生物技术(biotechnology)是指用活的生物体(或生物体的物质)来改进产品,改良植物和动物,或为特殊用途而培养微生物的技术。现代生物技术是在传统生物技术基础上发展起来的,以DNA重组技术的建立为标志,以现代生物学研究成果为基础,以基因或基因组为核心,生物技术产业以基因产业为核心,并辐射到各个生物科技领域。利用生物特定功能通过现代生物技术的设计方法和手段,改变动物体内生理生化反应和物质代谢过程。生物技术包括基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程和蛋白质工程。
1 生物技术研究领域
1.1 基因工程
基因工程是利用DNA重组技术进行生产或改造生物产品的技术。是将外源的或是人工合成的基因即DNA片段(目的基因)与适宜的载体DNA重组,然后将重组DNA转入宿主细胞或生物体内,以使其高效表达,而获得基因产物。基因工程技术是现代生物技术的主体。
1.2 酶工程
酶工程就是利用酶、细胞器或是细胞所具有的催化作用,在一定的生物反应器中,将相应的原料转化成所需要的产品。它是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种新技术。包括酶的固定化技术、细胞固定化技术、酶的修饰改造技术及酶的反应技术等。
1.3 细胞工程
细胞工程是生物工程的一个重要方面。它是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法,以细胞为基本单位,在体外进行培育、繁殖新品种或是人为按照人们的设计蓝图,进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。细胞工程包括细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等。
1.4 发酵工程
发酵工程是指利用微生物特定功能,通过现代工程技术在生物反应器中生产有用物质的一种技术系统，是生物产业化过程的技术核心,无论基因工程、酶工程、细胞工程、蛋白质工程均通过发酵工程获得具体产品。
1.5 蛋白质工程
蛋白质工程是以蛋白质结构功能关系的知识为基础,通过周密的分子设计,把蛋白质改造为合乎人类需要的新的突变蛋白质。1983年,美国生物学家额尔默首先提出了“蛋白质工程”的概念。蛋白质工程的实践依据DNA指导合成蛋白质,因此,人们可以根据需要对负责编码某种蛋白质的基因进行重新设计,使合成出来的蛋白质的结构变得符合人们的要求。由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的,在技术方面有诸多同基因工程技术相似的地方,因此蛋白质工程也被称为第二代基因工程。
2 生物技术在畜牧业上应用
2.1 遗传育种生产中应用
(1)胚胎工程。胚胎工程技术包括冷冻保存技术、胚胎移植、体外生产胚胎、胚胎克隆和性别鉴定。胚胎冷冻技术进一步克服了胚胎移植中母畜周期的时间限制,解决了远距离的运输问题。目前已有鼠、兔、牛、羊等十几种动物胚胎冷冻成功。胚胎移植就是将良种母畜配种后的早期胚胎取出移植到另一头同种生理状态相同种类的母畜体内,使之继续发育为新个体。我国的“试管牛”技术已接近国际先进水平,在牛、羊、猪等家畜上进行胚胎移植也已获得成功,冷冻胚胎移植技术用于牛、绵羊、山羊和家兔等已开始实现产业化。全世界每年都有大量胚胎移植牛犊出生,现在胚胎移植在奶牛业已普遍应用。体外生产胚胎的技术已经开始商品化。包括卵母细胞体外成熟、体外受精和胚胎培养。胚胎克隆包括胚胎分割和细胞移植,目前牛的胚胎分割已经广泛应用,猪和绵羊的胚胎分割技术已经获得成功。
(2)转基因动物。转基因动物技术是同基因手段将外源性基因导入动物染色体基因组中,使其稳定整合并能遗传给后代,产生具有新的遗传特性的动物技术。Wieghart等(1990)用肝脏特异性大鼠磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶基因的4600bp的5’端序列导入受体猪,减缓了猪生长激素过量表达,使猪背膘厚度降低了40%～45%。近几年来,中国农业大学动物科技学院应用基因工程技术生产原代瘦肉型猪进行繁殖,获得二、三、四代转基因猪215头。转基因猪核心群的生产水平比非转基因猪提高20%。此后,转基因猪、牛、羊、兔等家畜纷纷出现,并逐步走出实验室进入生产试验阶段。
2.2 饲料工业生产中应用利用生物技术开发饲料资源,提高粗饲料营养价值,是解决我国饲料资源不足,促进畜牧业发展的重要途径。
(1)单细胞蛋白(SCP)。SCP是指利用各种基质大规模培养细菌、酵母菌、霉菌、微藻、光合细菌等而获得的微生物蛋白,是现代饲料工业和食品工业中重要的蛋白来源。SCP营养丰富,蛋白质含量高,可达80%,所含氨基酸组分平衡,且具有多种维生素,消化利用率高,最大特点是原料来源广,微生物繁殖快,成本低,效益高。SCP饲料其菌体蛋白含量可达40%～80%,若加入蛋氨酸后可达90%以上,并且各种氨基酸、维生素含量丰富。每千克SCP可使母牛产奶量增加6～7kg,用含10%SCP的饲料喂蛋鸡,产蛋量提高21%～35%,1吨单细蛋白可节约饲粮5～7t。
(2)转基因植物。培育高蛋白、高油饲料品种的转基因植物。澳大利亚科学家利用基因工程培育出一种富含蛋白质的苜蓿新品种。1970年墨西哥国际小麦玉米改良中心将Opague 2突变基因广泛导入其他玉米种质中,通过回交和轮交选择等程序积累了Opague 2使之变成了接近普通玉米表现型的硬质或是半硬质的胚乳,这种玉米被称为优质蛋白玉米,赖氨酸含量可提高70%,在20世纪80年代,我国用花药技术培育出30余种豆科牧草。我国自1972年开始优质玉米的选育工作,取得了非常突出的成就。
(3)酶制剂。酶制剂是从动、植物和微生物中提取制备的具有酶特性的高效生物活性物质,通常与少量载体混合而制成粉剂。应用生物技术生产的酶有:蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶、乳糖酶、植酸酶、非淀粉多糖酶、果胶酶等。大多数酶来自真菌类,但最近的基因编码已将不同的酶如β-葡聚糖酶、木聚糖酶和植酸酶进行克隆。饲用酶制剂能够消除饲料中的抗营养因子的有害作用,破坏植物细胞壁,促进养分的消化吸收,提高畜禽健康,而且能够减少养殖业废气的排放,保护生态环境。
(4)新型甜味剂。甜味剂可以增进动物的食欲,阿斯巴甜就是通过生物技术合成的一种新型的甜味剂,它是一种二肽。初生雏鸡饮用可提高初生雏鸡的成活率,并可提高应激状态下鸡的采食量,改善适口性。
(5)运用生物技术处理饲料中有毒有害物质。运用生物技术脱毒是一种很有发展前景的方法。饲料中的抗营养因子、毒物等广泛存在于各种饲料原料,直接或间接影响饲料营养物质的消化、吸收及代谢,降低饲料的营养价值及可利用性。由于生物技术在消除饲料中的抗营养因子、毒素以及在畜禽代谢过程中产生的有害物质等方面起着越来越重要的作用,饲料工业采用生物技术防治环境污染具有环保意义,生物技术产品也因此被誉为“绿色”添加剂。
(6)营养与基因表达调控。饲料中某些营养成分对动物某些基因表达有调控作用。日粮中的营养物质,可以通过各种途径来调控基因的表达,影响动物机代的代谢过程,最终影响动物的生长。某些矿物质元素、维生素等均可调控某些基因的表达,如铜含量降低,白介素-2基因微生物RNA量降低,鼠肾上腺中的多巴胺β-单氧化酶基(DB微生物)微生物RNA及酶活性提高,但去甲肾上腺素的量却下降。饲料中锌缺乏,鼠脑中金属硫蛋白基因表达降低。维生素C缺乏则降低豚鼠血管基底膜中胶原蛋白Ⅳ型的表达及平滑肌中Elastin基因的表达。
3 展 望
现代生物技术在我国动物生产中的应用还处于初级阶段,创新性成果较少,对基因的内在作用了解不够深刻,难以构成高效表达的转化基因。因此我们要充分利用我国的优势,利用国外生物技术的先进方面,加强基础研究。提高生物技术研究水平。现代生物技术与传统的养殖业相结合将是未来养殖业的重要研究领域,必将为畜牧业高效、持续、稳定发展开辟新的广阔前景。是21世纪畜牧业发展的热点。
