转基因植物研究进展

转基因植物研究进展

文　平　(湖南省邵阳医学高等专科学校生物学教研室　422000)　王仁祥　(湖南省农业厅科技教育处　410005)

摘　要　本文从转基因植物的类型、转化方法两方面综述了转基因植物的研究现状,并简述了转基因植物的研究发展历程及在全球和中国的应用概况。

关键词　转基因植物　研究进展　应用

　　转基因植物是指利用重组DNA技术将克隆的优良目的基因整合到植物的基因组中并使其得以表达而获得的具有新的遗传性状的植物。这一技术克服了植物有性杂交的限制,使基因交流的范围无限扩大,可将从细菌、病毒、动物、远缘植物及人类的基因,甚至人工合成的基因导入植物,应用前景十分广阔。从1983年世界第一例转基因植物(geneticallymodifiedplant,GMP)———烟草问世以来仅20年时间,转基因植物的因已包括抗病毒、抗虫、抗除草剂、改变蛋白质成分或含量、雄性不育、改变花色和花形、延长保鲜期等基因种类,其中的相关基因已经用于培育转基因烟草、马铃薯、棉花、番茄、大豆、玉米、油菜、苜蓿及矮牵牛等。迄今为止,全世界已分离出100余个用于植物基因工程的目的基因,获得转基因植物近200种。已有近1000例转基因植物被批准进入田间试验,涉及的植物物种有50余个,已批准了48个转基因植物品种进行商业化生产

[5]

研究和应用得到了迅猛的发展。至2003年,转基因植物已在18个国家种植,种植面积从1996年的170万公顷发展到2003年的6770万公顷,增加了40倍之多。全世界转基因作物仅种子销售额到2003年已达

47.5亿美元,是1995年的56倍

[1,2]

,转基因植物主要有以下几大类型:

1.1.1　抗除草剂转基因植物　该类植物由于转入了

抗除草剂基因,表现出抗不同类型除草剂的性状。目前已获得了一些抗除草剂作物,如抗草丁膦(glufosi2

nate)转基因作物冬油菜

[6]

。尽管转基因植物

[3,4]

,抗草甘膦(农达)转基因作

[7]

安全性问题以及与公众态度、贸易政策和伦理、宗教等相关的政治、经济问题,尚存在争论辉煌的发展前景是勿容置疑的。

1　转基因植物的研究进展

1.1　转基因植物的类型　获得有用的目的基因是基

,但转基因植物

物大豆、玉米、棉花、油菜、向日葵、甜菜,抗磺酰脲类

除草剂转基因作物大豆、棉花,抗溴苯腈转基因作物油菜、小麦、棉花、烟草,抗阿特拉津(atrazine)转基因作物大豆、玉米作物

[7]

[8]

,抗唑啉酮类除草剂转基因作物玉米、

油菜、甜菜、小麦、水稻以及脱卤素酶转基因抗除草剂

。此外,解溴苯腈毒害的BXn基因和解2,4

因工程的基本前提。近几年来,应用于植物的外源基在预防接种时,不用打针,只需食用某种转基因水果或食品就能达到免疫目的。2.2　利用转基因动植物生产其他生物药　转基因植

α干扰素、物可表达多种蛋白如脑啡呔、人血清蛋白以及两种最昂贵药物即葡糖脑苷脂酶和粒细胞-巨噬细

[8]

胞群刺激因子等。单就α干扰素而言,目前已有49个国家批准销售。年销售额达3亿美元,它可以用来治疗14种疾病,包括肝炎、卡波济肉瘤、肾癌以及基底细胞癌等。转基因动物制药技术是将克隆的外源目的基因(一般为人的基因)整合到动物受精卵的染色体内,使之在动物体内表达并稳定遗传给后代,并在长成的转基因动物体液或血液中收获基因产物。目前,利用转基因牛、羊、猪和兔等已获得了抗凝血酶、人血红蛋白、人血清蛋白、抗胰蛋白酶等药用蛋白质。

2.3　基因治疗　是指通过转基因技术纠正某些基因

综上所述,现代生物技术的发展突飞猛进,估计在

2010～2020年,生物技术产业将逐步成为世界经济体

系的支柱产业之一,正如专家们所预言的那样,21世纪将是生物技术发展的世纪。

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・10・

生物学教学2005年(第30卷)第12期

-D毒害的tfDA基因等也在抗除草剂作物培育中获烟草花叶病毒(TMV)和黄瓜花叶病毒(CMV)基因、小麦抗赤霉病、纹枯病和根腐病基因,并用相关基因进行了抗水稻白叶枯病,花生和番茄的青枯病,大白菜软腐病,柑橘溃疡病,桑树和桉树的青枯病、根肿病等研究

[18]

得成功

[9]

。

1.1.2　抗虫转基因植物　比利时植物遗传公司的科

学家于1987年首次将苏云金杆菌(Bacillusthunring2

iensis)毒蛋白基因导入烟草中得以表达,表现出对一龄

。获得转基因抗病性状的植物有烟草、番茄、棉

烟草夜蛾幼虫的抗性

[2]

。经过10多年的发展,已取得花、大麦、燕麦草、小麦、马铃薯、水稻等。除了外壳蛋白基因这一有效途径外,近年来国内外实验室正在摸索多种抗病毒基因工程的新方法,包括卫星RNA、复制酶基因以及病毒复制抑制因子、核糖体失活蛋白、致病相关蛋白、核酸酶等。细菌病和真菌病的抗病基因工程研究基本上还处于实验室阶段。我国培育的抗黄瓜花叶病毒转基因甜椒和番茄已实现商品化生产[5,14]

较大的进展,并实现了大面积的商业化应用。抗虫基因有两类:一类是Bt杀虫蛋白基因,来自苏云金芽孢杆菌,杀虫毒性为伴孢晶体蛋白,对鳞翅目、双翅目和鞘翅目昆虫有毒,现已导入棉花、玉米、水稻、烟草、番茄、马铃薯、胡桃、杨树及落叶松等

[10]

;另一类是蛋白

酶抑制剂基因,可抑制蛋白酶活性,干扰害虫消化作用而导致其死亡,是植物对虫害的自卫反应,主要有丝氨酸类、半胱氨酸类、含金属类、天冬酷氨类,现已导入棉花、烟草、番茄及龙葵等[11]

。1.1.4　抗逆境转基因植物　目前已分离出大量与抗

。根据转化所使用的基因逆代谢相关的基因,包括与抗(耐)寒有关的脯氨酸合成酶基因、鱼抗冻蛋白(AFP)基因、拟南芥叶绿体3-磷酸甘油酰基转移酶基因,与抗旱有关的茧蜜糖合成酶基因及一些植物去饱和酶基因等。我国在抗逆基因的分离、克隆和转化等方面的研究已取得一定进展,克隆了耐盐碱相关基因,通过遗传转化已获得了耐1%

NaCl的苜蓿,耐0.8%NaCl的草莓,耐2%NaCl的烟

类型,大体可以将抗虫转基因植物的发展过程分为两代:第1代即转入Bt杀虫晶体蛋白基因为主,其产生的许多转基因作物都已进入商品化生产,如获得Bt杀虫晶体蛋白基因的烟草和番茄植株;第2代则转入Bt杀虫晶体蛋白基因之外的高效杀虫蛋白基因,这一代转基因作物大部分还处在实验室阶段,少数进入田间试验

[12,13]

。抗虫基因在棉花作物上得到了最成功的应草,抗逆基因工程作物已进入田间试验阶段等荃

[19][20]

[11]

。刘岩

用,获得转基因抗虫棉的Bt基因已见诸报道的有Cry2

IA(b)、CryIA(c)、CryIIA和CryIVA;涉及的国家有美

获得了耐盐性明显提高的转基因玉米植株。张等获得了耐盐性提高的转基因番茄。新疆石河

国、中国、澳大利亚、埃及、法国、印度、原苏联和泰国等。目前已获得转化植株的蛋白酶抑制基因有:大豆胰蛋白酶抑制剂基因(SKTI)、豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)及慈姑胰蛋白酶抑制基因(API)等几类;其中获得转CpTI基因的植物物种类最多,有苹果、油菜、水稻、番茄、向日葵、甘薯、烟草及马铃薯等10余种;我国转CpTI棉花的研究已开展多年,并先后获得了转

CpTI基因和转Bt+CpTI双价基因棉花,并开始了商业

子大学生物工程部用花粉管通道法将芦苇和细菌的耐盐碱基因导入小麦,育成抗盐碱转基因小麦253、282、

221等新品系,耐盐碱力明显加强。Sakamoto等获得了

两种耐盐性和耐寒性均提高的水稻转基因植株。

Capell等利用CaMV35S启动子在水稻中过量表达Adc,在干旱胁迫下抑制了叶绿素的降解,提高了抗旱

性。Steponkus等发现转入Cor15a的拟南芥的叶绿体和原生质体耐寒性提高。Mckersie等将从烟草中克隆的Mn-SOD的cDNA置于35S启动子下转入苜蓿,转基因苜蓿经两个冬季的田间试验比较,越冬成活率大于未转移植株,平均提高25%。美国用抗性基因工程技术,育成抗除草剂的大豆、抗冻的草莓等,已用于大田生产。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、抗瘠新品种

[14]

化生产。另外,外源凝集素基因(GNA)也至少在油菜、西红柿、水稻、甘薯、甘蔗、向日葵、烟草、马铃薯、大豆和葡萄等10种植物上获得了表达,均表现出一定的抗虫性

[14,15,16]

。

1.1.3　抗病转基因植物　1986年,美国Beachy研究

小组首次将烟草花叶病毒(TMV)外壳蛋白基因(CP)导入烟草,培育出抗TMV的烟草植株,开创了抗病毒育种的新途径

[5]

。

1.1.5　品质改良转基因植物　品质改良主要涉及蛋

。通过导入植物病毒的外壳蛋白基因

[17]

白质的含量、氨基酸的组成、淀粉和其他多糖化合物以及脂类化合物的组成。富含蛋氨酸的转基因烟草、直链淀粉含量降低的转基因水稻、月桂酸含量高达40%的转基因油菜都相继成功,有的已进入大田试验

[14]

来提高植物的抗病毒能力的技术,已在多种植物病毒中进行了试验,如梁小友等

将抗病毒的CMV-cp

基因和抗虫的Bt-toxin基因导入番茄,获得了再生的番茄植株。目前使用的抗病基因有抗烟草花叶病毒蛋白基因(MP)、抗白叶枯病基因、抗棉花枯萎病基因、抗

。

另外,延熟转基因番茄和改变花色转基因玫瑰也已商

(将水仙花的两个基因和一种细品化。“金米的故事”

生物学教学2005年(第30卷)第12期・11・

菌的一个基因一起植入一种名叫T309的水稻中,获得一种水稻新品种。这样获得的新水稻富含铁元素、锌元素和可转化为维生素A的胡萝卜素,能防止贫血和维生素A缺乏症,大米又呈金黄色)告诉我们转基因技术改良大米品质,解决人类营养不良已成为可能。我国学者将玉米醇溶蛋白(Zein)基因导入马铃薯后,田间转基因植物的块茎中必需氨基酸含量提高10%以上,而含硫氨基酸的增加尤为显著

[21]

等,消费者更易接受。

1.2　目的基因的转化方法　转基因植物产生以来,各

种基因遗传转化的方法也应运而生。迄今为止,已经建立了多套植物基因转化系统,它们特点各异,分别使用于不同的受体植物。正确选择转化系统也便成了实现某一植物基因转化成功的先决条件。

目的基因的遗传转化是指将外源DNA通过载体、媒体或其他物理、化学方法导入植物细胞并得到整合和表达的过程。实现这一转化的技术体系称之为转化系统。外源DNA通过载体介导实现其转化的系统称之为基因载体转化系统。目前已经建立了十余种基因转化方法,按转化系统的原理进行分类,可以分为三大类型:①以质粒DNA等为载体的转化系统,如农杆菌法,迄今为止所获得的转基因植物中约80%是利用根瘤农杆菌转化而来的;②不用任何载体,通过物理化学方法直接将外源基因导入受体细胞的直接转化系统,如微针注射法、基因枪法;③以植物自身的生殖系统种质细胞,如花粉粒或其他细胞等为媒体的转化系统,如花粉管通道法。常用的植物基因转化方法及其特点列表分析如下(见表1)

2　转基因植物的应用概况

微针注射法

原生质体无复杂

无复杂昂贵低可行

[1,22]

。

。生物反应器

另外,采用转基因技术抑制乙烯合成或促进细胞分裂素合成的抗早衰基因也已见报道

[5]

生产的转基因产物可用于生产口服疫苗、工业用酶、脂肪酸、基因药物等。其中比较成功的例子就是利用转基因油菜生产非食用性工业用油,其中包括制造肥皂等去垢剂的十二碳月桂酸,同时转基因油菜还被用于生产润滑油和尼龙的原料芥酸以及用于冰淇淋制作的6-十八碳烯酸,此外,转基因植物还用于生产高分子材料如生物可以降解的聚丁酯塑料和天然棉花和聚酯的混合纤维等。在所有的目的基因中,诸如抗虫、抗病、抗除草剂等这些为减少投入的性状常被称为第一代转基因植物性状;而第二代转基因性状是指增加产出性状,如品质改良、加工增值、专用产品、医药保健

转化方法

受体材料宿主范围组培条件嵌合体比例操作复杂性设备要求工作效率单子叶植物应用

农杆菌法完整细胞有简单有简单便宜高少

PEG法

表1　常用植物基因转化方法及其特点比较

原生质体

有复杂无简单便宜低可行

电击法原生质体无复杂无复杂昂贵低可行

基因枪法完整细胞无简单多复杂昂贵高广泛

花粉管通道法卵细胞有性繁殖植物

无

无简单便宜低广泛

2.1　转基因植物的研究发展历程　世界第一例转基。

因植物———烟草1983年在美国问世。1986年,首批转基因植物———抗虫和抗除草剂棉花进入田间试验。值得说明的是,1992年中国成为世界上第一个转基因植物商品化种植的国家,开创了转基因植物商品化应用的先河;当时种植的是一种抗黄瓜花叶病毒和烟草花叶病毒双价转基因烟草

[1,2]

2.2.1　种植面积　1996年,全球转基因作物种植面积

为170万公顷,之后,每年都有大幅度的增加。1997年为1100万公顷,1998年2780万公顷,1999年3990万公顷,2000年4420万公顷,2001年、2002年分别为

5260万公顷、5870万公顷,至2003年全球转基因作物

。1993年,第一例转基因种植面积已达6770万公顷,较2001年的5260万公顷增加了12%,是1996年170万公顷的40倍。

2.2.2　4种主要转基因作物种植情况　2003年,种植

植物———延熟番茄获得美国农业部批准进入商业化生产种植。1994年,第一个转基因植物产品———延熟番茄“FlavrSavr”获得美国食品与药物管理局(FDA)批准进入市场。自1983年起,在不到20年的时间里,植物基因工程的研究和开发进展十分迅速。

2.2　全球转基因植物的应用概况　从全球范围看,转

面积最大的4种转基因作物为:大豆,种植面积4140万公顷,占同类作物面积的55%;棉花,种植面积720万公顷,占同类作物面积的21%;油菜,种植面积360万公顷,占同类作物面积的16%;玉米,种植面积1550万公顷,占同类作物面积的11%。

2.2.3　种植分布　到2003年,已有18个国家700万

基因植物的商业化的成功应用集中在转基因农作物上,其种植面积和销售收入以倍数增长,发展迅猛

・12・

生物学教学2005年(第30卷)第12期

农户种植转基因作物。5个主要种植国为:美国(4280万公顷、占63%)、阿根廷(1390万公顷、占21%)、加拿大(440万公顷、占6%)、巴西(300万公顷,占4%)、中国(280万公顷、占4%)。其他国家按面积大小依次为:南非、澳大利亚、印度、罗马尼亚、乌拉圭、西班牙、墨西哥、菲律宾、哥伦比亚、保加利亚、洪都拉斯、德国和印度尼西亚。较2002年的16个国家550万农户,

2003年新增了2个国家近50万农户。新增的2个国

40%～70%,大大减少农药中毒事故,产生了巨大的社

会、经济和生态效益。同时带动了抗虫转基因水稻、玉米、杨树等生物技术产品的研究开发。我国转基因产业正在悄然形成

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