转基因水稻简介

转基因水稻简介
水稻是世界上最重要的粮食作物之一，杂种优势的成功利用使得水稻产量得到了极大的提高，为解决世界范围内的粮食危机做出了极大的贡献。

但是，自20世纪80年代以来，杂交水稻的产量就处于徘徊不前的局面。

不断提高水稻产量和改良其品质是当前水稻育种的重要任务，这一任务的完成单纯依靠传统的遗传育种是不可能实现的。

80年代产生的转基因技术由于直接在基因水平上改造植物的遗传物质、可定向改造植物的遗传性状、外源基因的转入打破了物种之间的生殖隔离障碍、丰富了基因资源等优点而弥补了常规育种方法的不足，得到了前所未有的发展。

许多学者在水稻的转基因研究上做了大量工作并取得了很大的进展，为水稻的遗传改良奠定了基础。

转抗虫基因：
害虫是危害我国农业生产的主要限制因素，大量化学农药的使用不但污染环境，而且也使得有益昆虫的数量锐减，害虫的抗药性不断加强。

此外，化学杀虫剂使用后的农药残留对人畜都会有严重的危害。

因而植物抗虫基因工程成为科学家的研究热点领域之一。

由于水稻本身没有足够的抗虫基因，目前研究者利用人工合成或从其它生物中克隆的抗虫基因转化到水稻栽培品种中，提高品种的抗虫性。

在水稻抗虫转基因方面，使用得较多的基因有：苏云金杆菌毒蛋白基因(Bt)、蛋白酶抑制剂基因(Pin2，SKTI，OC—IAD86，Cp-Ti)、植物凝集素基因(GNA)等，将这些基因导入水稻，可使水稻产生对二化螟虫、三化螟虫、稻纵卷叶螟等鳞翅目害虫及蝗虫、褐飞虱、线虫的抗性。

Bt毒蛋白基因是目前使用最广的基因，众多的研究都表明用转基因的方法将Bt毒蛋白基因导入常规水稻可使水稻对螟虫的抗性提高刚。

转抗病基因：
病害(包括真菌病、细菌病和病毒病)是影响我同农业生产的另一类重要限制因素。

在我国，大面积发生且危害严重的病害有水稻稻瘟病、纹枯病、白叶枯病，因此，我国科学家在抗病基因工程方面也开展了大量的工作。

转抗逆基因：
逆境是限制植物生长、影响产量形成的重要因素之一。

抗逆基因的分离、克隆、转化一直受到科学家们的高度重视。

目前已分离出大量的抗逆相关基因，并在抗逆基因的遗传转化中取得了明显的成绩。

Hossan等已分离克隆出3个与水稻耐淹能力有关的基因pdc I，pdcⅡ，pdcⅢ，并转入水稻中获得部分转基因植株．Rathinasabathi等将烟草中的CMO基因导入水稻，获得了具有很强抗旱性的转基因水稻．日本村田纪夫将甜菜碱生物合成酶基因codA导入水稻，获得了耐碱性的转基因水稻植株．高倍铁子等将编码大肠甜菜碱生物合成酶基因ktA导入水稻，获得了耐盐性强的转基因水稻植株。

转育性相关基因：
育性基因包括不育性基因和恢复基因两类。

育性基因的研究的开发对于杂种优势利用具有重要意义。

目前，育性相关基因的研究还主要处于基因的定位与克隆的水平，离转化入植物中进行实际应用还有一定距离。

现已成功地定位了光敏核不育基因、恢复基因、广亲和基因，为今后这些基因的克隆与利用转基因技术改良水稻育性奠定了基础。

转高产优质基因：
在提高水稻产量方面，“三系”杂交稻的成功应用为粮食产量的大幅度提高做出重大贡献。

但在杂交种的制种过程中，由于多种原因而使种子纯度不够，使水稻生产受到损失，为了解决这个问题，中国水稻研究所利用转基因技术将抗除草剂基因导入水稻恢复系中，这样通过喷施除草剂就在苗期将假杂种杀死，从而保证了种子的纯度。

目前提高水稻产量的基因工程的主要设想是改造光合碳代谢过程．高光效C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和二磷酸核酮糖羧化酶基因(RuBpC)导人水稻(C3植物)中，在水稻叶片的叶绿体中表达以提高水稻光合效率，达到增加产量的目的。

Ku等将PEPC基因导入水稻，获得了光合效率提高近50％的转基因水稻，为水稻大幅度增产带来了新的希望。

此外，林鸿生等利用E.coli中编码ADPG焦磷酸化酶的基因glgC—TM，将其导入水稻，并获得了转基因植株，可提高水稻灌浆时胚乳细胞中淀粉的转化率，使千粒重增加，产量得到提高。

水稻转化受体系统：
用于水稻遗传转化的受体系统主要有以下几种：
原生质体再生系统
采用原生质体能直接高效地进行转化，转化频率较高，但原生质体分离困难，培养时问长，细胞无性系的变异强，即遗传稳定性差．因此局限性较大，现已很少采用．
愈伤组织再生系统
目前，应用较多的是水稻幼胚、成熟胚、幼穗的胚性愈伤组织．一些分生组织如根尖、芽尖也用于水稻基因转化的受体，但转基因植株再生困难；幼胚的转化频率较高，但转化受季节和环境的限制．成熟胚因取材方便，愈伤组织转化效率高，而被广泛应用．
幼嫩子房、花粉、卵细胞、幼胚
花粉管通道法避开了繁琐的细胞及组织培养过程，利用子房、幼穗及种胚注射外源DNA等方法导入外源基因．避免了转化体早期天亡、不育、不孕等现象，易于得到转化种子，但是，转化后代群体较大，尚需要有简便可靠的筛选方法来支持．
转化方法：
农杆菌介导法
自zembryski等利用农杆菌转化烟草获得首例转基因植株以来，这一方法在双子叶植物中得到了广泛应用．由于单子叶植物不是农杆菌的天然寄主．对农杆菌反应不敏感，曾一度限制了其在单子叶植物中的应用。

进入20世纪90年代以来，随着人们对农杆菌侵染机理的了解和转化技术的改进，相继在多种单子叶植物上取得成功。

基因枪转化法
该法取得成功的实例最多。

已成为单子叶植物最主要的转化方法，使许多重要的禾本科作物转化都获得了成功。

基因枪法转化水稻具有周期短，不受外植体限制，幼胚、成熟胚、分生组织及胚性愈伤组织等多种外植体适于基因枪转化法．已有大量的水稻品种应用此法转化成功。

但是基因枪法与其他方法一样有其弱点：外源基因以多拷贝整合，后代的遗传稳定性较差；轰击过程对细胞的损伤较大，常常造成转化细胞的死亡；机械方法导入随机性强；基因枪价格昂贵，转化成本较高。

PEG法
应用此法已将一些重要的农业性状基因导入水稻。

此法需要的设备简单，易于操作，成本低．但由于原生质体的分离困难，再生频率低，培养难度大，周期长，后代变异大，且受基因型限制．因而这一方法的普及受到限制．目前，这一方法的应用日趋减少。

电激法
电激法转化同PEc法有一样的缺点，即原生质体的分离、植株再生困难和基因型依赖性等问题。

且其转化效率不高，各项参数还有待优化。

花粉管通道法
该方法避开了经验性很强的组织培养及植株再生过程，可直接在田间进行整株操作，且价格低廉，易于推广，因此受到广大育种工作者的极大重视，方法上也口趋成熟和完善．使外源DNA进人花粉管通道的实施方法，也已发展出了子房注射、DNA直接涂抹柱头、供体花粉匀浆涂抹柱头、受体花粉与供体DNA混合后授粉以及直接将DNA滴入小穗等技术．至今，这些方法都广泛应用于禾谷类作物的遗传转化中．得到了可喜的成绩．但这一方法的转化效率还比较低，在操作上还受到开花季节的限制，而且对后代的筛选工作量很大。

转基因水稻前景展望和存在的问题
近几年我国水稻转基因发展很快，也取得了巨大的成就，～系列转基因水稻产品成为人们生活中必不可少的粮食资源，转基因水稻能对病虫害及逆境产生很大的抗性，但这种抗性在转基因植株稳定保持下来却难度较大。

目前解决的思路
一般是在同一植物中转人多个抗性基因，培育多基因抗病虫、抗逆品种。

据目前的了解，同时产生几个位点上抗性的昆虫是没有的。

因此将抗病虫害基因在水稻内的不同的位点上进行转化，使转基因水稻同时具有不同位点的抗病虫害的特性。

还可以利用特异性的启动子、内含子片段、增强目的基因的表达水平来解决转基因水稻抗虫持久性问题。

此外，根据各地环境条件的不同，培育、种植不同种类的多抗性、高产、优质转基因水稻，这是解决我国人口众多和人民生活水平不断提高的有效途径之一。

虽然利用转基因技术进行水稻遗传改良已取得较大进展，但距大规模采用遗传工程技术改良水稻品种还有相当遥远的距离．进一步提高转化效率，降低转化成本，寻找新的外植体和发现新的有益的目的基因，缩短培养时间，减少转化体变异，加强转基因水稻的安全性评价的研究等仍是水稻转基因技术迫切需要解决的问题．只有解决这些问题，才能使基因工程技术在水稻遗传改良中发挥更大的作用．同时，转基因技术作为一种创造变异的手段，应该说仅仅只是育种工作的一个环节，要选育出能够在生产中推广应用的新品种，仍然离不开常规育种手段的支持．从目前所获得的转基因水稻来看，绝大多数还只是一种有较大利用价值的新材料，很难以在生产上直接应用，所以，进一步加强转基因材料后代的遗传变异规律的研究，探索转基因技术与形态育种、杂交育种等传统技术的有机结合，将是水稻遗传改良的必然途径。

微生物与生化药学
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谢东良。