基因工程与现代农业8

1、摘要：基因工程技术是 20世纪 70年代出现的一项新型的现代生物技术， 它自 身包含的内容广博， 其应用范围也十分广泛。 农业科学家和生物科学家将其应用 于农业生产中便有了今天的现代农业生产。 由于基因工程的应用， 给现代农业带来了许多新的热点，这将给我国和全球的农业生产和发展带来空前的机遇和挑战。 本文主要从基因工程的角度出发， 以现代农业 的具体例子探讨基因工程给现代农业带来的发展。关键词：基因工程现代农业抗除草剂 抗虫植物在 1953 年，华生和克里克构建了 DNA的双螺旋结构模型， 使现代的生物技术研究具有了划时代的意义。 随着现代生物技术的发 展，特别是基因工程的不断发展，给全世界农

2、业生产带来了空前的机遇和挑战。 在2o世纪7O年代新兴起的基因工程技术， 给全球的工业、 农业和医学等都产生了 巨大的推动作用。 进入2l 世纪，基因工程技术在农业生产中的应用又提升到了新 的高度，各国对基因的争夺出现白热化的局面， 基因组的研究也由原来的 “结构 基因组”向现在的“功能基因组”转变，对基因的争夺实质是对基因知识产权的 争夺，这直接牵涉到经济效益的回报。 近年来， 基因工程技术在世界范围内得到 飞速发展， 使得现代农业研究中的抗虫、 抗病、耐除草剂和高产优质的农作物新 品种培育成功。 植物基因工程产业化的步伐在各国政府的大力参与下正升温， 预 计在本世纪初期将成为许多国家经济的

3、重要支柱产业之一， 并将在解决目前人类 所面临的粮食安全、环境恶化、资源匮乏、效益衰减等问题上发挥巨大的作用。 植物基因工程技术不仅从根本上改变了传统农作物的培育和种植， 也为传统农业 向现代农业转型奠定了坚实的基础。I 基因工程简介植物基因工程是近 3O年来随着 DNA重组技术、基因遗传转化技术及植物组织培养 技术的发展而兴起的生物技术。 20世纪7O年代末 8O年代初，人们发现土壤根癌农 杆( t grobaeteriumtumefaeiens) 侵染植物细胞后能将其 Ti 质粒(Tumor inducingplasmid ，Ti plas mid)上的一段 DNA(TDNA)插入到被侵染

4、细胞的基 因组，并能稳定地遗传给后代， 植物的遗传转化技术随之得到发展， 为植物基因 工程的发展创造了条件。 植物的组织培养， 如原生质体的培养和成株、 细胞融合 等技术的迅速发展进一步促进了植物基因工程的发展， 如今，植物基因工程取得 了重大成就。据 1994年统 计，获得第一株转基因植物到现在，已有 140多种植物，包括烟草、矮牵牛、胡 萝卜、番茄、马铃薯、向日葵、油菜、苜蓿、亚麻、甜菜、棉花、芹菜、荷花、 黄瓜、拟南芥、大白菜、大豆、水稻、玉米、莴苣、豇豆、稞麦、杨树等相继被 转化。内容涉及到植物的抗病、抗虫、抗除草 剂、抗逆和作物的高产优质、果蔬贮藏、谷物和其他作物的固氮能力、药物生产

5、 及环境美化等方面。以上成就均依赖于植物基因工作的全套技术。2 基因工程在现代农业中的具体应用 提高农作物品种的抗病虫害能力， 既可减少农作物的产量损失， 又可降低防治用 农药的费用，降低农业生产成本，提高效益。而通过作物基因工程，可获得抗病 虫害的基因工程作物，增强农作物抗病虫害能力。21 抗虫作物目前，已经发现了多种杀虫基因， 但应用最多的是杀虫毒蛋白基因 (Bt) 和蛋白酶 抑制基因 (CPH)。杀虫毒蛋白基因是苏云金芽孢杆菌上分离出来的，将该基因转 入植物后，植物体内能合成毒素蛋白， 害虫食过转入这种基因产生的毒素蛋白后， 即会死亡。目前已成功转入毒素蛋白基因的作物有烟草、马铃薯、番茄

6、、棉花和 水稻等，正在转入该基因的作物还有玉米、大豆、油菜、苜蓿、多种蔬菜以及杨 树等林木。 蛋白酶抑制基因最早先从菜豆中分离出来， 害虫食过转入该基因的作 物组织后，就无法消化某些必要的蛋白质，会由于营养不良而死亡。目前，转入 该基因的作物有烟草、玉米、马铃薯、番茄和绿化的草坪草。在利用杀虫毒蛋白 基因方面，1985年比利时的科学家最先从苏云金芽孢杆菌中分离出了杀虫毒蛋白 基因，并通过 Ti 质粒将修饰后的该基因转入烟草中， 获得的转基因植株内毒素蛋 白含量高达 5mgg植株。这种转基因植物的叶片能有效地阻止烟草天蛾幼虫的危 害，害虫 1天内停食， 3天内全部死亡。而对照植株 4 6 天内遭

7、到严重损害， l2 天后被咬食得片叶无存。 1987年美国培育出的抗虫番茄中转人了该基因， 这种植 株对危害番茄果实的烟草天蛾和烟草夜蛾幼虫防治效果为 100，对棉铃虫也有 良好的杀虫作用。 1990 1991年，将该种基因转入棉花中， 对转基因植株在田间 进行试验， 发现这种植物几乎消灭了烟草虫、 棉铃虫、红铃虫及其他一些鳞翅目 害虫。在 1990年，转基因棉花所受的损害低于施用化学药剂的常规 棉花。美国还获得了转基因马铃薯新品种， 这个品种从外观上看与普通的马铃薯 植株没有什么两样， 但它的叶片却是马铃薯瓢虫的剧毒剂， 试验表明， 瓢虫只要 咬食一两口， 即可落地死亡。 这种含在马铃薯叶绿

8、素中的致命性物质， 也是从苏 云金杆菌的基因链中分离出来转到马铃薯植物中形成的。我国科学家利用该基 因，获得了转基因水稻， 这种水稻能有效抵抗二化螟和三化螟的危害。 在利用蛋 白酶抑制基因方面， 也取得了喜人的成果。 在转人蛋白酶抑制剂基因的玉米植株 中，该基因可使玉米螟在取食后 23日内死亡率达 70。英国的一个研究小组也 已分离出这种酶抑制剂的基因， 并把该基因转移到了烟草中， 结果表现出明显的 抗虫性。研究还表明，蛋白酶抑制剂基因对许多主要的作物害虫都能产生抗性， 而不像另一些抗虫性基因， 如从苏云金芽孢杆菌中分离的毒素基因， 仅对某些特 定的害虫起作用，因而蛋白酶抑制剂基因为增强作物抗

9、虫性提供了广阔的前景。 我国科学家采取向烟草同时转入毒素蛋白基因和蛋白酶抑制基因， 取得了转基因 烟草，这种烟草的抗虫效果比转入单基因的好。 抗虫测试表明， 饲喂未转基因烟 草叶片的烟青虫死亡率为 O；饲喂烟青虫转蛋白酶抑制基因烟草叶片， 4天后烟青 虫死亡率为 20；饲喂转毒素蛋白基因烟草叶片， 死亡率为 80；而饲喂转双基 因烟草叶片，烟青虫死亡率为 100。田间和生产试验表明，个龄期 （1 5日龄）的烟青虫均在 25 3 5天间死亡，死亡 率达100，在生产中，专指这种转双基因烟草，在不使用农药情况下，可达到 100的防止烟青虫效果。22 抗病毒作物 利用植物基因工程来防治病毒害， 目前

10、已取得了令人瞩目的成就， 主要有以下方 法：221 向植物中转人病毒的外壳蛋白基因。人们早就知道，接种病毒弱毒株能 够保护植物免受强毒株系的感染， 就像人接种牛痘可免除天花病毒感染一样。 这 种在一种病毒的一个株系系统地浸染植物后， 可以保护植物不受同种病毒的另一 亲缘株系严重浸染的现象， 就是人们常说的交叉保护作用。 1985年，美国科学家 设想将毒的外壳保护基因转入植物基因组中， 看其是否能产生类似交叉保护的现 象。他们将烟草花叶病毒的外壳蛋白基因转入烟草细胞， 转基因植物及其后代都 高水平地表达了外壳蛋白。 这些植物有明显的抗病性， 甚至还可以有效地减轻和 延迟另一种相关的烈性病毒植株的

11、病症。 在接种了烟草花叶病毒 （ 删） 以后，转基 因番茄只有约 5的植株得病，几乎不减产，而对照植株的发病率为 99。最近 两年的田间试验进一步证实， 用这种基因工程培育的番茄和烟草对病毒病防效显 著，转基因植物未见 产量降低， 而对照组产量损失高达 60。我国科学家将烟草花叶病毒和黄瓜花叶 病毒外壳 蛋白基因拼接在一起，构建了“双价”抗病基因，转人烟草获得了同时抵抗两种 病毒的转基因植株。田间试验中对烟草花叶病毒的防治效果为 100，对黄瓜花 叶病毒（CMV）防治效果为 70左右。目前，我国的科学家还通过外壳蛋白基因途 径，进行小麦抗黄矮病、 水稻抗矮缩病等基因工程研究， 有关工作正在取得

12、进展。 美国国家科学院 1992年公布禾谷类作物病毒外 蛋白技术已获得成功。他们从两个日本水稻品种中分离出未成熟植株的细胞团， 这种细胞团能长成植株， 并能合成抗水稻条纹叶枯病毒的外壳蛋白基因。 为了检 验这种外壳蛋白究竟能否使植株抗水稻条纹叶枯病毒的浸染， 他们在3l 株含有外 壳蛋白的水稻植株和 l7 株缺少外壳蛋白的对照水稻植株中，接种带病毒褐飞虱， 结果 80的对照植株出现了病毒症状，而通过遗传工程培育的稻株仅有 20 一 40受浸染。到目前为止，已有烟草花叶病毒、苜蓿花叶病毒、黄瓜花叶病毒、 烟草脆裂病毒、马铃薯 x、Y病毒和大豆花叶病毒等的外壳蛋白基因在烟草、 番茄、 马铃薯和大豆

13、中得到表达。这些转基因植株都获得了阻止或延 迟相关病毒发生的能力。222 利用植物自己编码的抗病基因。 有些植物品种或株系在受到病毒浸染时 能表现出一定的抵抗能力。 最明显的例 子就是诱导番茄品种能够抵抗番茄花叶病毒的浸染。还有许多植物 （ 如烟草、番 茄、菜豆等 ） 在受到病原真菌、细菌、病毒或逆境诱发后体内能产生多种蛋白， 一旦将来克隆到了植物本身抗病毒的抗原基因， 那将是最佳的抗病毒基因工程途 径之一。23 抗真菌作物 真菌病害是作物损失的主要原因之一。 过去对植物真菌病害的控制， 一是培养抗 性品种，二是采取预防措施， 如轮作， 避免受浸染土壤和带病原植物材料的传播 等。然而，培养抗病

14、品种所需时间长，难以对新的致病菌作出及时反应，化学杀 菌剂成本高， 且最终导致病原菌的抗药性， 其残毒还引起环境污染等问题。 近年 来，一些科学家致力于利用基因工程方法， 如基因转移技术， 培养不需要或只需 要少量化学药剂的作物品种，为植物真菌病害的防治开辟了新的途径。 德国科学家在烟草中成功地引入了一种真菌抗体， 迄今只在花生、 松树和葡萄藤 蔓中发现有这种抗体。 葡萄可利用这种抗体抵御灰霉菌的浸染， 烟草由于无此种 抗体则感染严重。 为了使烟草植株也能产生这种抗体， 研究人员在花生基因库中 找到了表现这种抗体的组合基因， 并把它取出转移到烟草植株体内。 半年后， 他 们在受体细胞质中找到了

15、该种抗体。 试验表明，转基因后的烟草植株对灰霉菌具 有较强的抗性。除此之外，他们还计划将表达这种真菌抗体的组合引入到马铃薯、 番茄和油菜等作物。植物界大量存在具有离体抑制真菌生长增殖能力的蛋白质， 相应基因在转基因植物中表达可使这些植物产生抗真菌性。24 与杂草“不共戴天”的农作物 向作物导人抗除草剂基因， 获得抗除草剂的转基因作物， 使作物不受除草剂的伤 害，是目前植物基因工程比较成功的领域。农业发达国家如美、英、法、德、比 利时等都重视这项技术。 现在，已有的抗除草剂转基因植物约有 20多种，这些植 物会给农业生产带来巨大便利。目前， 世界上采用的除草剂主要分两大类， 一类主要是通过破坏氨

16、基酸合 成途径来杀死杂草， 另一类是通过破坏植物光合作用中电子传递链的蛋白质来杀 死杂草。根据除草剂的不同特点，可采用几种方法来实现抗除草剂的基因工程。 第一种方法，可以把除草剂作用的酶和蛋白质的 基因转进植物，使其复制数增加， 从而使转基因植物中这种酶或蛋白的数量大大 增加，如果除草剂的浓度不足以全部破坏植物体内的这种酶或蛋白， 那么就不能把植株杀死。草甘磷是目前使用最广泛的非选择性除草剂，能有效抑制 76种恶性杂草，特异性抑制植物代谢的一种酶 (EPSPS)。导人抗草甘磷突变的 EPSPS酶和过量产生的 EPSPS酶的遗传基因，可以 提高作物对草甘磷的抗性。 1987年，美国科学家成功地将

17、 EPSPS合成酶基因转进 油菜细胞的叶绿体中，使转基因植物叶绿体中的 EPSPS合成酶活性大大提高，并 能抵抗除草剂草甘磷的作用。 第二种方法， 是转移一种能以除草剂为底物的酶的 基因到植物中， 该基因编码的酶在转基因植物中， 将除草剂催化分解掉， 从而保 护植物不被杀死。 这种方法的成功例子就是抗磷酸麦黄酮的基因工程。 磷酸麦黄 酮是谷氨酸的类似物， 它作为除草剂的种有效成分可以阻断谷氨酰胺合成酶的正 常作用，从而阻断氨基酸的生物合成。 比利时的科学家成功地将一个乙酰转移酶 基因转进了烟草、番茄和马铃薯中， 转基因植物由于乙酰转移酶使磷酸麦黄酮乙酰化丧失作用而抵抗这类除草剂的 作用。杂草是

18、影响棉花产量的因子之一， 而除草剂的使用既可提高皮棉产量， 又 节省人力、物力和财力。但由 于除草剂的使用同样有可能损伤棉苗， 限制了这一技术的应用， 。为了解决这一 问题，最近美国一家公司已将两种除草剂 （草甘和溴苯腈 ）的基因导人到棉花中。 田间实验表明，育成耐溴苯腈棉花能抗比田间用药量高 l0 倍的除草剂量。此外， 他们还培育出了抗 2， 4一 D除草剂的转基因工程棉花。德国的研究人员在土壤中 发现了一种真菌， 叫疣孢漆斑菌， 这种真菌有能力把除草剂氨基氰分解， 使之成 为尿素。研究发现整个过程是氨基氰水合酶在起作用。 现存已能把控制这种酶的 基因从该土壤中分离出来， 并将其转入烟草细胞

19、内， 当经处理的烟草细胞重新长 成植株后，这种存在于烟草根里和叶子里的真菌酶就会把所喷洒的氨基氰转化成 尿素。对这些植物来说， 新产生的尿素， 不仅无害， 而且还可对它继续进行加工， 使尿素中所含的氮作为氨释放出来，这样，植物毒素就可以变成肥料了。 25 抗旱作物 至今，世界上已经分离出一些抗旱基因。 例如，美国科学有发现苔藓 （ 地衣） 拥有 高度耐旱的基因，只要在干枯苔藓上滴 几滴水，它就会很快恢复生机。他们指出，利用这些非作物基因，改良重要的、 有经济价值的作物， 使它们真正地耐旱， 能在严重的沙漠类型干旱下生存， 并培 育出当前短缺、 在少雨条件下生长的作物， 是非常有前景的。 其他科

20、学家在珍珠 粟中发现了种耐旱基因，称作 TR。该基因可使珍珠粟叶片产生一个厚厚的蜡层， 防止水分散失，在干旱条件下可使珍珠粟增产 25以上。 现在，在一些作物上已经实现了抗旱基因转移。 美国科学家 从一种细菌上分离出抗旱基因， 并将其转入植物中， 获得了抗旱转基因棉花。 脯 氨酸能抑制植物细胞向外渗漏水分，小黑麦、仙人掌由于含脯氨酸合成酶基因， 故能在干旱地区生长。 美国斯坦福大学的科学家正在研究将仙人掌的抗旱基因转 入大豆、小麦、玉米等作物中，以培育耐旱作物品种。26 抗盐作物前几年，联合国粮农组织专家曾发出振奋人心的消息： 用海水灌溉农田将不再是 梦。早在 20世纪80年代，科学家们就从红

21、树林及各种海洋植物中得到启示： 它们之所 以能在海水浸泡的“海地”中生长，主要原因是它们为喜盐、耐盐的天然盐生植 物。于是，科学家们“顺藤摸瓜”，运用基因工程技术，从种子基因到生态环境 进行研究，结果发现它们的基因与陆地甜土植物不同，而正是这种独特的基因， 使它们成为陆地盐生植物， 适应海水浸泡和滩涂的生态环境。 据此， 科学家们认 为人类一定有办法找到或培育出适应海水灌溉的农作物。 抱着这一信念， 科学家 苦苦探索了十几年。 1991年美国亚利桑那大学的韦克斯博士， 完成了一种耐寒内 质盐生物盐角草属的杂交试验， 紧接着， 他又潜心研究高粱种子基因， 使它 适应碱土的生态环境。韦克斯博士认为

22、，在现有粮食作物中，高粱生长速度陕， 根须多，水分吸收快，只要解决耐盐性问题，海水浇灌或碱土栽培均有可能。无 独有偶，美国农业部的土壤学家罗宾斯也在打高梁的主意。 他将高粱与一种非洲 沿海盛产一种苏丹草杂交，结果成功地培育出一种独特的杂交种“苏丹高 粱”。这种粮食作物的根部会分泌出一种酸， 可快速溶解碱土土壤中的盐份而吸 收水份。种植这样的农作物，采用海水灌溉后，海水中的盐分会自然溶解掉，而 不至于影响高粱的正常生长。以色列的厄瓜多尔加拉帕海岸，生长着一种番茄， 它的个小味涩，品质很差。但以色列科学家从这种耐盐西红柿中提取了耐盐基因，将它整合到普通西红柿的种子中，通过精心培育，竟培育出了味美、个大、品质优良的耐盐品种，为充分利用海边盐碱 地开辟了广阔的前景。 英国科学家则将生长在盐碱地上冰草的耐盐碱基因， 转移 到了小麦的染色体结构中，培育成了适合在盐碱地种植的小麦冰草杂交种。据报道，这个杂交种适合于亚洲、中东和澳大利亚，由此看来，将昔日滩涂、盐 碱地变为稳产、高产的沃土绿洲，已为期为远了。27 含有鱼抗冻基因的抗寒作物 低温不仅会限制农作物的栽种范围， 也会造成农作物减产， 冻害每年都会给农业 生