養分高效利用回交轉育玉米自交系研究簡報

楊 麟，朱永卉，何遠遠，何文鑄

(四川省農業科學院作物研究所，四川 成都 610066)

1 前言

化肥與農業可持續發展關系密切。如何在實現糧食穩產增產的基礎上做到合理使用化肥，提高肥料利用率，減少過量施用化肥帶來的負面效應和不良影響，是在人類生存與發展中需要解決好的資源與環境和諧發展的問題[1]。

中國是農業大國，也是化肥使用大國。據統計，1999年我國化肥施用量已達到4124萬t(純養分)，其中氮肥2181萬t，磷肥697萬t，鉀肥366萬t，復合肥880萬t。2002年，我國化肥用量達4339.4萬t，占當年世界化肥總消費量的30.7%，按單位播種面積計算，我國單位播種面積化肥用量為281kg/hm2，遠高于當年世界101kg/hm2的平均水平。隨著人口的增加，我國耕地面積不可能有較大增加的情況下，為了滿足增長的人口對各種農產品的需求，化肥需求還將逐步提高，到2030年我國化肥需求總量約為6600萬t[2]。肥料使用的高投入，關鍵是肥料利用效率低的問題。陳同斌[3]等研究認為，我國化肥施用量與化肥利用率存在區域差異，其中高施肥量地區為26.1%，中施肥量地區為33.2%，低施肥量地區為34.8%，隨著施肥量的增加，肥料利用率逐漸降低。朱兆良[4]等研究發現，小麥、水稻和玉米對氮肥的利用效率在28%～41%之間，較世界一般水平低15%～20%。水稻的磷肥利用率為8%～20%，平均為14%，小麥為6%～26%。我國鉀肥當季利用率高于磷、鉀肥，但也僅為50%左右[5]。從肥效(農學效率)來看，我國水稻、小麥和玉米的氮肥肥效總體低于世界平均水平。水稻上，世界平均達22kg/kg，我國僅9.8kg/kg，不足世界水平的一半，也低于南亞及東南亞6國的平均值(12kg/kg)和西非數國的平均值(17kg/kg)；小麥上，我國10省(區)的平均值為13kg/kg，低于世界平均水平(18kg/kg)；玉米的氮肥肥效也低于世界24kg/kg的平均值。由此可見低肥效的農業生產問題亟待解決[6]。另一方面，為追求更高的單位產量，農戶在面對過低的肥料利用率時通常會選擇加大肥料的施用量來保證產量。過量的肥料投入，直接導致了農業生產成本的大幅提高，種植效益下降；同時，由于肥料利用率低的問題長期存在，過量投入的氮(磷、鉀)肥直接導致了土壤板結、水系富營養化、土壤酸化及重金屬污染的發生，對生態環境帶來了巨大的影響，也危及到人類身體健康。為此，研究人員圍繞如何提高化肥利用效率，減少化肥投入，減少化肥施用帶來的不良影響進行了積極探索。隨著植物轉基因技術的快速發展以及對植物養分吸收利用分子機制研究的不斷深入，植物基因工程在提高作物養分利用效率方面發揮著越來越重要的作用[7]。目前，植物養分高效利用土壤養分分子機理主要包括在養肥缺失條件下，植物高效活化、轉運、吸收、利用土壤養肥的機理以及養分適量條件下養分代謝最大限度促進植物產量的機理[8]。植物養分高效吸收、利用促進產量提升的生物學過程受到包含多個關鍵基因及其互作基因網絡調控。通過基因工程方法，能夠將養分高效利用關鍵基因整合到各類作物，實現基因功能的協調改良與利用，可以培育出在中低養分水平下仍保持較高產量的作物品種，從而降低化肥施用量，實現養分利用效率的較大提升。本研究以轉養分高效利用基因玉米骨干系為材料，在不同養分梯度試驗下，對供試材料主要農藝、經濟性狀進行了分析與評價。

2 研究進展

以西南區骨干系C為輪回親本，經連續回交轉育獲得的含na、ms、df、df1、zm等養分高效利用基因回交材料5份(表1)，在養分池中進行高(100%N)、中(70%N)、低(0%N)氮處理，并對單株產量等性狀進行分析。

表1 氮高效利用轉基因玉米回交材料

2.1 主要農藝、經濟性狀方差分析

供試材料的單株產量、株高、穗位等農藝、經濟性狀在品種、施氮量及其互作間差異顯著，表明多個性狀受轉入基因調控后存在真實差異(表2)。

表2 骨干系C遺傳背景下養分高效轉基因自交系主要性狀方差分析

2.2 單株產量比較

單株產量多重比較結果表明(表3)：中氮處理下，單株產量變幅為31.4～74.3g。養分高效轉回交轉育材料均較野生型(CJ06)極顯著增產。低氮處理下，單株產量變幅為31.6～64.8g。其中，CJ02和CJ01較野生型對照顯著或極顯著增產。

表3 氮高效轉基因材料單株產量多重比較

3 討論

3.1 養分高效轉基因玉米自交系研究

過低的肥料利用率與過量的化肥投入，導致了農業生產成本的大幅增加，同時也導致了系列生態環境問題。利用轉基因技術研究在中、低養分水平下仍保持較高產量的作物品種，對降低化肥施用量，實現養分利用效率的較大提升有積極的意義。本研究發現，在中氮條件下，5個轉養分高效利用基因的單株產量較野生型對照增產極顯著；在低氮條件下，2個轉養分高效利用基因單株產量較野生型對照增產顯著，表明轉養分高效利用基因玉米骨干系在中氮、低氮施肥條件下具有減氮穩產潛力，在適度減氮(中氮處理)時效果更明顯。

3.2 轉基因技術的安全性與應用情況

轉基因技術是現代生物技術的典型代表之一，它是指利用DNA重組、轉化等技術將特定的外源目的基因轉移到受體生物中，并使之產生可預期的、定向的遺傳改變。自20世紀90年代中期轉基因作物商業化以來，全球轉基因生物產業發展迅速，轉基因技術已應用于農業、醫藥、工業等多個領域。相較于傳統育種，植物轉基因技術可以按照需要，將不同物種來源的目的基因進行人工重組和遺傳轉移，打破了物種間基因交流的界限；能夠克服遠緣雜交造成的不結實、不育，充分利用基因資源，縮短育種周期[9]。目前，轉基因技術在農業中的應用主要包括：①抗除草劑轉基因植物培育。②抗病毒、抗細菌、抗真菌轉基因植物培育。③抗蟲轉基因植物培育。④抗逆境轉基因植物培育。⑤改良品質的轉基因植物培育。⑥控制果實成熟的轉基因植物培育。⑦復合性狀轉基因植物培育。根據國際農業生物技術應用服務組織(ISAAA)報告，全球轉基因作物種植面積繼續攀升，2009年已達到1.34億hm2，是1996年170萬hm2的80倍。其中轉基因大豆、棉花、玉米和油菜分別占其總種植面積的77%，49%，26%和21%。全球種植轉基因作物的國家為25個，其中，美國、巴西、阿根廷種植面積位列前三[10-12]。

進入21世紀以來，中央“一號文件”明確提出要加強農業轉基因生物的研究、安全管理、科學普及。我國在轉基因作物品種研發上遵循“大膽研究，慎重推廣”的原則，在確保安全，自主創新的基礎上，力爭占領轉基因技術制高點。目前，我國已形成了一整套適合國情并與國際準則接軌的法律法規、技術規程和管理體系。如：建立了由多部委組成的國家農業轉基因生物安全管理的部際聯席會議制度；設立了農業轉基因生物安全管理辦公室，執行全國農業轉基因生物安全監管工作；成立了省、(區、直轄市)農業行政主管部門相應管理機構，負責各行政區域的農業轉基因生物和研發項目的安全監管工作；建設了一批轉基因生物安全檢驗測試機構，保障對轉基因生物進行監管的技術需求；制定并頒布了《農業轉基因生物安全管理條例》等系列法律法規，從研究試驗到生產、加工、經營和進出口及轉基因標識等環節規范了我國農業轉基因生物的安全管理。上述措施的嚴格執行確保了我國轉基因技術研究的健康發展和轉基因產品的安全應用。