棉花转基因技术研究进展

农业生物技术课程论文

题目：棉花转基因技术研究进展

院（系）：农学院

专业：农学

班级：农学081

姓名：秦绍龙

学号：01108012

成绩：

完成日期：2011年5月25日

棉花转基因技术研究进展

摘要：近些年来，转基因技术被广泛应用于遗传育种中，尤其是在棉花遗传育种和基因改良方面取得了重大的突破，本文主要通过查阅参考文献，综合阐述了三大转基因技术手段及其在棉花抗虫、抗病、抗除草剂以及品质改良等方面的应用与最新进展，并对棉花转基因研究进展中存在的主要问题进行分析。

关键词：棉花；转基因；育种；外源基因；进展

转基因技术又称外源基因导入技术, 它是通过采用农杆菌介导技术、花粉管通道技术与基因枪导入技术, 将外源基因导入受体作物的细胞，并得到整合与表达的一种现代高新育种技术。在国家“863”项目的支持下，我国自20世纪80年代末开始棉花转基因育种技术研究与开发应用,该项技术在我国发展很快，也取得了一些重大的成就与技术突破。在转基因技术的正确指引下，目前棉花转基因育种中已获得了大量转基因抗病、抗虫、抗除草剂等方面的优良抗性株系,并选育出了多个转基因抗病虫品种,这些品种在增强抗病虫性的同时，基本上延续了受体亲本原有的高产、优质的良好性状，但所选育的转基因棉花品种仍不同程度地存在种子活力低、前期生长发育偏慢、中期易发生茎枯病、后期易脱肥早衰、抗性范围窄且随生育进程强度下降等缺陷。

一、转基因棉花研究的概况

自从1983年，人类首次获得转基因烟草、马铃薯以来，植物转基因技术在基础研究和应用开发中获得了显著进展，成功培育一批具有抗虫、抗病、耐除草剂和高产优质等外源优异性状的农作物新品种，对农业的生产方式和经济效益产生了深刻影响。棉花是利用转基因技术进行遗传改良最为成功的作物之一，仅我国自主研制的CryA+CpTI双价抗虫等基因就已被转育到41个棉花品种中。棉花作为主要的经济作物之一，对一个国家国民经济发展起到了举足轻重的作用，也曾一度被列入我国战略储备物资行列。近年来，随着基因工程技术的不断发展，利用生物技术来创新棉花种质资源和培育新品种是一条非常有效的途径，极大地推动了棉花遗传育种的发展随着国际转基因技术的不断发展和转基因生物安全性方面的相关法律法规的不断完善，转基因作物的大面积推广和种植势不可挡。美国转基因抗虫棉大田种植已超过其棉田总面积的70%，澳大利亚和中国超过30%，全球转基因棉花种植面积达到680万公顷，占世界棉花种植面积的20%。

棉花为我国主要农作物之一，其基因工程方面的研究进展迅速，在抗虫、抗病、抗除草剂、棉纤维品质改良和生态效应方面均取得了一系列重要研究成果。1992 年中国农科院

生物技术研究所在国内首次人工合成了Bt杀虫基因，并与有关单位合作，将该基因导入中棉所 12 号、泗棉3号、晋棉7号等大面积推广品种中，获得了国产GK系列转Bt基因抗虫棉，成为世界上学握该项技术的第二个国家，进而又将豇豆胰蛋白酶抑制剂基因（CpTI）和Bt基因重组，成功地导入棉花，育成了转双价基因（CpTI+Bt)SGK 系列抗虫棉。随着抗虫棉种植面积的增大，棉田次生害虫为害呈逐年加重的趋势，雒琚瑜等人通过对棉盲蝽发生日趋严重的原因及发生程度特点的分析，提出了防治盲蝽策略、防治指标与防治适期，并简单介绍了防治棉盲蝽各种行之有效的治理措施。柏立新等人通过转基因棉花品种对棉大卷叶螟抗性水平的鉴定评估，提出在棉大卷叶螟重发地区，培育种植高抗棉大卷叶螟的转基因抗虫棉品种可有效地控制棉大卷叶螟危害，减少农药的使用。棉花黄萎病是世界棉花生产中普遍存在的一大难题，也是长期困扰我国棉业的一种病害，我国很多学者对其病发的规律及机理进行了研究报道。近期在抗黄萎病育种方面取得了突破性的进展，据了解天津市农业部门与中国农业大学开展科技合作，引进该校研发的具有自主知识产权的转基因高抗黄萎病棉花育种技术这一重大科技成果，不仅使棉花转基因抗黄萎病、耐盐碱、耐旱等优良品种覆盖天津，并且使转基因高抗黄萎病棉花育种产业化。

我国在转基因棉花技术研发的过程中，也高度重视生态效应的研究。吴孔明等研究人员于1998 年～2007年间在河北省廊坊市系统研究了棉铃虫在Bt棉花和常规棉花田的种群动态，结合对华北地区棉铃虫种群监测结果的模型分析表明：Bt棉花的大规模商业化种植破坏了棉铃虫在华北地区季节性多寄主转换的食物链，压缩了棉铃虫的生态位，不仅有效控制了棉铃虫对棉花的危害，而且高度抑制了棉铃虫在玉米、大豆、花生和蔬菜等其他作物田的发生与危害。这一研究成果为解释转基因抗虫作物对靶标害虫种群演化的调控机理提供了理论基础，为棉铃虫的可持续控制奠定了基础，对促进Bt植物的研发有重要价值。

二、转基因棉花的研究进展

1.棉花转基因技术利用的途径与方法

棉花转基因技术是将外源DNA通过物理、化学或生物学方法导入棉花细胞并得到整合和表达的过程。在我国棉花转基因育种中主要采用农杆菌介导法、花粉管通道法和基因枪导入法。

1.1农杆菌介导法

农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，它能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位，并诱导产生冠瘿瘤或发状根。根癌农杆菌和发根农杆菌中细胞中分别含有Ti质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，农杆菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入到植物基因组中，因此，农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系。人

们将目的基因插入到经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株。农杆菌介导法是目前植物基因工程研究中最常用的方法, 现在成功转化的植物实例中有80%左右是通过农杆菌介导实现的。

采用农杆菌介导技术与其他转基因技术相比，具有技术成熟、简便易行、导入受体作物的外源基因明确、导入与转化机理清楚、转化率高、转育周期短、遗传变异幅度小、农艺和经济性状受干扰少、遗传性状稳定快等特点。在一般情况下，只需要3年时间即可转育成功。农杆菌介导技术进行外源基因导入时，所适用的外植体非常广泛，包括叶片、茎段、胚轴、叶柄、子叶、幼胚或成熟种子，在进行外源基因导入时，常用的外植体为下胚轴、子叶与叶柄。

农杆菌介导法最大的限制因子是基因型依赖性,棉花不同品种(系)的遗传背景不同，只有部分品种(系)能够诱导出抗性再生株，目前已成功的品种(系)主要有晋棉7号、晋棉12号、中棉所12、中棉所24、鲁棉6号、石远321、泗棉3号等。如何打破棉花基因型对农杆菌介导转化的限制是需进一步研究和解决的问题。此外,再生苗畸形率高、移栽成活率低及再生棉株过程中产生的染色体变异等也是限制农杆菌介导转化的重要因素。

1.2花粉管通道法

通过花粉管通道法的转育可以直接获得转基因棉花种子，其操作简便，省工省时，不需要棉花组织，培养和诱导再生棉株等人工培养过程，避免了基因型依赖性和组织培养中产生的体细胞变异，对所有的棉花受体材料均可以进行转化，且转化速度快，当年转化，当年可获得转基因棉株。转基因棉株的抗虫性表达突出,综合农艺性状与受体亲本基本一致。1998年倪万朝等通过花粉管通道法将Bt基因导入泗棉3号，选育出了我国另一个第一批通过审定的转基因抗虫棉GK1。

花粉管通道法受棉花自然花期和环境条件特别是环境条件影响较大。其基因转化率较低，一般仅在1%左右。此外, 供体DNA片段的纯度对转基因棉株的获得及后代的表型有一定影响，DNA纯化过程中保持DNA片段的完整性十分重要。

1.3基因枪导入法

采用基因枪进行外源基因导入的基本原理是通过火药爆炸、高压放电和高压气体驱动作为动力加速载有外源基因的钨或金粉粒, 使其进入有细胞壁受体作物品种的细胞, 达到外源基因被整合到受体基因组内, 进而实现被表达的目的。基因枪导入法的最大优点是可以转化棉花多种组织和器官,被转化棉花品种的受体可以是胚性悬浮细胞、愈伤组织、未成熟胚、分生组织，也可以是花粉和茎尖等。该项导入技术不受导入作物基因型种类

和被导入作物器官的限制, 但转化的可靠性差, 整合效率较低, 稳定遗传表达效率在所有外源基因导入技术中也是最低的。

谢迎秋等采用基因枪导入外源基因技术, 将通过PCR扩增的CLCuV的 AC2基因导入受体叶片细胞进行瞬时表达, 在叶肉与叶脉维管束中获得成功。刘传亮等采用基因枪导入技术将外源基因导入受体棉花品种的茎尖或茎尖分生组织，成功地育成转基因棉花品种(系)。吴敬音等采用基因枪导入技术将CPTI基因成功地导入到中棉所12号等主栽棉花品种中, 获得转

基因棉株。

2.外源基因在棉花育种方面的应用与研究进展

2.1 转抗虫基因的研究进展

我国棉花每年因虫害造成的产量损失约为10%～l5%，全国每年用于棉花害虫防治的杀虫剂用量占杀虫剂总使用量的2/3，不仅造成经济的重大损失，还造成了环境的污染，转基因抗虫棉的培育和推广极大地改变了这种现象。我国早在1991年就已有将外源Bt基因导入棉株中的报道，1992年郭三堆等在国内首先人工合成了全长1824bp的CrylAb和CrylAc 融合的GFMCry1A基因，并于1993年采用农杆菌介导法和外源基因胚珠直接注射法成功导入晋棉7号、中棉12和泗棉3号等主栽品种中，获得了高抗棉铃虫的转基因棉花株系，吴家和等合成的包含CryIAc和AP基因双价抗虫基因载体，通过农杆菌介导转化冀合321胚性愈伤组织，经6代筛选后培育出抗棉铃虫90%的纯合品系，且农艺性状均优于对照。此后，多家单位先后获得了不同的抗虫棉，到2009年底，我国已育成了拥有自主知识产权的系列国产转基因抗虫棉品种70 个，转基因抗虫棉的累计推广面积已达0.21亿hm2，新增产值超过440 亿元。

2.2 转抗黄萎病相关基因的应用

棉花抗病分子生物学研究较其他植物落后，抗黄萎病基因的克隆在棉花中也鲜有报道。目前，通过基因工程提高棉花抗黄萎病性的外源基因也多为从其他植物中克隆得到。蔡应繁等利用基因枪法、叶盘法和花粉管通道途径等基因工程技术将抗真菌的β－1，3－葡聚糖酶基因和几丁质酶基因导入棉花，经PCR检验，获得了抗性植株。乐锦华等利用花粉管通道法和农杆菌介导转化法将菜豆中的几丁质酶和烟草中的葡聚糖酶基因转入棉花，并从转基因高世代材料中筛选出了高抗黄萎病的品系。陈大军等将天麻抗真菌蛋白基因用花粉管通道法转化天然彩色棉主栽品种，从高世代系中选育出既抗枯萎病又抗黄萎病的兼抗材料。刘慧君等将葡萄糖氧化酶基因转入棉花，显著提高后代对枯萎病和黄萎病抗性，部分材料抗性也已达到抗病水平。

2.3 转抗除草剂基因的研究

1997年由美国孟山都公司推出抗除草剂抗性棉花品种，从土壤农杆菌变种CP4中分离到编码抗草甘膦酶的基因，并通过农杆菌介导法转化珂字棉312，把该基因导入棉花植株，从而使其对草甘膦产生抗性。我国对抗草甘膦棉花方面的研究相对滞后，仅有少量报道。祝水金等以珂字棉 312为材料，采用体细胞连续定向筛选技术，结合体细胞诱变技术，然后在连续几代继代培养时培养基中添加草甘膦，最后将抗性愈伤组织再生而获得非转基因抗草甘膦的棉花突变体R1098，产量和品质性状都表现良好，还表现出较强的抗病性。谢龙旭等采用中棉35下胚轴为材料，将草甘膦突变基因aroAM12导入到棉花中，获得65棵再生植株，结果表明，转化株对草甘膦具有很高的抗性。赵福永等将抗草甘膦基因aroAM12

和抗虫基因Btslm一起整合到一个载体中，并以抗草甘膦基因作为选择标记，通过转化棉花品种石远321后获得了抗草甘膦和抗棉铃虫的再生株。

2.4 转基因改良棉花品质的研究进展

棉纤维是棉花的主产品，利用转基因技术按照人们的意愿来改进棉纤维性能，也是近些年来棉花基因工程研究的热点之一。张震林等通过花粉管通道转基因技术，将E6启动子驱动的兔角蛋白基因导入高产棉花品种“苏棉16号”，对阳性植株通过PCR检测，最终确定3株结果稳定的转兔角蛋白基因棉株。经品质分析，这3个株系成熟棉纤维的品质部分得到改良，尤其比强度有较大幅度提高，与转基因受体相比平均提高6.3cN/tex。采用同样技术，将E6启动子驱动的蚕丝芯蛋白基因导入陆地棉品种“泗棉3号”，最终获得l株转蚕丝芯蛋白基因的棉株。纤维品质测定结果表明，这株转蚕丝芯蛋白基因棉花T1代纤维比强度达到34.6cN/tex，比对照提高了21%。利用基因工程技术，调节棉纤维的发育进程，如纤维伸长的速率或持续的时间，或者改变棉纤维的化学组成，以改变棉纤维的理化性质，最终实现改良棉纤维的目的，这已经成为新世纪棉花创新研究的新领域。

三、转基因棉花进展中存在的问题和前景展望

尽管转基因棉花的研究为农业生产带来了巨大的效益，但仍存在着一些问题: (1)由于受到技术发展的限制，优异功能基因资源比较有限，目前应用较成功的基因还集中在抗虫基因(Bt)和抗除草剂基因(bar)上，因此还有待于加强基因组学和功能基因组学研究，有针对性的挖掘更多高效、低毒的功能基因用于转基因棉的改良。(2)在转基因研究过程中，还经常会遇到基因沉默现象，转基因的遗传稳定性如何，转基因棉花产量性状与转基因受体有无改变，这些问题还需要做进一步的研究，因此，还有待于加强转基因技术体系和分子机理方面的研究。（3）大面积推广转基因棉植株，导致很多当地或传统的品种受到排挤，优质的种质资源易受到威胁，育种工作将面临很多优良品种（系）的丧失（4）转基因技术

易形成技术垄断，2010年6月20日，新京报以整版刊登了题为“转基因棉花酿印度农民自杀潮”的文章，这正说明了转基因技术的垄断对一个国家经济乃至国家命运带来严重的威胁，给国家的战略安全造成致命的打击。(5)转基因植物对人类及生态的安全形成威胁等问题。我国在转基因技术安全性管理和监控方面颁布了相关的法规，已经相继制定了一系列管理办法，包括《农业转基因生物安全评价管理办法》、《农业转基因生物标识管理办法》、《转基因食品卫生管理办法》等，这些政策和措施的制定，既保证消费者利益，又可以促进转基因工程的健康发展。21 世纪的中国的农业必须实现传统农业向现代农业的转变，加强转基因作物研究及其产业化进程将是实现中国传统农业向现代农业转变的最重要手段之一。转基因植物也将成为各国农业可持续发展的重要支柱，大力发展转基因棉花已是大势所趋。我国今后转基因棉花的育种方向一是针对目前抗虫棉存在的问题开展攻关，二是利用已有的转基因技术, 将高产、优质、抗逆等性状聚合到一个棉花优良品种中, 形成推广应用价值更高的新品种。可以预料，随着国际上植物转基因技术的迅猛发展以及相关基础研究的逐步完善，我国棉花转基因育种将在农业生产上发挥越来越重要的作用。

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