植物基因是如何轉移的？

冬雪

把一種外源性基因轉移到另一種原來并不含這種基因的生物體內是基因的拼接和重組，也就是轉基因，這種技術是基因工程的一種形式。目前的轉基因主要分為對植物基因和對動物基因的轉移兩大類。本文描述的是植物轉基因。

轉移植物基因的兩種方法

一種或多種外源性基因是如何轉入另一種植物（作物）體內的呢？可以用一種通俗的比喻來解釋。

例如，人類社會是由無數個家庭組成的，每個家庭都有固定的家庭成員，除了血緣的緊密紐帶關系外，還有經濟和其他的關系把家庭成員固定在一起，家庭成員不會輕易分離，同時一個家庭也不會讓陌生人進入。一旦有另一名成員進入一個穩定的家庭，除非是特別親近的親屬關系或收養關系，都會受到這個家庭成員的排斥，不可能被這個家庭接受，所以被稱為“第三者”。

一種植物體內的染色體（DNA）中的基因也是固定的，輕易不能分開和分解，一個或幾個外源性基因就是第三者，一般是不會被一種受體植物所接受的，如果受體植物發現了外源性基因，就會用自身的武器，如DNA酶來降解（殺滅）外來基因。因此，為了有效轉移外源性基因，如將外源性的抗蟲基因——蘇云金桿菌殺蟲晶體蛋白基因（Bt基因）轉移到棉花中，就得采取兩種辦法。一種是載體轉移（包裝法或間接法）；另一種是直接轉移，或強行轉移。

用載體作為媒介進行基因轉移就是將目標基因連接或包裹于某一載體DNA中，載體通常是微生物，然后通過載體感染受體植物，將外源性基因轉入植物細胞。直接轉移是利用植物細胞生物學特性，通過物理、化學和生物學方法將外源性基因轉入植物細胞。

所以，前一種方法是包裝法，也是一種蒙蔽或欺騙方法；后一種方法是強硬的，有一點像陌生人或強盜強行闖入別人的家庭，并登堂入室，占據主要位置，或者說反客為主。

載體轉移

載體轉移又稱為農桿菌載體轉移。20世紀70年代末80年代初，研究人員發現，野生型Ri（根誘導）和Ti（瘤誘導）質粒可以轉化煙草和馬鈴薯細胞獲得再生植株，此后，以Ti質粒為載體的植物轉基因技術逐漸得到應用。今天，農桿菌介導的轉基因法是最主要的一種載體轉移方法。利用經過改造的農桿菌Ti和Ri質粒為載體可以高效地轉移外源性基因。

農桿菌是一種在土壤中生活的微生物，分為根癌農桿菌和發根農桿菌，它們的細胞中分別含有Ti質粒和Ri質粒。根癌農桿菌中的Ti質粒可以轉化植物細胞而產生冠梁瘤，發根農桿菌的Ri質粒可以侵染雙子葉植物而產生大量的不定根（或稱之為毛狀根）。

無論是Ti質粒還是Ri質粒，其上有一段轉移DNA（T-DNA），農桿菌通過侵染植物傷口進入細胞后，可將轉移DNA插入到植物基因組中，并且可以通過減數分裂穩定地遺傳給后代，這就讓農桿菌可以把一種或多種外源性基因轉移到某種受體植物中。

最初研究人員發現，當植物受到損傷時，傷口處的細胞會分泌大量的酚類化合物，因而吸引農桿菌移向這些細胞，這時農桿菌中Ti質粒上的轉移DNA轉移到受傷的植物細胞（受體細胞），并且整合到受體細胞染色體的DNA中。在自然條件下農桿菌只是感染雙子葉植物和裸子植物，對大多數單子葉植物沒有感染能力。

因此，如果將一段目標基因（外源性基因）插入到Ti質粒的轉移DNA上，通過農桿菌的轉化作用，就可以使目標基因進入受體植物細胞，并將其插入到受體植物細胞的染色體中，使目標基因的遺傳特性得以穩定維持和表達。抗蟲的Bt基因就是這樣被轉移到棉花或玉米中的。當然，農桿菌介導法起初只用于雙子葉植物的基因轉移，但是，近年來隨著基因工程技術的發展，農桿菌介導的轉基因也在一些單子葉植物，尤其是水稻中得到廣泛應用。

利用載體對植物進行外源性基因的具體轉移過程如下：

一是獲取目標基因，即在目標基因被克隆后，用限制性核酸內切酶切割下目標基因。

二是把目標基因與載體相連（構建載體），即用DNA連接酶將目標基因與載體（大多數選用質粒）連接起來。

三是將目標基因導入載體細胞，即把含目標基因的重組質粒導入農桿菌細胞。

四是對目標基因進行檢測與鑒定，用DNA分子雜交技術和抗原-抗體雜交技術進行個體生物學水平鑒定，以確定農桿菌細胞中是否包含目標基因。

五是將成功表達外源性基因的農桿菌細胞導入受體植物（如棉花）內，然后再對受體植物進行目標基因的生物學鑒定，如果受體植物中有目標基因的表達，說明轉基因獲得成功。

目前，利用農桿菌載體進行外源性基因的轉移是采用得最多的植物轉基因方法。當然，除了Ti質粒和Ri質粒為載體的基因轉移外，還可以用脂質體為載體進行基因轉移。脂質體是由磷脂組成的膜狀結構，因此可將目標基因包裝在脂質體內以避免受體植物細胞中的DNA酶將目標基因降解，從而保證目標基因轉入到受體植物的細胞中。

所以，無論是利用農桿菌載體進行轉基因，還是利用脂質體為載體進行轉基因，都是通過包裝的方法進行基因的轉移，也能避免受體植物中的DNA酶排斥外源性基因。

直接轉移

把外源性基因直接轉移到另一種植物中也是一種強行轉移。這正如陌生人要進入一戶人家，沒有鑰匙進不了門，沒有經過主人允許和開門也進不了門。但是，還有一種方法能進門，即強行入門，強行的方法就包括，撬掉門鎖、敲碎窗戶以及翻墻進入等。外源性基因的直接轉移就是如此。

直接轉移一種外源性基因到受體植物中也有多種方法，包括電穿孔法、基因槍法和微注射法（子房注射法）等。

1.電穿孔法

電穿孔法指的是，細胞在外加高壓電脈沖電場的作用下，細胞膜表面產生疏水或親水的105～115微米微小通道，這種通道能維持幾毫秒到幾秒，然后自行恢復。在此期間生物大分子如基因片段可通過這種微小的通道進入細胞，因此能把外源性基因轉入受體植物體內。

現在，這種方法已較廣泛地應用于單子葉和雙子葉植物的基因轉移，同時也應用于動物的基因轉移。早在1995年，美國農業部研究所就用這種方法把兩種著色劑——錐蟲藍和熒光素二乙酸鹽直接轉入到大豆、紫花苜蓿、煙草3種植物的細胞中，并獲得高水平的基因表達。到了20世紀80年代末，研究人員也用電穿孔法將新霉素磷酸轉移酶基因轉入玉米自交系的原生質體，從而生成植株。此后，抗草甘膦除草劑的轉基因大豆、棉花、玉米和油菜等也相繼問世并獲得廣泛種植，方法也是采用電穿孔法。endprint

現在，抗草甘膦除草劑的轉基因作物已成為全球播種面積最大的轉基因作物。草甘膦殺死雜草的原理在于競爭性抑制植物葉綠體或者質體中的5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶（EPSPS），這種酶是多種植物和雜草所共同擁有的。通過轉基因的方法，讓受體作物如棉花、玉米、大豆產生更多的EPSPS，就能抵抗草甘膦，從而讓作物不被草甘膦除草劑殺死。有了這樣的轉基因棉花、玉米和大豆，農民就不必使用多種除草劑，只需使用草甘膦一種除草劑就能殺死多種雜草。

2.基因槍法

基因槍法又稱粒子轟擊技術，是用粒子槍把表面吸附有外源性基因的金屬微粒高速地射進植物細胞或組織。由于根癌農桿菌僅對某些雙子葉植物敏感，而對多數單子葉植物不敏感，從而限制了根癌農桿菌Ti質粒介導法（農桿菌載體）轉移基因。但基因槍法不受宿主限制，宿主既可以是雙子葉植物，也可以是單子葉植物，它們也即受體植物。

基因槍法可控度高，同時不需要去除受體植物細胞的細胞壁，被轉化的細胞或組織容易再生成植株。基因槍轟擊過程中可根據需要將射彈射入特定層次（位置）的細胞，有利于提高轉化效率。基因槍法操作簡單、迅速，但費用較高。基因槍法主要用于轉移植物基因，也可用于對動物、微生物等的基因轉移。

現在利用基因槍法轉基因技術獲得的轉基因園藝植物較少，只有楊樹、云杉等，而獲得的轉基因水稻、玉米、煙草、大豆、木薯等作物較多。基因槍法現在還存在轉化效率低、外源性基因向植物中插入不夠精確和穩定性不高等缺點。

3.子房注射法

子房注射法也稱微注射法。子房是被子植物生長種子的器官，位于花的雌蕊下面，一般略為膨大。子房里面有胚珠，胚珠受精后可以發育為種子。子房由子房壁和胚珠組成。當傳粉受精后，子房發育成果實。子房壁最后發育成果皮，包裹種子，有的種類形成果肉，如桃、蘋果等。

子房注射法就是使用微注射針或顯微注射儀將外源性基因注入處于減數分裂期的受體植物的子房中，借助子房產生的壓力和卵細胞產生的吸收力，外源性基因可進入受精的卵細胞中，借助合子胚旺盛分裂過程中基因組的復制、重組、缺失或易位等現象，外源性基因被隨機整合到受體作物的染色體上。

20世紀90年代，一些Bt轉基因玉米就是用子房注射法進行轉基因的，這種轉基因玉米可以抗御玉米螟的啃食。目前，子房注射法成功用于玉米、甜瓜和黃瓜等農作物的轉基因育種。

子房注射法的步驟是，制備目標基因；根據受體植物受精后其子房的變化特點，確定最佳時間進行外源性基因注射或將離體的受精子房進行外源性基因注射，再對該離體子房進行培養；轉化種子及對后代的外源性基因和其表達產物進行分子檢測。

子房注射法無需組織培養過程，操作過程簡單、便捷，但田間轉化過程的工作量大。轉化過程中，子房受到機械性傷害易導致轉化率和結實率低；易產生基因污染，而且該方法只能在授粉期進行，容易受季節和天氣等自然條件影響。由于后代群體規模較大，篩選過程工作量較大。

【責任編輯】張田勘endprint