转基因玉米的应用前景

转基因玉米的应用前景

前言:

随着转基因大豆、马铃薯、油菜等许多转基因作物走进人们的生活，转基因玉米也进入人们的视野。玉米是重要的食物、饲料和工业原料，种植面积仅次于小麦和水稻，在世界粮食生产中占有重要的地位。玉米虫害是一个防不胜防的问题,由于虫害的原因,全中国乃至全世界的范围的玉米都在减产。转基因玉米的出现对玉米虫害防止问题有了新的希望。本文针对转基因玉米基因的研究，转基因玉米对虫害的防止以及转基因玉米的生物安全性等问题进行分析综述。

主题：

一、转基因玉米基因的研究

杀虫蛋白基因Cry1Ab/1Ac的研究

虫害的主要原因是玉米螟,它可以危害玉米的任何部位,致使玉米减产甚至颗粒无收。玉米螟俗名钻心虫,成虫属鳞翅目螟蛾科( Lepidoptera Pyralididae ) ，为世界性的蛀食性大害虫，影响玉米产量和品质的重要因素，世界每年因虫害造成的损失约占农作物产量的15％以上（1）。要解决这一棘手问题紧靠化学农药的使用不仅不能满足杀虫的目的，还会给人体和环境带来极大的伤害。而在这种背景下产生的转基因抗虫玉米则可高效专一控制玉米螟，是防治玉米螟的新途径（1）。常用的方法是从微生物中分离得到目的基因,然后通过转基因技术将目的基因（抗虫基因）导入玉米的细胞(即受体细胞)，再通过筛选得到可以稳定表达形状（即抗虫）的玉米。玉米是最难转化的作物之一，这是因为玉米不是土壤农杆菌的天然寄主，研究初期转化困难；另一方面，由玉米的原生质体悬浮细胞再生可育的植株也比较困难，所以，包括玉米在内的禾本科作物的遗传转化工作进展缓慢。直至1993年Michael成功地用基因枪法将Bt(苏云金芽抱杆菌毒蛋白)基因导入玉米并对转基因玉米植株在田间进行了抗虫试验。Bt是苏云金芽胞杆菌( Bacillus thuringiensis)的简称，是一种革兰氏阳性土壤芽胞杆菌。该细菌产生的杀虫蛋白能够破坏昆虫肠道内的细胞渗透压，导致昆虫死亡。Bt的一个突出特征就是在芽胞形成过程中，产生由蛋白质组成的且具有杀虫活性的伴胞晶体，人们称这种蛋白质为δ-内毒素(δ-endotoxins)或杀虫晶体蛋白(insecticidal crystal protein，ICP)，而将编码这种蛋白的基因统称为Bt（4）。Bt 基因是第一代抗虫基因的典型代表，它所表达的蛋白统称为Cry 晶体蛋白，其中Cry1Ab和Cry1Ac基因对玉米螟等鳞翅目害虫具有专一性毒性（1）。转基因抗虫玉米Bt-176就是具有抗鳞翅目尤其是玉米螟等害虫及耐草铵磷除草剂的特性

（2）。

Bt杀虫晶体蛋白的杀虫机理

Bt的一个重要特性就是在芽孢形成过程中能产生一系列对昆虫具有高度特异性毒杀作用的ICP。由Bt编码的ICP本身没有生物活性，一般称为原毒素(pro-toxin)（4）。原毒素被敏感昆虫摄入后，在中肠的碱性环境下，被特定的蛋白酶水解成分子量约为40～70kD 的蛋白，即形成了具有特异杀虫活性的毒素分子。它可穿过包被的围食膜(peritrophic membrane)到达中肠上皮柱状细胞，与刷状缘膜(brush border membrane)上特异的高亲和受体位点进行识别，然后可逆的结合到受体上。在受体的帮助下毒性分子的部分结构迅速而不可逆地插入质膜。ICP含有多个疏水的α螺旋和亲水亲脂的α螺旋组成的螺旋束，它们一起插入磷脂双分子层中，从而使细胞膜上形成孔道；这些孔道允许正、负离子以及一些寡糖如麦芽糖、蔗糖或棉子糖的通过，从而破坏了细胞的离子平衡最终导致细胞的破裂（4）。玉米螟幼虫食用中Bt转基因玉米会出现毒症状：徐艳聆等的实验研究发现：取食对照玉米的亚洲玉米螟幼虫中肠柱状细胞顶端微绒毛数量众多排列紧密,质膜完整,内质网发达排列整齐,细胞质均匀，而玉米螟幼虫取食Bt玉米后6 h中肠细胞未发生明显变化,取食12 h后柱状细胞微绒毛首先开始肿胀断裂，内质网部分开始肿胀,但病变并未引起昆虫产生中毒症状（8）。这说明Bt转基因玉米可以通过改变玉米螟幼虫的肠道绒毛的结构，使幼虫的消化道遭到破坏，引起消化不良，没有进食的欲望，结果害虫会拒绝吃食、营养严重不良，最终死亡。

转基因的表达及特点

下表为史晓利、杨益众、蔡建华、张小丽、施敏娟于2009年11月应用生态学报上的Bt 毒蛋白在转基因抗虫玉米中的表达及在亚洲玉米螟中的转移积累一文中的不同种类的玉米的心叶和雌穗对玉米螟幼虫的影响（5）。（注：G03-2739、G03-2396为Bt基因抗虫玉米品系）。由史晓利等人所做实验的数据可知,转Bt基因抗虫玉米品系G03-2739、G03-2396心叶对玉米螟初孵幼虫(L1)和3龄幼虫(L3)均表现出较强的抗性，但3龄幼虫的存活率高于初孵幼虫。饲喂转基因玉米的心叶6天后的初孵幼虫的存活率（几乎接近于零）明显低于饲喂转基因玉米的雌穗6天后的初孵幼虫的存活率（75%以上），这说明该转Bt基因的抗虫玉米系雌穗对玉米螟初孵幼虫的抗性不及心叶。他们的实验表明：Bt转基因如果在玉米中表达成功，用该转基因的玉米的心叶或者雌穗饲喂玉米螟的幼虫尤其是初孵幼虫，初孵幼虫的存活率都应该下降。如果要比较灵敏的检测Bt基因是否表达，最好选用该转基因玉米的心叶饲喂玉米螟的初孵幼虫，因为心叶的抗性比雌穗的强，结果将会更明显。

二、转基因玉米对虫害的防止的优点

新型转基因玉米可引虫杀虫

德国科学家培育出一种转基因玉米,它可以通过释放一种吸引线虫的化学信号从而抵抗破坏性的根虫虫害，而线虫正是甲虫幼虫的天敌（3）。许多植物当受到虫子攻击的时候，它们会自然地释放挥发性的化学物质，帮助吸引能攻击入侵者的虫子。但是经过多年的对快速茁壮生长的品种选择之后，再加上杀虫剂使用的增加，农作物似乎失去了这种能力。研究人员把一种能吸引线虫的化学物质合成基因插入到了一种玉米品种中，从而让它恢复了这种保护手段（3）。如若把这种能力应用到农作物，从而使植物的挥发性释放特定化学物质来杀害相应的害虫，这不仅可能促使农作物（玉米）的有自然的和应激似的防御手段，还可能有助于科学家发现并应对各种害虫在生态上的合理防控策略，进而从根本上彻底解决由于化学农药对环境和人类引起的一系列危害提供较大的可能性。

转基因Bt玉米对瓢虫无害

ART研究所(位于瑞士苏黎世)的一项研究表明,转基因Bt玉米对瓢虫不会造成危害(6)。这项研究结果反驳了2008年的一项备受批评的研究结果(当时德国政府就是依据这项研究结果,禁止转基因玉米在国内的种植)。ART的科学家做此项研究时,用红蜘蛛螨饲喂瓢虫幼虫,而该红蜘蛛螨是用MON810、M0N88017两种转基因玉米喂养的,这两种转基因玉米含有Bt基因表达蛋白Cry1Ab和Cry3Bb1两种内毒素(6)。研究人员还直接把含有同样的Bt Cry蛋白质的蔗糖溶液喂养瓢虫成虫,但其浓度比Bt转基因玉米中的量高了约10倍（6）。在这两种喂养实验下，都没有观察到有害影响。研究人员称，他们的这一实验结果与其他研究是一致的，这些研究没有发现转基因Bt玉米对瓢虫等有益生物的负面影响（研究的详细成果已经在《转基因研究》杂志上发表）（6）。他们的研究证明转基因抗虫玉米不仅具有杀死害虫的能力，而且不会对有益昆虫有不良影响。这就说明人们在使用转基因抗虫玉米时不用担心玉米会杀死帮助玉米的益虫，比如，瓢虫、蜜蜂、蝴蝶等。即转基因玉米不会影响对玉米有益的虫子，从而也不会进而破坏生态平衡。美国研究称一种转基因玉米抗病虫能力惠及普通玉米美国研究人员在新一期《科学》杂志上发表报告称，在美同中西部广泛种植的一种转基因玉米具备的抗病虫能力也使普通玉米的种植受益，由此减少的经济损失每年可达数亿美元（7）。研究人员表示，欧洲玉米螟并不能区分BT转基因玉米和普通玉米，因此，雌虫在两种玉米地里均可能产卵，产在转基因玉米上的卵孵化而成的幼虫一旦以玉米叶为食，便会在24-28h内死亡（7）。如果转基因玉米抗病虫能力惠及普通玉米，那么和转基因抗虫玉米生长在一起的作物也可能会在一定程度上由于转基因玉米使