生物技术这一术语在美国已成了一个常用词。人们常可在报纸上读到，电视上看到，广播里听到，学生也可在课堂里用到。今天，生物技术进入了一个新的历史阶段，与农业生产的关系越来越密切。本文比较系统地介绍了美国生物技术的历史、研究现状以及在农业生产上的应用情况。
一 生物技术的概念变化
1970年以前美国出版的词典给“生物工程技术”下的定义是研究人类与机器及其与机械设计之间的关系。如在赛车上安装计程仪表，喷气式飞机上安装控制板，这些都被看作是生物工程技术的产物。在更早一些时候，设计和制造残疾人的假肢或其他一些人造器官也被认为是生物技术的产物。
然而在20世纪70和80年代，分子生物学领域新知识和新技术的大量涌现，不断给“生物工程技术”这一概念赋予新的含义。作为一个术语，现代生物工程是一门十分令人鼓舞的新型生物科学。从广义上说，现代生物技术包括人类对动物、植物以及微生物有目的的利用、控制和改造，现代生物技术的产品层出不穷，各种新型的化合物，生物处理工艺以及人为改良的动、植物和微生物的新品种等等。随着这些产品和技术的开发应用，一定会给农业、医学和药物学等各个领域带来一个新的飞跃。
二 生物技术的发展历史
随着时代的进步，人类不仅学会了利用所需的生物物质，而且还学会了控制它们的方法，并且由狩猎和聚居的游牧生活进入到了栽种作物、饲养家畜的定居生活。通过选择最优良的动植物类型进行有意识的饲养和培育以不断适应和满足越来越高的物质需求。
现在，在马铃薯生产地区，人们可以借助生物工程技术，利用试管培养无病种苗，有效地提高了种苗的质量。因为整个生产过程都在实验室内进行，避免了大田感染病虫害的可能性。而且，通过这种“试管苗”方法繁殖种薯省时高效，10万棵种苗在6个月的时间内便可完成。也就是说，用试管法进行种苗生产，2年的量相当于以前大田种界薯生产的4 ~ 5年。
在动物生产方面，人工授精和胚胎移植为人类有效地进行动物生产开辟了新途径。通过调节母畜排卵激素的水平，可以促进性状最优良的母奶牛超数排卵，然而用优良公牛的精液进行人工授精。当把人工授精的胚胎移植到其他的奶牛体内之后，便可获得所需的优良奶牛的遗传后代。其性状的遗传与优良奶牛非人工授精的后代基本相同。而且，如果在移植前人为地促进授精卵的分裂，便可获得遗传性状完全相同的多达8个仔牛的一群无性系。
100多年来，无论是在动物方面，还是在植物方面，传统的育种方法一直是人们培育和改良新品种最熟悉、最常用的技术。然而在过去的20年中，新兴的体细胞技术填补了有性繁育的不足，除了不同植株体有性细胞（花粉和卵细胞）的结合外，人们还可以利用叶子或其他植株部位的体细胞融合产生新的植株体。
也许DNA重组技术是当今世界上最重要的并能够填补传统育种技术不足的新兴生物工程技术。现在科学家们可以既不采用性细胞，也不利用体细胞，而是运用分子技术，完全能够人为地进行新型的植物、动物、微生物的工艺设计，DNA重组技术起源于分子生物学，分子生物学是一门发展迅速、日新月异的新兴科学，运用这门科学技术能够把供体的理想基因切割下来，鉴定出来并再按照人们的设计要求转入到受体亲本当中去。应用这门技术更能使人类获得所需的理想基因。
三 生物技术的近代史
现代生物工程技术的历史是十分简短的。“分子生物学”和“基因工程”这两个术语可能还只是在1975年具有划时代意义的加里福尼亚一次有科学家、大公司的研究人员以及政府官员参加的生物科学研讨会上首次被正式命名的。在过去的10多年中，科学家们继续以先前在细胞和有机体水平上的研究精力，在分子水平上展开研究。并正在逐步加深理解各种分子是怎样结合在一起，怎样以不同的结合方式起不同的作用，又怎样调节各种生命过程。
近2000年来，人们一直十分重视生命科学。一些古老的经典生物技术至今仍对我们起着作用，例如，人们很早就知道一英亩的草地可以放养多少头牛。自从生物科学形成以来，究其学问无穷无尽。哪怕摘下一片薄薄的树叶，解剖一只小小的青蛙，还有多少奥秘仍需人们探索！
大约200年以前，由于光学显微镜的出现人类进入了细胞科学的时代，现在计算机和电子显微镜的出现，又把生命科学的研究大大推进了一步。
长期以来，生物技术的进步一直依赖于所使用的实验设备和器械的不断改进。因此，正是由于某些新工具和新技术的出现才使生物科学的研究不断深入。并不断地把生物技术研究从有机体的个体水平推向细胞水平，从细胞水平又向分子水平发展。
四生物技术研究概况
1. DNA的结构和功能
早在本世纪50年代，DNA的分子结构就明确了 · 但在40年代人们就已知道DNA这一长链分子普遍存在于所有的生物细胞之中。现在，人们又进一步知道遗传信息存在于组成DNA的核酸分子（碱基）的特定顺序之中，无论人类、动物、植物，还是微生物，都是由复杂的DNA分子决定和调节其遗传、结构和功能。也就是说，由DNA决定和调节所有的生命过程。
在生物细胞中，组成DNA的碱基所排列的特殊顺序作为合成RNA分子的一块模板，而RNA碱基的排列顺序又作为连结氨基酸分子形成蛋白质的密码。各种氨基酸连结在一起组成“链状”复合结构，其不同的连结次序又决定了所形成蛋白质的不同调节和结构功能。因此，不同基因所形成的蛋白质决定了不同头发的颜色、性别以及在很大程度上同时决定了每个人的智商，基因还决定每一种作物品种的产量潜力、动物的生长速度以及不同小麦的冬性或春性。
2. 核酸内切酶
到70年代底，科学家们发现了某些能够在DNA特定碱基位点上进行切割的蛋白质。这样的蛋白质目前正被科学家作为现代生物工程技术上很有价值的“新式武器”利用，这些蛋白质也称作为酶或更具体地命名为核酸内切酶。这类蛋白酶存在于某些细菌体内，其功能是通过分解入侵病原的DNA而达到自卫的目的。更重要的是这些蛋白酶能够在外源DNA的特定碱基位点上进行切割。在这一特性发现之前，这种细菌没有受到人们的注意。但是现在却是身价百倍。被专门用作为基因工程的重要工具而培养以取得内切酶。现在，应用这些内切酶已能够在DNA 300多个特定的、不同碱基位点上进行切割。因此，人类已能够分离某些特殊的基因片断供研究或转移到其他生物体中去。
3. 基因转移技术
如果想要改良一个小麦品种，习惯上人们选用不同的亲本应用性细胞（花粉细胞和卵细胞）结合的方法，再在后代个体当中选育新的交换型基因型，然而就今天的技术水平而言，生物工程已经能够从一个生物体分离出所需的基因并再把它载入另一个受体亲本特定的DNA位点上去，从而获得“重组型DNA”和新的基因在受体亲本上的表达。
遗传工程上的基因转移技术正在成为微生物研究领域的常用技术，同时也在逐步向高等动物和植物的细胞研究领域发展。与此比较，传统的育种手段由于基因的转育、重组具有很大的盲目性和后代的选育需要较长的时间，而显得十分欠缺。而且，传统的育种方法和有性繁殖一般只能在亲缘种内（亲和性限制）进行。而遗传工程技术就可突破这个限制，只要有所需的供体和受体DNA，遗传工程技术就能够使双方的基因按照人为的设计结合起来。这种亲和性可以扩大到种以及属内或种和属间，甚至扩大到整个生物界。
那么怎样把分离得到的基因或基因片断载入到受体细胞当中去并获得所需的产品或新的性状表达呢？虽然目的基因拼接到另一个生物体中去的成功实例大多尚在实验室阶段，但科学家们已有了一些叫做载体的“自然工具”，辅助人工技术，已经能够实现这一重大技术目标了。以下7种方法是常用的基因载体技术。
质粒 与具有核内DNA结构的高等动植物（真核生物）不同，原核生物（如细菌）的遗传信息仅存在于球形染色体中或更小的称作为质粒的环形DNA中。由于质粒能够被分离和修改，而且还能够自身复制和独立地从一个细胞转移到另一个细胞，已经被广泛地用来转移供体的基因到受体细胞中去的一个载体工具。
根癌农杆菌 利用根癌农杆菌的细菌作载体，不同DNA的片断已经被成功地载入到了植物细胞当中。人们早已知道这种细菌能够诱导寄主植物的根瘤生长，是通过它自身的致瘤DNA（类似于一种可转移质粒）进入寄主的DNA结构中去而引起寄主发生根瘤。现在已经有可能利用根癌农杆菌在培养基上携取所需的DNA片断，并把所需的片断带入植物细胞当中去。
逆转录病毒 遗传工程在动物研究领域应用逆转录病毒作为DNA片断的载体已经取得了很大的成功。这种病毒与其他的动物病毒一样具有在不同的寄主细胞内影响DNA的形成和转移DNA的功能。
噬菌体 当用细菌作为DNA片断的受体时，就用一种细菌病毒（噬菌体）作为片断的载体。这些病毒能够吸附在寄主体特定部位上并穿透细胞壁而进入内部释放自身的核酸，从而改变寄主细胞DNA的遗传密码和功能。
脂质体 利用脂质体也是一种传递DNA遗传片断的技术手段。它也能够融合并穿透细胞膜。脂质体可以人工合成和设计用于传递DNA给受体细胞。
原生质体融合 脱去细胞壁的植物细胞通过化学和电脉处理能够彼此结合。这些称为原生质体的无壁细胞聚合在一起，彼此间仅有微薄的细胞膜相隔。在电脉融合过程中，电脉冲打破细胞膜，使相邻细胞的内含物彼此渗透结合。其他取自于动物或某些细菌的无壁细胞当置于聚乙二醇培养基中时，也能诱导融合。通过提高各细胞膜的可亲和性，聚乙二醇培养基可诱导不同源细胞彼此结合成交换各自的遗传物质。加了钙的这种培养基也能够改变细胞膜的结构，并使所需的DNA片断发生交换。
显微操作 悬浊液中的DNA可以直接用微型注射器或透针机械地注射入受体细胞或细胞团中去，也可以在BNA改良培养基中由分裂细胞被动吸收。
4. 细胞培养及其全能性
现代生物技术的另一个重大发展是应用得越来越广泛的生物细胞培养和特殊细胞的培养提取有用的化合物。譬如在反应器内投入所需的养料和原材料，细胞就能把这些物质转化成为更有用途的产品。如此这般的生物加工技术长期以来一直在牛奶加工行业、酒精生产行业及其他有关化工行业上广泛应用。生物加工技术还在高质量产品生产行业，如抗生素、激素和营养品之类的生产领域中日益受到人们的重视和应用。为了使这一技术更加有效和安全，以及开发新型的生物产品，科学家们还在探索新的途径。
人类已经掌握了很多有关从单一细胞培养完整的植株后代的技术，细胞的这一功能称作为细胞的全能性。目前，这一技术还只能应用于某些植物种类，对动物可能还不能适用。例如，人类还不能够从自己的手指上取下 ~ 些细胞，置于某种培养基上而培养出一个完整的保持母体性状的新人。从单细胞培养个体最成功的例子一直是植物界的胡萝卜、马铃薯、西红柿、烟草和棉花。而用单子叶植物，如小麦、玉米及其他禾本科植物一直没有获得较大的进展，细胞全能性的意义不仅表现在细胞水平上的遗传变化能够人为控制，而且能使后代个体完整地保持其母体遗传功能。
5. 单克隆抗体
当一种病原或一种外源蛋白进入人体内时，就会引起人体内的免疫系统产生一种抗体来抵抗侵入物的危害或限制其不良影响。这种重要的自卫机制存在于大多数动物体内，不少植物也能出现一些抗性生理反应。
在老鼠和其他大多数动物中，脾细胞是产生特殊抗体的场所，当一个正常的脾细胞与患癌脾细胞（或骨髓瘤细胞）结合时，既有互相抵触的一面，也有彼此发生融合的一面。因此，融合后的杂种瘤细胞既保留了生产抗体的能力，也有癌细胞进一步扩展的可能。
多年的癌症研究还没有彻底解决治疗癌症的问题，但人们已经能够培养和分离癌细胞。今天，科学家们能在实验室内培养人或动物的各种癌细胞应用于试验研究。例如，从老鼠体内取得的骨髓瘤细胞已经培养成功。把这些细胞与具有抗体产生能力的脾细胞（或其他抗性细胞）融合后，就可以产生大量的具有特殊作用的抗体或其他所需的产物，通过选择和分离已经融合的并能产生某些所需抗体的细胞就可获得一个“单克隆抗体”的来源应用于研究、疾病的诊断、治疗以及其他用处。
五 生物技术在农业上的应用
不少新技术的出现大大促进了生物技术的发展，而生物技术日新月异的发展又促进了农业技术的不断革新。不少新型的生物技术正在美国农业生产中发挥重大的作用。以下11个方面集中反映了美国生物工程技术的实际应用水平。
1. 马铃薯种苗繁殖
在实验室内利用芽和茎秆组织繁育马铃薯幼苗大大缩短了种薯生产的时间，并保证了无病毒感染的环境条件，明显优越于传统的大田生产种薯的方法，利用这一技术繁育一个优良株系仅需2 ~ 4年就能大批应用于大田生产，相当于大田繁育的4 ~ 6年。
2. 胚胎分裂和移植
羔羊生产的一个新的研究目标将是促进优良母羊的多胎繁殖，其途径：一是用人为的方法使幼胎进行分裂；二是将良种母羊的授精卵原封不动地移植到其他母羊体内去。其结果前者可获得一批个体间遗传上彼此相同的来源于同一个分裂胚胎的后代。后者可获得具有良种母羊遗传性状的若干个体。而遗传上表现为同一性的后代对遗传研究有很大的价值，因为这些个体不表现随机遗传变异。
3. 原生质体融合
现在可以不用雌雄性细胞结合的办法，而是通过体细胞原生质体的融合把不同品系的马铃薯优良性状结合起来，不同供体的马铃薯叶肉组织经过酶化成为单一细胞，又通过酶的作用脱去细胞壁，当这些来源不同的原生质体聚合在一起的时候，通过电流脉冲振动使细胞膜破裂，导致相邻细胞的内含物彼此结合，结果引起细胞水平上的不同DNA的重组。那些能生长发育并具有全能性的杂合型体细胞在培养过程中不断繁殖和分化，最终成为新的马铃薯幼苗供田间试验鉴定。
4. 花药和愈伤组织培养
除了传统的通过花粉和卵细胞结合进行有性繁殖途径以外，另一条培育作物新品种的途径就是利用花粉和愈伤组织培养。例如爱达荷大学利用未成熟的小麦胚胎切口置于培养基上诱发形成未分化的细胞团块（这种细胞团块叫愈伤组织）。这类愈伤组织细胞正是由于改良小麦品种能够产生突变的所需中间产物。
在美国另一些实验室里，科学家则利用小麦和油菜的花粉进行培养，诱导分化成只有正常植株?DNA的花粉植株。这种单倍体植株通过化学处理恢复成为双倍体后便可进行各种新的遗传性状的鉴定试验。
也有的研究实验室用化学诱变处理油菜，诱导遗传变异，用这种方法也可以以改良油菜品种。
经过选择培养基培养的小麦品种可大大简化新品种鉴定手续，小麦的大多数栽培品种都可用单个细胞培养成与母体一致的新生植株，但这些小麦品种的培养细胞也都有可能通过显微操作而成为新的遗传物质的受体。
5. 木质素和淀粉的降解
木质素是所有植物的主要结构成分，也许是最难分解的植物残余部分。现在已发现一种特殊细菌能够使木质素分解成为更小更有周的产物，某些种类的细菌（如链霉菌属）现在已知能分解玉米的秸秆、麦草以及其他的植物残余成为有用的酚类化学物质和其他各种聚合物。这些化合物在生产凝胶体、粘合剂和树脂制品方面极为有用，也可以作为农用化学药品如农药、化肥有效成分的缓释剂或保护剂。
这项研究很有可能使目前大量的作物废物转化成为很有价值的营养和工业生产方面的宝贵化合物。
另一相似的技术是利用另一种细菌（链霉菌属杆菌）及某些酵母分解和改变淀粉的结构和性质，如马铃薯加工的下脚料转变成各氨基酸和其他有用的产品。
6. 疫苗生产
疫苗学家们正在研究某些病原的致病机制，以便能够人为合成或能使寄主动物在体内产生相应的免疫物质。病原细胞膜的片断、某些蛋白的亚单位或DNA片断，有时能够在动物的免疫系统内表现活力，而并不引起什么疫病，也没有什么不良反应。相反，传统的各种疫苗都含有小剂量的病原或者是杀死了的，或是弱化了的病原小种。但由于人工合成的疫苗安全可靠性大，具有更严格的专一性，而且生产方便、成本低，人们正在探索人工合成疫苗的有效途径。
7. 害虫防治
科学家正在研究某些病毒的基因组成以及鉴定其用作生物杀虫剂的价值。这些病毒能够进入很多种昆虫细胞内，并进行自身表达，病毒DNA与目标害虫DNA的结合并迅速产生一种致死反应，可望是研制新一代杀虫剂的关键所在。
防治害虫的另一条途径是利用一种叫Bti的细菌，这种细菌能在寄主昆虫体内产生一种使消化系统产生障碍的致死毒素。爱达荷大学的生物科学家正在用蚊子的若虫和成虫研究这种毒性反应。看来有可能把这个能产生毒性的基因直接导入农作物体内而产生抗虫性。
美国还有不少生物实验室正在评价昆虫的真菌病原作为生物防治害虫的实用价值。为了使真菌对害虫的毒性能够在土壤和水中更持久、更有效以及更适应于基因转移和培育无性系，科学家们正在诱导突变，以选择高效的突变体。研究人员也希望能够提高所需真菌的选择穿透性和对蚱蜢及其他目标害虫的有效性
8. 牛怀孕的测定
现已知道牛和羊怀胎后产生某些特殊的化合物 · 其中一种叫特殊B蛋白能够在母畜受精后20天内用相应单克隆抗体测定出来。而且比人工手摸子宫诊断法更正确和早得多。因此这一新方法作怀孕诊断，饲养者可更正确的把握牲畜的繁育情况，改进对种畜的饲养管理工作。
9. 生长激素
科学家们正在研究测定能够调节食用动物产奶量和肌肉细胞生长和分裂的自然生长激素的作用机理，当细胞分裂以及维持细胞生命活动的主要原因搞清楚后，作为基因转移到快速生长的微生物中去的产物，即有用生长激素便可人工制造。今天自然激素能够用来增加食用动物的产奶量和产肉量，而不引起副作用，已得到了广泛的证实。
10. 生物防治植物病害
植物病理学家正在用一种有机体克服另一种以限制植物病害的发生，当一种非致病的真菌在大田土壤中建立后，由病源引起的马铃薯黄萎病就可以通过微生物拮抗作用而加以控制。目前正在美国进行的研究是要分离和鉴定自然界中存在的或通过遗传工程改良具有更大抗病性的生物拮抗因子。
有一种细菌（黄杆菌属）已通过遗传工程技术的改造用来控制油菜、包心菜和其他十字花科黑腐病。这种细菌浸入寄主植物后并不引起危害，但能阻止其他同为黄杆菌属的毒注更大的病原菌侵入其寄主体内。
11. 单克隆抗体的应用
科学家们正利用活鼠和鼠骨髓瘤细胞的培养制取某些特殊用途单克隆抗体，广泛用于病源和病害诊断，已具有TCK黑粉菌污染的冬小麦种子，即便病菌含量极低，只要用抗TCK的单克隆抗体作标记，就可以测定出来。同样，应用单克隆抗体可以正确地鉴定引起十字花科黑腐病的细菌，以及为害水果、蔬菜和谷粮作物的炭疽病真菌。美国科学家还正在研制用于鉴定动物和其他植物病原的单克隆抗体。
[University of Idaho，Misc. Series第96期]