植物转基因技术及其应用前景

植物转基因技术及其应用前景

所谓重组dna技术，是指将具有良好的克隆基因导入植物细胞或组织，并在其中表达，以获得新类型的植物。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、人类甚至人工合成的基因导入植物,所以其应用前景十分广阔。从1983年,世界第一例转基因植物(GeneticallyModifiedPlant,GMP)——烟草问世以来,转基因植物产生至今仅20年时间,但其研究和应用得到了非常迅猛的发展。1996～2005年,全世界转基因植物在21个国家种植,面积从1996年的170万公顷增加到2005年的9000万公顷,增加了50倍之多。全世界转基因作物仅种子销售额到2005年已达52.5亿美元,是1995年的63倍。尽管与之相伴的转基因植物安全性问题与公众态度、贸易中的技术壁垒及伦理、宗教等复杂因素交织为一个科技含量很高的政治、经济问题,成为了国际、国内普遍关注的焦点和热点,但转基因植物辉煌的发展前景是不容置疑的。13植物研究1.1烟草、马铃薯、玉米、小麦、矮牵牛等植物群体基因的转导获得有用的目的基因是基因工程的基本前提。近几年来,应用于植物的外源基因已包括抗病毒、抗虫、抗除草剂、改变蛋白质成分含量、雄性不育、改变花色和花形、延长保鲜期等,并将这些基因分别转入烟草、马铃薯、棉花、番茄、大豆、玉米、油菜、苜蓿、矮牵牛等植物。迄今为止,全世界已分离出植物目的基因100余个,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,转入的基因有以下几大类型。1.1.1抗草甘膦农达认识到大豆、玉米、乳酮类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(Glufosinate)转基因作物冬油菜,抗草甘膦(农达)转基因作物大豆、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,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作物。此外,解溴苯腈毒害的BXn基因和解2,4-D毒害的tfDA基因等也在抗除草剂作物选育中获得成功的表达。1.1.2草、番茄、马铃薯、猕猴桃比利时植物遗传公司的科学家于1987年首次将苏云金杆菌(Bacillusthunringiensis)毒蛋白基因导入烟草中得以表达,表现出对一龄烟草夜蛾幼虫的抗性。经过10多年的发展,已取得较大的进展,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(Lepidoptera)、双翅目(Diptera)和鞘翅目(Coleoptera)昆虫有毒,现已导入棉花、玉米、水稻、烟草、番茄、马铃薯、胡桃(Juglanssp.)、杨树(Populussp.)、落叶松(Larixsp.)等;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、龙葵(Solanumnigrum)等。根据转化所使用的基因类型,大体可以将抗虫转基因植物的发展过程分为两代:第1代即以转入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。抗虫基因在棉花作物上得到了最成功的应用,获得转基因抗虫棉的Bt基因已见诸报道的有CryIA(b),CryIA(c),CryIIA和CryIVA;涉及的国家有美国、中国、澳大利亚、埃及、法国、印度、原苏联、泰国等。目前已获得转化植株的蛋白酶抑制剂基因有:大豆胰蛋白酶抑制剂基因(SKTI)、豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)、慈菇胰蛋白酶抑制剂基因(API)等几类;其中获得转CpTI基因的植物种类最多,有苹果、油菜、水稻、番茄、向日葵、甘薯、烟草、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。1.1.3抗感染基因及抗病性基因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。通过导入植物病毒的外壳蛋白基因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。目前被导入的抗病基因有: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,并进行了抗水稻白叶枯病,花生、番茄青枯病,大白菜软腐病,柑橘溃疡病,桑树、桉树青枯病、根肿病等研究。获得转基因抗病性状的植物有:烟草、番茄、棉花、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。我国培育的转基因抗黄瓜花叶病毒甜椒和番茄已实现商品化生产。1.1.4水稻基因植株目前已分离出大量与抗逆代谢相关的基因,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(Medicagosativa),耐0.8%NaCl的草莓,耐2%NaCl的烟草,抗逆基因工程作物已进入田间试验阶段。刘岩等获得了耐盐性明显提高的转基因玉米植株。张荃等获得了耐盐性提高的转基因番茄。新疆石河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。1.1.5改善大米品质、提高生物活性品质改良主要涉及蛋白质的含量、氨基酸的组成、淀粉和其它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。另外,延熟转基因番茄和改变花色转基因玫瑰也已商品化。“金米的故事”(将水仙花的两个基因和一种细菌的一个基因一起植入一种名为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。而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。此外,富含蛋氨酸的转基因烟草、直链淀粉含量降低的转基因油菜都相继成功,有的已经进入大田试验,延熟转基因番茄和改变花色转基因玫瑰也已商品化。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诸报道。生物反应器生产中的转基因可用于生产口服疫苗、工业用酶、脂肪酸、基因药物等。其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麦淇淋制作的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羟丁酯塑料和天然棉花与聚酯的混合纤维等。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、医药保健等,消费者更易接受。1.2种外源基因的转化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。实现这一转化的途径称之为转化系统。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,可以分为三大转化系统类型:(1)以质粒DNA等为载体的转化系统,如农杆菌法,屹今为止所获得的转基因植物中约80%是利用根癌农杆菌转化而来的。(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,如花粉粒或其它细胞等为媒体的转化系统,如花粉管通道法。现将常用的植物基因转化方法的特点列于表1。2转世植物的应用2.1国外转基因植物的应用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。1993年,第一例转基因植物——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全球转基因作物市场从全球范围看,转基因植物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。其概况如下:(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2005年全球转基因作物种植面积已达9000万公顷,较2004年的8110万公顷增加了11%,是1996年的53倍。(2)4种主要转基因作物种植情况。2005年,种植面积最大的4种转基因作物为:大豆(5440万公顷,占同类作物面积的60%)、棉花(980万公顷,占同类作物面积的28%)、油菜(460万公顷,占同类作物面积的18%)、玉米(2120万公顷,占同类作物面积的14%)。(3)种植分布。到2005年,已有21个国家850万农户种植转基因作物。美国、阿根廷、巴西、加拿大和中国仍是全球主要的转基因作物种植国。美国种植的4980万公顷转基因作物(占此类作物全球种植面积的55%)中,大约有20%为包含2种或3种基因的混合基因产品。2005年美国的第一种3基因产品为玉米。混合基因产品是未来的一个重要发展趋势。美国、加拿大、澳大利亚、墨西哥和南非已开始种植此类作物,菲律宾政府也已批准种植。2005年发展最为迅速的国家是巴西,初步预测的增加值为440万公顷(2004年为500万公顷,2005年为940万公顷);印度的年度增长比率是最快的,几乎增长了3倍,从2004年的50万公顷增长到2005年的130万公顷。2005年,21个种植生物技术作物的国家包括11个发展中国家和10个工业化国家。按种植面积的大小顺序排列,它们分别是美国、阿根廷、巴西、加拿大、中国、巴拉圭、印度、南非、乌拉圭、澳大利亚、墨西哥、罗马尼亚、菲律宾、西班牙、哥伦比亚、伊朗、洪都拉斯、葡萄牙、德国、法国和捷克共和国。(4)转基因作物种子的销售情况。1995年,全球转基因作物种子的销售额(包括一部分技术费)为0.84亿美元,1996到2003年依次为3.47亿,11.13亿,22.59亿,29.31亿,30.45亿,42.50亿,47.5亿美元,到2005年增加到52.5亿美元,销售额10年增加了63倍,相当于2005年全球作物保护市场(340.2亿美元)的15%,以及全球商业种子市场(300亿美元)的18%。价值52.5亿美元的生物技术作物市场包括24.2亿美元的Bt大豆(占生物技术作物全球市场的46%)、19.1亿美元的Bt玉米(36%)、7.2亿美元的Bt棉花(14%)以及2.1亿美元的Bt油菜(4%)。根据国际农业生物技术应用机构(ISAAA)预测,2006年预计将超过55亿美元,2010年,将达到200亿美元。(5)转基因作物性状。目前,转基因作物性状主要集中表现为抗除草剂、抗虫等。从1996至2005的第一个十年间,耐除草剂一直是最重要的特性,随后是抗虫性和混合基因。2005年,转基因作物全球种植面积达9000万公顷,其中耐除草剂的大豆、玉米和油菜占71%(6370万公顷);Bt作物占18%(1620万公顷),混合基因作物占11%(1010万公顷)。混合基因作物是2004和2005年间发展最快的,增长率达49%,而耐除草剂的增长率为9%,抗虫性的增长率为4%。2.3抗虫基因生物产品的