植物转基因技术的现状和展望.doc

植物转基因技术的概况 本文提要：本文浅显地介绍了植物转基因技术的概况和前景。具体包括：人们利用哪些基因改造植物？用什么装载这些基因？用植物的哪一部分接受这些基因？用什么方法使这些基因进入植物细胞？所产生的新植物对人是否安全？ 生物技术是20世纪70年代兴起的一门新技术，也称为生物工程，具体包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。其中的基因工程，又称为转基因技术，它将一种生物的遗传物质片段取出来，再放到另一种生物中去，使后一种生物具备新的性状。前一种生物改造后一种生物的遗传物质称为目的基因。目的基因一般需要装到合适的载体上，才能进入后一种生物。前一种生物称为供体，后一种生物称为受体。目的基因进入受体而使受体产生新性状的过程通常称为转化。 用创造植物新类型的转基因技术，称为植物转基因技术，所产生的植物新类型称为转基因植物。以下简要介绍植物转基因技术的当前概况和前景。 一、目的基因 植物转基因技术应用的目的基因，分别从微生物、植物、动物甚至人类分离出来，目前国内外已经复制和鉴定的有100种以上。其中最常见的有种子贮藏蛋白基因、抗除草剂基因、抗病毒基因和抗虫基因等。 种子贮藏蛋白基因中，研究得较深入的有玉米、小麦的醇溶蛋白基因、水稻的谷蛋白基因、马铃薯的块茎蛋白基因等。导入这些基因可望提高某些植物的种子蛋白质含量，或改善蛋白质的氨基酸组成。 抗除草剂基因至少有三类。第一类能改变植物酶对除草剂的敏感性。例如avoA的突变基因，它合成的EPSP酶的脯氨酸被丝氨酸所取代，酶的活力不受影响，但是对非选择性除草剂草甘膦的结合力只有原来的25%，从而使植物对除草剂表现不敏感。第二类能解除除草剂对植物酶的抑制。例如Bar基因，能合成乙酰转移酶，解除选择性除草剂PPT对植物谷氨酰胺酶的抑制，避免植物细胞因为氨的积累而死亡。目前已将这个基因导入小麦、烟草、马铃薯、甜菜等作物，其中转基因马铃薯已进行大田试验并取得良好效果。第三类能补偿被除草剂破坏的植物酶。例如经过修饰的EPSP酶基因，所表达的酶大幅度增加，以致草甘膦的浓度不足以破坏植物体内所有的EPSP酶，植物因此免于死亡。目前已将这种修饰过的基因导入烟草和矮牵牛，并产生了抗性。 抗病毒基因主要有这样几类。目前主要利用病毒蛋白外壳基因，导入这类基因获得了抗烟草花叶病毒的番茄，抗黄瓜花叶病毒的烟草和番茄，抗马铃薯X或Y病毒的马铃薯，抗苜蓿花叶病毒的苜蓿，抗大豆花叶病毒的大豆，抗番木瓜环斑病毒的番木瓜等，其中不少已进入大田试验。其次，还可利用反义RNA，也就是将病毒基因反向接在强启动子后面，所产生的大量反义RNA能封闭复制酶的结合位点，阻止病毒繁殖。但是这方面还需要进一步研究，因为目前表达的反义RNA量还未达到所需要的水平。再其次，是期望利用抗体基因的产物，使病毒的复制酶失效，但是这类工作还处于试验阶段。 抗虫基因主要有两类。一类是毒蛋白基因，例如苏云金杆菌的Bt基因，它所表达的晶体蛋白对鳞翅目和鞘翅目昆虫有毒杀作用。毒蛋白在昆虫消化道内经过蛋白酶激活后造成消化道损伤而导致昆虫死亡，对其他生物则没有任何危害。目前已将Bt基因导入烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米、大豆等，并取得明显效果。今后还需要研究如何提高毒蛋白表达量，研究在毒杀害虫的同时如何保护益虫等。另一类抗虫基因是蛋白酶抑制基因，它的产物能干扰害虫体内蛋白酶的活性，阻碍对食物的消化而使害虫致死，杀虫作用广泛。这例如豇豆胰蛋白酶抑制剂基因（CPTI），已导入烟草等作物，并产生抗虫效果。 植物转基因技术应用的目的基因，此外还有固氮基因，有抗菌作用的几丁质酶基因和毒肽基因，与抗盐碱关系密切的脯氨酸基因，与雄性不育有关的核酸酶基因，与果实成熟有关的ACC合成酶基因，甚至人类的干扰素基因，生长激素基因等等。虽然目前它们还处于试验阶段，但具有十分诱人的应用前景。 二、载体 用于装载目的基因的载体，应用最多的是细菌中发现的质粒。它是一种小型环状DNA，被某种酶切开后能够装载具有目的基因的DNA片段。植物转基因技术中应用最多的质粒是Ti质粒，它原本具有致瘤作用，但目前已经将它改造。过去认为这种质粒只能进入双子叶植物细胞；现在发现，在一定实验条件下它也能进入单子叶植物。 为了便于在受体中检测到载体的存在，通常需要选用具有特殊遗传标记的质粒。目前植物转基因技术常用的遗传标记有以下几种。一种是抗生素的抗性基因，例如Cat基因可使植物细胞表现抗氯霉素。另一种是GUS基因，它可使植物细胞在X-gluc底物溶液中显示蓝色。还有一种是荧光素酶基因，可使植物细胞发出蓝绿色荧光。 植物转基因技术还有一些可望利用的潜在质粒。例如Ri质粒，可以诱导植物细胞产生根，这个根的细胞能分化形成植株。又例如酵母人工染色体，能装载巨大的DNA片段，已用于动物基因工程，可望不久的将来用于植物基因工程。 三、受体 植物转基因技术往往需要先将目的基因导入受体植物的离体单细胞，然后使单细胞分化发育成为转基因植株。为什么呢？这首先是因为高等植物与单细胞的微生物不同，前者是多细胞有机体，弄不好往往只有部分细胞接受目的基因，形成"嵌合体"。其次，植物细胞与动物细胞不同，前者具有很强的全能性，在离体条件下容易分化发育成完整的植株。正因为这样，所以植物转基因技术一般有必要也有可能和组织培养相结合。作为组织培养的植物材料，多是原生质体或悬浮培养细胞。目前已经利用这种方法在许多植物中得到了转基因的植株。 四、转化方法 植物转基因技术实现转化的方法很多，但主要有两种。 一种是农杆菌介导法，又称为"共培养法"。这种方法是将农杆菌与植物细胞共同培养，用农杆菌含有目的基因的质粒去转化植物细胞。通常是在含有适量抗生素的培养基上，筛选具有抗生素抗性标记的转化细胞，然后用特定培养基诱导这些细胞形成植株。这是目前最常用的方法，已获得转基因株的植物大多数采用这种方法。 另一种是基因枪法，又称为"高速微弹法"。这种方法用表面附着DNA分子（含目的基因）的金属微粒，经过加速装置，轰击植物细胞，将DNA直接射入植物带壁的细胞。这种方法不受受体种类限制，快速简便，但是设备昂贵。目前这种方法的转化率已达到8%-10%，还在研究如何进一步提高。 五、转基因植物 目前国内外已经得到60种以上转基因植物，其中玉米、大豆、油菜、马铃薯、番茄和棉花等，已经大面积种植。1999年世界各地转基因植物种植面积已达到4000万公顷。但另一方面，国际上爆发了关于转基因植物对人体和环境是否安全的争论。这个争论同欧盟与美国的贸易战有关。目前美国已经设立专门机构，规定详细办法，对每一项转基因的田间试验和成果发放进行逐个的审批。我国农业部也颁发了农业生物基因工程安全管理实施办法，到1999年底为止批准商品化生产的转基因植物共有六种，包括两种抗棉铃虫的棉花，一种耐储存的番茄，一种抗黄瓜花叶病毒的番茄，一种甜椒，和一种转花色的矮牵牛。可以预期，转基因植物将对世界和我国的农业做出更大的贡献，为满足世界和我国人民对生活必需品日益增长的需求，发挥更大的作用。