棉花转基因研究进展

棉花转基因研究进展Ξ刘冬青(山东省农业科学院棉花研究中心,山东济南250100) 摘　要:就棉花转Bt 基因、Bt +CPTI 双价基因、抗除草剂基因及品质改良基因等的研究进展进行了简要综述。

关键词:棉花;转基因;研究进展中图分类号:Q785　文献标识码:A 文章编号:1001-8581(2003)02-0039-04自1983年世界上第一例转基因植物烟草问世以来[1],抗虫、抗除草剂、抗病、抗逆及品质改良等转基因作物的研究与应用取得了很大进展。

据统计,至今全球转基因成功的植物已有35科120种植物[2],转基因作物的种植面积由1996年的170万hm 2猛增至2001年的5260万hm 2[3]。

在转基因棉花方面,国内外已先后育成抗虫、抗除草剂、品质改良等转基因棉花,2000年世界转基因棉花的种植面积高达530万hm 2[4]。

我国转基因棉花研究虽然起步较晚,但目前已取得了显著进展。

国内有关转基因棉花的报道多侧重于转Bt 基因抗虫棉,而转其他基因的报道相对较少。

现就棉花转基因的研究进展概述如下。

1　转Bt 基因抗虫棉1.1　转Bt 基因抗虫棉的抗虫机理1901年日本从病丝蚕幼虫中首次分离出苏云金芽孢杆菌(Bacillus thurigiensis )(简称Bt )基因。

利用生物技术将Bt 基因导入棉花植株后,外源Bt 基因可在棉花的每个细胞中合成一种叫做σ—内毒素的伴孢晶体,该晶体是一种蛋白晶体,完整的伴孢晶体并无毒性,但当被鳞翅目等敏感昆虫的幼虫吞食后,在其肠道碱性条件下,伴孢晶体能水解成毒性肽,并很快发生毒性。

当棉铃虫幼虫取食含有此蛋白的棉花组织后,会引起棉铃虫口腔和肠道麻痹,体液酸度失调,取食停止或减少,进而中肠系统迅速溃烂,肠壁细胞渐渐萎缩而导致中毒死亡或发育不良[5,6]。

1.2　转Bt 基因抗虫棉的研究与应用1987年,美国Agracetus 公司首次成功获得转Bt 基因的棉花植株,当时转Bt 基因棉的毒蛋白毒性较低,没有实际生产价值。

1990年M onsanto 公司将人工改造后的Bt 基因通过农杆菌介导法导入“珂字棉312”培育出抗虫531系,使Bt 基因在棉花体内的表达量明显提高,毒蛋白含量提高了近100倍[7]。

此后,岱字棉公司用531系做基因供体亲本,培育出“33B ”、“35B ”、“99B ”等“保铃棉”系列品种,于1995年在美国和澳大利亚投入商业化生产应用。

1997年开始在中国进行商业化生产,并迅速占据我国抗虫棉市场的半壁江山。

至2000年,仅“33B ”在黄河流域的推广面积累计就达133.3万hm 2[8]。

我国早在1991年就已有将外源Bt 基因导入棉株中的报道[9]。

1992年我国首次人工合成江西农业学报　2003,15(2):39～42Acta Agriculturae Jiangxi Ξ收稿日期:2002-12-11;修订日期:2003-04-14　作者简介:刘冬青(1963-),女,山东临清人,农艺师,从事棉花栽培和植保研究工作。

了拥有自主知识产权的CryIa 杀虫基因[10],并于1993年采用农杆菌介导法和外源基因胚珠直接注射法将其成功导入“中棉所12”、“泗棉3号”等主栽品种中,获得了抗棉铃虫的转基因棉花株系。

此后多家单位先后获得了不同的抗虫棉。

目前,已通过审定的转Bt 基因抗虫棉有“GK-1”、“GK-12”、“GK 19”、“中38”等11个品种[11]。

到2000年,我国转基因抗虫棉的种植面积达100万hm 2,2001年已达290万hm 2。

2　转Bt +CPTI 双价抗虫棉与单价抗虫基因相比,双价抗虫基因可成倍延长品种的抗性。

CPTI 是一种广谱杀虫蛋白,CPTI 基因可以产生胰蛋白酶抑制剂,使棉铃虫的蛋白酶失去活力,不能消化食物中的蛋白质,得不到充足的营养,导致发育不良,最终死亡。

通过Bt 基因与CPTI 基因的抗性互补和协同增效,使得棉花植株不同部位的抗虫效果趋于均匀一致,从而大大延缓或制止昆虫抗性的产生[12]。

中国农业科学院生物研究所将Bt +CPTI 双价抗虫基因利用花粉管通道法导入“石远321”,成功地培育出“SGK 321”双价基因抗虫棉[13],标志着我国转基因生物的研究进入了世界先进行列。

另外,我国已开始研究将外源凝聚素基因与CPTI 基因和Bt 基因结合,构建三价转基因抗虫棉品种的遗传转化工作。

此外,在直接导入外源抗虫基因的同时,还采用杂交转育获得了中国第一代抗虫杂交棉。

与常规抗虫棉相比,抗虫杂交棉具有生长势强、增产潜力大等特点,从而倍受山东、江苏、安徽等省棉农的青睐。

3　转抗除草剂基因棉花目前,应用基因工程技术培育抗除草剂作物主要有两种策略[14]:一是修饰除草剂作用的靶蛋白,使其对除草剂不敏感或促使其过量表达以使作物吸收除草剂后仍能正常代谢;二是引入降解除草剂的酶或酶系统,在除草剂发生作用前将其分解。

这两种策略都已成功地应用。

国外已先后获得了抗草甘膦、溴苯腈、2,4-D 转基因棉花[8]。

我国在这方面也取得了长足的进步。

3.1　转抗草甘膦基因棉花草甘膦(G lyphosate )是目前使用最广泛的一种内吸传导的非选择性有机膦类除草剂。

它的作用机理是特异性地抑制作物和细菌中草莽酸羟基乙烯转移酶(EPSPs )的活性,当草甘膦与该酶结合时,阻断了芳香族氨基酸的合成,造成芳香族氨基酸缺乏,从而导致植株死亡[14]。

其抗性基因既可以是EPSPs ,也可以是G OX [15],前者一是通过EPSPs 的超常表达对一定剂量的草甘膦产生抗性,二是通过EPSPs 基因作用活性位点变化对草甘膦产生抗性[16];后者G OX 基因的产物能将草甘膦快速降解成无毒产物[17]。

美国孟山都公司于20世纪90年代成功地将抗草甘膦的基因通过农杆菌介导法导入棉花植株。

目前,在美国种植面积最大的转基因棉花就是抗草甘膦棉花[18]。

3.2　转抗溴苯腈基因棉花溴苯腈(Brom oxyril )是除草剂Buctril 的活性成分,其作用机理是抑制光合作用的电子传递。

Stalker 从土壤细菌K lebsiella ozaenae 中分离出溴苯腈的降解基因(bxn ),该基因编码腈水解酶,能使溴苯腈水解成3,5-二溴-4-羟基苯甲酸,即无活性的非除草剂。

将该基因导入棉花获得抗溴苯腈的转基因植株[14]。

中国农业科学院棉花研究所目前正与中国科学院上海植物生理研究所合作,利用花粉管通道法将抗溴苯腈的bar 基因导入我国主要栽培棉花品种中,现已04 江　西　农　业　学　报 15卷　取得阶段性成果[11]。

3.3　转抗2,4-D 基因棉花除草剂2,4-D 类似植物生长素,从土壤细菌Alcaligene eutrophus 分离到一个能降解2,4-D 的基因,称该基因为tfda ,编码2,4-D 二氯苯氧乙酸单加氧酶,能将2,4-D 转变成2,4-二氯酚。

由CaMV35S 启动子调控tfda 基因构建的转化质粒,经农杆菌介导法转入棉花,获得抗2,4-D 的棉花植株。

我国山西省棉花研究所与澳大利亚CSIRO 及中国农业科学院生物技术中心合作,已成功将tfda 基因导入“晋棉7号”[19]。

4　转品质改良基因棉花Agracetus 公司利用生物技术把细菌中的多元醇基因与控制纤维发育的特异启动子结合后导入棉花,获得了具有正常纤维组织结构,并具有御寒保温特性的转基因棉花[20,21]。

John 等从棉花中分离出E6和Fb L2A 基因,前者控制早期纤维发育的纤维伸长表达,后者控制后期纤维发育,即纤维发生沉积时次生壁的形成。

John 等把这些纤维特异启动子与从细菌Alcaligene eutrophus 中分离得到的可降解热塑PH B 的2个关键酶基因phaB 和phaC 进行遗传重组,利用电子束轰炸技术把改造后的多元醇基因导入棉花种子,最后获得8株转基因棉株。

在温室生长的转基因棉株收获的纤维,结构正常,PH B 以颗粒的形式存在。

由这些纤维制成的棉纱导热性较差,冷却较慢,比传统的棉纱吸热性更佳,转基因棉纤维比对照纤维的吸热率高12%,导热率明显低于对照,表明转PH B 基因棉花在制作御寒衣物方面的潜力很大。

Daniell 报道[22],将编码Val -G ly -Val -G ly 重复单元的蛋白聚体基因P BPs 遗传转化到棉花中,使棉纤维细胞中能特别地表达出P BPs 蛋白。

具有P BPs 蛋白的棉纤维强度和弹性均得到改善。

目前,中国科学院植生所利用PCR 技术从大白兔血细胞总DNA 中扩增出兔角蛋白基因的编码序列,并将该基因序列与棉纤维特异表达启动子E6连接,通过花粉管通道法导入棉花,研究表明,部分转基因棉花的纤维伸长率明显增加,纤维比强度有所提高[8]。

5　转抗病基因棉花在植物防御系统中,葡萄糖氧化酶(G O )和几丁质酶(CHI )基因受到普遍关注,中国棉花研究所正与中科院微生物所、上海植生所等合作,将分离克隆出的G O 、CHI 基因导入优良棉花中。

目前,我国用于或即将用于抗病基因工程的基因还有多种,如Hml 、Pto 、X a21、Rps 等。

6　结语转基因棉花的广泛种植,在遏制棉虫危害、降低劳动强度、减少环境污染,促进农田微观和宏观环境改善等方面显示出重要的作用。

随着研究的不断深入、基因分离与克隆技术的发展、植物生长发育机理的进一步明确,有希望进一步通过转基因技术改变棉花的其它性状,如提高棉花的抗逆性和结实率等。

相信在不久的将来,通过完善棉花遗传转化体系,可以将更多优良的克隆基因转移到棉花上,获得综合性状优良的新一代棉花。

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