论我国转基因抗虫棉育种

对结实不利,毕节地区北部的威宁、大方等地虽日照和辐射占优势,但气温低,不利于草坪草生长。所以对于冷季型草坪草种子生产较适宜的地区是毕节西南部,这些地区日照辐射、气温、降雨月分布等综合指标最合适,其次为贵阳→安顺→六盘水的中西部地区。这是根据草坪草生理特性和我省气候因素综合推断的,是否能完全进行种子规模化生产,最好作适应性试验。目前我们正在进行草坪草种子生产研究,至于我省草坪草种子生产前景如何,需研究结束方能肯定。

论我国转基因抗虫棉育种

张存信

(天津市种子管理站　300061)

摘要:本文论述了由于棉花害虫为害严重必须进行防治,而化学防治失控必须开辟新途径,利用棉花自身抗虫性是最佳选择,转基因抗虫棉已显示出无可比拟的优势。还分析总结了转基因抗虫棉的现状。并针对当前存在的主要问题,研究提出转基因抗虫棉育种发展趋势

关键词　转基因　抗虫棉　育种

棉花是我国主要经济作物。近年来,由于害虫为害严重,化学防治失控,不仅造成严重的经济损失,而且污染生态环境。转基因抗虫棉的培育和应用,为棉花害虫防治开辟了新途径。为此,总结分析转基因抗虫棉的重要意义、基本概念和分类状况,并针对当前主要问题,研究探讨其发展趋势是十分必要的。1　转基因抗虫棉育种是生产发展的必然选择1.1　棉花害虫为害严重,必须进行防治

棉花是重要的经济作物和纤维作物,也是害虫最多,为害时间最长,为害最严重的作物。据统计,棉花一生害虫不断,受到几百种害虫相继为害,其中以棉铃虫、棉蚜、棉红铃虫等分布最广泛,为害最严重。棉花害虫的为害,对我国棉花生产造成了巨大损失。据统计,每年棉花产量损失15%～20%。进入90年代以来,由于气候条件的变化,耕作制度的改革,害虫抗药性的增强及天敌控制作用的减弱等不可持续发展因素的综合影响,棉铃虫在我国北方棉田大面积暴发成灾,我国最大的棉产区——黄淮海棉区减产20%～30%,严重减产50%,甚至绝收,每年损失60亿～100亿元,损失之重不次于蝗灾。我市损失也十分严重。

1.2　化学防治失控,必须开辟新途径

人们在长期的生产实践中,总结出了一系列棉花害虫防治措施,其中常用的有化学防治、农业防治、物理防治、生物防治等,并以化学防治为主。化学农药的大量使用,不仅增加了棉农负担,提高了植棉成本。据统计,每年棉田用药20次左右,甚至更多,每公顷药费高达1200～1800元;而且污染了环境,伤害了天敌,破坏了生态平衡,害虫产生了抗药性,降低了用药效果。虽然增加用药剂量或施用杀伤力更大的农药,可解决燃眉之急,但害虫抗药性不断增加,形成恶性循环,其后患无穷;更为严重的是,威胁着人畜安全,挫伤了棉农的植棉积极性。1.3　利用棉花自身抗虫性,是最佳选择

综上所述,世界各国均十分重视探索棉花害虫治理新途径。其中棉花抗虫性的利用和抗虫棉的培育被认为是当前和今后棉花害虫综合防治的最经济、最有效的方法之一。人们利用棉花形态抗性和生化抗性培育出的抗虫棉,一般可减少治虫用药10%～20%左右。如我市推广应用的中棉所36形态抗虫棉。特别是近年来高新技术的兴起,在实验室内,可将其它生物体如微生物中具有抗虫基因导入棉株体内,使棉花自身获得高水平抗虫能力。这种转基因抗虫棉育种,就为棉铃虫等棉花主要害虫的有效安全防治,提供了新的技术措施。目前,我国培育和推广应用的转Bt基因抗虫棉,一般可减少治虫用药50%以上。我市引种抗虫棉可减少用药60%以上。

1.4　转基因抗虫棉已显示出无可比拟的优势

从理论上讲,将外源抗虫基因导入到棉花中,并能稳定地遗传和表达,从而培育成抗虫棉新品种,其具有以下优点:一是棉花自身能合成杀虫物质,有抵御害虫为害的能力;二是抗性具有专一性。即只杀死目标害虫,对非害生物无影响;三是抗性具有连续性。即在棉花生长发育的任何时期,都可控制害虫为害;四是抗性具有整体性。即整个棉株都能得到保护;五是安全、卫生、持久。由于抗虫物质只存在于棉株体内,不易被外界环境破坏,也不会污染环境;六是经济有效。与发展新型杀虫剂相比,投资少,见效快。我市推广应用引种抗虫棉中棉所30等的生产实践,也证明了上述论述。

2　转基因抗虫棉的基本概念和分类

就全世界范围而言,抗虫棉目前尚处在研究和生产应用的初级阶段。在研究上,科学家们使用的抗虫棉抗性分级标准较为复杂和严格;在生产应用上,一般认定为抗虫棉的标准是:能够减少治虫用药20%～50%的棉花品种(系)就属于抗虫棉的范畴。可见,抗虫棉的抗虫性是有限的,并非万能的“无虫棉”。目前,抗虫棉分为形态抗虫棉、生化抗虫棉和转基因抗虫棉等三大类。

所谓转基因抗虫棉是指将外源抗虫基因导入棉株体内,而使棉花本身具有抗虫性状的抗虫棉。自然界中能抗虫的生物很多,人们可将该生物中控制合成抗虫物质的基因分离克隆出来,然后导入棉株体内,获得抗虫的各种类型棉花新品种。根据导入抗虫基因种类不同,转基因抗虫棉又可分为转苏云金芽孢秆菌毒素蛋白基因(简称Bt基因)抗虫棉、转豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(简称CPT I基因)抗虫棉、转慈菇胰蛋白酶抑制剂基因(简称AP I基因)抗虫棉等。根据导入外源基因数量的不同,转基因抗虫棉又可分为单价转基因抗虫棉、双价转基因抗虫棉、多价转基因抗虫棉等。

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2.1　转Bt基因抗虫棉

利用苏云金秆菌(Bacillus thuringisn sis)制成的Bt生物杀虫乳剂防治鳞翅目害虫,已有二三十年的历史。其专一性强、效果好、对人畜安全,但在自然界易被阳光钝化,雨水冲淋,且成本高,在应用上受到很大限制。现代分子生物学证明,Bt乳剂能使棉株产生一种伴孢晶体蛋白,当害虫吞食后,该蛋白在昆虫肠道碱性条件下,被水解成毒性肽,并很快发生毒性。破坏昆虫中肠的上皮细胞及其体内器官,从而导致昆虫死亡。近十多年来,对Bt的分子生物学研究表明,Bt的杀虫性是伴孢晶体蛋白的作用。该蛋白占菌体总蛋白含量的30%,这种毒蛋白是细菌进入休眠期或孢子形成阶段所产生,并由单基因转录。人们从苏云金秆菌分离出控制Bt毒蛋白合成的基因,进行克隆、重组和多次改造,并转移到棉花中,使棉花自身能够随时随地地合成这种毒素,从而达到有效防治棉田害虫的目的。如我市目前推广应用的中棉所30等抗虫棉。

2.2　转蛋白酶抑制剂基因抗虫棉

蛋白酶抑制剂(Pr oteinase Inhibit or)是植物体含量非常丰富的一种蛋白质。蛋白酶抑制剂的种类很多。蛋白酶抑制剂能杀死大多数害虫,它能与昆虫消化道内的蛋白消化酶相互作用,形成酶—抑制剂复合物(EI),阻断或削弱消化酶的蛋白水解作用。所以,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,能刺激消化酶的过量分泌,通过神经系统反馈,使昆虫产生厌食反应,造成非正常发育而死亡。人们从不同来源的多种蛋白酶抑制剂中,发现豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CP T I)和慈菇胰蛋白酶抑制剂基因(AP I)等,具有良好的抗性,并进行应用研究。

2.3　其它抗虫基因的研究

除上述几种抗虫基因外,人们还在不断探索新的抗虫基因,以创造出更多更好的抗虫转基因作物。目前,人们研究较多,且认为较有希望的抗虫基因还有:外源凝集素基因(L ectin)、淀粉酶抑制剂基因(A-A l)等。

3转基因抗虫棉选育和应用的主要发展趋势转基因抗虫棉的选育和应用,越来越受到人们的关注,其发展非常迅速。笔者认为:纵观其发展趋势,结合我市推广应用抗虫棉,将呈现以下发展趋势。

3.1　在抗虫棉的培育和应用上,由常规抗虫棉向转基因抗虫

棉转变

在抗虫棉育种的初期,人们主要是通过常规育种的方法,培育形态抗虫棉和生化抗虫棉,即常规抗虫棉。并培育出一些品种(或品系)在生产上推广应用。但其存在着选育周期较长,抗虫效果较差等缺点。随着科学技术的进步和发展,转基因技术的发展和完善,转基因抗虫棉的培育与利用,越来越显示出其无可比拟的优势,且随着人们研究的发展,这种优势还会更加明显。因而,转基因抗虫棉代替常规抗虫棉,在生产上推广应用,已成为抗虫棉育种的发展方向。

3.2　在转基因抗虫棉培育和应用上,由单价向双价或多价转

变

单一基因培育出的转基因抗虫棉,虽然具有许多优点,但也存在着许多不足,如抗虫范围相对较窄,抗虫性还不是特别强,害虫易对其产生抗性等,而双价或多价抗虫棉则可有效地解决这些问题。因而,双价或多价抗虫棉的培育和应用,必将代替单价基因控制的抗虫棉。在多价基因抗虫棉的发展方向中,将出现以下研究热点:一是针对目前抗虫基因的缺点进行改造;二是对新的抗虫基因的筛选与鉴定;三是对符合抗虫基因的利用。从而培育出既抗棉铃虫、棉红铃虫、棉红蜘蛛,又抗棉蚜、棉地老虎等主要棉花害虫的转基因抗虫棉。

3.3　培育以外源抗虫基因为主兼顾棉花形态和生化抗性的转

基因抗虫棉是将来发展方向之一

由于转基因抗虫棉的育成和推广应用,及其抗虫性的特点,使常规抗虫棉在生产上的价值越来越小,但常规抗虫棉具有转基因抗虫棉无法代替的优点。如抗性稳定,害虫不易产生抗性等。因此,常规抗虫棉与转基因抗虫棉在某些性状上具有互补性,如将两者有机地结合起来,可达到相互取长补短的目的。可以预见,将转基因抗虫棉材料与常规的形态和生化抗虫棉杂交,或直接将外源抗虫基因导入到常规抗虫棉品种(系)中,达到现代高新技术与常规育种技术相结合,选育出既高产优质,又具有多种复合抗虫、抗病性的棉花新品种,是未来棉花抗虫育种的主要发展方向之一。

3.4　培育以转基因抗虫为主,与抗除草剂、抗病、抗逆等转基

因相结合的多抗转基因新品种是将来发展方向之一

随着科学技术的不断发展,基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等高新技术在农业上的应用,人们培育出许多具有突出性状的新品种。培育出复合性的多抗转基因棉花新品种,使其不仅抗虫,还要具备抗病、抗旱、耐盐碱等综合抗逆性状,是今后棉花育种发展方向之一。目前,人们已开始进行这方面的工作,国外现已培育出抗除草剂的转基因抗虫棉,我们也开展这方面的研究,预计不久将在生产上推广应用。

3.5　转基因育种与常规育种结合是必然趋势

转基因育种与常规育种相比有显著优点:一是属于定向改造,是有目的地将控制某个性状的基因导入目标品种;二是改良作物是在分子水平上进行,可将不同种、属,甚至其它作物、动物或微生物的基因导入目标品种,获得含有异源物种的基因,可有效地克服棉花远缘杂交不亲合性;三是在分子水平上对某一性状改造,其它性状保持不变,缩短育种时间。随着科学技术的发展,人们用农杆菌介导、花粉管通道、基因枪、电激、微注射等技术,将外源基因导入棉花,并与杂交、回交、自交等常规转育技术结合,培育新的转基因棉花品种。

3.6　以转基因抗虫棉为基础的害虫综合防治体系代替以化学

防治为主的防治体系是必然趋势

长期以来,人们试图用单一的化学防治(或以化学防治为主)消灭棉田害虫。但害虫也会逐渐适应,而产生抗药性,迫使人们不断提高农药用量或使用毒性更大的农药,而引起一系列的恶性循环,环境污染不断加重。因而,人们正在发展建立综合的棉田害虫防治体系,把栽培的、化学的和生物的防治方法有机结合起来,把害虫为害控制在可承受范围内,充分利用棉花自身的抗性及棉田害虫与天敌的自然平衡,维护良好的昆虫群落,结合必要的化学防治和其它农业措施,达到治理害虫的目的。其中抗虫棉品种是基础,是不容质疑的。

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