Transcript （b）重組DNA
高二應用生物 第一章 生物科學與農業 1-1 生物品種的培育 1-2 生物病蟲害及疫病的防治 1-3 基因改造生物 1-1 生物品種的培育 今日我們周遭的家禽、家畜以及各種經濟 作物，便是經過了漫長的育種過程而產生 的馴化品種。到了二十世紀後期，更進入 了以重組DNA技術，創造「基因改造生物」 的新紀元。 1-1.1 馴化與育種 馴化：人類從野生的物種中選擇有利用價 值的品種，經過栽種、飼養或育種的過程， 使其子代逐漸適應人為培育環境下的生活， 提供人類所需的資源，這便是物種的馴化。 1-1.1 馴化與育種 (2)動物：綿羊、牛、雞、鴨、鵝 3. 特性 (1)馴化的物種（品種）都是 經過人類數千年以上的育種所產生的。 (2)這些品種的許多性狀、生活習性與性情和原 來的野生祖先已有很大的差異，且具有提供 人類糧食、肉用、蛋用、毛用和役用等經濟 功能。 花球和莖 選殖花球較多且莖較粗者， 而培育出青花椰菜，其具有 粗大的莖與花球。 側芽 選殖側芽較多者，而培育出的球 芽甘藍，其莖柄上長出很多小小 的甘藍菜芽。 花球 葉片 選殖花球較大者，而培育出 白花椰菜，在飲食上主要是 食用花的部位。 選殖葉片較大者，而培 育出的芥藍菜，具有較 大的葉片。 莖部頂端 選殖莖部頂端長出密集菜葉 者，漸漸地菜葉愈來愈密集 包覆了整株植物，如高麗菜。 莖 選殖莖部較粗者，而培育出的 球莖甘藍（俗稱大頭菜），具 有肥大呈扁球狀的莖部 雜交 (1)傳統育種方法之一 (2)目的是希望把分散在不同品種的優良性 狀基因，經由雜交而組合在子代，產生 比親代雙方更優秀的新品種，常應用於 家禽、家畜、糧食作物和花卉的品種改 良。 吳郭魚 又稱福壽魚或臺灣鯛 莫三比克吳郭魚與後來引進的尼羅吳郭魚 進行雜交而得到的新品種 雜種優勢：由不同的優良品種雜交，得到 比同品種自交更好的結果，如臺灣鯛。 莫三比克吳郭魚 臺灣鯛 尼羅吳郭魚 雜交 野生甘藍和蘿蔔 馬和驢 油菜 騾 馬 ．可用於騎乘、運載等 ．速度快 驢 ．適應性強 ．可忍受粗食及負重 油菜含有38條染 色體，為一種由 野生甘藍及蘿蔔 雜交而成之作物， 前者體細胞含有 18條染色體，而 後者在生殖細胞 中有20條染色體。 秈稻型與稻型優、缺點比較 稻米 類型 秈稻型 稉稻型 ⑴ 抗病性強 ⑵ 耐旱、耐瘠 優點 ⑶ 易脫粒 ⑷ 米粒細長 ⑸ 蛋白質高 ⑴ 不易倒伏 ⑵ 耐寒 ⑶ 米粒較圓 ⑷ 黏性高，口感較 佳 缺點 黏性差，影響口感 較難脫粒 糯稻 適合製作湯圓、油 飯和米糕等食品 生物科技在育種上的應用 運用生命科學知識（如分子生物學、細胞 生物學和基因體學等）與技術（如基因工 程、細胞工程和組織工程等）為基礎，進 行研發、製造或提升產品品質，以改善人 類生活的科學技術。 五 種 主 要 的 關 鍵 性 技 術 1) 2) 3) 4) 5) 遺 傳 工 程：基因重組、基因轉殖 細 胞 融 合 技 術 生 物 體 反 應 利 用 技 術 ：發 酵 離體培養：細 胞 培 養、 組 織 培 養 胚 胎 移 植 及 細 胞 核 移 植 技 術 遺傳工程（重組DNA） 限制酶 DNA連接酶 載體： 質體或病毒 ＊基本原理與步驟： （a）製備載體和外源DNA： 以相同的限制酶切割載體DNA和外源 DNA，使其具有互補性鹼基序列的兩端 （b）重組DNA： 以連接酶將載體DNA和外源DNA連成重組 DNA分子 （c）轉形作用： 將重組DNA分子送入適當的細胞中 （d）大量表現： 外源基因會在新的細胞中大量轉譯出蛋 白質 限制(酶)酵素切割DNA 載體DNA 有二種載體DNA 1. 細菌的質體 2. 病毒DNA ＊基本原理與步驟： （a）製備載體和外源DNA： 以相同的限制酶切割載體DNA和外源 DNA，使其具有互補性鹼基序列的兩端 （b）重組DNA： 以連接酶將載體DNA和外源DNA連成重組 DNA分子 （c）轉形作用： 將重組DNA分子送入適當的細胞中 （d）大量表現： 外源基因會在新的細胞中大量轉譯出蛋 白質 (A) (B) (A)藍色玫瑰花是以基因改造技術培育而成。雖 然外觀看起來較偏紫色，但經檢測證實該玫瑰 具有藍色色素，故可以「藍色玫瑰花」稱之。 (B)茶香玫瑰是以2種不同種類的薔薇屬植物雜 交育種而成 基因轉殖生物 (1) 定義：具有轉入外源基因的生物 (2) 種類： ＊ 基因轉殖細菌： 例如已轉入人體胰島素或生長素基因 的大腸桿菌 ＊ 基因轉殖植物 農桿菌的質體為載體 農桿菌感染植物細胞 重組DNA進入植物細胞核中 長成的植物為基因轉殖植物 可表現外源基因的特性 例如：轉入螢火蟲螢光基因的菸草幼苗 會發螢光 農桿菌媒介的 基因轉殖植物 資料來源： McFadden, C. A. and William T. Keeton, 1994, Biology, W. W. Norton and Co., Inc.,P.267. 基因改造植物的製作方法 以帶有轉殖基因重組質體的農桿菌感染植物葉片細胞，並以組織培 養技術，製造帶有轉殖基因的改造植物。 離體培養 組織培養 細胞培養 器官培養 組織培養 1. 植物細胞具有全能性： 一個細胞 一株完整的植物 2. 培養基的條件： 無菌環境 適當的養分( 蔗糖、維生素、無機鹽 ) 激素（生長素、細胞分裂素） 適當的溫度、光線 離體培養：植物組織培養 資料來源：Campbell, Neil A., 1993, Biology 3th Ed., The Benjamin Cammings Publishing Co., Inc., P.393. 圖7-9 以植物組織培養技術培育大量小苗。(a)取 蘭花的一小塊組織進行植物組織培養；(b) 長出許多小芽；(c)小芽的放大圖；(d)移植 到水苔的蘭花小苗。 植物組織培養流程（以蘭花為例） 剪下蘭花新芽 取下芽體尖端的分 生組織，進行消毒 將消毒後的分生組織 放入培養液中培養 植物組織培養流程（以蘭花為例） 分生組織分裂形成一團未分化的 細胞，稱為癒傷組織。之後，移 植到培養基，該組織開始分化 分化的癒傷組織逐 漸長成幼苗 瓶中的幼苗放在人工培養室培 養。當培養瓶中長滿生長旺盛 的幼苗，即可移植於盆土中栽種 a 木瓜懸浮細胞培養形 成一團未分化的細胞 d 組織形成之木瓜於田間種 植六個月後，有果實產生 （箭頭所指），與一般正 常植株無異 b 團塊細胞長出莖 e 在培養瓶中持續培養 形成幼苗 c 長出莖和葉 細胞培養 ＊正常動物細胞：離體培養下分裂約五十代，大都會老化 死亡 ＊癌細胞：在培養皿中無限制分裂增殖成為細胞株（cell line），使研究者的材料來源不虞匱乏 器官培養 (1) 將動物的胚胎器官取出體外，在適當 的人工培養環境觀察其發育、分化至 成熟的過程 (2) 將動物成熟的器官在體外繼續維持其 構造和功能，以準備器官移植 (3) 胚胎幹細胞 → 器官 離體培養：動物器官培養 【液體培養基的金屬網培養法】 培養液中含小牛血清、葡 萄糖及多種胺基酸、無機 鹽類和維生素 複製動物 (1) 由已分化的動物細胞培育出新個體，目的 是培育一群遺傳物質完全相同的動物 (2) 例如：桃麗羊 1-1 生物科技在育種上的應用 (3)缺點： 由於動物細胞通常 不具有全能性，所 以不易藉動物組織 培養來產生完整保 有外源DNA的子代。 顯微注射法 1-1 生物科技在育種上的應用 6. 動物複製技術 (1)1997年第一隻複製 哺乳動物桃麗羊誕生 (2)由於動物複製技術的 成功，使基因改造動物 也能夠藉由此技術使子 代繼續保有外源基因的 特性，但複製動物本身 的壽命與健康情況，仍 有許多問題尚待克服。 複 製 動 物 ： 桃 麗 羊 資料來源：Audesirk, T. and G. Audesirk, 1999, Biology, Prentice Hall, P.195. 酷比豬 利用高齡母豬耳朵皮膚細胞作為 供核者及帶有人類凝血第九因子 及豬乳鐵蛋白基因 1-2 生物病蟲害及疫病的防治 辣椒炭疽病 萵苣黑斑病 木瓜輪點病毒 作物之病蟲害 1. 植物、動物和人類都可能遭受病蟲危害 (1)蘋果蠹蛾的幼蟲：啃食蘋果，造成作物損害 (2)瘧蚊：攜帶瘧疾的病原體，傳播瘧疾 2. 農作物受到病原體的感染或昆蟲的叮咬、啃囓時 (1)出現病蟲害的病癥：根、莖、葉的腐敗潰瘍或變色 (2)導致農作物生長不良或死亡：使產量銳減或品質低劣 3.作物之病蟲害對人類的影響 (1)農民生計 (2)發生饑荒 (3)發生戰亂 正常的水稻 水稻胡麻葉枯病：葉片上呈褐 色病斑，嚴重時會造成植株枯 萎死亡。 蘋果蠹蛾是我國蘋果輸 入的法定檢疫害蟲之一 如何防治農作物病蟲害？ 環境 病原體 農作物 疫病的防治 1.抗病品種的培育 2.物理防治法 3.化學防治法 4.生物防治法 1.抗病品種的培育 (1)防治病蟲害的基本方法：育種 (2)因農作物本身的遺傳差異，使其對環境 中致病因子的抵抗能力不同 (3)育種的效益─減少殺蟲劑的用量 a.避免殺蟲劑對環境的汙染 b.提高農民的經濟效益 (4)例子： a.傳統方法─雜交:玉米和甘蔗 b.近代方法─基因工程:基因改造木瓜 抗輪點病毒的基因改造木瓜 基因改造木 瓜的植株與 果實，可抗 輪點病毒 未改造的木瓜植株 感染輪點病毒後， 葉上會出現輪紋， 植株矮小，且果實 發育不良或畸型 2.物理防治法 (1)利用各種物理作用，以防治植物病蟲害 (2)方法─熱力處理 遮斷 農作物外部處理技術 (3)優缺點 a.優點：不會產生化學藥品汙染和抗藥性 b.缺點：較費時、費力 熱力處理 a.機制： 利用熱消毒種子、種苗或土壤的措施 b.例如： 以50℃的溫水浸泡甘藍菜種子30分鐘，可以殺死 附著在種子上的部分病原體。 遮斷 a.機制：利用適當裝置以隔離害蟲的措施 b.例如 袋遮─以套袋包住水果 網遮─以網室栽培水果 農作物外部處理技術 a.防治果樹病害的重要方法 b.例如 刮除植物枝幹上的病斑 剪除腐病的樹根 對病樹進行嫁接 3.化學防治法 (1)使用化學藥劑（農藥） (2)目的：施用農藥可除草、殺蟲和殺菌或抑制病原生 物的生長與繁殖，以防止或減輕病蟲害所造成的損失。 (3)例如： a.有機磷農藥 具有神經毒害，可使害蟲喪命 b.昆蟲激素的類化合物 抑制害蟲的生長發育和繁殖 c.人工合成的植物生長素－二氯苯氧基乙酸 2,4-D 可除去田間的雙子葉雜草 化學防治法 (A)農夫在農田噴灑農藥的照片 (B)各式各樣的農藥 (C)用於治療病蟲害的藥劑 2,4-D除草劑 2,4-D是一種人工合成的植物生長素，它較天 然生成的生長素不易被植物體代謝分解。單 子葉植物可快速使這些合成的植物生長素互 相結合，導致這些合成的激素失去效用；但 雙子葉植物無此特性，故合成的植物生長素 對雙子葉植物仍持續有作用。雙子葉植物在 施加2,4-D後，因體內堆積過量的植物生長素 無法代謝，而導致死亡。至於導致植物死亡 的確切原因或機制仍不清楚。 (1)2,4-D殺死雙子葉植物，但是對單子葉植物則無影響 對2,4-D吸收量：雙子葉植物＞單子葉植物 對2,4-D敏感度：雙子葉植物＞單子葉植物 (2)2,4-D促使雙子葉植物產生較多乙烯 →加速葉產生離層，促使葉片老化 (4)優缺點 a.優點： 使用方便、效果迅速顯著 最普遍及最常使用的防治法 b.缺點： 化學藥劑具有毒性 使用不當，不但會直接傷害人、畜，也會加速 抗 藥性病原體或病媒的出現。 化學藥劑不易分解 長久殘留在環境中，造成汙染而破壞生態環境。 4.生物防治法 (1)利用生物性因子來防治植物病害的方法 (2)例如： a.微生物 b.害蟲天敵 c.性費洛蒙誘殺 a.微生物防治法─蘇力菌 蘇力菌 (a).蘇力菌特性 昆蟲致病細菌---產生毒蛋白結晶 當昆蟲幼蟲吃下蘇力菌時 →毒蛋白結晶被分解成具有活性的毒素 →會造成腸細胞穿孔、破裂 →導致無法攝食而死亡 (b).做為「生物農藥」來防治農作物害蟲 殺蟲效果具專一性 對目標昆蟲以外的 生物沒有害處 一種既安全又環保 的植物保護劑 (c).基因轉殖 利用基因改造技術，將蘇力菌產生毒 蛋白的基因轉殖到農作物中，得到抗 蟲害的農作物。 例如：抗蟲害棉花 昆蟲幼蟲食入基因改造作物後會死亡 a.微生物防治法─生物除草劑 有些微生物可專一性地寄生在某些雜草上而除 去該類雜草，但不會傷及正常的作物。 例如：炭疽真菌可感染寄生性雜草平原菟絲子， 使其凋萎死亡。 b.害蟲天敵防治法 大自然中，專門捕食或危害某種生物，且 可影響該種生物族群大小者，即是該種生 物的「天敵」 。 天敵： 捕食性天敵 寄生性天敵 捕食性天敵 蚜蟲和介殼蟲─常見的農作物害蟲 瓢蟲─農民放養在農田中，以控制蚜蟲和 介殼蟲的數量 介殼蟲 (A)蚜蟲 (B)瓢蟲捕食蚜蟲 寄生性天敵 寄生蜂是玉米螟的寄生性天敵 玉米螟 危害玉米、高粱、小米和棉花等作物，尤其嚴重影響玉 米的生長與收成。 寄生蜂 產卵於玉米螟的卵內，並孵化成為幼蟲，再攝取玉米螟 卵的養分而成長，因此可利用寄生蜂來控制玉米螟的數 量。 成蟲 幼蟲 性費洛蒙誘殺防治法 費洛蒙 昆蟲分泌於體外，作為同種 個體間傳遞訊息的化學物質， 吸引異性前來者，稱為性費 洛蒙 例如： 利用人工合成的性費洛蒙與殺蟲劑調配 成毒餌，誘引東方果實蠅 疫病的防治 既有效又安全的防治法： 符合「相生相剋」、「一物剋一物」的 自 然精神 引進外來種進行生物防治 a.需非常審慎評估，因為外來種生物可 能對該地區的生態帶來危機或災害。 引進外來種進行生物防治 大肚魚 競爭力強的大肚魚族群大量繁衍 青鱂魚 原產青鱂魚族群幾乎滅絕 澳洲穴兔 【a】隨英國移民到澳洲的歐洲穴兔，終於找到了 天堂。澳洲沒有鷹、狼或狐狸這些天敵，土壤疏 鬆，正是挖洞築窟的好地方。百年以後，多子多 孫的兔子成了龐大的兔子兵團，澳洲人看到遍地 都是活跳跳的兔子，卻束手無策，只能感嘆：這 些兔子比殭屍還可怕！ 【b】根據1926年的估算，澳洲兔子數量已經竄升 到100億隻，這些兔子只吃草，也啃掉灌木和樹皮， 大概10隻兔子就能吃掉相當1隻羊所吃的牧草。 【c】澳洲人不甘農業損失，決心要和兔子作戰， 從最傳統的獵殺、布網、堵洞，到較為「先進」 的釋放毒氣和在胡蘿蔔裡下毒，澳洲人全都試過 了，但是皆成效不彰。澳洲人又想出用霍亂殺兔 子的方法，但是此法失靈，兔子仍舊猖獗。 【d】1950年，澳洲人又引入了專門攻擊兔子的黏 液腫瘤病毒，它對歐洲穴兔的致死率幾乎達到百 分之百，依靠蚊子就能傳布，剛剛引入病毒時， 兔子果然大量死亡，計畫似乎奏效，但過沒多久， 兔子就漸漸對病毒產生免疫力。如今澳洲抗兔大 戰並未休兵，仍在默默進行中。 1-3 基因改造生物 黃金米的誕生 2000年瑞士科學家利用基因改造技術，將 來自細菌和黃水仙花中的三個基因轉殖到 稻米中，培育出富含胡蘿蔔素的新種稻米， 稱為黃金米。胡蘿蔔素在人體會轉化為維 生素A，食用黃金米可預防因缺乏維生素A 而造成的夜盲症。 維生素A 視蛋白 視紫質 基因改造生物對生態的影響 (A) 麵 包 酵 母 為 第 一 個 利用基因改造的食品微 生物 (B)基因改造鮭魚體內具有 太平洋王鮭的生長激素基 因，可比同種鮭魚體積大 上好幾倍 (C) 螢 光 魚 是 經 過 基 因改造的觀賞魚 2009年種植基因改造種子的國家，種植面積大小前六名依序為：美國、巴西、 阿根廷、印度、加拿大及中國。 自1996年起全球基因改造種子種植面積與銷售額逐年提升 大豆是種植面積最大的基因改造作物且逐年提升中 2009年四大基因改造作物中，基因改造大豆的種植面積已遠大於一般大豆；而 基因改造油菜與基因改造玉米占該作物總種植面積仍較低。 全世界種植的基因改造作物以轉殖耐除草劑的基因所占比例最高 基因改造生物對生態的影響 影響 威脅非目標生物 降低生物多樣性 導致抗性害蟲滋 長 轉殖的基因可能 會散布到其他物 種 說明 轉殖到農作物中的抗蟲基因，除了殺死目標害 蟲之外，也可能傷害其他昆蟲而影響生態平衡。 已轉殖抗病蟲害基因的作物有可能成為超級植 物，影響其他植物的生存機會，導致生物多樣 性降低。 長期種植抗蟲作物，可能加速能忍受抗蟲毒素 的抗性昆蟲演化，就如同人們長期使用抗生素， 造成抗藥性細菌廣布。 轉殖到農作物的耐除草劑基因，若經由傳粉雜 交轉移到周遭的雜草，可能導致耐除草劑的 「超級雜草」出現。屆時，除草劑已無法發揮 功效，又須另謀對策解決超級雜草的蔓生。 基因改造生物對生態的影響 基因改造作物─星連玉米 a.美國一家生技公司─安萬特成功開發一種 可抗蟲害之基因改造玉米─星連玉米(Star Link corn) b. 於1998年獲得美國環境保護局核准使用於 飼料中，由於該玉米含有一種可能會引起 人類過敏之外來基因，產生Cry9C蛋白質。 c. 因此環境保護局要求該公司必須告知種植 者謹防星連玉米與人類食品混雜，其中包 括如何種植和如何處理貯存種子等 d. 2000年因為發現市售食品中出現星連玉米 的成分，因此，全面停止種植與回收。 e. 然而在2年後，仍發現來自美國的食用穀物 中尚含有星連玉米的成分。 星連玉米事件總覽 基因改造生物對生態的影響 社會倫理和法律層面上的疑慮或爭議 基因改造生物的安全評估 一、基因改造生物在釋出之前需要經過審慎的安全評 估，以避免對生態環境及環境中的其他生物產生不良 的影響。 GMO 二、針對有關基因改造生物的疑慮，已有一些安 全評估的指標，可規範基因改造生物的發展 三、根據這些指標，可預設保護措施來減少對環 境生態可能造成的衝擊。 五、基因改造作物釋出前，必須於隔離的溫室、網 室或隔離田進行測試，通過環境安全風險評估， 才能適於種植於一般田區。 六、環境安全評估通常要考慮該植物轉變為雜草的 可能性、基因外流的可能性、對目標與非目標生 物的影響和對生物多樣性的影響等。 七、藉由評估的過程，可了解所有可能發生的損害， 以及損害發生的機率和後果，並且預先做好釋出 後的損害防護措施，以降低實際的環境風險。 八、目前，世界先進國家都相當重視基因改造生物 的安全性評估，故均有立法規範。 美國 我國 農業委員會 掌管基因改 造作物對環 境的安全評 估 農業委員會 評估基因改造 作物田間試驗 安全性，並核 發基因改造作 物的栽種許可 衛生署 評估基因改造 食品的安全性 與標示問題 我國 權責單位：行政院農業委員會（簡稱農委會） 「基因轉殖植物田間試驗管理規範」以及「基因 轉殖動物田間試驗管理規範」已由農委會於1998 年公告。 明定所有基因改造動、植物，均應先向農委會申 請辦理隔離田間觀察試驗，在審議核准前，不得 於一般田間栽培或推廣，以落實基因改造生物的 安全管理。 至於基因改造食品的安全評估，則由衛生署在 2000年11月公布相關辦法規範。 想一想 基因改造作物真的可以造福人類嗎？ 科學家宣稱基因改造作物可以增加糧食產量， 解決糧食不足的問題，但也有人質疑基因改 造技術大多被先進國家和大型私人企業所把 持。你認為基因改造生物可能會發生哪些問 題？針對這些問題，有何策略可以避免或解 決？