、肥沃的地方,人口就容易繁衍起来。因此文明发源地都与当时当地的环境条件有关。世界上的文明起源通常分为七个,分别位于东半球和西半球。 在东半球, 这里出现了最古老的文明,有埃及、巴比伦、印度和中国。这就是我们通常所说的四大文明古国。 从它们所处的地理位置和生态环境来看,具有明显的相似性。 它们都处于北纬 30-35 度处。分别位于尼罗河、幼发拉底河与底格里斯河、印度河与恒河以及黄河河畔的平原上。由于与大河的明显联系, 人们又把它们称为 “大河文明” 。西半球文明起源于墨西哥、 玛雅和印加。 地理条件与东半球的四大文明古国不同。属于热带和亚热带高原气候,有充足的阳光
5、、温暖的气候、充沛的雨水和良好的排水, 特别适合喜欢温暖的农作物生长。因此,成为世界上产生人类文明的又一地区。但是,这种观点也不能全部解释人类文明产生的原因,因为世界上还有其它具有相同生态环境的地区,并没有率先出现文明。(二)农作物对人类文明的作用。农作物的起源、食物供应的作用是这种观点的核心。这种观点认为, 文明发源地原产的、 土生土长的野生物种演化成了功能巨大的农作物, 为当地人类提供了充足的食物。只有当人们有充足食物时, 才能够把更多的剩余人力,用来从事智力,开发文明。例如,发明文字、制订法典、发展城邦、发明陶轮、制造帆船、建立强盛的帝国。因此,文明发源地与当地的主要食物供应来源农作物的
6、栽培密切相关。生物学家把世界上七个文明起源地和它们所依赖的种植的主要农作物相联系,可以看出支撑文明的食物来源可分为小麦、粟黍、玉米三类。为了说明它们名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 48 页 - - - - - - - - - 3 与文明的关系。学术界又把它们称为:小麦文明,粟黍文明和玉米文明。小麦文明小麦是支撑埃及、 巴比伦和印度文明的主要农作物,它是当地人的主要食物来源。这些地区是野生小麦的故乡和原产地,也是现在全世界栽培小麦的发源地。小麦这种二年生作物
7、, 秋天播种,第二年春末夏初收获, 正好适合地中海的气候,也适合在大河平原进行灌溉作业,是人类最早以灌溉作为农业运作的起点,在农业动物方面则饲养绵羊和山羊。粟黍文明(又称粟稻文明)在四大文明古国中,中国与其它三个相比,文明发源地不是在大河交汇处,而是与黄河平行。 黄河本身不适宜直接灌溉, 但是它有许多支流, 发展成为重要的农业区。 中国由于地域辽阔, 有多种农作物起源, 除了北方的旱生作物粟黍以外,尚有南方的稻作物。中国是野生粟黍和水稻的原产地,也是人类最早驯化、种植谷子、糜子和水稻的地区。粟黍是华北地区的旱生作物,一年生,耐旱,春季播种,夏季生长旺盛,秋季收获,是中国早期食物的主体。我国南方
8、也是野生水稻的故乡,水稻栽培历史悠久, 是当地食物来源, 但水稻栽培技术比较复杂, 只有育秧、 移植和排灌技术发明和应用后,产量才逐步上升,并超过北方旱作, 使南方成为主要经济区。 中国也是对野猪驯化最早的国家。玉米文明美洲的墨西哥、 玛雅和印加, 文明发展所依赖的农作物是玉米。墨西哥是野生玉米的原产地。玉米起源于一种野生黍类,叫做类玉米。起源时间大约在8000 年以前,而人工种植约有 4000 年历史。这种黍类由于异花授粉,变异性极强,成为今天拥有数千万个品种的玉米,也成为今天世界上第三大粮食来源。在墨西哥自然也就酝酿出了“玉米文化” 。墨西哥人围绕玉米种植创立了许多习俗和宗教仪式, 一直沿
9、用至今。 单在饮食上, 用玉米制作的小吃和菜肴就有600 多种。难怪墨西哥人常说自己是“玉米人”。在全世界的粮食作物中,玉米的特点是植株高,穗长,籽粒大,产量高。但它的生长期需要较多的光, 热和供水, 又需要比较好的根部通气。 在玉米茎基部名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 48 页 - - - - - - - - - 4 有通气根,如果被水淹没,在稍长时间内,玉米就会因根部缺氧死亡。墨西哥、玛雅和印加由于处于低纬度的高原,有充足的阳光、 良好的供水和排水条件
10、, 为玉米提供了最佳的农业生态组合。当地的印第安人, 几千年前就已经会修筑梯田(台田)种植玉米,来克服降雨和排水的矛盾。到目前为止,世界上种植的玉米、番茄、马铃薯、可可、木薯都是几千年以前印第安人种植的农作物,只是在近代才从这个大陆输送到其它大陆,并成为世界性的农作物。 由此可见,农作物的起源是何等重要。 正如有一句名言所说: 一粒种子可以改变一个世界。二、农业的演变和生物经济自从农业发展起来以后,全世界的农业至今已经历了由原始农业、传统农业和现代化农业的漫长过程,其中起主导作用的技术有许多变化。原始农业以动植物的驯化为开端,由野生变家养。时间跨越了七、八千年。生产特点是以石、木工具的制造和“
11、刀耕火种”为特征,农业的主导技术是动植物驯化的技术。传统农业以铁制农具和役畜的使用及小农经济为特征。大约经历了2000年,主导技术以种植业、养殖业、放牧和游牧为主。现代农业的发展是由于19 世纪工业革命的推动和实验科学成果的应用而引起的。在 20 世纪的 100年中,现代科技全面进军农业, 提高了农牧业生产率,节省了大量人力,以致有力量去发展工业和服务业。 农业保障了世界的粮食安全,并且形成了科学的商品农业体系。现代农业的主导技术是工程技术、农业化学技术和杂交育种技术。21 世纪后,农业的主导技术由生物技术、 农业工程和农业管理技术所构成。这些技术的配合,将使农业生产发展到一个新水平。其中,生
12、物技术的发展,在全世界催生了生物经济的出现。如果用最简单的话来讲, 生物经济, 就是依靠生物技术的研发和应用为主导的经济。它的出现促进了农业多功能化, 减弱了农业与“非农”产业的界线。美国未来学者托夫勒形象化地给了一个描述:商品农业:人类从原始农业起步,首先形成了以生产粮棉油为主导的衣食农业。生物经济的出现, 使衣食农业有了新的技术支持,其中转基因农作物投放生产是最典型的范例。能源农业:能源农业是农业多功能化最早出现的类型,我们经常听到的依名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -
13、第 4 页,共 48 页 - - - - - - - - - 5 赖农业的能源是生物质能的转化和利用。生物质就是生物有机体合成的物质的总称。生物质能源就是生物体直接固定或间接固定的太阳能, 生物质能源有许多利用方法。 被大家普遍关注的是生物质的生物转化技术。 也就是通过微生物发酵技术把农产品或农业废弃物转化成可燃液体或者可燃气体。第一类叫做燃料乙醇,是用淀粉、糖类或秸秆纤维素为原料,获得乙醇的技术。第二类是生产可燃气体,是利用农业废弃物为原料,生产甲烷和秸秆气的技术。化工农业:为了解决环境污染,蕴育出了生物质材料的应用。我们最熟悉的就是聚乳酸生物聚合物的应用。聚乳酸的生产以淀粉为原料,经水介转
14、化为糖类,经微生物发酵,生成乳酸单体,再经化学聚合反应生成聚乳酸,最终生产成塑料产品。 生产中还可获得大量的蛋白质作饲料使用。生物聚合物的最大优点,就是使用后可以自动降解。它在土壤微生物和光的共同作用下,能自动分解成二氧化碳和水。药品农业:中草药(天然植物药物)的驯化,种植以及有效成份的提取利用,已经成为农业的另一产业。 转基因动物投入生产, 作为生物反应器生产人体蛋白质药物,已经改变了传统牧场的概念,成为生物医药的另一增长点。环保农业:是一种循环经济的发展模式。它与传统农业有本质上的差异,是把索取,加工,消费中产生的废弃物,再资源化,重复利用。直到最终才把不可再生资源, 经无害化处理后, 进
15、入自然环境。 实现了农业生产和生态环境的协调。它的特点就是我们熟悉的3R 原则。第二章遗传改良农业新物种的塑造一、基因库的利用和开发大自然赐于人类各色各样的生物种群,建立了庞大的基因库。基因库是一个物种所有个体的基因总和。 一个生物物种的个体数越多,基因库越丰富, 遗传多样性越完善。人类在农业运作中,向自然的索取总是采用两种方法:利用和改造。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 48 页 - - - - - - - - - 6 在利用野生植物方面,人类显示了不可
16、思议的智慧,充分利用自然界的一切动植物资源。 现在一般认为, 最早诞生的农作物是谷类作物。有些野生禾草特别适合驯化, 它们生长健壮, 大量结籽,既可供食用, 又能集中收获, 容易贮藏,叶子又是优质饲料可以饲养农业动物。在禾谷类植物被驯化后,才出现了栽培的豆类、绿叶类、油料、根类作物、草本果实、纤维作物和果树。 随着城市的兴起, 园林植物和调味用植物相继问世,而工商业和交通的发达,又使特用经济作物迅速崛起。除了广泛采集,利用野生植物外,即使有毒植物,经过加工脱毒也可以食用,例如,西南特产魔芋,其块根是有毒的,而人们早就发明了去毒的方法,制成魔芋粉,于是变成一种美味的食物。又如木薯,根部富含淀粉,
17、而皮层含有致人死命的氢氰酸,人们通过捣碎,压榨、煮熟和其它方法将毒汁清除,在南非某些地方至今还是主要粮食。在改造野生物种方面,更精彩的是人类学会了改变遗传特性的技术。在农业生产中广泛应用的主流技术,可以归纳为人工选择, 杂交育种, 诱变育种和基因工程技术育种等几大类。人工选择是最早出现在农业中的生物学技术。通过保存生物的有利变异,淘汰不利变异的方法培育新品种。杂交育种是不同个体间通过有性过程进行的基因交流和重组。这种过程一般发生在同一种或者近缘种之间,特别容易发生在不同品种之间。近年来,在杂交育种中又同时开始使用了现代生物技术,使远缘杂种后代在生产上大显身手,如小偃麦。诱变育种是应用物理和化学
18、方法使基因发生突变,获得新品种的方法。近年来又采用了航天诱变育种技术, 通过返回式航天器把种子和细胞携带到宇宙空间,经受宇宙粒子,失重,弱地磁和高真空等综合因素作用,引发变异,最终形成新品种。基因工程育种是通过人为拼接不同生物的基因创造新物种的方法。它打破了物种隔离, 可以使不同物种的基因按人们的设计得以重新组合。目前已显示出巨大威力。转基因农作物和转基因食品已登上人类的餐桌,也引发了人们对转基因技术的疑虑和争论。经过上述的遗传改良技术,当今我们所见到的农作物变得跟它们的野生祖名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师
19、精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 48 页 - - - - - - - - - 7 先已完全不同了。遗传改良的成果主要表现在以下三个方面:首先,突出了对人类有利的遗传特征,消除了不受欢迎的特性。 人们所需要的器官得到了畸形发展。 当我们吃着硕大美味的水果时, 难于想象出又酸又涩的,坚硬幼小的果实是它们的祖先。其次,解除了野生物种的自卫能力和繁殖习性。野生种开花结实, 种子成熟和发芽不整齐, 有些种子更需要通过休眠才能发芽,这都是野生种争取自然生存的有力保证, 但对栽培植物来说, 这些特性是属于淘汰的特性。在栽培中发生的变异,使野生种失去了毛茸或针刺, 失去了保护性复盖物,
20、失去了种子的休眠期,也就失去了对不良自然环境的抵抗力。第三、改变了野生物种原有的生长发育特点。栽培植物的野生祖先, 光合作用产物大部分用于营养根系, 而栽培植物长期生活在湿润条件下,有充分的灌溉供水,光合作用产物就大部分转移到花序中去了。另外,野生种在栽培化进行中也改变了植物体各部分的化学成分。很多野生种含有特殊成份, 如果没有这类自然的化学保护就很难生存,例如原产热带的豆类植物,种子里大多含有氰化物,如果不含此类物质, 90% 以上的种子都会给象鼻虫吃光。在豆类的驯化中,很重要的一个方面就是选择不含这类有毒物质的遗传型。与此相反, 原始的烟草, 本来只在幼叶中含有烟碱, 因为人们需要, 选择
21、就偏重于提高其含量, 使整个生长期的叶片都含有这种生物碱。 由于遗传改良逐渐把同一种植物区分为野生种和栽培种。生物学中开始有了“野生性状”和“栽培性状”的区别。随着农业的不断发展,这种变化还在继续着。二、良种的知识产权遗传改良技术造就了大量的新生物种群。这些新种群在农业上都是以品种和杂交种的形式被广泛使用着。 品种和杂交种也是农业物种的基本单位,直接用于农业生产。品种是遗传性稳定,有经济价值的群体。品种又称为定型品种,是经过多次反复纯化的类型。 在农业生产中可以自行留种繁殖。因此育种技术不能受到知识产权法的全面保护。 在农业物种中, 另一个流行的名词叫做杂交种。杂交种是杂种第一代种子直接用于生
22、产的群体。杂交种没有经过纯化, 遗传组成是杂合的,生产上不能用它来留种, 如果再留种就会分离出许多类型。生产上应用杂交种时,需要每年重新配制繁育杂种第一代种子。因为它的亲本及配种程序能够保密,所以受到知识产权法保护。 在现代种子业中, 杂交种的研发和应用是育种名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 48 页 - - - - - - - - - 8 工作的主流。由于优良种子是农业的重要生产资料,所以品种和杂交种的研发、创新、推广和保护备受国内外重视。各国政府均采用法
23、律手段进行管理和保护。我国政府对品种和杂交种的保护已出台“中华人民共和国种子法”,对相关的知识产权进行保护。 但是,品种的权益保护不同于一般的专利保护。所以不能简单的应用专利权加以保护。为什么种子不能用专利权来保护呢?目前世界各国对自然界的动物和植物物种都不授于专利权。世界上多数国家也都明确规定不授于动植物新品种以专利权。也就是说,无论用什么方法培育的新品种都不能申请专利。 这是由于动植物的特殊性质所决定的。生物物种都是自然存在或者变异而来的。 它的出现属于发现, 而不是发明。按照知识产权法规定,科学发现并不包括在知识产权的权益范围之内。但是,农业上的品种和杂交种是重要的生产资料。 世界各国普
24、遍采用一种类似专利权的形式,叫做品种保护权来进行保护。品种保护权就是国家依法授于新品种发明人(又称品种权人) 繁育新品种种子的独占权, 也就是对新品种的拥有权。 非经授权, 任何种子商不得繁殖该品种的种子,也不得从事该品种种子的商业营销活动。品种保护权和专利权一样都受到知识产权的权益保护。 它们之间具有很多相同点, 也有一些差异。 它们的共同点主要表现为: 两者都具有未经公开的技术秘密和专用技术。两者都享有技术独占权。发明人的权益都受到法律保护,通过转让,特许从中获得回报。它们的不同点主要表现在权益的保护范围上:专利独占权涉及面广, 包括所有权和使用权两部分, 权益关系发生在专利权人与所有专利
25、使用人之间。专利使用人可以买断所有权和使用权。 如果买断了所有权, 专利使用人将占有专利的一切。不但可以直接使用, 而且可以进一步实施研究和开发。品种保护权的独占权涉及面窄, 只有种子繁殖权, 是一种类似专利产品的使用权。权益关系只发生在品种权人和种子商(公司)之间。种子繁殖权转让后, 种子商便可以用新品种的原种或杂交种的亲本扩大繁殖种子, 进行商品种子的生产和经营。但不允许对新品种的育种技术和方法进行引用, 仿制和再开发。应该说明的是 , 在新品种的使用中, 农民种地虽然也使用了新品种的成果, 但他们不是专业种子商, 不是以出售商用种子为经营目的 , 所以既不需要交纳转让费, 也不需要经过特
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