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转基因植物  

2010-01-12 16:44:36|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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转基因植物

一、概念简介

  转基因植物(Transgene plant)是拥有来自其他物种基因的植物。该基因变化过程可以来自不同物种之间的杂交,但今天该名词更多的特指那些在实验室里通过重组DNA技术人工插入其他物种基因以创造出拥有新特性的植物。

  转基因植物的研究主要在于改进植物的品质,改变生长周期或花期等提高其经济价值或观赏价值;作为某些蛋白质和次生代谢产物的生物反应器,进行大规模生产;研究基因在植物个体发育中,以及正常生理代谢过程中的功能。

  以植物作为生物技术的实验材料有其特定的优点,那就是植物细胞大部分都有全能性(totipotency),可以用单个细胞分化发育出整个植株。这样,经过基因工程改造的单个植物细胞有可能再生成一棵完整的转基因植株。这些植株还可通过有性生殖过程把改变了的性状遗传给下一代。

  植物基因工程用作外源基因的转化受体有许多种,包括胚性愈伤组织(cai—lus)、分生细胞、幼胚、成熟胚、受精胚珠、种子和原生质体等。从这些受体细胞都可获得再生的转基植株。

  二、植物基因转化方法简介

  ①农杆菌介导法农杆菌Ti质粒可以作为载体。Ti质粒上有两个区域,一个是T-DNA区,这是能够转移并整合进植物受体的区段;另一个是Vir区,它编码实现质粒转移所需的蛋白质。将待转化的外源基因先克隆在大肠杆菌质粒上,然后将此质粒转入不会引起冠瘿瘤的农杆菌(这种菌的Ti质粒已除去了T-DNA),使外源基因通过同源重组整合在Ti质粒上;然后用带有外源基因的这种农杆菌去转化植物细胞,将外源基因转入植物细胞的基因组

  ②直接转入法:这是将裸露的DNA直接导入植物细胞,然后将这些细胞在体外培养再生出植株。裸露的DNA的转化效率较低,因而要辅之以高效率的组织培养系统。

  植物细胞有一层很厚的细胞壁,因此需先去除植物细胞壁,使之成为原生质体,然后用来直接转入外源DNA。当然,也可用机械的方法将DNA直接注入植物细胞而毋须去除细胞壁,这类方法有用显微操纵仪把DNA直接注入植物细胞,也可在金属微粒上蘸涂了外源DNA,把它当作子弹,用“基因枪”轰击植物组织而进入植物细胞。

  ③原生质体融合:将不同物种的原生质体进行融合,可实现两种基因组的结合。也可将一种细胞的细胞器,如线粒体或叶绿体与另一种细胞融合,此时,是一种细胞的细胞核处于两种细胞来源的细胞质中,这就形成了胞质杂种(cybrid)。

  三、国外转基因植物产业化现状

  植物转基因技术是指把从动物、植物或微生物中分离到的目的基因,通过各种方法转移到植物的基因组中,使之稳定遗传并赋予植物新的农艺性状,如抗虫、抗病、抗逆、高产、优质等。随着现代生物技术的迅速发展,植物转基因技术方兴未艾。自从1983年首次获得转基因植物后,至今已有35科120多种植物转基因获得成功。1986年首批转基因植物被批准进入田间试验,至今国际上已有30个国家批准数千例转基因植物进入田间试验,涉及的植物种类有40多种。

  目前,农作物生物技术育种的研究已经不再处于实验室阶段,而是进入了实际应用,走到了商业化阶段。近年来,转基因植物在全球的种植面积增长迅速,种植转基因植物的国家从1992年的1个增长到1996年的6个,1998年9个,1999年进一步扩大到12个国家。全球转基因植物的种植面积1996年仅为170万hm2,1997年为1100万hm2,1998年增长到2780万hm2,1999年又比1998年增长44%,达到3990万hm2。

  美国转基因植物的商业化速度进展很快,其推广应用走在其它国家的前列。1994年美国Calgene公司研制的转基因延熟番茄首次进入商业化生产,到1998年底就有30多例转基因植物被批准进行商业化生产。1999年全球转基因植物种植面积中,美国就占72%,达2870万hm2;其次是阿根廷670万hm2;占17%;加拿大400万hm2,占10%;我国名列第4位,1999年种植面积达30万hm 2,占1%,其他国家的种植面积都小于1%。

  种植的转基因植物种类主要有:大豆(占54%),玉米(占28%),棉花(占9%),Canola油菜(占9%),马铃薯、西葫芦和木瓜的比例都小于1%。按转基因植物的性状划分,抗除草剂占71%,如抗除草剂的大豆(54%)、Canola油菜(9%)、玉米(4%)和棉花(4%):抗虫转基因植物占22%,主要是抗虫玉米(19%)和抗虫棉(3%);抗虫兼抗除草剂占7%,主要是抗虫兼抗除草剂的玉米(5%)和棉花(2%);抗病毒和其它性状转基因植物的比例小于1%。

  转基因植物的产业化,尤其是转基因农作物的产业化,由于提高产量、减少除草剂、杀虫剂等农药使用量和节约大量劳力,而带来巨大的经济效益和社会效益。近5年来,全球转基因植物的销售额成倍增长,1995年仅7500万美元,1996年增加了3倍达2.35亿美元,1997年和1998年继续增长,到1999年达到21∽23亿美元。

  四、中国转基因植物研究与产业化发展

  在国家“863”高新技术研究与发展计划及国家科技攻关计划的资助下,我国转基因植物的研究和开发取得了显著的进展,有些研究已经达到国际先进水平。据1996年国生物技术学会统计,我国投入研究和开发的转基因植物达47种,涉及各类基因103种。近年来有近20种转基因植物进入了田间试验或环境释放阶段。至1999年,农业部批准可进行商业化生产的国内研制的转基因植物有5种,它们分别是:抗虫棉花、改变花色的矮牵牛、延熟番茄、抗病毒的甜椒和番茄。

  1、植物抗虫基因工程

  在国家"863"计划的支持下,中国农业科学院生物技术研究所成功地人工合成和改造了植物抗虫害的Bt基因,获得了高抗棉铃虫的转基因棉花品种和品系。此外,中国农业科学院棉花所、南京农业大学和山西省农科院棉花所等单位还以转基因抗虫棉为亲本,育成了一批抗虫能力在80%以上,单产比主栽品种高15%以上的转基因抗虫杂交棉组合。拥有我国自主知识产权的抗虫棉花的育成和大面积推广应用,标志着我国转基因植物研究开始进入产业化发展阶段。

  为了有效控制水稻害虫的危害,中国农业科学院生物技术研究所华中农业大学合作成功地获得了转Bt基因杂交水稻,对二化螟、三化螟和稻纵卷叶螟的毒杀效果达到95%。浙江农业大学(现已并入浙江大学)也成功地将Bt基因导入水稻早稻品种。目前转Bt基因抗螟虫水稻已进入环境释放阶段。中国科学院遗传所研制成功的转CpTI基因抗虫水稻也分别获准在北京、福建和山西进入中间试验和环境释放。此外,中国农业大学研制的转基因抗玉米螟玉米、复旦大学遗传所研制的转基因抗褐习虱水稻、中国科学院微生物研究所和中国林业科学院林研所研制的抗虫转基因杨树也都进入环境释放阶段。

  2、抗病基因工程

  中国农业科学院生物技术研究所已成功地人工合成和改造了来自天蚕蛾的抗菌肽基因,并导入我国马铃薯主栽品种米拉,获得抗病性提高I∽Ⅲ级的抗青枯病的转基因株系,现已经农业部批准在四川省进行环境释放。目前抗菌肽基因已经供给国内10多家研究单位,进行抗水稻白叶枯病、马铃薯软腐病、花生和番茄的青枯病、大白菜软腐病、柑桔细菌性溃疡病、桑树和桉树青枯病、樱桃根肿病等抗细菌病基因工程研究。

  白叶枯病也是危害水稻生产的最为严重的病害之一。中国农业科学院生物技术研究所与国外合作研制成功的转Xa21基因抗白叶枯病水稻明恢63株系已分别在安徽省和海南省进行环境释放;华中农业大学和中国科学院遗传所研制的转Xa21基因抗白叶枯病水稻也分别进入中试阶段。

  真菌病也是严重影响农作物生产的一类病害。中国农业科学院生物技术研究所与中国科学院上海植物生理研究所等单位合作,成功地克隆和修饰了植物来源的几丁质酶基因和葡萄糖氧化酶基因,通过花粉管通道法分别将这两个基因导入棉花,获得了抗黄萎病和枯萎病和枯萎的转基因棉花,这些株系在病圃中表现良好,现已进入中试阶段。

  在抗病毒的基因工程方面,国内也取得了很好进展。北京大学克隆了烟草花叶病毒TMV、黄瓜花叶病毒CMV、马铃薯X病毒等中国株系以及水稻矮缩病毒的外壳蛋白基因,研制成功的抗黄瓜花叶病毒甜椒和番茄都已经分别在云南和福建进入中试或环境释放。中国农业科学院油料研究所研制的转基因抗条纹病毒花生、北京市农林科学院蔬菜研究中心育成的抗芜菁花叶病毒白菜和新疆农科院核技术生物技术所获得的抗黄瓜花叶病毒转基因甜瓜都已分别进入中试。此外,国内一些研究单位还获得了抗环斑病毒(PRSV)的番木瓜,抗黄矮病和黄花叶病毒的小麦等抗病毒病的基因工程植株。

  3、植物抗逆基因工程

  我国在抗盐基因工程上已取得了一些进展,先后克隆了脯氨酸合成酶(proA),山菠菜碱脱氢酶(BADH),磷酸甘露醇脱氢酶(mtl)及磷酸山梨醇脱氢酶(gutD)等与耐盐相关基因,通过遗传转化获得了而1%NACL的苜蓿、耐0.8%NACL的草莓及耐2%NACL的烟草,这些转基因植物已进入田间试验阶段。中国科学院遗传所将BADH基因导入水稻,获得的转基因水稻有交较高的耐盐性,并能在盐田中结实。

  4、植物品质改良的基因工程

  北京大学已将编码必需氨基酸的基因转入马铃薯,获得含高必需氨基酸的马铃薯品系,这些品系已在内蒙试种,正准备进入中试开发。中国农业大学成功地将高赖氨酸基因导入玉米,获得的转基因玉米中赖氨酸含量比对照提高10%。

  在控制植物发育的基因工程中,较为成熟的技术延迟成熟番茄的研究。华中农业大学和中国科学院植物所分别获得了这种转基因番,贮存时间可延长1∽2个月,有的可达80多天。1997年农业部基因工程安全委员会已批准这种耐储存番茄进行商业化生产。中国农业大学利用反义基因技术培育的耐储存番茄新品种已进行环境释放。

  北京大学成功地将与植物花青素代谢有关的查而酮合酶基因导入花卉植物矮牵牛,转基因矮牵牛的花色呈现自然界没有的变异,提高了花卉的观赏价值。转基因兰花和转基因非洲菊的研究工作正在进行中。

  5、植物叶绿体基因工程

  中国农业科学院生物技术研究所在国内较早开始进行植物叶绿体遗传转化研究。1996年建立了烟草叶绿体遗传转化体系,并成功地将Bt基因导入烟草叶绿体中,转基因植物杀虫效果显著]。他们还将固氮酶基因(nifH和nifM)、抗剂基因(bar基因)和绿色荧光蛋白(GFP)基因导入了烟草叶绿体。

  6、植物生物反应器

  利用转基因植物作为生物反应器生产药用蛋白的研究逐渐受到各国的重视,研究探索的热点之一是利用转基因植物生产口服疫苗。中国农业科学院生物技术研究所的科研人员将乙型肝炎病毒表面抗原基因导入马铃薯和蕃茄,饲喂小鼠试验检测到较高的保护性抗体,浓度足以对人类产生保护作用。该所还进行了利用植物叶绿体作为生物反应器生产药用蛋白的探索,目前已将丙肝病毒(HCV)抗原基因导入衣藻叶绿体。利用转基因植物生产口服疫苗可以大大降低疫苗的生产成本,在发展中国家更有良好的发展前景。

  五 转基因植物发展

  2001年世界转基因植物商品化种植面积达到5260万公顷,其中我国的种植面积为150万公顷,是2000年的3倍,成为世界转基因作物种植面积增长最快的国家。其主要原因一方面是因为已开发的产品效果良好,受到农户的重视而加大了种植面积;另一方面是由于国家加大了研究力度,转基因植物的新技术和新产品不断产生。

  1、抗虫转基因植物

  2001年,转基因抗虫棉在已经取得重大成绩的基础上又有新的突破。中国农业科学院生物技术研究所的抗虫棉基因专利“编码杀虫蛋白质融合基因和表达载体及其应用”获得国家知识产权局和世界知识产权组织授予的中国专利金奖。同时,双价转基因抗虫棉SGK321也顺利通过河北省品种审定委员会审定,标志着我国在双基因抗虫棉研究领域处于国际领先地位。目前,SGK321已经通过了农业转基因生物安全性评价,并获准在晋、冀、鲁、豫、皖进行商品化生产,在湖北进行环境释放。综合2000年和2001年两年区试结果,SGK321早熟性明显优于其他品种,霜前皮棉亩产75.4公斤,相当于对照抗虫杂交种的93.4%。该品种纤维品质好,长度为29.2毫米,比强度29.4厘米/特克斯,马克隆值4.8,抗虫性突出。

  到目前为止,我国已审定抗虫棉品种14个,其中单价棉11个,分别为:GK1(国抗1号)、GK12(国抗12号)、GK19(国抗19号)、GK22(国抗22号)、GK30(鲁棉研16号)、GK95-1(晋棉26号)和GK46(晋棉31号)、GKz10(鲁棉研15号)、GKz13(鲁RH-1)、GKz6(中棉所38)和GKz8(南抗3号);双价棉3个,分别为:sGK321、sGK9708(中棉所41)、sGK5(新研96-48)。这些抗虫棉品种均高抗棉铃虫,具有较好的品质性状及丰产性。同时,还培育出一批具有较强竞争力的抗虫棉品种,其中杂交棉品种2个(鲁H9513和中抗杂5号),常规品种2个(ZGK9708和鲁S6145)。此外还有正在参加国家区试的有潜力的品种6个,杂交棉4个。2001年国产抗虫棉已经在河北、河南、山西、山东、湖南、湖北、江苏、安徽、新疆、辽宁等17个省市推广60万公顷,占据了国内抗虫棉43.3%的市场份额。加上孟山都公司的抗虫棉,2001年转基因抗虫棉的种植面积达到了全国棉花种植面积的31%,种植农户超过350万户。

  在抗虫转基因水稻方面,中科院遗传与发育生物学研究所研制的转SCK基因(修饰豇豆蛋白酶抑制剂基因)抗虫水稻在福建已连续进行了5年大田试验。经鉴定,其对二化螟田间防治效果达90-100%,稻纵卷叶螟抗性达81-100%,对大螟62.6-63.9%,稻苞虫83.9%。鉴于目前政策原因暂时还不能大面积推广种植,但已采取多地区多点进行大田试验。该转基因水稻的食品安全性检测已基本完成,结果表明与常规稻无明显差异。目前正进一步发展无选择标记、高效表达、多价抗虫基因等转基因水稻新品种。

  中国农业大学从Bt菌株克隆得到一种沉默的新杀虫基因cry1Ie1,该基因表达的毒蛋白对亚洲玉米螟显示了高杀虫活性,目前国际上已经确定了其在分类上的模式基因地位。该基因及该基因与cry1A基因的组合已申请国家发明专利。在此基础上进一步完成了cry1Ie1和cry1Ac基因的密码子改造和原核、真核表达载体的构建,改造基因的杀虫活性鉴定正在进行之中。

  2、抗病转基因植物

  中科院遗传与发育生物学研究所和国外单位合作定位和克隆成功的白叶枯病抗性基因Xa21通过独创的水稻Xa21基因农杆菌介导转化系统大量转化高产优质水稻品种明恢63、珍汕97B、盐恢559、太湖粳6、培矮64S、C418、8706和中花11等。抗性分析显示这些转基因系对19个不同的白叶枯病原菌株包括9个菲律宾小种,3个日本小种和7个我国病原型高度抗性,接种鉴定病斑面积小于10%。多数Xa21转基因系的抗性强于Xa21基因供体IRBB21,这表明在不同的遗传背影下Xa21仍保留了对白叶枯病的高度抗性和广谱抗性。目前部分转基因株系已经进入中试阶段。

  中国农业大学利用已建立的小麦高频遗传转化体系,利用基因枪轰击法将小麦黄花叶病毒(WYMV)外壳蛋白基因、菌传相关72kDa蛋白基因和RNaseIII、2-5A System等目的基因分别导入小麦,获得多种抗病毒转基因株系。其中NY-8等50份材料已通过国家生物安全审定批准进入田间试验。从中筛选获得了多个保持了受体品系的优良综合农艺性状、抗病毒能力达到极显著水平的品系,并首次在禾谷类作物上确认了由转基因沉默所介导的抗病毒机制。

  中国水稻研究所等单位通过转基因技术将昆虫抗菌肽基因通过基因枪技术或通过pCBl载体导入水稻未成熟胚,获得抗细菌病转基因水稻植株,实验证明转基因水稻在温室条件下对白叶枯病菌和水稻细条病菌的抵抗能力增强,并表现其遗传稳定性。

  中国农科院生物技术研究所与中国科学院上海植物生理研究所等单位合作成功地克隆和修饰了植物来源的几丁质酶基因和葡萄糖氧化酶基因,获得了抗黄萎病和枯萎病的转基因棉花,现已进入中试阶段。

  3、转基因植物反应器

  中国科学院上海植物生理研究所开展了利用烟草花叶病毒(TMV)作为表达载体应用于植物生物反应器的研究,用该方法大规模表达口蹄疫病毒表面抗原多肽,制备高效,安全,廉价的重组口蹄疫疫苗。该研究利用自建的TMV本地株系基因组cDNA突变体库,在外源肽的表达上取得了较大突破。已获得能融合表达长达31肽的各种口蹄疫病毒表面抗原肽的重组TMV。重组病毒具有稳定的系统感染能力,每克烟草鲜叶中可得到1毫克以上高纯度的融合蛋白。并且找到了简单有效的从烟草中大规模纯化病毒蛋白工艺路线及重组疫苗的配制技术。

  4、转基因植物品质改良

  浙江省农科院在国际上首次从光合产物分配的角度,提出了利用反义PEP基因提高油菜种子含油量的技术路线,据此构建了反义PEP基因,利用农杆菌介导途径,将反义PEP基因导入油菜基因组,相继获得了多批反义PEP基因油菜植株。育成的"超油一号"含油量达47.4%,"超油二号"含油量高达52.82%,含油量均比传统品种提高25%以上,成为目前国际上含油量最高的甘蓝型油菜。打破了我国长江流域油菜含油量在37%~43%长期徘徊的局面,实现了我国油菜种子含油量的突破。

  扬州大学及中科院遗传与发育生物学研究所等分离并克隆了与水稻种子中淀粉合成相关的基因:淀粉分支酶Sbe1、淀粉分支酶Sbe3和可溶性淀粉合成酶SSS,以及水稻胚乳特异性表达基因启动子元件Gt1、GluB-1、RP5和RAG1。构建了可转化水稻的、含有义或反义淀粉合成酶和高赖氨酸含量蛋白(LRP)基因等的工程载体,通过转化获得了含不同品质基因的转基因水稻植株800余株。目前已经完成了部分转基因水稻植株的分子鉴定。

 

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