基因技術對農作物抗病的意義和展望

摘要 基因技術的飛速發展及其在農作物病理學中的廣泛應用，為農作物抗病基因和病原菌無毒基因的克隆奠定了基礎。近40個農作物抗病基因和30多個病原菌無毒基因的克隆及其結構與功能的明確，有利于深入研究病原菌與寄主之間的相互作用關系，制定更為有效的農作物病害防治措施。主要論述基因技術對于農作物抗病的原理、意義和前景展望。

關鍵詞 基因技術；無毒基因；農作物抗病；前景展望

中圖分類號 S43 文獻標識碼 A 文章編號 1671-489X（2008）18-0064-02

農作物病害給人類帶來嚴重的危害，人類與農作物病害的斗爭貫穿于農業的發展與進步之中。興起于20世紀初期的經典遺傳學使人們能夠通過雜交育種成功地培育出新抗病品種，大幅度地提高糧食產量。近年來，分子生物學理論和技術的不斷發展完善，使人們不但能夠從分子水平上進一步研究農作物與病原菌的相互作用機制，而且還可以通過基因技術這一現代生物技術直接、快速和高效地培育抗病作物品種。

1 農作物抗病基因技術的原理

農作物抗病基因技術指的是用遺傳轉化的手段提高農作物的抗病能力，獲得轉基因農作物的方法。農作物抗病基因技術主要內容是：進行抗病基因及其他相關基因的分離和復制；與合適的載體及標記基因構成適合于轉化的重組質粒；用不同的轉化方法向受體作物導人重組質粒；篩選轉化植株并鑒定轉基因植株。除此之外，另一種獲得抗病轉基因農作物的方法是，將具有抗病能力的農作物的DNA直接導入受體作物，篩選出后代中具有抗病能力的植株，經過穩定得到轉基因抗病后代。

2 用于農作物抗病基因技術的目的基因

2.1 農作物抗病基因一般的抗病基因是指包含在主體內能識別病原特性并激發抗病反應的基因，它與病原菌的無毒基因互補。編碼胞外和胞內兩種類型的受體蛋白，是抗病反應信號轉導鏈的起始組份，當與病原菌的無毒基因直接或間接編碼產物互補結合后，啟動并傳導信號，激發如過敏反應和系統獲得抗性的抗病反應。

2.2 病原體無毒基因目前，無毒基因在農作物抗病基因技術上的實際應用遠比農作物本身的抗病基因廣，且有良好的應用前景，因此對無毒基因的克隆具有重要的意義。

2.3 農作物防衛反應基因農作物的防衛機制極其復雜，包括水解酶和病程相關蛋白 (PR蛋白) 的產生、農作物保衛素的合成和積累、細胞壁的木質化作用以及富含輕脯氨酸糖蛋白在細胞壁的積累等許多方面。主要是農作物產生的水解酶和PR蛋白，包括幾丁質酶基因和葡聚糖酶基因、溶菌酶基因、抗菌蛋白基因等等。

2.4 降解或抑制病原物致病因子的基因在病原菌侵染致病過程中，病原菌產生的細胞壁降解酶和致病毒素起重要作用。例如，多聚半乳糖酸酶是一種細胞壁降解酶，在一些雙子葉農作物中發現有多聚半乳糖酸酶抑制蛋白，該蛋白能有效地抑制農作物病原菌的 PG 活性，提高農作物的抗病能力。菜豆和梨的多聚半乳糖酸酶抑制蛋白基因已被分離克隆，正在進行轉基因研究。

3 農作物抗病基因的轉化方法

自1983年第一例轉基因農作物獲得成功以來，科學家們設計發明了多種轉化方法用于農作物的基因轉化。在成功的例子中占80％的是農桿菌介導的基因轉移法，另外，基因槍法也是主要的轉化方法。隨著研究的深入，其他的轉化方法不斷涌現，有多種方法成功地得到了轉基因植株，并且各具特點。

3.1.農桿菌介導法根癌農桿菌和發根農桿菌屬革蘭氏陰性菌，對雙子葉農作物侵染廣泛，在某些條件下對單子葉農作物也有一定的感染性。根癌農桿菌含有Ti質粒，Ti質粒上的T-DNA可以插入到農作物基因組中，誘導在宿主農作物中瘤狀物的形成。因此，將外源目的基因插入到T-DNA 中，借助Ti質粒的載體作用，使目的基因在宿主農作物中整合、表達。農桿菌介導法又可根據其受體材料不同分為原生質體共培養法、葉盤法和創傷農作物感染法，其中葉盤法在許多農作物上得到廣泛應用[1]。

3.2 基因槍法該方法是美國康奈爾大學的J.C.Sanford教授在1987年發明的。基因槍法又稱微彈法、粒子轟擊法等，是利用放電加速的金屬粒子攜帶外源DNA打入農作物細胞或組織中進行基因轉移的一種方法。基因槍法突破了基因轉移的物種界限，操作對象可以是完整的細胞或組織，也不必制備原生質體，實驗步驟比較簡單易行，具有相當廣泛的應用范圍。

3.3 其他方法1）離子束介導法，是利用離子束對細胞壁的濺射和刻蝕作用，在細胞表面形成許多微孔道，為外源基因進入細胞提供路徑。2）脂質體法，用人工合成的脂類化學物質，將DNA包裹成球體，通過農作物原生質體的吞噬或融合作用把DNA轉入受體細胞。3）激光微束法，利用激光微束精確的定向性和損傷小的特點，將激光聚焦成微米級的微束去照射細胞，在細胞膜上可形成能自我愈合的微孔，使外源DNA易進入細胞實現基因的轉移。4）超聲波法，利用低聲強脈沖超聲波的物理作用，擊穿細胞膜造成通道，使外源DNA進入細胞[2]。

4 農作物抗病基因技術的重要意義

農作物基因技術是細胞水平和分子水平上的遺傳操作，其最大優點是能最大限度地利用人們所感興趣的外源基因以及使工作更具目的性，給農作物抗病育種提供一條十分有效和有用的途徑。在抗病育種方面，科學家可以通過基因技術將抗病毒、抗細菌和抗真菌的基因引入農作物中，從而提高農作物的抗病性。而且，用轉基因的方法比常規的雜交育種方法，在育種周期上要縮短3～4年，展示了農作物抗病基因技術在育種上的應用前景。

5 基因技術在農作物抗病方面的應用前景

基因技術主要是通過遺傳圖譜為基礎的圖位克隆技術獲得的。除此之外，基因技術克隆技術又有創新，分析各個基因在不同時空的表達方面也顯示出巨大的應用潛能[3]。其中創新包括：通過研究缺失突變體的表型分離基因，如核DNA消減法；從大的基因組區域直接分離編碼序列，如cDNA文庫差示篩選法和cDNA捕捉法；以mRNA為起始材料的表型克隆法，如通過研究mRNA差異表達篩選克隆基因；應用DNA芯片（DNA chip）技術篩選新的基因。

對農作物抗病相關基因及其作用機制的深入了解，將有助于促進農作物抗病分子育種的發展，從而最終達到控制病害發生、保障農業安全生產的目的。利用已克隆的農作物抗病基因及病原菌的無毒基因進行遺傳轉化，是提高農作物對病原菌抗性的一條有效途徑。通過農桿菌介導法或基因槍法進行遺傳操作，已獲得一批抗病轉基因植株，有的還通過了安全性試驗，開始商品化生產，展現出美好的前景。

總之，隨著基因技術的進一步發展和完善，特別是目前人類基因草圖已經繪制成功，一旦人類遺傳密碼全部破譯，則基因技術在植物學中的應用將更加廣泛，并將產生更多更顯著的成果，從而推動農業科學的發展。

參考文獻

[1]張思仲.人類基因組的單核苷酸多態性及其醫學應用[J].中華醫學遺傳學雜志，1999(6)

[2]張祥喜.植物抗病相關基因研究進展[J].中華醫學遺傳學雜志，2004(8)

[3]庫爾特#8226;拜爾茨.基因倫理學[M].馬懷琪，譯.北京:華夏出版社，2001