转基因植物的研究进展

转基因植物的研究进展

1.植物转基因的方法及其优缺点

就目前技术而言，植物转基因方法大致可分为两大类，第一类必须通过组织培养为媒介，使其产生新的植株，常用的方法有农杆茵介导转化法、直接转入法等；另一类方法则不需要通过组织的培养，如花粉管道通法。

1.1农杆茵介导转化法

农杆菌介导法主要以植物的分生组织和生殖器官作为外源基因导入的受体，通过真空渗透法、浸蘸法及注射法等方法使农杆菌与受体材料接触，以完成可遗传细胞的转化，然后利用组织培养的方法培育出转基因植株，并通过抗生素筛选和分子检测鉴定转基因植株后代。

农杆菌是一种革兰氏阴性土壤杆菌，1970年人们发现它是植物致瘤的起因，它在自然条件下能感染大多数双子叶植物的受伤部位，植物细胞被侵染后会形成肿瘤，能够诱发冠瘿瘤的称为根癌农杆菌，而诱发毛状根的称为发根农杆菌，两者细胞中分别含有Ti质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中。农杆菌的Ti质粒可以作为载体。Ti质粒上有两个区域，一个是T-DNA 区，这是能够转移并整合进植物受体的区段；另一个是Vir区，它编码实现质粒转移所需的蛋白质。将待转化的外源基因先克隆在大肠杆菌质粒上，然后将此质粒转入不会引起冠瘿瘤的农杆菌，使外源基因通过同源重组整合在Ti质粒上；然后用带有外源基因的这种农杆菌去转化植物细胞，将外源基因转入植物细胞的基因组。因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系，尤其是根癌农杆菌，它在转基因技术中的应用相对较多。

相比于其他植物转基因方法，农杆菌有许多优点，它能将载体上特定区域内的目的基因导入细胞，并整合在染色体上，这种方法仪器设备简单，操作容易，可直接用不同的植物组织进行基因转移；另外，这种方法外源基因插入一般为单拷贝或低拷贝，可较稳定地表达和遗传到子代，转移DNA片段明确，可转移大片段DNA，并能保证导入的外源基因的完整性、转化频率高、费用也相对低廉，再生植株可育率高。因此，农杆菌介导转换法深受科学工作者的青睐，并具有巨大的发展潜力，其应用也将越来越广泛。但是它最大的弱点就是寄主范围狭窄，主要应用于双子叶植物，农杆菌介导的单子叶植物转化直到20世纪90年代之后才取得一系列进展。

1.2直接转入法

直接转入法方法将裸露的DNA直接导入植物细胞，然后将这些细胞在体外培养再生出新的植株。

由于裸露在外的DNA的转化效率较低，因而需要辅佐以效率较高的组织培养系统。每个植物细胞都有一层很厚的细胞壁，因此运用该技术前需先除去植物细胞壁，从而使之成为原生质体，然后用来直接转入外源DNA。除此之外，也可用其他机械的方法将DNA直接注入植物细胞，这样就无须去除细胞壁，这类方法有用显微操纵仪把DNA直接注入植物细胞内，也可在金属微粒上蘸涂了外源DNA，把它当作“子弹”，用“基因枪”轰击植物组织而进入植物细胞。基因枪介导的转化法，就是利用火药爆炸或高压气体加速，将包裹了带目的基因的DNA溶液的高速微弹直接送入完整的植物组织和细胞中，然后通过细胞和组织培养技术，再生出新的植株，最后筛选出其中的阳性植株即为转基因植株。

与上面提及到的农杆菌介导转化法相比，基因枪介导转化法的主要特点是不受受体植物

范围的限制，而且其载体质粒的构建也相对简单。然而事物总有两面性，优点之外基因枪介导转化法还存在着整合率低、成本昂贵等方面的不足。目前，该方法也是转基因植物研究中应用较为广泛的一种。

1.3花粉管通道法

花粉管通道法是一种较老的植物转化方法,是我国科学家周光宇在1983年的研究成果。该技术的原理主要是授粉后使外源DNA能沿花粉管渗入,经过珠心通道进入胚囊,转化尚不具备正常细胞壁的卵、合子或早期胚胎细胞。

花粉管通道最初的操作方法是柱头滴加法,在以后的实践中,又根据植物的花器结构特征等,开发了一些新的花粉管通道导入外源DNA的技术方法,如子房注射法,即对于子房较大的受体,在授粉后使用微量注射器沿子房纵轴插入一定深度注射外源DNA溶液，或采用花粉粒携带法,即用待转基因的溶液处理花粉粒, 用这种携带有外源基因的花粉粒授粉。在早期研究中,导入的一般都是外源总DNA给受体植物,外源总DNA与受体基因组的整合是随机的,缺乏有效控制,总会带来一些不希望的性状。但外源总DNA导入法技术比较成熟,在当前识别和分离多基因控制性状尚难的情况下应用比较多, 因为它无需进行单一目的基因的识别与分离,且DNA没有经过人工重组,其实质相当于远缘杂交,不必担心由其他转化系统获得的转基因植物的生态风险性等问题。然而，对于对于一些已明确某基因控制的性状, 多采用单基因导入。随着基因工程的发展,现在导入的一般为重组分子,把有益的基因连在质粒载体上导入受体,去除不必要的基因。因此,基因来源也大大丰富了,可来源于其他植物、动物或微生物,得到抗虫、抗病毒、抗细菌的后代,给育种工作者提供更加广泛的选择空间。

花粉管通道法的主要优点为，可保留常规育种的基本特点并直接得到转化种子，此外，操作简便经济,无需昂贵的仪器和化学药品，且不依赖组织培养人工再生植株，技术简单，常规育种工作者易于掌握。总之,花粉管通道法现已被誉为流行的转基因方法的一种,成为国内外农业生物技术研究中的热门课题,在其他涉及植株再生的转基因方法遇到困难时, 研究者往往利用花粉管通道法来改变现状。然而在使用花粉管通道法将完整的基因组导入受体基因组,会引起性状的大量分离,需经多代自交纯化,才能得到目标性状纯合稳定的后代,所以时间相对久一些。同时,花粉管通道法只能用于开花植物, 且只有花期可以进行转育,导入总DNA片段的转育株会带有少量非目的性状的DNA片段,其效果也受结实率与转化率的限制, 如前人研究中运用花粉管通道法转化外源DNA转化成植株率一般仅为1%~10%;还有,花粉管通道法的外源基因整合机理还不清楚。因此,花粉管通道法技术还并不十分成熟, 在一定程度上限制其广泛应用。

2.各种类型转基因植物的研究进展及其效用

现今，通过以上方法转基因技术已大大应用于植物的培育中，在不断的研究实践下，世界各国的研究人员取得了不同的成果。近年来，转基因植物的研究进展如下。

抗虫转基因植物，该转基因技术使得植物具有既定的抗虫能力，因为减少了杀虫剂的使用量从而削弱了对生态环境的污染，抗虫转基因植物的培育大大提升了作物的产量。1987 年Vaeck 首次将Bt 基因转入烟草获得抗天蛾的转基因植株，随后Bt 毒素基因相继被转化到棉花、水稻、玉米等50 多种植物中。

改变花形花色的转基因植物，通过转基因技术，可以改变植物的形态与颜色，从而大大提高了植物的观赏性，也为不同品种的植物新添了新种类。1996 年10 月Florigene 公司首次在澳大利亚出售转基因淡紫色康乃馨，不久该公司又推出了深紫色康乃馨。加利福尼亚的戴维斯基因工程公司从矮牵牛中分离出一种新的蓝色编码基因导入到玫瑰中获得了开蓝色花的玫瑰，这些都是转基因植物在改变花形花色上的研究进展。