标题植物基因工程.gif (7051 字节)

  基因工程简单地说就是采用目前知道的新技术,在大分子(DNA分子)水平上将个别基因的分子基础输入到另一种生物的细胞以定向改变其遗传特性。

一般来讲,基因工程的实现主要分为三个步骤:1)以人工方法在现有的生物中取得所需要的DNA片断,利用mRNA复制所需的DNA,即人工合成基因。2)将人工合成的基因输入到新细胞当中去,并使其与新细胞中原有的DNA相组合,即DNA的重组。3)筛选和培养有外源基因的细胞或组织,使其产生正常健康的转基因植物,通过有性繁殖将优良性状传递给下一代。

实现以上三步需要进行以下工作:

1) 寻找目标基因。众所周知,生物细胞中基因的数量是惊人的,在如此多的基因中如何取得需要的基因呢?首先,要知道含有目标基因的生物都有哪些;其次,通过复杂的方法确定该生物体内有哪些基因与其优良性状有关。

2) 取得目标基因。可以采用基因分离或人工合成的方法取得所需要的DNA片断。利用内切酶或逆转录酶可以将生物细胞中的天然基因分离出来。亦可以通过确定所需基因的遗传密码排列顺序来人工合成DNA链。

3) 基因的载体问题。基因从一种生物体内转移到另外一种生物体内需要一定的载体。现有质粒载体、病毒载体、脂质载体、原生质载体等多种方法;其中以质粒载体最为常见。质粒可以认为是一种可以与细菌共生的遗传物质,一般情况下对细菌的生命和遗传没有影响;但在特定情况下,质粒中的DNA可以替代宿主细菌的DNA。所以通过内切酶和逆转录酶可以将质粒的DNA分子改为所需的结构,如此即可将宿主细菌DNA变为所需DNA,再感染目标生物体即可达到基因转移的目的了。

以上是对植物基因工程实现过程的一个简单介绍。事实上,植物的基因工程远远没有这么简单,在转基因的过程中,不仅需要生物知识,也需要操作设备和技巧;所以,生物学尤其是生物工程学是一门十分尖端的科学,需要大量优秀的人才方能取得突破性的进展。


植物基因工程的新进展

  自1983年首次获得转基因烟草、马铃薯以来,短短十余年间,植物基因工程的研究和开发进展十分迅速。国际上获得转基因植株的植物已达100种以上,包括水稻、玉米、马铃薯等作物;棉花、大豆、油菜、亚麻、向日葵等经济作物;番茄、黄瓜、芥菜、甘蓝、花椰菜、胡萝卜、茄子、生菜、芹菜等蔬菜作物;苜蓿、白三叶草等牧草;苹果、核桃、李、木瓜、甜瓜、草莓等瓜果;矮牵牛、菊花、香石竹、伽蓝菜等花卉;以霸占杨树等造林树种。应该说转基因植物研究取得了令人鼓舞的突破性进展。
  但是,以往的工作重点多在容易做的模式植物上,从而使烟草、马铃薯、番茄、矮牵牛、拟南芥菜等植物的分子生物学和转基因技术发展很快。近年内以实用为目标的研究数目大大增加,在国外,主要的种子公司和一些小公司竞相开发重组 D NA技术,用于重要作物的商业应用,将研究机构和大学首创的原理和科技用于开发,导致植物基因工程向重要粮食和豆科作物遗传改良的实用化目标迈进。
  在1988年以前,重要谷类作物和豆科作物的转化十分困难,只是在一种生物技术的新工具--"基因枪"研制成功以后,才使得这些作物的转基因不但成为可能,而且常常可以做到不依赖于品种或基因型。基因枪是用火药爆炸、电容放电或高压气体作为加速的动力,发射直径仅1微米左右的金属颗粒。微粒表面用优选的基因包覆,高速射入植物细胞,并在细胞内表达产生有活性的基因产物,从而达到改良品种的目的。
  最初大豆基因工程的重点放在原生质体和胚性悬浮细胞的再生上,但进展很慢,获得转基因大豆是一个很大的难题。基因枪的出现,使大豆转基因成为现实,实际上目前大豆已成为许多难转化作物的模式作物。在1988至1990年仅两年时,建立了可实用的大豆转化体系,这是目前唯一的不依赖于基因型的大豆转化方法。抗除草剂 B astar和Roundup的基因也已转入大豆,并在过去三年中连续进行了田间试验,预期不久将可商业化,这将是豆科作物基因工程商业化应用的一个里程碑。大豆基因工程今后的目标可包括蛋白质和油脂成分的修饰、抗虫、抗病毒及其他病害抗性等。
  水稻为世界第二大谷类作物,但在我国则为最大的粮食作物,年产18992万吨(中国农业年鉴1993)。我国和印度的水稻产量占世界总产量的60%,全球几乎一半人口以稻米为主要热量的来源。水稻和爪洼稻、籼稻占栽培水稻的80%,供世界20多亿人食用。
  水稻得到转基因植始于1988年,最初均以原生质体为受体,采用 D NA直接转移法,再生出了可育的转基因植株。但是,原生质体再生体系的限制很大,粳稻上只有少数品种如台北309等,可由原生质体再生植株,大多数优良的粳稻品种和绝大多数籼稻品种都难以由原生质体再生。可由原生质体再生植株的籼稻品种迄今尚未获得转基因植株。由于水稻未成熟胚的盾片再生植株的能力很强,几乎所有水稻栽培品种均能由未成熟幼胚再生。因此,一些科学家认为,原生质体转化在水稻上应用前景有限,最好是用基因枪转化水稻幼胚。最近水稻幼胚和盾片来源的愈伤组织,用根癌农杆菌转化都获得了转基因植株。
  从目前的研究情况看,一些重要粮食作物的转基因效率还不高,而且只在少数品种上成功。转基因技术如何达到高效、快速、简便,适用性广,仍然是植物基因工程的一个重要限制因子。

  植物基因在减少病虫草方面有什么突破

  重组 D NA技术的发展,已可将动物、植物、微生物的基因相互转移,打破了物种之间难以杂交的天然屏障。迄今已经把具有实用价值的基因如抗病毒、抗虫、抗除草剂、改变蛋白质组分、雄性不育、改变花色和花形、延长保鲜期等的基因分别转入烟草、马铃薯、棉花、番茄、大豆、苜蓿、矮牵牛等作物。植物基因工程对未来农业将产生不可估量的影响。(一)抗病毒方面:
  病毒是农作物一个大敌,由它引起的产量损失极大。仅以马铃薯为例,因马铃薯 X病毒( P VX)损失可达10%,马铃薯 Y病毒( P VY)的损失可高达80%。
  自1986年美国把烟草花叶病毒的外壳蛋白基因转移到番茄体内,培育出抗烟草花叶病毒的番茄植株以后,抗黄瓜叶病毒的转基因植株也陆续获得成功。我国科学家利用转基因方法,已经培育出抗病毒烟草和抗病毒番茄,并且已开始进行田间实验。(二)抗细菌及真菌方面:
  细菌和真菌都是农业生产上的主要病害。历史上记载有因植物病害而改变千百万人生活的残酷事件,最突出的例子是爱尔兰(1845-1860)因马铃薯晚疫病(真菌病害)绝产而导致100万人饥饿,并迫使另外200万人移民至北美。据估计,全世界马铃薯每年因细菌性病害减产25%,约计40亿美元。常规病育种对农业生产作出了卓越的贡献,但在某些情况下,由于作物本身或近缘野生种中缺乏抗原,限制了抗病育种的发展。重组 D NA技术使不同有机体的基因得以相互转移,从而开辟了一条解决问题的新途径。
  在天蚕、家蚕、柞蚕蛹的血淋巴中发现,经诱导后可产生15种蛋白,可分为天蚕素、 A ttacin及溶菌酶等三类不同的杀菌肽,对革兰氏阳性和阴性菌有广谱的抗菌活性。 J aynes实验室(1991)将天蚕素 B及两种人工合成的杀菌肽基因转入烟草,经青枯菌接种,发现转基因烟草发病延迟,病情指数及死亡率降低。我们实验室与兄弟单位合作将人工合成的天蚕素 B及 S hiva A基因转入我国7个马铃薯主栽品种,经温室和田间接种青枯菌鉴定,某些特基因株系的生物比起始品种提高1-3级。 J aynes等还 用计算机作杀菌肽结构比较,体外生物活性检测,发现有些多肽可杀真菌、疟原虫和植物线虫。他们乐观地估计,将来有可能用一个单基因杀植物的不同致病细菌、真菌和线虫。(三)抗虫害方面:
  迄今研究得最多并取得成效的有两类基因,即苏云金杆菌的杀虫蛋白基因以及从豇豆等作物中分离的蛋白权衡利弊抑制剂基因。当害虫在这种转基因植株上取食后会使其致命。
  1987年Vaeck等首次证明转苏云金杆菌杀虫蛋白基因的烟草能抗烟草天蛾,其表达量占水溶性蛋白的0.0001%已可完全抑制烟草天蛾。此后在番茄上也获得了成功,可抗番茄果虫和番茄蠹蛾。根据植物偏爱的密码子将经过改造的杀虫蛋白基因转入棉花后已获得了抗虫蓝花,经田间试验,证明能抗甘蓝尺蠖、甜菜夜蛾和棉铃虫。据估计,棉花杀虫剂每年耗资6.45亿美元,抗虫棉花的育成将对减少杀虫剂的用量、保护环境有巨大的作用。
  第二类杀虫基因是从豇豆、马铃薯等作物中分离的蛋白酶抑制剂基因。已知茄科植物中有两类伤诱导的蛋白酶抑制剂,抑制剂Ⅱ可抑制胰凝乳蛋白酶及胰蛋白酶,抑制剂Ⅰ则抑制胰凝乳蛋白酶。表达这些基因的转基因草已证明对不少昆虫有广谱抗性。我国上海生物化学研究所戚正武先生实验室近年还从慈姑及葫芦科作物中分离出蛋白酶抑制剂基因,并正在用蛋白质工程加以改造,以期获得杀虫力更强、更广谱的抗虫基因。
  昆虫饲喂试验业已证明,苏云金植菌杀虫蛋白加蛋白酶抑制剂,可提高杀虫2-20倍。可以预料,未来的发展趋向是将两类基因同时转入植物,以提高抗虫能力,并解决昆虫的抗性问题。(四)抗杂草方面:
  农业上因杂草危害减产由40年代的8%上升为12%。目前广泛使用的除草剂大部分为非选择性除草剂。因此只能在播种前使用。通过基因工程培育出抗除草剂的作物,不但可以降低化学除草剂的施用量,减少环境污染,而且给轮作或间作中作物的选择以更大的灵活性。
  草甘膦是目前用得最广的一种非选择性除草剂,可杀死世界上78种恶性杂草中的76种,对人畜无毒,且易为土壤微生物分解。
  预计抗除草剂的转基因植物将是最早商业化的工程植物之一。但实用之前还需考虑转基因植物的生活力和产量是否会降低,与杂草杂交的潜在可能性,以及作物本身转成杂草的可能性。

  转基因植物研究开发实用阶段进展

  为确保人类健康及环境安全,各国在进行转基因植物田间试验时,需经本国政府有关部门批准。比如,我国国家科委已发布《基因工程安全管理办法》,农业部也正在制订《农业生物基因工程安全管理实施细则》,从事这方面研究开发的单位和个人在申请田间释放时,都必须提供安全性评价的详细资料。从总的趋势看,转基因植物获冷进行田间试验的数目大幅度增加。自1986年每一例转基因植物进行田间试验以来,到1992年为止,全世界批准进行的田间试验已达675例。1986年仅5例,至1992年急增到244例。进行田间试验的有28个国家,其中美国占250例,法国112例,加拿大76例,比利时54例,英国42例,荷兰33例,其他22个国家占108例。这675例中,绝大多数是由私人公司申请进行的,60家公司占501例。以作物而言,马铃薯最多(134例),依次为油菜(122例)、烟草(96例)、大豆(27例)、苜蓿(23例)等,其他作物都少于10例,如水稻5例。所转的目的基因中以除草剂抗性最多(247例),其次为品质改良(116例)、抗病毒(104例)、抗虫(89例)、示记基因(81例)及抗病(20例)等。说明植物基因工程已进入作物改良的实战阶段。
  据预测,工程烟草、番茄、马铃薯、油菜、棉花、大豆等、5-10年内可投放市场。

  影响转基因作物品种商业化的主要因素

  1、安全性问题,即转入的某一特性对最终产品使用的影响,特别是作为食品,对人体有无不良影响。
  2、转基因 D NA的移动性,即这种 D NA是否会转至其他作物或杂草,因而引起环境及生态问题。
  3、对其他农业措施的后效应,对发展中国家农业及农产品出口的影响等。
  4、公众的接受性,即心理因素。
  总之,转基因植物的研究和开发已取得了长足进展,但还有不少问题值得进一步探讨。尽管如此,其商业化前景是光明灿烂的。

  我国植物基因工程研究和开发现状的评价

  863计划对促进我国植物基因工程的发展起了关键性作用。目前,从技术力量和仪器装备情况看,已具备了跟踪世界先进水平的实力。
  但从总体上说,我国植物生物技术的基础研究和开发应用仍是两个致命的薄弱环节,必须加强。我国植物基因工程的现状是:仿效多,创新少。创新是建立在深厚的基础研究之上的,没有坚强的基础研究作后盾,便无从创新,势必导致后劲不足。实验室研究成果的开发,目前我国也缺乏一种健全、有效的体制。国际上与生物技术有关的公司约500家,我国的公司都是小公司,仍处于萌芽状态。从根本上加强以上两个薄弱环节,关系到我国农业生物技术的命运和前途。
  可以预料,21世纪将是植物生物技术大发展的时代,也是植物生物技术全面武装农业的时代。必须抓住这一契机,完成历史所赋予的使命,为我国农业的持续发展作出贡献。