植物轉(zhuǎn)基因育種概述

為了培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的作物新品種，需將一種植物的優(yōu)良遺傳性狀轉(zhuǎn)移到另一種植物體中。若采用傳統(tǒng)的雜交育種法進(jìn)行隨機(jī)篩選或通過組織培養(yǎng)、理化誘變、細(xì)胞融合等方法定向篩選優(yōu)良性狀培育新品種，其盲目性較大，篩選效率低，又有明顯的種屬界限而產(chǎn)生一定的生殖障礙，成功率不高。目前發(fā)展起來的植物基因工程技術(shù)則能有效地解決上述難題。通過特定目的基因的定向轉(zhuǎn)移，其遺傳變異頻率比自發(fā)突變高出102～104倍，選擇效率高，大大地避免了盲目性；又由于基因來源廣泛，打破了種屬界限，可以克服雜交育種過程中的生殖障礙，成功率提高。因此，植物基因工程技術(shù)已成為作物遺傳育種的有效新途徑，倍受重視。通過基因工程技術(shù)定向轉(zhuǎn)移基因后獲得的植物，稱為轉(zhuǎn)基因植物。

自1983年世界上首次成功獲得第一株轉(zhuǎn)基因植物以來，植物基因工程技術(shù)已廣泛應(yīng)用于作物品質(zhì)改良、抗病性、抗蟲性、抗病毒性、抗除草劑、雜種優(yōu)勢的利用等方面。迄今，全世界至少有300多種基因（性狀）用于轉(zhuǎn)化植物、微生物和動物。許多轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品已陸續(xù)投放全球市場，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 抗病毒轉(zhuǎn)基因植物

植物病毒病是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上最主要的病害之一，對我國的糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物及果樹蔬菜均造成嚴(yán)重危害，經(jīng)濟(jì)損失巨大，但迄今缺少有效的化學(xué)防治方法。目前人們已經(jīng)可以通過植物基因工程技術(shù)，獲得抗病毒轉(zhuǎn)基因植物，以控制植物病毒的危害。其原理是：

一是利用植物生物技術(shù)，將病毒外殼蛋白基因或衛(wèi)星RNA基因轉(zhuǎn)入到植物基因組中，并獲得轉(zhuǎn)基因植株。這些植株葉片細(xì)胞中就會有病毒外殼蛋白或衛(wèi)星RNA的表達(dá)和積累，就能夠抑制相應(yīng)的侵染病毒的RNA復(fù)制，從而可以減弱病毒病的癥狀或推遲病毒病發(fā)生時間，即具有一定的抗病毒能力。二是將病毒的反義RNA的相應(yīng)DNA序列重組到植物的基因組里，使其合成反義的RNA。當(dāng)植物被相應(yīng)的病毒感染時，病毒的mRNA就可能與植物細(xì)胞中合成、積累的病毒反義RNA結(jié)合而無法反向復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，從而控制病毒對植物的危害。

1.1 抗煙草花葉病毒的轉(zhuǎn)基因植物

煙草花葉病毒（TMV）是一種RNA病毒，由單鏈RNA及外殼蛋白組成。研究證明，TMV侵染植物后，其外殼蛋白具有抑制新侵染相應(yīng)病毒釋放mRNA的作用。目前已成功地將TMV外殼蛋白基因轉(zhuǎn)入到煙草細(xì)胞中，表達(dá)了病毒蛋白并對該病毒產(chǎn)生了抗性。

1.2 抗黃瓜花葉病毒轉(zhuǎn)基因植物

黃瓜花葉病毒（CMV）對農(nóng)作物危害極為嚴(yán)重，可侵染上千種植物。目前人們已成功地將CMV的衛(wèi)星RNA基因轉(zhuǎn)入到煙草、辣椒、甜瓜、番茄和矮牽牛等植物中，在植物體內(nèi)合成、累積的衛(wèi)星RNA，可以抑制相應(yīng)的病毒RNA的復(fù)制，能顯著減輕病毒的危害。

此外，人們還培育出了抗苜蓿花葉病毒（AMV）、抗煙草環(huán)斑病毒（TobRV）的轉(zhuǎn)基因植物，抗病毒效應(yīng)都非常顯著。

2 抗蟲轉(zhuǎn)基因植物

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上傳統(tǒng)的防治害蟲方法，主要是化學(xué)藥劑防治，有較好的效果，但污染環(huán)境。另外，人們利用蘇云金芽孢桿菌（Bt）毒蛋白制劑對害蟲進(jìn)行生物防治，有一定的效果，但不穩(wěn)定。現(xiàn)在人們采用植物基因工程技術(shù)將抗蟲基因轉(zhuǎn)到作物中，獲得抗蟲的轉(zhuǎn)基因植物，抗蟲效果顯著。目前轉(zhuǎn)移的抗蟲基因主要是從蘇云金芽孢桿菌中分離出來的毒蛋白基因，這些毒蛋白具有很強(qiáng)的殺蟲專一性，對部分有益昆蟲、動物及人類沒有毒害作用。其次是蛋白酶抑制劑基因，其殺蟲譜比較廣泛。

2.1 轉(zhuǎn)Bt毒蛋白基因植物

Bt毒蛋白是Bt在形成芽孢時產(chǎn)生的一種蛋白質(zhì)，可特異性地殺死鱗翅目昆蟲。這是因為它在昆蟲消化道內(nèi)的堿性條件下，降解成為活性多肽并造成昆蟲消化道損傷，從而導(dǎo)致昆蟲死亡。人們已經(jīng)克隆了編碼這些毒蛋白的基因，用基因重組技術(shù)構(gòu)建后，轉(zhuǎn)入到作物細(xì)胞基因組中，迄今已獲得了抗蟲的轉(zhuǎn)基因煙草、轉(zhuǎn)基因棉花、轉(zhuǎn)基因水稻等作物新品種。然而Bt毒蛋白殺蟲譜較窄，而Bt以色列變種毒蛋白則具有抗同翅目昆蟲的作用。最近，德國科學(xué)家還分離出了抗鞘翅目昆蟲Bt變株，從而擴(kuò)展了毒蛋白基因的應(yīng)用范圍。我國的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的研究和開發(fā)進(jìn)展迅速，是繼美國之后具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第二個國家，已審定10多個品種，累計推廣種植面積達(dá)數(shù)百萬公頃，大大減少了化學(xué)農(nóng)藥使用量和農(nóng)藥中毒事故及環(huán)境污染，產(chǎn)生了良好的社會效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，同時還帶動了抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻、玉米、楊樹等生物技術(shù)產(chǎn)品的研究和開發(fā)。

2.2 轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因植物

近些年來，人們還從植物體內(nèi)分離出了一種防御害蟲危害的蛋白酶抑制劑——豇豆胰蛋白酶抑制劑（CpTⅠ）的基因，其表達(dá)產(chǎn)物被昆蟲吞食后，CpTI就會抑制昆蟲的消化酶，使其不能分解植物蛋白，從而影響昆蟲對作物的消化吸收，最終導(dǎo)致其死亡。目前，CpTI蛋白基因已被成功地轉(zhuǎn)入煙草，并使轉(zhuǎn)化植株獲得了抗鱗翅目、鞘翅目害蟲的能力，幾乎對所有的害蟲都有效，而對人、畜無害。國內(nèi)育種工作者將經(jīng)過改造的CpTⅠ蛋白基因?qū)肴惦s交稻恢復(fù)系，表現(xiàn)出對水稻害蟲的明顯抗性。因此，CpTⅠ比Bt毒蛋白的殺蟲譜要廣，更有應(yīng)用價值。目前應(yīng)用較多、抗蟲能力較好的植物蛋白酶抑制劑基因還有水稻巰基蛋白酶抑制劑基因和馬鈴薯蛋白酶抑制劑基因等。

3 抗真菌、細(xì)菌轉(zhuǎn)基因植物

真菌、細(xì)菌引起的植物病害，對農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)的危害是非常嚴(yán)重的。人們已開始從化學(xué)防治植物病害轉(zhuǎn)向了抗病基因工程的研究。目前已從植物材料中克隆到越來越多的優(yōu)良抗病基因，如玉米抗圓斑病基因、番茄抗葉霉病基因、水稻抗白葉枯病基因等。其中，水稻抗白葉枯病的基因Xa-21已成功地轉(zhuǎn)入水稻栽培品種中，配制了數(shù)十個抗白葉枯病雜交水稻新組合，抗性良好，正在全國推廣。真菌細(xì)胞壁中的幾丁質(zhì)可被幾丁質(zhì)酶所降解。美國科學(xué)家已從靈桿菌中分離出幾丁質(zhì)酶基因并轉(zhuǎn)入了煙草、番茄、馬鈴薯和萵苣中，并表達(dá)了抗真菌感染的能力。國內(nèi)育種工作者將近源野生簇毛麥的抗白粉病基因?qū)雰?yōu)質(zhì)小麥品種中，育成了抗白粉病的小麥新品種揚麥10號、揚麥11號，已推廣數(shù)十萬公頃。

4 抗除草劑轉(zhuǎn)基因植物

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用化學(xué)除草劑除草是極其重要的。然而，除草劑傷害農(nóng)作物的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，在繼續(xù)推廣使用除草劑時，人們就希望農(nóng)作物能具有抗除草劑的能力。現(xiàn)在利用植物基因工程技術(shù)，培育出了抗除草劑的轉(zhuǎn)基因植物。

抗除草劑轉(zhuǎn)基因植物的作用機(jī)制可以概括為以下幾個方面：能編碼分解除草劑的酶；抑制植物對除草劑的吸收；抑制除草劑對敏感的靶酶的破壞或擴(kuò)增會被除草劑破壞的酶。

4.1 抗草甘膦的轉(zhuǎn)基因作物

草甘膦是一種廣譜除草劑，已得到廣泛的應(yīng)用，但易傷害農(nóng)作物。目前，已采用基因工程技術(shù)將抗草甘膦基因轉(zhuǎn)入到煙草中，轉(zhuǎn)化植株獲得了抗草甘膦的能力。

4.2 抗膦絲菌素轉(zhuǎn)基因植物

膦絲菌素（PPT）是一種非選擇性的除草劑，是植物谷氨酰胺合成酶（GS）的抑制劑。PPT通過抑制GS的酶活性，引起植物體內(nèi)氨的迅速積累，發(fā)生氨中毒，導(dǎo)致植物死亡。現(xiàn)在已從一種鏈霉菌中分離得到抗二丙膦（含有PPT的三肽）的bar基因，該基因編碼的產(chǎn)物PAT，在轉(zhuǎn)基因煙草、棉花、馬鈴薯和番茄的細(xì)胞內(nèi)得到了表達(dá)，PAT通過對PPT和抗二丙膦的乙酰化，而使其失去了抑制GS活性的能力，使得轉(zhuǎn)基因植物都獲得了對除草劑PPT的抗性，而且抗性都能遺傳給下一代。

5 耐儲藏轉(zhuǎn)基因番茄

番茄是世界上最主要的蔬菜之一，栽培面積大，產(chǎn)量高，營養(yǎng)豐富，但在番茄果實采收后，在運輸和儲藏過程中損失很嚴(yán)重，在一些國家，損失率高達(dá)40％～60％。1984年，美國利用植物基因工程技術(shù)在世界上首次培育成耐儲藏的轉(zhuǎn)基因番茄，其貨架期長達(dá)152 d，年銷售量達(dá)3～5億美元。這種耐儲藏番茄是利用番茄果皮細(xì)胞壁中分解果膠的多聚半乳糖醛酸酶的基因的反義基因而育成的。該轉(zhuǎn)基因番茄品種果實成熟緩慢，果實中的營養(yǎng)成分、品質(zhì)、風(fēng)味與基因轉(zhuǎn)化之前的品種是一樣的，而果實硬度增大，軟化緩慢，耐儲藏，加工性能好。在國內(nèi)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)葉志彪等人利用番茄果實成熟酶基因，即乙烯形成酶基因進(jìn)行了基因的克隆、反向亞克隆和遺傳轉(zhuǎn)化工作，育成了乙烯形成酶反義轉(zhuǎn)基因番茄品系。由于這些反義基因降低了乙烯形成酶蛋白的生成量，酶的活性降低，導(dǎo)致促進(jìn)果實成熟的乙烯釋放量大大減少，從而達(dá)到了延緩番茄果實成熟的目的。研究人員再將轉(zhuǎn)基因番茄品系與普通的番茄栽培優(yōu)良品種雜交，便選出了耐儲藏、產(chǎn)量高、品質(zhì)好的雜種一代轉(zhuǎn)基因番茄品種。它是我國第一個被批準(zhǔn)進(jìn)行商品化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因植物，安全性好，在室溫（15 ℃～35 ℃）下儲藏56 d，好果率達(dá)70％以上。

6 雄性不育的植物

植物雄性不育及雜種優(yōu)勢利用，已成為世界上糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物提高產(chǎn)量、改良品質(zhì)的一條重要途徑。雄性不育植株在雜交育種上有著十分重要的位置，水稻專家袁隆平院士正是利用野敗型雄性不育系，建立了水稻三系育種體系，大力發(fā)展雜交水稻，創(chuàng)造了世界奇跡。隨著植物雄性不育研究的不斷深入，研究技術(shù)也不斷改進(jìn)，產(chǎn)生可遺傳的不育性狀的技術(shù)方法很多，主要有：植物基因工程技術(shù)、遠(yuǎn)緣雜交核置換技術(shù)、組織培養(yǎng)技術(shù)、體細(xì)胞雜交（細(xì)胞融合）、體細(xì)胞誘變、輻射誘變技術(shù)等。目前，人們利用植物基因工程技術(shù)已經(jīng)創(chuàng)造了一批不育系，其中最典型的例子是在油菜和煙草上的應(yīng)用。研究工作者從一種芽孢桿菌中分離出一種RNA酶基因，該基因編碼的酶可降解高等植物細(xì)胞內(nèi)的RNA，從而阻止蛋白質(zhì)的生物合成，破壞細(xì)胞的生理功能。將RNA酶基因與一個只在花粉發(fā)育過程中絨粘層時期才能打開的啟動子TA29連接構(gòu)建成重組子，通過Ti質(zhì)粒和根癌農(nóng)桿菌的方法轉(zhuǎn)入油菜和煙草形成轉(zhuǎn)基因植株后，轉(zhuǎn)化植株在花粉發(fā)育過程中絨粘層時期RNA酶基因表達(dá)，其產(chǎn)物可降解花粉中的RNA，導(dǎo)致花粉敗育而成為雄性不育株。

利用植物基因工程技術(shù)創(chuàng)造雄性不育植株的另外一種方法是所謂的反義技術(shù)，即根據(jù)編碼正常蛋白質(zhì)的基因程序，設(shè)計與之相對應(yīng)的能轉(zhuǎn)錄出反義RNA鏈的反義DNA，將其轉(zhuǎn)入植物細(xì)胞中后所產(chǎn)生的反義RNA鏈，就會根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原理與mRNA鏈結(jié)合成雙鏈，從而使正常的mRNA無法和核糖體結(jié)合，導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物合成受阻，而最終成為雄性不育株。國內(nèi)外已在擬南芥、油菜、玉米等植物上創(chuàng)造出相應(yīng)的雄性不育系，并得到了廣泛的應(yīng)用。

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