《植物基因工程》是融汇了近代植物基因工程新理论、新技术及新成果编写而成的系统论述植物基因工程原理与技术的“十二五”高等院校统编教材。《植物基因工程》对第一版进行了较大的改动，共设八篇46章，新增了“植物基因变异分子生物学”、“植物质体基因转化系统”及“外源基因在转基因植物中的表达调控”等共20余章，最后还增加了第八篇生物信息学与植物基因工程，新增内容为《植物基因工程》的三分之二以上。同时，《植物基因工程》引入了许多最新的图表及近三年的新文献，力求图文并茂，内容丰富，既具有较高的专业水平，又深入浅出，使《植物基因工程》具有多种功能。
《植物基因工程》既是植物基因工程领域研究人员的参考书，又是高等院校生物技术相关专业本科生及研究生的教材，教师可以根据教学大纲需要从中选择适合的内容灵活使用。同时，《植物基因工程》也是学生拓宽知识、激发专业兴趣、启蒙创新的深入阅读资料。
全球生物技术的快速发展使生命科学进入了大科学、大数据时代，其影响力远超人们想象。生物科技创新成果层出不穷，产业大军厉兵秣马，无不预示着生物产业春天已然来临。生物医药、生物农业及生物产品制造“三足鼎立”的格局基本形成。基因工程是生物大时代的开拓者，其中植物基因工程与农业发展、人民生活息息相关，从而得到了高度重视，产业化的进程急速递增。1996年至2012年的17年间，全球种植以抗病虫、抗除草剂性状为主的转基因作物面积从170万hm真增长到1．7亿hm2，增长了近100倍，创造了一千亿美元价值，相当于节约了16．3亿亩耕地；减少了4．73亿化学农药的使用，业绩举世瞩目。这一崭露头角的新兴产业方兴未艾，解决全球粮食危机寄希望于植物基因工程的未来。植物基因工程与历史上其他的重大农业技术相比，如化学革命从有机肥到无机肥的推广用了半个多世纪，可见转基因发展之快。在生命科学家眼中，植物基因工程是一项给人类带来福祉的伟大技术，也是将为农业谱写文明新篇章的技术。直至今日，联合国粮食及农业组织对30年前获得第一株转基因植物的三位科学家(有的科学家已去世)授予了崇高“世界粮食奖”，奖励他们对世界农业的巨大贡献，这也是首次对转基N'f乍物的高度肯定。农业生物科技新时代已经来临，全球农业生物育种和产业化发展已进入战略机遇期。
我国已开展2。多年转基因技术研究，拥有重要基因的自主知识产权和核心技术，在棉花、水稻、玉米等作物转基因应用研究方面，已形成优势与特色，达到国际先进水平。我国种植的棉花中8。％是转基因抗虫棉，减少了约8。％的农药使用量。我国对植物基因工程高度重视，2008年投巨资启动了“十一五”和“十二五”植物基因工程育种专项，已对7种转基因植物发放了商品化生产许可，有力地推动了我国植物基因工程产业的发展。
科技发展，人才为本。早在1993年，本书编者、国务院特殊津贴专家王关林教授在美国从事植物基因工程研究时就致力于编写植物基因工程专著，旨在加快我国人才培养。于1998年他编著了第一部专著《植物基因工程原理与技术》，2002年又改编出版了《植物基因工程》第二版并多次重印。在此基础上，2008年根据我国教育部的教材建设规划要求，由专家组评审，教育部审批，王关林教授又承担了编写我国普通高等教育“十一五”国家级规划教材《植物基因工程》的专项任务。该书是我国植物基因工程领域内的第一本高等院校统编教材，于2009年由科学出版社出版后，被中国科学院研究生院及多所大学遴选为本科高年级学生和研究生的教科书，使用五年来多次得到好评。为紧跟生物科技大时代的发展，导人近期植物基因工程的创新成果，在第一版的基础上，编者汇集近代的新理论、新技术及其产业化进展，编写了系统论述植物基因工程基础理论及其原理与技术，教学科研两用的新作——《植物基因工程》第二版，以克服两者脱节的弊病，提高本书的使用率。教材是传授知识的载体，是培养人才的保证。编者深知责任重大，求贤为业，竭诚邀请了来自中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业科学院、北京大学、清华大学等院校教学科研一线的教授、专家、中青年博士参加编写，集成他们的渊博学识和真知灼见，提高著作水平。
本书保持了原专著和第一版教材的特点：强化基础理论，重视知识体系；融合学术创新，汇集科技成果；做到理论与技术结合，理论与实践结合，理论与应用结合；注意激发读者的专业兴趣和激情，培养创新能力。本书以植物基因工程的操作程序为主线循序展开，逐渐深入，在论述植物基因工程学科理论的基础上，系统阐明了植物基因工程各程序的原理与技术，使本书既具有较高的理论性，又具有较强的实用性和可操作性，从而构成植物基因工程完整的理论体系，也为植物基因工程学科的确立奠定基础。
新版《植物基因工程》中删除了“植物基因工程实验技术篇”，拟将该内容独立编写成《植物基因工程实验指南》，与本书配套，本书改编的主要内容：一是在第一篇植物基因工程分子生物学中新增了第4章植物基因变异分子生物学，首次综述了植物基因损伤、突变与修复的分子机制及其与转基因的同理性，从而深化了植物基因工程的基础理论。
……
前言
绪论植物基因工程概述
1植物基因工程的定义
2植物基因工程的研究发展历史
2.1植物基因工程理论形成期
2 2植物基因工程的问世期
2.3植物基因工程的发展期
3植物基因工程的理论基础及技术路线
3 1理论基础
3.2植物基因工程的技术基础
3.3植物基因工程的技术路线
4植物基因工程研究的内容
4.1植物基因工程的基础理论研究
4.2植物基因工程的应用研究
5植物基因工程的发展前景
复习题
名词解释
问题
第一篇 植物基因分子生物学
第1章 植物基因组的结构功能及特点
1 植物基因组与基因组学的基本概念
1.1 植物基因组的定义
1.2 基因组学的概念
2 植物基因组的结构特点
2.1 植物基因组的大小与c值复杂性
2.2 植物基因组的简单序列
2.3 植物基因组的重复序列
2.4 植物基因组的多态性
2.5 植物基因组的密码偏爱性
3 植物细胞三套基因组的结构功能
3.1 植物细胞核基因组的结构特点
3.2 植物线粒体基因组的结构特点
3.3 植物叶绿体基因组的结构特点
3.4 植物细胞三套基因组的结构功能比较
4 植物细胞三套基因组的遗传关系
4.1 三套基因组的混源DNA
4.2 叶绿体中蛋白质的基因编码及核质调控
4.3 线粒体中蛋白质的基因编码及核质调控
4.4 植物细胞三套基因组之间的相互调控
复习题
名词解释
问题
第2章 植物基因的分子结构功能及特点
1 植物细胞核基因的分子结构功能及特点
1.1 植物细胞核基因的基本结构
1.2 植物细胞核基因的分子结构特点
1.3 植物细胞核基因的功能及类型
2 植物叶绿体基因的分子结构功能及特点
2.1 叶绿体基因的基本结构
2.2 叶绿体基因的分子结构特点
2.3 叶绿体基因表达调控特点
3 植物线粒体基因的分子结构功能及特点
3.1 线粒体基因分子结构特点
3.2 线粒体基因的表达调控特点
4 植物核基因、叶绿体基因和线粒体基因结
构功能的比较
复习题
名词解释
问题
第3章 植物基因的表达调控特点
1 植物基因表达在染色质水平上的调控特点
1.1 植物染色质MAR的调控
1.2 DIqaseI超敏位点的调控
1.3 DNA甲基化对基因表达的调控
第4章 植物基因变异分子生物学
第二篇植物基因工程的目的基因
第5章 抗植物虫害基因及其应用
第6章 抗植物病毒基因及其应用
第7章 抗植物真菌病害基因及其应用
第8章 抗植物细菌病害基因及其应用
第9章 抗非生物胁迫基因及其应用
第10章 影响作物产量、品质的基因及其应用
第11章 调控植物生长发育的基因及其应用
第12章 植物生物产品基因工程
第13章 植物医药基因工程及其应用
第三篇 目的基因分离克隆
第14章 基因序列同源性克隆目的基因
第15章 基因芯片技术克隆目的基因
第16章 基因文库技术
第17章 差异表达基因的分离技术
第18章 插入突变技术分离克隆目的基因
第19章 图位克隆分离目的基因
第20章 酵母双杂交系统分离克隆目的基因
第21章 功能蛋白组技术分离目的基因
第22章 基因分离克隆的新技术与选择策略
第四篇 植物基因工程载体及其构建
第23章 植物基因工程载体
第24章 植物基因工程载体的标记基因和报告基因
第25章 Ti质粒载体及其构建
第26章 Ri质粒载体及其构建
第27章 植物病毒载体及构建
第五篇 目的基因转化
第28章 植物基因转化受体系统的建立
第29章 根癌农杆菌Ti质粒基因转化
第30章 发根农杆菌Ri质粒基因转化
第六篇 转基因植物的检测
第七篇 转基因植物的遗传特性及其安全性
第八篇 生物信息学与植物基因工程
植物基因工程中英文名词对照
绪论植物基因工程概述
自开天辟地以来，浩瀚地球惊天动地的变迁孕育着生命的诞生。在漫长的生物进化历程中树起的丰碑是历史的见证（图01）。分子生物学的问世揭示了基因是生命之源。在大自然的生物进化过程中，自然力量的胁迫驱使基因不断发生突变、重组、转移及选择，从而推动生物界无止境的进化，形成了今天五彩缤纷的生物界。因此，生物进化是伴随着基因变异的轨迹缓步而进。生命科学的飞速发展，创立了现代分子生物学。基因工程技术的建立，为人类改造生物开辟了崭新的途径，预示着生物进化史从自然进化产生人类，发展到了人类改造自然的科学顶峰时期。基因工程将使整个生物界发生重大变革，这足以说明基因工程的巨大威力。顾名思义，植物基因工程是改造植物的科学，它也是与基因工程发展结伴而行的领先者。
图01植物基因工程研究发展史事
1植物基因工程的定义
随着分子生物学的诞生，基因工程问世。所谓基因工程（genetic engineering）是指从生物体中（供体）分离克隆基因或人工合成基因，再与载体DNA拼接重组，并将其导入到另一种生物体内（受体），使之按照预先的设计持续稳定表达和繁殖的遗传操作。因此，供体、受体和载体成为基因工程的三大要素。基因克隆、重组和转化是其三大核心技术。来自供体的基因属于外源基因。由于基因工程是改造生物的遗传特性，故也称为遗传工程(genetic engineering)、遗传修饰(genetic modification)及基因操作(gene manipulation)等。从工程学的范畴而言，基因工程是DNA操作技术的产业化设计和应用，包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因分离克隆、重组和载体构建，而下游技术则涉及基因转化、表达及受体培养和表达产物的分离提取技术。
植物基因工程是基因工程研究的一个先导领域。基于植物细胞全能性的确立、农杆菌Ti质粒转化系统的发现、多种基因转化技术的建立及植物与农业的密切相关性，植物基因工程的发展迅速，并逐渐自成体系，成为一门理论与技术紧密结合的完整学科。确切地说，植物基因工程是植物分子生物学的一门分支学科，植物基因工程（plant genetic engineering）的定义是利用基因工程理论技术，从供体分离克隆的外源基因，在体外与载体DNA重组后，经遗传转化导入受体植物基因组中，并获得有效表达及稳定遗传的工程。转基因植物（genetically modified plant，GMP）是指通过基因工程技术改变基因组构成的植物。该植物是农作物，即称为转基因作物 (genetically modified crop，GMC)。转基因生物（genetically modified organism，GMO）是广义的，指转基因的动物、植物及微生物。
由此可见，植物基因工程的目的意义是按照人们的愿望进行严密的设计，有目的地改造生物种性，培育出符合人们需求的基因工程新品种，生产所需的产品。
2植物基因工程的研究发展历史
纵观基因工程的发展历程编绘了植物基因工程研究发展大世纪（图01），图中表明基因工程的研究是伟大的科学家遗传学之父孟德尔（G.J.Mendel，1822～1884）从研究豌豆开始的，也是植物基因工程研究的起点。1865年，孟德尔发现了遗传因子及遗传的三大规律。令人遗憾的是，这天才的发现在他逝世后的半个多世纪内几乎无人理，直到1900年欧洲三位植物学家重新发现孟德尔遗传定律，他才被公认为经典遗传学的奠基人。而后，孟德尔遗传定律像不朽的神话故事流芳百世，推动着基因遗传学的发展。除此之外，丹麦植物遗传学家约翰森（Johannsen）在1909年提出“基因型”（genotype）和“表现型”（phenotype）的概念，并为基因型定下了一个单位“基因”（gene），从此正式拉开了基因工程研究的序幕。显然，植物基因工程是基因研究的开拓者，但是植物基因工程是基因工程的一门分支学科，依托于基因工程而发展。其研究发展史同样可以分为以下三个时期。
21植物基因工程理论形成期〖*2〗
211DNA分子结构功能的创立
在孟德尔的基础上，1910年，摩尔根（Morgan）在果蝇的研究中第一次提出了基因学说，铺下了基因工程的奠基石。但是在相当长的时间里，对基因的理解仍是抽象的，概念化的。1944年，美国的微生物学家格里菲思（Griffith）和艾弗里（Avery）等通过细菌转化研究，证明DNA是遗传物质，是基因的载体。DNA的真正身份得到了确认，但更大的难题出现了：DNA的结构是什么样子？此后对DNA构型的研究成为当时科学界最大的热点之一。令人惊异的是能回答如此重大问题的竟是发表在英国《自然》杂志上一篇长不到一千个单词的论文，并且论文的作者名不见经传：一位25岁的美国博士后沃森（Watson）和一位37岁的英国剑桥大学的研究生克里克（Crick）。更值得惊讶的是他们不是常规地进行生物实验，而是如同小孩玩的拼图游戏，把一张图画割裂后再拼复成更美的图画。然而一些愚昧的非议阻挡不了这篇论文的真正魅力，相反却正是表明伟大的天才创新思维。1952年，英国国王学院的科学家威尔金斯（Wilkins）通过DNA分子X 衍射研究获得了DNA结构的重要证据，但是DNA分子结构模型仍不清楚。经历了10年的不懈努力，于1953年Watson和Crick开创性地提出了DNA分子的双螺旋模型（图02）。这是分子生物学发展史上如春雷一般撼动世界的伟大发现。从此生命科学家茅塞顿开，新的科学发现屡见不鲜， 各类证明DNA结构的实验证据纷至沓来，真是一智能灭千年愚。1954年，Crick又提出了中心法则，揭示了遗传信息的传递规律。从而Watson和Crick及Wilkins这三位科学家一起获得了诺贝尔生理学或医学奖。1958年，大科学家Meselson等用超速密度离心的技术证明了DNA通
图02Watson和Crick提出了
DNA分子的双螺旋模型
过半保留方式复制。该实验被誉为生物史上最漂亮的实验之一。1961年，法国科学家Jacob和Monod提出操纵子(operon)学说，并发现了mRNA，同时美国科学家Nirenberg首次破译了64种遗传密码，成功地揭示了遗传信息的流向和基因表达调控的方式，从而为基因工程问世奠定了理论基础。
212DNA表达、重组理论的建立
DNA双螺旋模型的提出，遗传密码的破译，mRNA及操纵子的发现，中心法则及基因表达调控学说的确立，都发生在短短的十余年时间里。科学家好像如梦初醒、茅塞顿开，突然读懂了上帝撰写的无字天书。从此，生命科学进入分子生物学的新时代。理论发展必然会指导实践，应用于生产，因此生物技术、基因工程技术的创新应运而生。
1956年，华盛顿大学教授科恩伯格（Kornberg）利用大肠杆菌的细胞液，在体外合成DNA。两年后他又从中分离出DNA聚合酶，从而开拓了分子生物学的另一片新天地——基因操作技术。为此，诺贝尔生理学或医学奖的桂冠一年后就献给了科恩伯格。1970年，霍普金斯大学的科学家Smith等发现了限制性内切酶，同年，Temin等发现了反转录酶，接着1973年Cobeng等建立了质粒重组DNA技术，使切割DNA成为可能，此时已万事俱备只欠东风。这些新的发现激发无数科学家产生了体外重组DNA，再导入宿主细胞，并在其中进行复制和有效表达的构想。东风来自美国的西海岸。斯坦福大学的教授Berg是研究DNA重组技术的元老。他研究发现了质粒是承载外源DNA片段的理想载体，病毒和噬菌体的DNA和RNA都可以改建成载体。1974年，他在世界上最早获得了重组有编码哺乳动物激素基因的质粒，并导入大肠杆菌，获得了第一株基因工程菌株。1980年，Sanger因设计出一种测定DNA分子内核酸序列的方法而与Gilbert和Berg荣获诺贝尔化学奖。这一切DNA重组技术的创举为基因工程问世做好了技术准备，也为植物基因工程奠定了基础。
213农杆菌基因转化机制的认知
率领植物基因工程研究发展的生长点是对植物冠瘿瘤的发生机制的认识。这是自然界存在的巧夺天工的植物基因工程典范。早在1907年美国科学家布朗（Armin Bran）研究提出农杆菌把“肿瘤诱导物”（tumorinducing principle，TIP）传递给了植物，即根瘤细胞是被农杆菌转化了的植物细胞，并推测被转换的肿瘤诱导物是DNA，这就是TIP假说。这天才的推测30年后才被证实。布朗被誉为“根癌病研究之父”。1970年，法国科学家证明诱导物DNA是编码氨基酸衍生物冠瘿碱合成酶的基因，证实了TIP假说的正确性。但是用农杆菌的DNA来转化植物的尝试接二连三地失败。1974年，比利时科学家van Larebeke等发现了“农杆菌的肿瘤诱发质粒”（tumorinducing plasmid，Ti质粒）。Ti质粒的发现如同一剂强心针唤醒了美国西海岸华盛顿大学的科学家们。他们成立了“西雅图根癌集团”（Seattle Crown Gall Group），全心致力于农杆菌转化的植物基因工程研究。然而他们同样是经受了失败的困扰，多年的努力在植物的肿瘤组织中找不到Ti质粒DNA。但是Chilton等没有气馁，坚持不懈，终于在1977年发现了“肿瘤诱导物”来自Ti质粒上的TDNA（transferred DNA）。接着阐明了冠瘿瘤形成的机制是通过农杆菌介导把TDNA致病基因转化到植物细胞，并在植物细胞中表达合成冠瘿碱，供给农杆菌生长繁殖所需的氮源，故有人将这个过程称为分子内共生或遗传寄生(genetic colonisation)。这是自然界中存在的极为巧妙的植物基因工程遗传转化体系。这一发现是植物分子生物学发展史上一个重大的里程碑，也是植物基因工程新纪元的开始。
22植物基因工程的问世期
1977年，农杆菌TDNA的发现及其转化机制的阐明， 对分子生物学及基因工程都有十分重大的意义。它首次证明了单细胞生物在自然环境下能够跨越原核生物与真核高等植物的界限发生基因重组， 至今尚未发现第二个类似的例子。更值得注意的是“西雅图根癌集团”的首席科学家，美国科学学院的玛丽·德尔·奇尔顿(Mary Dell Chilton)在论文中明确指出了这个发现的重要应用价值：“这个能够被转移的元件可用来当作今后高等植物基因工程研究载体的可能性是显而易见的。”从此植物基因工程研究成为当时的热点。
1983年1月，在迈阿密召开的植物与动物分子遗传学讨论会上发表的三个重要报告标志着植物基因工程新纪元的开始。比利时根特大学的Mantaga教授及Monsanton公司科学家Fraley领导的小组都分别将TDNA上的致癌基因切除，代之以外源基因，实验结果证明TDNA可以将外源基因转入植物基因组。世界上第一株农杆菌介导的转基因植物烟草在美国圣路易斯大学诞生，与此同时，美国华盛顿大学教授Chilton领导的研究小组取得了另一项突破性的进展，将细菌的新酶素磷转移酶（NPTⅡ）基因转入植物细胞后，植物细胞可抗卡那霉素（Kan）。与此相关的论文分别发表于Nature，1983，303;Nature， 1983，304;EMBO， 1983。该转基因植物烟草的获得，标志着植物基因工程的问世。直至当今，国际粮农组织对30年前揭示农杆菌Ti质粒基因转化机制，并获得第一株转基因植物的三位科学家（有的科学家已去世）（图03）授予了25万美元的崇高世界粮食奖，奖励他们对世界农业的巨大贡献——开启农业生物科技新时代。
图03三位获奖者：Marc van Montagu、Robert Fraley和Marry Dell Chilton
23植物基因工程的发展期
1983年，第一个转基因植物烟草成功后，各种转基因植株的获得如雨后春笋，转基因技术也迅速发展。1985年，Horsch等首创了由根癌农杆菌介导的烟草叶盘法转化技术(leaf disc transformation)。198
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