植物基因工程技术在农业上的应用

1  植物基因工程在农业上的应用现状

  1.1  在优质丰产及综合性状改良育种上的应用

  基因工程育种的主要目标就是优质丰产育种。90年代前在农作物上的应用广泛,且主要是提高农作物产量,近期则侧重于提高品质,如:美国科学家据此提高马铃薯淀粉含量达20%-40%,最高达40%-60%。目前改良作物产品质量的基因及应用主要有:控制果实成熟的基因;谷物种子贮藏蛋白基因;控制脂肪合成基因;提高作物产量基因等。世界上有43种农作物品种得到改良,如水稻、番茄、马铃薯、瓜类、烟草等等。

  1.2  在抗性基因工程上的应用

  基因工程的发展为培育抗病虫的作物提供了新的手段,从而开辟了植物抗病虫育种的新时代。

  抗病基因工程育种主要是将病毒外壳蛋白基因移植到农作物中,使农作物能抵抗病毒感染,培育出抗病毒番茄、抗病毒烟草、抗病毒黄瓜等作物新品种。中国农业科学院生物技术研究中心与作物所合作,将几丁质酶和葡聚糖酶双价基因导入小麦,育成双价抗病转基因小麦,抗赤霉病、纹枯病和根腐病等真菌性病害。

  抗植物虫害的基因有多种,日前经常使用的主要有三种:一是从微生物苏云金杆菌分离出的苏云杆菌杀虫结晶蛋白基因,简称Dt基因;二是从植物中分离出的昆虫的蛋白酶抑制剂,其中应用最广泛的是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI);三是植物凝集素基因(lectin  gene)。

  而这些转基因作物能减少杀虫剂和农药的用量,降低杀虫剂和农药及其残留物对食物链、水体造成的污染,从而有利于保护生态环境。

  1.3  在非生物胁迫育种上的应用

  随着生物技术的发展,现在已经有能力通过遗传工程方法来培育耐除草剂的作物品种。耐除草剂的转基因植株的出现,不仅扩大了现有除草剂的应用范围,而且还影响新型除草剂的设计和使用。目前,耐除草剂的基因工程主要有两种策略:(1)修饰除草剂作用的靶蛋白,使其对除草剂不敏感,或促其过量表达以使植物吸收除草剂后仍能进行正常代谢。(2)引入酶或酶系统,在除草剂发生作用前将其降解或解毒。这两种策略都已成功地应用。基因工程在抗旱育种上的应用为克服干旱提供新思路。美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物,育成抗旱、抗瘠的新品种。我国在抗逆基因的分离、克隆和转化等方面的研究有新进展,已克隆了耐盐碱相关基因,通过遗传转化已获得了耐2%NaCL的烟草;耐1%Na-CL的苜蓿和耐0.8%NaCL的草莓。

  1.4  在植物医药基因工程上的应用

  目前,这方面的成绩主要表现在两方面,一是成功地在植物中表达抗体,二是成功地用植物来生产某些动物疫苗。

  迄今在世界范围内正在开发的医药活性多肽和疫苗估计在100种以上。多肽药物中有人胰岛素、人生长激素(HGH)、干扰素、白细胞介素、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂(TPA)、免疫球蛋白(Ig)等等。疫苗有麻风杆菌疫苗、脑膜炎球菌疫苗、乙型肝炎疫苗、流感疫苗和人免疫缺陷病毒疫苗等。

  2  植物基因工程在农业上应用的存在问题

  2.1  基因工程本身的发展局限  基因工程本身存在技术问题使其不能迅速使用。这些技术问题有基因转化率低、转化体系不完善、转化外源基因表达的调控能力低和转化的外源基因的遗传稳定性低等。

  2.2  基因工程与农业资源遗传多样性保护  依靠植物基因工程技术能够按照人类意愿设计创造的高光效、抗病虫,能在逆境中生长并且优质的“超级品种”,势必成为自然史上的优势物种,从而有可能加剧农业资源遗传的单一和贫乏。因此必须把目的基因开发利用与生物基因文库保存有机地结合起来。

  2.3  基因工程与病虫抗药性  病虫抗药性是困扰农业生产的重大问题。基因工程的操作会引起新的病虫抗药性。

  2.4  基因工程与环境生态平衡  人们利用植物基因工程生产出抗旱、耐盐、抗病虫害作物的同时,也会导致生物多样性遭受严重破坏,甚至导致一些物种的灭绝。生物技术同样会引起地壤侵蚀和沙漠化。这一结果是由于生物技术促进农作物它原本不适应的地域扩张而造成的,这可能会引起环境和生态问题。

  2.5  基因工程的安全性问题  转基因技术的安全性问题包括对人体和环境的安全性两个方面。转基因食品必须在天然有毒物质、成分及抗营养因子、过敏原等方面与自然食品实质性相同,才能是安全的。比如,转基因产品(如食品)是否存在过敏性,是否含有毒素,是否对人体产生短期或长期的伤害等;转基因农作物在自然生长过程中其基因是否会发生变异或漂移,是否会改变自身或其他物种的遗传特性等等。转基因植株的获得一般都要通过抗生素标记的基因载体转化得到,那么这些抗生素标记的基因会不会对人体产生伤害。到目前为止,尽管还没有依据证实转基因食品是不安全的,但人们对其安全性的顾虑也是不会轻易消除的。

  3  植物基因工程的应用前景

  随着转基因技术的不断发展,人们认识到其好的一方面,同时也认识到其潜在的不利的一面,即是否会给人类健康和生态环境造成不利影响。当人们认识到了转基因生物技术的“两面性”的时候,如何采取措施利用其优点、克服其潜在的危害,就成为这一技术进一步发展的重要问题。