转基因技术的研究进展

作物转基因技术的研究进展

摘要：作为生物技术领域的前沿，转基因技术已在多种植物上取得重大进展。本文主要介绍了当前作物转基因技术的三大主流方法：农杆菌介导法、基因枪介导法和花粉管通道法，并阐述了这几种转基因技术在水稻、小麦、棉花、玉米、大豆，甘薯等几种主要农作物的应用进展状况。

关键词：转基因技术、农作物、应用

Genetically Modified---转基因，简称GM，是指运用科学手段从某种生物体中提取所需要的基因，将其转入另一种生物中，使与另一种生物的基因进行重组，再从结果中进行数代的人工选育，从而获得特定的具有变异遗传性状的物质。而其衍生出的转基因技术就是将人工分离和修饰过的基因导入到目的生物体的基因组中，从而达到改造生物的目的，即把一个生物体的基因转移到另一个生物体DNA中的生物技术。

1983年比利时科学家Montagu 等人和美国Monsanto 公司Fraley等人分别将T- DNA上的致瘤基因切除并代之以外源基因,获得了世界上第一株转基因植株———转基因烟草。自此之后，作物转基因技术得到了迅速发展.截至目前,几乎所有的作物都开展了转基因研究,育种目标涉及到高产、优质、高效兼抗性及多用途等诸多方面.一批抗病、抗虫、抗逆、抗除草剂等转基因作物已进入商品化生产阶段.

国际农业生物技术应用服务组织2 月13 日在京发布的1 份报告显示，全球27 个国

家超过1800 万农民，2013 年种植转基因作物，种植面积比2012 年增加了500 万公顷。此外，首个具有耐旱性状的转基因玉米杂交品种亦于2013 年在美国开始商业化。

据该报告显示，全球转基因作物的种植面积于转基因作物商业化的18 年中增加了100 倍以上，从1996 年的170 万公顷增加到2013 年的1.75 亿公顷，其中美国仍是全球转基因作物的领先生产者，种植面积达7010 万公顷，占全球种植面积的40%。国际农业生物技术应用服务组织创始人兼荣誉主席、本年度报告作者Clive James 表示，目前排名前10 位的国家种植转基因作物的面积均超过100 万公顷，这为将来转基因作物的多样化持续发展打下了广泛基础。在种植转基因作物的国家中，有19 个为发展中国家，8 个为发达国家；发展中国家的种植面积连续2 年超越发达国家。

目前，作物遗传转化的方法有农杆菌介导法、基因枪法、电激法、PEG 法、脂质体法、低能离子束法、超声波介导法、显微注射法、花粉管通道法等.但在当前作物基因工程研究中,主要采用农杆菌介导法、基因枪法、花粉管通道法,这三种转基因技术也相对较为成熟.

一、农杆菌介导法

农杆菌介导法是指农杆菌侵染植物时，受到植物受伤后释放的酚类物质的刺激，活化质粒上Vir 区基因的表达，将质粒上的另一段DNA（T-DNA）共价整合到植物基因组上，在植物体内表达而改变植物的遗传特性。农杆菌介导法的转化效率受众多因素影响，如农杆菌侵染外植体的影响因素、外植体再生能力的内在因素和环境条件（pH、温度和光照条件）等[32]，此法具有流程简单、仪器设备便宜、拷贝数低[33]，且基因沉默少，转移的基因片段长等优点。

农杆菌介导法是获得第一个转基因植物的方法，迄今为止，农杆菌介导法获得的转基因植物占转基因植物总数85%，已成为植物基因转化首选方法。

二、基因枪介导法

基因枪法又称微弹轰击法，是将外源基因包裹在直径1~2 nm的钨或金颗粒表面，加速轰击植物外植体靶组织，穿过植物细胞壁和细胞膜而将外源基因带入植物细胞。因此，通过该方法进行DNA的转移过程不受外植体基因型的限制，可以将外源基因转移至几乎所有的植物细胞、组织器官和原生质体中。

最早的基因枪是由美国Cornel 大学的Sanford 等在1987 年研制成功的。目前基因枪介

导法在小麦中应用最多，其次是玉米和水稻。优点是不受外植体范围的限制，且载体构建相对简单，但基因枪介导法存在转化效率低、外源DNA片段大小不明确、多拷贝整合比较多、容易发生基因沉默现象等缺点，不利于外源基因在宿主中的稳定表达，而且成本高，操作比较复杂，在实际应用中有一定局限性[44]

三、花粉管通道法

上世纪70 年代,周光宇等结合我国远缘杂交的成功经验,提出了DNA 片段杂交假说,为建立花粉管通道法奠定了重要的理论基础.而后周光宇等从分子水平上加以验证,模拟授粉杂交设计出花粉管通道转基因技术,成功地将外源海岛棉DNA 导入陆地棉,培育出抗枯萎病的栽培品种,正式创立花粉管通道法.该方法是在植物授粉后,将含有目的外源基因的DNA 溶液注射或涂抹到子房,利用植物开花,受精形成的花粉管通道,将外源的DNA 导入到受精的卵细胞中,最终整合到植物基因组中,伴随着受精卵的发育而形成转基因新个体.尽管花粉管通道法获得的转基因植株,在性状方面的确发生了明显的变异,但由于缺乏确切的分子生物学证据,致使国内外一些学者对其可靠性提出了质疑.

花粉管通道法最突出的优点是不依赖组织培养人工再生植株,技术简单,不需要装备精良的实验室,常规育种工作者易于掌握等.然而由于受到转化时间、转化时温度和湿度、转化载体的DNA 浓度及受体植株花粉发育状态的影响,目前该方法的转化效率仍然较低.外源DNA 片段与受体染色体组交换和重组的随机性决定了转基因后代变异性状也有很大的随机性和多向性.外源DNA 导入引起变异的种类多、范围广、幅度大,使得对后代的筛选变得很复杂.

转基因技术在大豆上的应用

大豆起源于中国，不仅是人类主要的油料作物和植物性蛋白来源，而且是重要的工业原料，在我国粮食安全及国民经济中占有重要地位。我国大豆种植受自然条件等逆境因子制约常造成减产，同时大豆品种适种范围窄，严重影响优良品种的大面积种植。

2011 年已达到1.6 亿hm2，增长94倍，转基因大豆作为主要的转基因作物，占据全球转基因作物种植面积的47%（7 540万hm2）。其中以抗草甘膦转基因大豆（Roundup ready soybean，RRS）种植为主[1]。

Hinchee首次报道成功获得大豆转基因植株[3]，抗草甘膦转基因大豆（RR大豆）和高油酸大豆（HO大豆）在国际上的种植面积不断增加，转基因大豆类型不断增加。我国研究者主要在大豆抗病虫害、抗逆性及大豆油分等重要农艺性状方面获得转基因植株。

国外转基因大豆产业化引领世界转基因作物的快速发展。如美国Monsanto公司利用基因枪轰击方法将编码5-烯醇-丙酮酸莽草酸-磷酸合成酶（EPSPS）基因转入大豆，培育出Roundup Ready转基因大豆并大面积产业化[10]

转基因技术在水稻上的应用

水稻是人类主要粮食作物之一，世界上有二分之一以上的人口以稻米为主食.中国人口众多，是大米生产和消费的大国，水稻在国民经济中占有非常重要的地位。随着国民经济的发展和社会环境的改变，水稻生产受到越来越多的不利因素的限制，如病虫害、环境污染等，严重制约了水稻的高产和稳产，所以必须进行品种改良。

自1988 年获得第一批转基因水稻以来,研究者利用转基因技术对传统的水稻进行改良,成功地获得了许多具有高产、抗性、营养乃至药用价值的转基因水稻。1991 年Christou 等利用基因枪法轰击水稻幼胚,获得转基因籼稻和粳稻植株,并发现转化性状能传递到子代并符合孟德尔遗传分离规律,同时利用分子生物学杂交证实了外源基因已稳定整合到子代植株中[11，抗除草剂基因转入水稻既可获得抗除草剂水稻品种，也可作为一个遗传标记导入杂交稻组合，以保证杂交稻的制种纯度.除抗除草剂、改良品质基因外,抗病虫、抗逆基因、高产以及与C4光合作用相关的PEPC 基因等都已应用于水稻的遗传转化[12].

转基因技术在玉米上的应用