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第17章 现代生命与生物新技术(3)

他比喻说,老鼠的学习能力经过提高后快得就像是性能优异的汽车的速度。

研究揭示,所有学习方式的基础是一项共同的生化功能,这证实了一个曾引起激烈争论的假设,即记忆是在两个神经元形成牢固的关联时产生的。这种关联被称为长期强化。

NR2B基因是一种重要的开关,它能控制大脑的联想能力。这种基因与一种名叫NMDA的大脑受体一起工作,后者就像是大脑中的信号站。人在衰老后,NMDA的反应能力减弱,这也就是年老后学习变得困难的原因。

18.奇迹般的植物基因工程

1991年初,美国加利福尼亚州的一片土地上,DNA植物技术公司的科研人员同时栽种了三批烟草植株。然后,他们小心翼翼地按照预定程序培植这些烟草植株,并且焦灼地期待着希望的结果的出现。

数月之后,试验如期完成,人们预期的结果出来了。三批烟草植株之中,有一批由于遭受土壤中真菌的感染而损害严重,这是作为对照组的普通烟草。另一批对照组的普通烟草由于使用了市售的化学杀真菌剂而生长良好,收获不错。奇迹出在第三批实验组的烟草植株上,人们并没有给这批烟草使用任何杀真菌剂,但是它们却生长得特别旺盛,不受土壤真菌的危害,而且最终收获的产量比使用了化学杀真菌剂的对照组的烟草植株还要高。

原因何在?答案只有一个:实验组的烟草植株生来就不怕土壤中的真菌。事实正是如此,这批烟草并非普通烟草,而是基因重组的产物,它们的基因组中含有一个新的基因,由此而产生了抗真菌的能力。

真菌的细胞壁中有一种重要成分叫几丁质,细胞壁中的几丁质如果受到破坏,真菌就无法肆疟。自然界有一些细菌天然就能够产生一种几丁质酶,因为它们的基因组中有控制产生此酶的基因,而此酶正是破坏几丁质的最有效的催化剂。美国DNA植物技术公司的科研人员从一个品系的细菌中发现了这种基因,并且运用基因工程技术把它插进了烟草植株中,于是,具有抗真菌能力的新型烟草诞生了。

这就是1991年DNA植物技术公司完成的一次基因工程植物的大田试验。这一年中,仅在美国进行的基因工程植物的大田试验就有400余件之多,共有50多个品种。而在此之前,植物基因工程几乎没有什么进入大田试验的品种,似乎20世纪90年代的到来使这个领域出现了惊人的飞跃。

19.奇特的细胞培养技术

由于植物细胞具有全能性,即植物的体细胞具有母体植株全部遗传信息并发育成为完整个体的潜力,因而每一个植物细胞可以象胚胎细胞那样,经离体培养再生成植株。

植物细胞的“全能性”学说是由1902年德国植物学家哈贝尔兰德提出的。

他预言,人有朝一日可以切取植物的一小部分的叶、茎、根,使它们在试管中长成一株完整的檀株。

经过了长达35年之后,即1937年,美国科学家怀特等人第一次把胡萝卜和烟草植物体上的组织取下一块,放在试管里培育,终于长出新的细胞和组织。

1958年,美国一位植物学家斯蒂伍德成功地从一个胡萝卜细胞,培养出了一株具有根、茎、叶的完整植物,并能开花结果。这样,哈贝尔兰德的科学预见终于变成了现实。

美国宾夕法尼亚州立大学园艺学家认为,利用植物细胞和组织培养技术培养植物不但可行而且有利。它的好处是:可以避免用种子繁殖时发生的后代变异;可以得到无病害的植物,并且繁殖迅速,一年之内能生产数十万株植物;植物细胞可以放在塑料袋里邮寄,收到后把它放在温室瓶里培养,几天之后就能长成新的植物。特别是木本植物繁育周期长,从种子到下一代,往往需要几年,甚至几十年,如果用试管育苗的办法,对于缩短育种时间和保持植物优质将起到明显的作用。

20.日益兴盛的真菌制剂研制

利用某些药用真菌所含特定的有效成分,研制成医用或保健制剂或功能性食品成为人类健身的一大法宝。真菌多糖是目前被国际医药界公认为有抗肿瘤、抗病毒、抗衰老作用的有效免疫增强剂。灵芝中有一种铁杉灵芝含50%的多糖,用它制成药剂,可以使人体具有激活和提高免疫细胞的防御功能,对癌细胞也具有抑制作用,并可增强免疫球蛋白的功能。从野生灵芝中提取天然有机锗和高分子灵芝多糖,制成灵芝胶囊药剂用于临床,能增强机体细胞抗病、免疫巨噬细胞的吞噬和抑制癌细胞增殖等能力,还具有预防血栓形成、清扫胆固醇及血小板沉积与净化血液之功效,对糖尿病、心脑血管病有显著疗效,可对癌症作辅助治疗。我国研制的香菇多糖注射液治疗中晚期消化道肿瘤有效率达74.6%,对陧性肝炎治疗总有效率达84.3%,目前认为这种香菇多糖制剂是世界上最强的免疫增强剂。这些药用真菌包括灵芝、香菇、虫草菌、伏苓菌、蜜环菌等有着传统的医用价值,随着人民生活质量的提高和健康保健意识的增强,那些具有药用、医用价值的真菌都可通过发酵途径进行大量生产,研发各类真菌制剂,其产品商业化将日益兴盛。

21.抗腐烂的水果

在植物基因工程取得的累累硕果中,有一项很引人注目的成就,这就是科学家们培育出的能延缓水果软化和腐烂时间的转基因水果新品种。

研究发现,水果在成熟和衰老的过程中产生乙烯,如果能够控制乙烯的生成趋势必会延缓水果的寿命。为了提高水果的存放期,科学家们开发了两种基因工程技术:第一种方法是插入所谓的反义催熟基因。反义分子与专一的信使mRNA结合以关闭基因。具有这种反义基因的蕃茄不易软化;第二种方法是将某种基因导人到蕃茄中,诱使其产生一种酶,这种酶能降解形成乙烯的原始化合物,从而延缓了蕃茄的腐烂。由这两种方法培育出的转基因蕃茄植株所结的果实在颜色、味道等诸多性能方面均无任何变化。其他类型的抗腐烂转基因水果正在进一步研制中。这种类型的转基因水果一旦进入市场,将产生巨大的经济效益和商业价值。

基因工程专家也在尝试培育具有更高营养的健康食品。目前已经分离出了具有更高营养性能的基因,并证明将这些基因插入作物中是可能的。关于这方面研究最多的是关于作物蛋白基因以及相应转基因作物的研究。例如,科学家设想把大豆蛋白基因转移到水稻中,这将会大大改善水稻的品质。

我国在转基因作物培养方面不断取得突破和进展。转基因水稻、小麦、玉米、马铃薯、蕃茄等作物和蔬菜,不久就可望在市场与大众见面。我国是世界上第二个获得抗虫基因棉花的国家,“抗虫棉”的推广正在为彻底战胜困扰棉农的棉铃虫做出贡献。此外,我国还是世界上第二个用基因工程培育出能抗两种病毒的转基因作物的国家。

22.消灭田间杂草的新技术

除了病毒和虫害两大危害因素外,农作物还面临着杂草的挑战。杂草与作物竞争水、营养物和阳光。在杂草蔓生的农田,农作物的收成一般要减少30%。

在大多数情况下,除草剂加细心的耕耘可有效地控制杂草。但由于除草剂的识别能力差,往往是既杀死了杂草,又杀死了庄稼。所以,为了保证除草剂使用的安全性,很有必要进行抗除草剂转基因作物的研究与培育。基因工程专家在对除草剂的作用机理有了一定的了解之后,在抗除草剂作物的分子育种方面获得7可喜成果。例如,美国科学家已成功地将抗草甘磷的EPSP合成酶基因引入到烟草中,使转化的植株获得了抗草甘磷的能力。此外,抗草甘磷的蕃茄、油菜、抗网特拉津的烟草也已获得了转基因植株。目前,这些成果已进入农田实验阶段,预计不久即将投入大面积生产和实用阶段。

通过植物基因工程还能培育出抗寒、抗旱、抗盐碱的新品种,最终将使荒凉的沙漠上长出绿油油的牧草,使未开垦的不毛之地长出金黄色的庄稼。以色列科学家利用转基因技术,从生长在厄瓜多尔加拉帕斯海岸的味道涩且个头小的耐盐蕃茄中提取出了耐盐基因,移入普通西红柿的植物细胞,培育出了味美、个大、品质优良的耐盐新品种,为充分利用海边盐地开辟了广阔的前景。

23.大获成功的植物授精技术

生物学上有一个原理,杂交的后代性能比其父母代具有明显的优越性,然而,不同种问又有不亲合性,杂交后无法产生种子。现在有了植物细胞工程技术,可以进行离体试管授精和幼胚培养,克服了杂交育种的障碍。

这里所说的“试管婴儿”是人工种子,用人工方法直接制成种子,进入市场使新品种迅速推广应用。这些人工种子是杂交生成的体细胞胚,用富含营养和其他必要成分的凝胶物质包裹起来,制成外观、功能与天然种子相似的颗粒。在适宜的环境条件下,这些人工种子和天然种子一样可以发芽生成为新的植株。

人工种子与天然种子相比有许多优点:可以在室内生产,不受外界环境条件的影响;可以提高育种效率,一个新稻种用通常方法培育需要7~8年时间,而用人工种子只要3~4年,可以缩短一半时间;还可以在培养基和凝胶物中加进所需要的物质成分,人工种子播种后生长出来的植物就有一定的抗逆性;人工种子大小均匀,出苗整齐,好贮存和运输。

植物授精技术自1962年试验成功以来,在小麦与黑麦杂交、甘蓝与大白菜杂交等40多种植物上都获得了成功。利用幼胚培养技术也在小麦与大麦等13个属间杂交上获得成功。最近几年,美、日、法、加拿大等国家都在人工种子研究方向加大了投资力度,商品化的程度也提高了,许多人工制作的水稻、玉米、棉花、胡萝卜、柑桔、芹菜、莴苣等植物的种子,已先后登台亮相。

24.奇妙的花粉育种

植物的杂交育种中,通过有性杂交获得的种子种下去之后,长出的杂种植株性状会发生严重的分离。这是因为,在雌雄配子分离组合的过程中,随着配子的自由组合,成对基因发生了自由组合。

花粉作为雄性的单倍体细胞,在合适的培养条件下可长成完整的植株。但单倍体植株长势很差,一般不能开花结果,在生产上没有什么利用价值。但它却是育种过程中的一个很好的中间材料。

采用秋水仙溶液浸泡等方法,可使单倍体植株的染色体加倍,变成基因型纯合的正常的二倍体植株,在繁殖过程中后代不会分离。这样可大大简化后代的选择过程,缩短育种周期。由于单倍体加倍获得的二倍体植株基因型是纯合的,这样隐性的性状也可以得到表现,扩大了性状的选择范围,也有利于对作物品种改良的设计和诱变育种的进行。

利用花粉诱导单倍体植株进行育种称作花粉育种。但一般选用花药作为培养材料,因为单纯培养花粉是不易获得成功的。

花粉育种是植物细胞工程中比较成功的技术之一,至今已有300多种植物诱导出了单倍体植株。我国在这方面的研究处于领先地位,在单倍体育种方面结出了累累硕果。自20世纪70年代开展单倍体育种以来,先后培育出生产上大面积推广应用的京花1号、3号小麦、中花8号、10号水稻等优良品种,在玉米、甘蔗、橡胶、甜菜、烟草、茄子等作物新品种、新品系的培育上也喜获丰收。通过花粉育种培育出的新品种大多表现出了很好的品质和很高的增产潜力,将为我国粮食的增产增收立下汗马功劳。

25.无籽西瓜的遗传秘密

高等动植物的遗传物质DNA主要是隐藏在细胞核中的染色体上。一般的生物细胞、染色体总是成双成对存在的,每一对染色体长度一样,看起来像双胞胎,这些“双胞胎”叫同源染色体,这样的生物叫做二倍体。三倍体细胞在减数分裂形成生殖细胞时,染色体的等量分配就成问题了,总是不均匀,不是多了就是少了。这样的生殖细胞,虽能刺激卵细胞发育,长出果实,但不能发育成种子。既然三倍体植物发育不出正常种子,能不能将三倍体的西瓜变成三倍体无籽西瓜呢?答案是肯定的,因为这早已成为事实。三倍体西瓜是怎样变成三倍体无籽西瓜的呢?

普通西瓜染色体有11对,细胞分裂形成生殖细胞时,正常情况下,每条染色体被复制成两条,以备“分家”时,公平地分到两个子细胞中。可是当它遇到一种叫做秋水仙素的神奇化学药物时,细胞分裂往往出现“差错”,为细胞分裂准备好的双套染色体,无法分开,从而使染色体数目多了一倍,即由二倍体变成了四倍体。

有了四倍体,就好办了,科学家们用正常的二倍体西瓜给它授粉,使四倍体西瓜和二倍体西瓜杂交,于是后代的瓜籽便是含有三套染色体的三倍体了。三倍体瓜籽种下去以后,也能开花结果,但基本上没有成熟的种子。有一些种子虽有发育,但往往发育到一半就败育了,这就是我们在无籽西瓜中时常看到的白色的软瓜籽。

无籽西瓜好是好,但由于没有种子,不能繁殖后代,所以必须采用年年制种的方法。即每年用四倍体西瓜同二倍体西瓜杂交,以获得三倍体种子,供次年大田栽培用。因此无籽西瓜价格上稍微高一些是很自然的。

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