转基因抗虫棉的抗性研究与利用

棉铃虫是棉花生产的主要害虫之一，在抗虫棉没有推广应用前，当棉铃虫大发生时，均会给农民以及棉花产业带来严重的损失。

由于棉铃虫防治只能依靠农药，而棉铃虫也逐渐对农药产生抗性，致使1992年棉铃虫在我国棉区大爆发，我国当年杀虫剂纯农药的生产量只有20万t，其中为防止棉铃虫就消耗15万t左右。

出现了农药打不死棉铃虫，反而还威胁到人畜及生态的安全，也导致整个国家出现“棉荒”现象，造成严重的经济损失。

1991年国家“863”计划开始启动转基因抗虫棉的研究，充分利用生物分子技术来解决常规育种技术难以解决的问题。

经过二十多年的努力，我国已初步形成了基础研究、应用研究到产品开发的较为完整的技术体系，目前我国转基因抗虫棉整体发展处于国际先进水平。

1转基因抗虫棉创新与发展1.1 转基因抗虫棉研究与创新转基因抗虫棉是利用分子生物学技术将外援基因或经修饰的基因转移到棉株中，从中分离得到所需要的基因。

常规杂交育种也属于一种转基因技术，但是它只能在有限的范围内对作物的遗传基因进行改良，并不能做到针对某一优良性状进行定向改造。

因此，转基因技术是传统遗传育种技术的发展与创新，也将是我国未来农业发展的必然趋势。

1983年，世界首例转基因烟草培育成功；1986年，抗虫和抗除草剂的转基因棉花进入田间试验阶段；1990《种子法》规定：销售的种子必须进行包装，而且要附有标签。

购种时一看种子袋表面是否印有“作物种类、品种名称、生产商、质量指标、净含量、生产年月、警示标志(一般是对包衣种子而言)和‘转基因’标准”等内容(这些项目必须外标)，如果没有可认为是假种子；二看种子袋内是否装有内标牌，标牌上是否印有种子经营许可证、生产许可证、检疫证编号、生产商地址、联系方式和使用说明，如果没有、不全或与实物不符，说明种子来历不明或者是假种子。

3.3 注意检查种子包装是否规范查看包装物的质地、印刷质量、字迹是否清楚、有无粘贴等。

代销点不能随意拆袋，以防混入假劣种子。

有的包装袋上注明严禁拆口销售。

3.4 仔细查看种子正常的当年种子大小一致、籽粒饱满、色泽鲜亮，近闻有正常的谷香味。

谷物类种子还要摸一摸、看一看含水量是否超标。

双手插到种子袋中间感到凉、不粘手、掰开后茬口齐的种子含水量较低，反之含水量高，贮存时容易霉变。

注意种子的生产年月，避免购买超过一个生长周期的种子，种子保存的时间长短，将影响其发芽率。

3.5 选择适宜品种要根据当地气候、茬口选择适宜品种。

不可只注重品质、产量等因素，盲目选择。

3.6 索取销售发票购买时与商家索取销售发票，并在发票上注明品种名称、数量、价格、地点及时间，妥善保管。

销售发票是购种的凭证，是有效的证据。

播种开始时保存少量购买的种子作为样本，以备用。

如果种子质量有问题，可以委托种子质量监督检验部门检验，凭检验报告要求种子经营单位予以赔偿，或到种子管理部门投诉。

3.7 仔细阅读种子使用说明和注意事项仔细阅读种子使用说明和注意事项，不明事项要及时咨询，以免操作失误，影响产量和品质。

对于瓜菜类及反季节栽培用的种子，一定要注意适宜的栽培时间(温度)和地点(气候类型)。

（收稿日期：2013—12—15）（本栏责任编辑：刘中漱）徐福海1 许 泉1，2 王元慧1 康 勇1，2 张 莉1 金夏红1，2（1 南京神州种业有限公司 210095 2 南京农业大学）摘 要 转基因抗虫棉是我国唯一获准商品化生产的转基因作物，本文对抗虫基因的分离与转基因棉株的获得及抗虫棉的抗性原理进行了探讨。

转Bt基因抗虫棉不同生育阶段，不同部位对棉铃虫的抗性，抗虫棉的研制成功与大规模产业化保障我国棉花稳步发展，增加农民收入保护环境作出了重要贡献。

关键词 转基因抗虫棉 抗性研究 利用技术doi:10.3969/j.issn.1000-8071.2014.03.011年，美国利用分子生物技术，合成Bt杀虫基因，导入棉花获得抗虫转基因棉花，成为世界上第一个拥有转基因抗虫棉的国家。

目前转基因抗虫棉在世界各国都在大面积推广应用，美国抗虫棉采用率已超过95%；印度转基因抗虫棉每年种植面积已达1 080万hm2，采用率达到93%；我国每年已种植400万hm2的转基因抗虫棉，采用率达到80%以上。

从推广抗虫棉以来，我国受益的面积达到3 333.5万hm2。

抗虫棉对棉铃虫等鳞翅目害虫的抗性高达80%以上。

减少了70%的杀虫剂用量（累计少用50万t左右的纯农药），农药中毒事故也得到了有效控制，棉田污染指数下降到25%以下，棉田自然天敌种群数量增加20%~30%，农业生态环境得到了显著改善。

由于大面积转基因抗虫棉的推广应用，不仅有效控制了棉铃虫对棉花的为害，还大大减少了玉米、大豆、花生、蔬菜等作物上棉铃虫的数量。

从推广转基因抗虫棉以来，棉铃虫就没有出现过大流行的严重为害，棉铃虫从主要害虫降为次要害虫。

1.2 我国开展转基因抗虫棉的研究与应用我国从1991年开始抗虫基因的构建工作；1992年中国农科院生物技术研究所，我国抗虫棉之父郭三堆研究员等人工合成了CFMCYg-TA-CYyBt基因，使我国成为继美国之后世界上第二个拥有Bt基因自主知识产权的国家，并研究出Bt杀虫蛋白单价、双价和融合基因。

我国科学家除采用世界通用的农杆菌导入法和基因枪法外源基因导入法外，还独创了花粉管导入法转基因技术将Bt 基因导入我国主栽品种中，并建成了高效、工厂化的棉花转基因技术体系，规模达到万株，实现了遗传化的流水线作业，遗传转化率不断提高，已实现了大规模转化平台，发展了能够有效预防害虫产生抗性的“天然庇护所”技术、基因安全性评价和检测监测等技术，通过转基因与常规杂交育种技术的紧密结合，利用外援基因转移到棉花中创造了育种奇迹。

截至目前，我国已培育获得审定的抗虫棉品种超过300个，河北、山东、河南、安徽等省棉花主产区抗虫棉种植已达100%。

到2012年，我国抗虫棉种植面积达到全国种植棉总面积的80%以上，其中国产抗虫棉种植面积已占全国抗虫棉种植总面积的95%以上，累积为棉农增收900亿元左右。

1.3 转基因抗虫棉发展与挑战在我国国产转基因抗虫棉品种还没有培育出之前，几乎都是国外的抗虫棉品种。

1999年我国抗虫棉研制成功后，不仅打破了国外的垄断，还保护了民族利益，为我国农业高新技术在国际中争得了一席之地。

通过努力，培育的转基因棉花品种的产量都高于国外的品种，抗虫性和适应性都比国外的好。

进入21世纪后，国外抗虫棉品种逐步退出我国市场，国产转基因抗虫棉种植面积不断扩大，并开始走出国门。

经过不断的艰苦努力，抗虫基因构建由单价到双价、由单抗到多抗，并开展品质改良和产量提高等方面的工作，有了一定的成效。

从全球范围来看，转基因作物育种技术及其产业在经历了技术成熟期和产业发展期之后，目前已经进入到至关重要的、以抢占技术制高点和经济增长点为目标的战略机遇期。

全球的转基因技术已有涉及抗病虫、抗除草剂、品质改良等13类目标性状，绝大部分核心技术仍为少数跨国公司所控制。

跨国公司以基因专利为重要资产和主要竞争手段，美国孟山都、杜邦等公司从单一生产化工产品转向生产转基因农产品，并通过兼并种子公司进行产业结构重组，抢占了农业发展方式的先机。

我国农业生物育种的发展正处在一个重要时刻，要不失时机地推进产业化。

2转基因抗虫棉的抗性原理研究与利用用于植物抗虫基因工程研究的基因很多，但并不是所有的基因均可用于转基因抗虫棉的培育，要有针对性的选择那些对棉花害虫具有较强杀伤作用的基因。

目前国内外用于转基因抗虫棉培育的基因主要有以下几类。

2.1 苏云金芽孢杆菌毒蛋白基因（Bt基因）Bt基因在农业上应用已有三十多年的历史。

现代分子生物学证明，Bt之所以具有较好的杀虫效果，是因为它能产生一种叫g-内毒素的伴孢晶体蛋白，当害虫蚕食后，该蛋白在昆虫肠道碱性条件下被水解成毒性肽，破坏了昆虫肠道中的上皮细胞，从而导致昆虫死亡。

毒蛋白只是在棉花生长某个阶段的产物，这个阶段过后，它就消失了。

毒蛋白对棉铃虫有害，对其他的生物无害。

经检测，到棉花成熟期就没有发现有任何毒蛋白的基因残留在里面。

因此在棉花收获前，这种毒蛋白就自然消失了。

随着科学的发展，科学家从苏云金芽孢杆菌中分离出控制Bt毒蛋白合成的基因，经过多次改造并导入棉株体内，使棉花自身能够合成这种毒素，从而达到有效的防止棉田害虫的目的。

目前，人们分离并导入到植物中的Bt基因很多，但获得转基因棉株的Bt基因已见报道的仅有CYYIA（b）、CYYIA(c)、CYYIA和CYYIVA等少数几种。

2.2 蛋白酶抑制剂（P1）基因植物蛋白酶抑制剂是自然界含量最为丰富的蛋白质之一，其中在种子和块茎中的含量最高。

蛋白酶抑制剂的种类很多，用于转基因抗虫棉培育，并已获得转化植株的蛋白酶抑制基因有大豆胰蛋白酶抑制基因（SKTI）、豇豆胰蛋白抑制基因（CP-T1）、慈姑胰蛋白酶抑制基因（AP1）等。

一旦昆虫摄食蛋白酶抑制剂，就会影响食物中蛋白的正常消化，同时蛋白酶抑制剂和消化酶形成的EI复合物刺激消化酶的过量分泌，再通过神经系统的反馈，使昆虫产生厌食反应，最终造成昆虫的非正常发育而死亡。

豇豆胰蛋白酶抑制基因（CP-T1）和大豆胰蛋白酶抑制基因一样，具有广泛的抗虫谱，对棉铃虫、棉蚜虫、红铃虫、玉米螟等磷翅目、直翅目的害虫都有毒杀作用。

我国转CP-T1棉花先后获得了转CP-T1基因和转Bt+CP-T1双价基因棉花、构建了双向双价基因的高效植物表达载体，并导入棉株中，获得了多个转Bt+CP-T1双价基因抗虫棉优良品种。

慈姑胰蛋白酶抑制基因分为A 型和B型两种，并已导入棉花植株体内，获得了稳定表达的能抗棉铃虫、棉蚜等棉田害虫的转基因棉花，其后代在大田试验、示范阶段。

2.3 外源凝集毒素基因外源凝集毒素是广泛存在于植物组织中的蛋白质，在储脂器官和繁殖器官中的含量尤其丰富。

它主要存在于植物细胞的蛋白粒中，一旦被害虫摄食，外源凝集毒素便会在昆虫消化道内释放出来，并与肠道围食膜上的糖蛋白相结合，影响营养物质的正常吸收。

同时，还可以在昆虫的消化道内诱发病灶，促进消化道内细菌的增殖，对害虫本身造成危害，从而达到杀虫的目的。

经过努力，人们已分离出多种外源凝集素基因，其中豌豆外源凝集素和雪莲花外源凝集素（GNA）对人的毒性极低，但对害虫却有极强的抑制作用。

现已证明GNA对稻褐飞虱、黑尾叶蝉有极强的毒杀作用，同时还能抑制蚜虫的生长。

目前推广种植转基因抗虫棉都是采用转Bt基因抗虫棉，只能对棉铃虫、红铃虫等磷翅目害虫有效，而对棉蚜等刺吸式害虫无效。

因而转GNA基因抗虫棉的培育更加迫切和重要，目前科学家正在研究和开发这项工作。

3转基因抗虫棉培育与推广应用3.1 转基因抗虫棉的品种培育分离抗虫基因仅是棉花抗虫基因工程的第一步，只有将这些基因导入棉株体内并培育出转基因抗虫棉品种，才能使其在生产上发挥使用价值。