转基因植物的研究与开发利用

        转基因植物是指利用重组DNA技术将克隆的优良目的基因导入植物细胞或组织，并在其中进行表达，从而获得新性状的植物。这一技术克服了植物有性杂交的限制，使基因交流的范围无限扩大，可将从细菌、病毒、动物、远缘植物、人类甚至人工合成的基因导入植物，所以其应用前景十分广阔。从1983年，世界第一例转基因植物(Genetically  Modified  Plant，GMP)——烟草问世以来，转基因植物产生至今仅20年时间，但其研究和应用得到了非常迅猛的发展。1996～2005年，全世界转基因植物在21个国家种植，面积从1996年的170万公顷增加到2005年的9  000万公顷，增加了50倍之多。全世界转基因作物仅种子销售额到2005年已达52．5亿美元，是1995年的63倍。尽管与之相伴的转基因植物安全性问题与公众态度、贸易中的技术壁垒及伦理、宗教等复杂因素交织为一个科技含量很高的政治、经济问题，成为了国际、国内普遍关注的焦点和热点，但转基因植物辉煌的发展前景是不容置疑的。

1转基因植物的研究进展

1．1    目的基因的类型

        获得有用的目的基因是基因工程的基本前提。近几年来，应用于植物的外源基因已包括抗病毒、抗虫、抗除草剂、改变蛋白质成分含量、雄性不育、改变花色和花形、延长保鲜期等，并将这些基因分别转入烟草、马铃薯、棉花、番茄、大豆、玉米、油菜、苜蓿、矮牵牛等植物。迄今为止，全世界已分离出植物目的基因100余个，获得转基因植物近200种，已有近1  000例转基因植物被批准进入田问试验，涉及的植物物种有50余个，已批准了48个转基因植物品种进行商业化生产，转入的基因有以下几大类型。

1．1．1    抗除草剂基因

        该类植物由于转入了抗除草剂基因，表现出抗不同类型除草剂的性状。目前已获得了一些抗除草剂作物，如抗草丁膦(Glufosinate)转基因作物冬油菜，抗草甘膦(农达)转基因作物大豆、玉米、棉花、油菜、向日葵、甜菜，抗磺酰脲类除草剂转基因作物大豆、棉花，抗溴苯腈转基因作物油菜、小麦、棉花、烟草，抗阿特拉津(Atrazine)转基因作物大豆、玉米n]，抗唑啉酮类除草剂转基因作物玉米、油菜、甜菜、小麦、水稻以及脱卤素酶转基因抗除草剂作物。此外，解溴苯腈毒害的BXn基因和解2，4一D毒害的tfDA基因等也在抗除草剂作物选育中获得成功的表达。

1．1．2抗虫基因

        比利时植物遗传公司的科学家于1987年首次将苏云金杆菌(Bacillus  thunringiensis)毒蛋白基因导入烟草中得以表达，表现出对一龄烟草夜蛾幼虫的抗性。经过10多年的发展，已取得较大的进展，并实现了大面积的商业化应用。抗虫基因有两类：一类是Bt杀虫蛋白基因，来自苏云金芽孢杆菌，杀虫毒性为伴孢晶体蛋白，对鳞翅目(Lepidoptera)、双翅目(Diptera)和鞘翅目(Coleoptera)昆虫有毒，现已导入棉花、玉米、水稻、烟草、番茄、马铃薯、胡桃(Juglans  sp．)、杨树(Populus  sp．)、落叶松(Larix  sp．)等；另一类是蛋白酶抑制剂基因，可抑制蛋白酶活性，干扰害虫消化作用而导致其死亡，是植物对虫害的自卫反应，主要有丝氨酸类、半胱氨酸类、含金属类、天冬酷氨类，现已导入棉花、烟草、番茄、龙葵(Solanum  nigrum)等。根据转化所使用的基因类型，大体可以将抗虫转基因植物的发展过程分为两代：第1代即以转入Bt杀虫晶体蛋白基因为主，其产生的许多转基因作物都已进入商品化生产，如获得Bt杀虫晶体蛋白基因的烟草和番茄植株；第2代则转入Bt杀虫晶体蛋白基因之外的高效杀虫蛋白基因，这一代转基因作物大部分还处在实验室阶段，少数进入田间试验。抗虫基因在棉花作物上得到了最成功的应用，获得转基因抗虫棉的Bt基因已见诸报道的有CrylA(b)，  CrylA(c)，CrylIA和CrylVA；涉及的国家有美国、中国、澳大利亚、埃及、法国、印度、原苏联、泰国等。目前已获得转化植株的蛋白酶抑制剂基因有：大豆胰蛋白酶抑制剂基因(SKTI)、豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)、慈菇胰蛋白酶抑制剂基因(API)等几类；其中获得转  CpTI基因的植物种类最多，有苹果、油菜、水稻、番茄、向日葵、甘薯、烟草、马铃薯等10余种。我国转CpTI棉花的研究已开展多年，并先后获得了转CpTI基因和转  Bt+CpTI双价基因棉花，并开始了商业化生产。另外，外源凝集素基因(GNA)也至少在油菜、西红柿、水稻、甘薯、甘蔗、向日葵、烟草、马铃薯、大豆和葡萄等10种植物上获得了表达，均表现出一定的抗虫性。

1．1．3抗病基因

        1986年，美国Beachy研究小组首次将烟草花叶病毒(TMV)外壳蛋白基因(CP)导入烟草，培育出抗  TMV的烟草植株，开创了抗病毒育种的新途径。通过导入植物病毒的外壳蛋白基因来提高植物的抗病毒能力的技术，已在多种植物病毒中进行了试验，如梁小友等将抗病毒的CMV—f户基因和抗虫的B卜一toxin基因导入番茄，获得了再生的番茄植株。目前被导入的抗病基因有：抗烟草花叶病毒蛋白基因(MP)、抗白叶枯病基因、抗棉花枯萎病基因、抗烟草花叶病毒(TMV)和黄瓜花叶病毒(CMV)基因、小麦抗赤霉病、纹枯病和根腐病基因，并进行了抗水稻白叶枯病，花生、番茄青枯病，大白菜软腐病，柑橘溃疡病，桑树、桉树青枯病、根肿病等研究。获得转基因抗病性状的植物有：烟草、番茄、棉花、大麦、燕麦草、小麦、马铃薯、水稻等。除了外壳蛋白基因这一有效途径外，近年来国内外实验室正在摸索多种抗病毒基因工程的新方法，包括卫星RNA、复制酶基因以及病毒复制抑制因子、核糖体失活蛋白、致病相关蛋白、核酸酶等。细菌病和真菌病的抗病基因工程研究基本上还处于实验室阶段。我国培育的转基因抗黄瓜花叶病毒甜椒和番茄已实现商品化生产。

1．1．4抗逆境基因

        目前已分离出大量与抗逆代谢相关的基因，包括与抗(耐)寒有关的脯氨酸合成酶基因、鱼抗冻蛋白(AFP)基因、拟南芥叶绿体3一磷酸甘油酰基转移酶基因、与抗旱有关的茧蜜糖合成酶基因及一些植物去饱和酶基因等。我国在抗逆基因的分离、克隆和转化等方面的研究已取得一定进展，克隆了耐盐碱相关基因，通过遗传转化已获得了耐1％NaCl的苜蓿(Medicago  sativa)，耐  O．8％NaCl的草莓，耐2％NaCl的烟草，抗逆基因工程作物已进入田间试验阶段。刘岩等获得了耐盐性明显提高的转基因玉米植株。张荃等获得了耐盐性提高的转基因番茄。

        新疆石河子大学生物工程部用花粉管通道法将芦苇和细菌的耐盐碱基因导入小麦，育成抗盐碱转基因小麦253，282，221等新品系，耐盐碱力明显加强。  Sakamoto等获得了两种耐盐性和耐寒性均提高的水稻转基因植株。Capell等利用CaMV35S启动子在水稻中过量表达Ade，在干旱胁迫下抑制了叶绿素的降解，提高了抗旱性。Steponkus等发现转入Corl5a的拟南芥的叶绿体和原生质体耐寒性提高。Mekersie等将从烟草中克隆的Mn—SOD的eDNA置于35S启动子下转入苜蓿，转基因苜蓿经两个冬季的田问试验比较，越冬成活率大于未转移植株，平均提高25％。美国用抗性基因工程技术，育成抗除草剂的大豆、抗冻的草莓等，已用于大田生产。美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，育成抗旱、抗瘠新品种。

1．1．5    改良品质基因

        品质改良主要涉及蛋白质的含量、氨基酸的组成、淀粉和其它多糖化合物以及脂类化合物的组成。富含蛋氨酸的转基因烟草、直链淀粉含量降低的转基因水稻、月桂酸含量高达40％的转基因油菜都相继成功，有的已进入大田试验。另外，延熟转基因番茄和改变花色转基因玫瑰也已J商品化。“金米的故事”(将水仙花的两个基因和一种细菌的一个基因一起植入一种名为T309的水稻中，获得一种水稻新品种。这样获得的新水稻富含铁元素、锌元素和可转化为维生素A的胡萝卜素，能防止贫血和维生素A缺乏症，大米又呈金黄色)告诉我们转基因技术改良大米品质，解决人类营养不良已成为可能。而我国学者将玉米醇溶蛋白(Zein)基因导人马铃薯后，田间转基因植物的块茎中必需氨基酸含量提高10％以上，而含硫氨基酸的增加尤为显著乜“。此外，富含蛋氨酸的转基因烟草、直链淀粉含量降低的转基因油菜都相继成功，有的已经进入大田试验，延熟转基因番茄和改变花色转基因玫瑰也已商品化。

另外，采用转基因技术抑制乙烯合成或促进细胞分裂素合成的抗早衰基因也已见诸报道。生物反应器生产中的转基因可用于生产口服疫苗、工业用酶、脂肪酸、基因药物等。其比较成功的例子就是利用转基因油菜生产非食用性工业用油，其中包括制造肥皂等去垢剂的十二碳月桂酸，同时转基因油菜还被用于生产润滑油和尼龙的原料芥酸以及用于麦淇淋制作的6一十八碳烯酸。此外，转基因植物还用于生产高分子材料如生物可以降解的聚羟丁酯塑料和天然棉花与聚酯的混合纤维等。在所有的目的基因中，诸如抗虫、抗病、抗除草剂等这些为减少投入的性状常被称为第一代转基因植物性状；而第二代转基因性状是指增加产出性状，如品质改良、加工增值、专用产品、医药保健等，消费者更易接受。

1．2    目的基因的转化方法

        转基因植物产生以来，各种基因遗传转化的方法也应运而生。迄今为止，已经建立了多套植物基因转化系统，它们特点各异，分别使用于不同的受体植物。正确选择转化系统也便成了实现某一植物基因转化成功的先决条件。

        目的基因的遗传转化是指将外源DNA通过载体、媒体或其他物理、化学方法导入植物细胞并得到整合和表达的过程。实现这一转化的途径称之为转化系统。外源DNA通过载体介导实现其转化的系统称之为基因载体转化系统。目前已经建立了十余种基因转化方法，按转化系统的原理，可以分为三大转化系统类型：

        (1)以质粒DNA等为载体的转化系统，如农杆菌法，迄今为止所获得的转基因植物中约80％是利用根癌农杆菌转化而来的。

        (2)不用任何载体，通过物理化学方法直接将外源基因导人受体细胞的直接转化系统，如微针注射法、基因枪法。

        (3)以植物自身的生殖系统种质细胞，如花粉粒或其它细胞等为媒体的转化系统，如花粉管通道法。

        现将常用的植物基因转化方法的特点列于表l。

2转基因植物的应用概况

2．1转基因植物的研究发展历程

        世界第一例转基因植物——烟草1983年在美国问世。1986年，首批转基因植物——抗虫和抗除草剂棉花进入田间试验。值得说明的是，1992年中国成为世界上第一个商品化种植的国家，开创了转基因植物商品化应用的先河；当时种植的是一种抗黄瓜花叶病毒和烟草花叶病毒双价转基因烟草。1993年，第一例转基因植物——延熟番茄获得美国农业部批准进入商业化生产种植。1994年，第一个转基因植物产品——延熟番茄“Flavr  Savr”获得美国食品与药物管理局(FDA)批准进入市场。自1983年起，在不到20年的时间里，植物基因工程的研究和开发进展十分迅速。

2．2全球转基因植物的应用概况

        从全球范围看，转基因植物商业化的成功应用集中在转基因农作物上，其种植面积和销售收入以倍数增长，发展迅猛。其概况如下： (责任编辑：泉水)

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