水稻基因工程育种现状及其展望

宁夏农林科技２００８年第６期

收稿日期：2008-09-20

作者简介：张文银（1970-），男，汉族，助理研究员，主要从事水稻生物技术育种工作。

目前，水稻基因工程育种的研究重心由建立高分辨率的

遗传、物理和转录图谱为主的结构基因组学转向基因功能的研

究。利用基因工程原理和技术，把我们需要的目的基因克隆出来，然后转化到水稻中，从而实现水稻品种的改良。采用基因工程育种省时，而且又能够有效地达到既定目标。要实现这一目标，首先要了解目的基因的结构和功能，并能有效的标记、分离和克隆。同时，还要建立高效的遗传转化体系，成功地将目的基因转移到受体水稻中去，实现稳定的整合和表达，并能遗传给下一代。利用图位克隆和电子克隆等方法已成功分离了多个水稻抗病、抗虫、抗逆境、抗倒伏、高产、优质等重要农艺性状相关的基因，对培育水稻新品种，促进农业的可持续发展意义重大。

1基因的克隆与遗传转化

我国对水稻的基因工程研究起步较早，转基因育种工作始于１９８９年，当时杨虹等用原生质体融合技术将Ｂｔ基因导入水稻“台梗２０９”。经过十多年发展已建立起以农杆菌介导法和基因枪法为主的十多种遗传转化技术体系。农杆菌介导的植物遗传转化，是利用根癌农杆菌的Ｔｉ质粒和发根农杆菌的Ｒｉ质粒上的一段Ｔ－ＤＮＡ区在农杆菌侵染植物形成肿瘤的过程中，Ｔ－ＤＮＡ可以被转移到植物细胞并插入到染色体基因组中。农杆菌介导法具有许多优点，如受体材料广泛，转化效率高，所转ＤＮＡ明确（Ｔ－ＤＮＡ左右边界之间），插入基因多为单拷贝整合，导入基因易于表达，可转移较大片段ＤＮＡ（０￣５０ｋｂ），操作简单并且成本低。农杆菌介导法也存在一定的缺点，如受宿主范围的限制，存在基因型特异性，再生细胞感受态与转化细胞感受态的不一致性，农杆菌导致检测结果的假阳性。

基因枪介导的水稻遗传转化是利用高速金（钨）微粒穿过植物细胞壁，将附着其上的外源ＤＮＡ直接带引到植物细胞中，然后通过未知的机制整合到植物基因组中。基因枪介导法的优点表现为无宿主限制，基因型特异性小；可进行细胞器转化，操作也简单。基因枪介导法的缺点是其转化效率较低，转移ＤＮＡ片段较小（０￣１０ｋｂ），所转ＤＮＡ片段不明确（有可能是整个质粒），插入基因多为多拷贝整合，导入基因容易发生沉默，其成本较高。

利用农杆菌介导法和基因枪法培育出了一批对稻瘟病和白叶枯病具有抗性的材料和品系。Ｐｉ－ｂ、Ｐｉ－ｔａ是已克隆的抗稻瘟病基因。Ｐｉ－ｂ基因是首个在水稻中被克隆的抗稻瘟病基因，它是Ｗａｎｇ等利用图位策略克隆出来的。其表达产物含有一个核苷酸结合位点（ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｂｉｎｄｉｎｇｓｉｔｅ，ＮＢＳ）和亮氨酸重复序列

（ｌｅｕｃｉｎｅ－ｒｉｃｈ

ｒｅｐｅａｔ，ＬＲＲ）。在水稻中克隆到的抗白叶枯病基因

有Ｘａ－１、Ｘａ－２１和Ｘａ－２１Ｄ等。

除了转基因抗病育种外，科学家们利用现代基因工程技术在

水稻抗寒、

抗旱、耐盐和抗衰老等领域也进行了深入的研究。向殿军等人用农杆菌介导的转ＩＣＥ１基因提高了水稻的耐寒性。利用

农杆菌介导的转基因技术，成功地将通过ＲＴ－ＰＣＲ克隆的拟南芥ＩＣＥ１基因导入垦鉴稻１０号中。潮霉素抗性测定结果表明，与未转基因水稻相比，Ｔ１代表现出对潮霉素较高的抗性和孟德尔式的单位点遗传。抗寒能力检测结果表明，在同等低温胁迫条件下Ｔ１代转基因株系的死亡率明显低于未转基因的对照，脯氨酸含量增幅明显高于未转基因的对照。贵州大学生命科学学院段永波等人通过转ｉｐｔ－ｂａｒ双价基因对水稻植株抗衰老特性进行了研究，结果表明，转基因植株对除草剂草胺磷表现出良好抗性，分蘖数增加，植株矮化，生育后期叶片叶绿素含量及过氧化物酶活性高于未转基因的对照，转基因植株茎叶衰老延缓，植株抗冷性提高，并稳定遗传至Ｔ４代。

国内外在保健型、辅助疗效型及其它特种功能等功能型水稻品种选育、开发和推广利用方面也取得了一些进展，针对不同需求培育了富含β－胡萝卜素、铁蛋白以及低谷蛋白等水稻新品种。如预防维生素Ａ缺乏症而培育富含β－胡萝卜素的“黄金米”，预防高血压而富含ＧＡＢＡＨａｉｍｉｎｏｒｉ活性物质的中国糯１６７等。

我国植物基因工程研究始于８０年代初期，并于８０年代中期将植物生物技术列入国家“８６３”高科技发展计划。１９９９年启动了“国家转基因植物研究与产业化专项”，加大了对转基因植物研究的支持力度。中国有世界上规模最大的转基因水稻计划，专一防治稻螟虫和水稻白叶枯病的转基因水稻，在大规模田间试验之后，目前正有待商业化种植的正式批准。ＣＣＡＰ

博士估计转基因水稻平均增加产量２％￣６％，每１ｈｍ２杀虫剂用量可减少近８０％即１７ｋｇ。转基因水稻商业化种植每年能给中国带来４０亿美元的效益，这将有助于提高农业的环境效益，以及缓解资源匮乏的小农户的贫困。

2水稻的分子标记辅助育种

分子标记辅助选择就是利用目标基因与分子标记之间的紧

水稻基因工程育种现状及其展望

张文银1，杨生明2

（1.宁夏农林科学院农作物研究所，宁夏永宁

750105；2.宁夏吴忠市农业技术推广服务中心）

摘要：基于文献的研究结果，综述了水稻基因工程育种中农杆菌介导法和基因枪法具有的优势及其存在的问题；

详述了已成功分离的多个水稻抗病、

抗虫、抗逆境、抗倒伏、高产、优质等重要农艺性状相关的基因及其对培育水稻新品种的重要作用。同时，对水稻的分子标记辅助育种原理及近年来水稻QTL 定位的研究进展进行了阐述。最后，指出了水稻基因工程育种存在的问题，展望了基因工程育种在未来水稻育种中的开发应用前景。关键词：水稻；基因工程；育种现状中图分类号：S511.032文献标识码：A 文章编号：1002-204X （2008）06-0105-02１０５

２００８年第６期宁夏农林科技

密连锁关系进行间接选择。如果目标基因与某个分子标记紧密连锁，那么通过对分子标记基因型的检测，就能获知目标基因的基因型。因此，借助分子标记对目标性状基因型进行的选择，称为标记辅助选择。它不受其他基因效应和环境因素的影响，是对目标性状在分子水平上的一种选择，选择结果十分可靠，同时又可避免等位基因间显隐性关系的干扰，并且可在育种早代完成，从而大大缩短育种周期。由于育种目标和材料的不同，育种程序也会存在差异，因此，在不同的育种程序中分子标记辅助选择的具体方法也有所不同。

我们在利用分子标记技术定位数量性状基因时，首先构建目标性状的分离群体，即初级群体，获取目标性状的表现型数据；然后使用各种类型的分子标记构建全基因组的遗传连锁图谱；利用合适的ＱＴＬ分析方法在全基因组上扫描ＱＴＬ，进行ＱＴＬ的初步定位，随后针对靶ＱＴＬ构建大的高级群体，寻找重组单株，同时构建高密度靶区段分子标记连锁图谱进行精细定位；最后利用生物信息学方法或基因的图位克隆方法以及突变体的方法克隆靶ＱＴＬ。

近年来水稻ＱＴＬ定位的研究有较大进展，水稻ＱＴＬ定位已涉及到各种重要的农艺性状，数量性状受控于相对较少的ＱＴＬ，大多数表型变异主要由少数效应较大的主效ＱＴＬ控制。徐建龙利用图示基因型重叠方法对抗稻曲病数量性状位点（ＱＴＬ）进行了初步定位，在第１０条和第１２条染色体上定位到２个抗稻曲病ＱＴＬ（ＱＦｓｒ１０和ＱＦｓｒ１２），其增强抗性的等位基因均来自亲本Ｌｅｍｏｎｔ，加性效应分别为３．３８级和３．３４级。

株高和分蘖是水稻的重要农艺性状，它们直接影响水稻耐肥水能力和成穗能力，从而影响水稻单位面积的产量。因此，发掘、鉴定和利用新的矮秆和强分蘖资源已日益为水稻育种界所重视。科学家们利用基因沉默技术，通过图位克隆确定了半矮秆Ｓｄｇ和强分蘖ＭＴ２的候选基因。通过全世界科学家的共同努力，已经构建出水稻详细的物理图谱和遗传图谱，把２０００多个不同的分子标记定位到水稻的基因上，并利用这些标记定位了一些有重要经济价值的基因，尤其是控制农作物产量和品质的ＱＴＬｓ基因群。

中国农业科学院水稻分子育种课题组徐建龙等人通过回交导入水稻种质有利基因的鉴定与筛选研究表明，通过大规模回交导入和回交后代性状的严格鉴定是发掘种质资源有利基因的有效途径，同时认为，通过对目标性状的标记定位，鉴定与各种有利基因紧密连锁的分子标记，结合标记辅助选择，进行同一性状的不同供体来源的有利基因累加，或不同性状有利基因的聚合，完全有可能培育出高产、广适性强的优良品种。

3水稻基因工程育种的问题与展望

目前，我们在水稻基因工程育种方面已取得不少进展，但是还缺乏基因的高效发掘技术，实用分子标记较少，许多重要目标性状基因尚需紧密标记，还缺乏品质、产量、抗性等协调改良的高效育种技术。加快植物基因工程与植物细胞工程的整合，并进一步完善技术体系，是我们面临的新的挑战。

依靠生物技术培育的材料从育种角度看只是产生了具有目标性状的种质资源，要想在生产上加以利用，必须经过常规育种方法的加工，才能成为符合要求的推广品种。如由于基因型的限制，用农杆菌介导法进行遗传转化所用的受体往往是生产上已经淘汰的品种，外源基因的导入只能赋予特定的目标性状，不能同时顾及多个目标性状，其他重要农艺性状往往不符合要求，而生产上对品种的要求又往往很高，这就要求我们把基因工程育种与常规育种方法结合起来进行水稻新品种的选育。我们可以通过回交方法将导入的目的基因转入到生产上正在推广或即将推广的品种中，回交过程中应注意目的基因的选择，避免丢失。通过转基因品种（系）间互交或与常规品种杂交，杂种后代采用系谱法选择的方法选出转基因新品种。我们也可以选用亲本中至少有一个是转基因品种或品系，从而与不育系配制成杂交种。

虽然转基因水稻还未进入商品化生产，但只要我们抓住现代生物技术发展的契机，在理论、技术和材料上做好充分的准备，伴随着抗病虫转基因水稻商业化生产所需要的各种安全评价程序和试验环节的完成，转基因水稻终将进入产业化生产。

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责任编辑：褚庆芳

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