基因工程在育种上的应用

转基因植物研究现状及发展

姓名：杨加信

学号：

班级：农学院07级农学2班

指导教师：

日期：2010-5-11

转基因植物研究现状及发展

杨加信

（内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特，010018）1

【摘要】1986年美国和法国的科学家在世界上第一次进行了抗除草剂转基因烟草的田间试验。自此之后,植物转基因的研究与应用在世界各地蓬勃发展,被认为是21世纪农业的希望,是新的农业科技革命的重要组成部分。中国转基因植物研究比美国等国相对较晚，但近几年进展很快，而且取得了突破性进展。我国农业部迄今为止批准进行商品化生产的转基因植物除抗棉铃虫棉花外,还有耐储存番茄、抗黄瓜花叶病毒的番茄、甜椒和转花色矮牵牛花。从长远看，转基因作物将继续发展。同时种植转基因作物的国家将一步增加。转基因植物技术有些方面理论依据不充足，有待加强这方面的研究。

【关键词】转基因植物；转基因作物；抗虫棉；转基因烟草；

转基因植物(transgemc plant)是采用基因工程手段将从不同生物中分离或人工合成的外源基因在体外进行酶切和连接,构成重组DNA分子,然后导入植物细胞基因组中,使新的基因在植物细胞内整合、表达,并能通过无性或有性增值过程,将外源基因遗传给后代,由此获得基因改良植物,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.【1】

转基因植物技术及其产品是当今世界农业生物技术研究与产业化开发的重点和热点,也是我国农业科技革命的核心内容之一,对我国农业科技手段的更新换代以及农业产业结构的调整具有重要的战略意义.随着现代生物技术的迅速发展,植物转基因技术方兴未艾,因而对它的研究意义也显得尤为重要.

1986年美国和法国的科学家在世界上第一次进行了抗除草剂转

1作者简介：杨加信，男，1987年出生，陕西渭南人，在读本科生，E-mail:jiaxin@https://www.360docs.net/doc/a014380717.html,，个人主页：https://www.360docs.net/doc/a014380717.html,/yjiaxin

基因烟草的田间试验。自此之后,植物转基因的研究与应用在世界各地蓬勃发展,被认为是21世纪农业的希望,是新的农业科技革命的重要组成部分。【2】

一全球转基因植物发展现状

到1997年底,全球45个国家大约对60种作物的10类性状进行了25 000个田间试验,其中15 000个田间试验是在前10年进行的,10 000个是在近2年(1996~1997)进行的,占总数的40%。美国是转基因植物研究第一大国,共进行了14 153个田间试验,占总数的57%;其次是加拿大,进行了3 747个,占15%;东欧和俄罗斯地区占1%;其余的8%主要集中在拉丁美洲和以中国为主的亚洲。绝大多数田间试验是在工业化国家进行的,占总数的91%。1987~1997年间,最经常被改良的作物在美国依次是玉米(44%)、番茄(12%)、大豆(11%)、马铃薯(11%)、棉花(8%)、瓜类(4%)、烟草(4%)、油菜(2%)、甜菜(1%)和其它(3%)。全球该比例的变化不大,但是在加拿大油菜占60%以上。最常改良的性状,同期在美国依次为抗除草剂(30%)、抗虫(24%)、品质改良(21%)、抗病毒(10%)、抗真菌(4%)和其它(11%)。加拿大最常改良的性状为抗除草剂,1990年占90%、1995年占74%、1997年占52%,呈下降趋势,随之增加的主要是抗虫和抗病毒性状。

到1997年底,全球在12个作物、6类性状上批准了48个转基因植物品种进行商业化生产。第一个被批准进行商业化生产的遗传工程产品是美国Calgene公司开发的延熟番茄Flavr-SavrTM。就作物而言,48个已商业化的植物品种中,玉米占36%,油菜占17%,番茄占13%,

棉花占11%。在6类性状中,有4个单一性状和2个双重性状,抗除草剂占36%,品质占19%,抗虫占15%,抗病毒10%,抗虫+抗除草剂占10%,雄性不育+抗除草剂占10%。1997年全球转基因作物面积从1996年的280万公顷增加到1280万公顷,增加了4.5倍。主要种植国家依次是美国,810万公顷,占64%;中国180万公顷,占14%(注:国际认为中国种植了450万公顷的抗病毒烟草和番茄,并预计到本世纪末70%的烟草为转基因品种);阿根廷140万公顷,占11%;加拿大130万公顷,占10%;澳大利亚和墨西哥不到1%。转基因作物的种植面积在工业化国家的比例从1996年的57%增加到1997年的75%。而发展中国家从1996年的43%减少到1997年的25%。增加最快的阿根廷(13倍),墨西哥(10倍),加拿大(9.2倍)和美国(5.6倍)。1996~1997年间,转基因作物的种植面积在工业化国家的增长是发展中国家的4倍。美国是世界上主要的转基因作物种植国,其面积占全球的比例从1996年的51%增加到1997年的64%。就作物而言,大豆在1997年占转基因作物总面积的40%,510万公顷,居第一位。玉米从1996年的第四位上升到第二位,320万公顷,占25%。大豆和玉米共占了总面积的三分之二。其次是烟草13%,棉花11%,油菜10%,番茄1%。就性状而言,1996年与1997年也有明显改变,抗除草剂性状从1996年的第三位,总面积的23%上升到1997年的第一位,占总面积的54%;抗虫性状从37%下降到31%;抗病毒性状从40%下降到14%;品质性状在这2年均不到1%。如果将作物和性状结合分析,1997年抗除草剂大豆种植了510万公顷,占转基因植物总面积的40%;抗虫玉米300万公顷,占23%;抗病烟草160万公

顷,占13%;抗除草剂油菜120万公顷,占10%;抗虫棉花110万公顷,占8%;抗除草剂棉花40万公顷,占3%;抗除草剂玉米20万公顷,占2%;抗病番茄、延熟番茄、既抗虫又抗除草剂的棉花等面积较小。与1996年相比,1997年最大的变化是美国抗除草剂大豆、北美的抗虫玉米和加拿大的抗除草剂油菜大量增加。转基因大豆、玉米、棉花和油菜占全部转基因植物的86%,其中75%种植在北美。

转基因作物的广泛种植,因产量的增加和除草剂、农药的使用减少,带来了巨大的经济和环境效益。在美国,1996年5600个农户种植了73万公顷抗虫棉花,70%的农户没有喷药,其余农户也仅喷药一次,而非抗虫棉品种喷药4~6次,由此共节省农药25万加仑,产量平均增加7%,高的达20%,共增加纯利6000万美元,并减少了环境污染。抗螟虫玉米增产9%,节约了大量农药,增加收益1900万美元。该年抗虫玉米约占全美总面积的1%,1997年面积将增加10倍,占全美3200万公顷面积的9%。在加拿大,1996年5公顷的抗除草剂油菜平均增产9%,一级菜籽率从63%提高到85%,共增加收益600万美元。在美国全国1996年种植Bt棉花、玉米、马铃薯共获利8000万美元,1997年仅280万公顷玉米就获得1.9亿美元。全球预计转基因作物获利,到2000年将达到20~30亿美元,2005年达到60亿美元,2010年达到200亿美元。在未来10年,转基因作物产量增加10%~25%是可能的和现实的,并且为全球的食品安全,更营养的食品和饲料以及更安全的环境作出重大贡献。

二我国转基因植物的研究现状及在生产上的应用中国转基因植物研究比美国等国相对较晚，但近几年进展很快。目前国内已有50多家科研院所、30多所大专院校、100多个研究室、数千名科技人员从事农业生物工程研究，而且取得了突破性进展。

1转基因抗虫棉的研究及应用

棉花不但是我国的重要经济作物,也是我国纺织工业的主要原料。我国约有1亿棉农,棉花的年播种面积达533.3万hm2,年产皮棉450———500万t,约占世界产棉总量的25%以上,为世界上最大的棉花生产国和消费国。1998年以来因农业生产结构的调整,棉花播种面积降至400万hm2左右。但是,由于90年代以来,棉铃虫在我国广大棉区持续性大暴发,给我国棉花生产带来了巨大的危害。仅1992年因棉铃虫危害,北方棉区减产皮棉8万t,直接经济损失达50亿元,间接经济损失达100亿元。另外,为了防治棉铃虫每季棉花要喷农药15次左右,每公顷每次用药90元,每季用药1350元。而且大量施用农药造成大气、土壤、水质的污染。为了从根本上解决棉花生产上的棉铃虫危害问题,国家863计划于1991年起立项进行抗虫棉的研究。1991年中国农科院生物技术研究所,成立了以郭三堆研究员为领导的抗虫棉攻关课题组,并于当年开展了转苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白基因(Bt)抗虫棉的研究,设计并合成了适于在植物中表达的GFM和CrylA Bt 杀虫基因,构建了可在植物中高效表达的载体,通过花粉管导入法导入棉花,研制成功了单价抗虫棉。苏云金芽孢杆菌能产生具有强烈杀虫作用的晶体蛋白,对许多植物虫害都具有特异性毒杀活性。这样就能

使转基因作物自己制造出杀害虫的毒剂,而不危及其它生物。国内外已将Bt基因转入棉花、玉米、烟草、番茄、马铃薯、水稻等多种作物。为了延缓棉铃虫对Bt抗虫棉产生抗性,1993年课题组又开展了Bt基因和豇豆胰蛋白酶抑制剂(CpTI)基因的双价抗虫棉的研究。单价抗虫棉体内含有Bt杀虫基因,能专门破坏害虫的消化系统,导致害虫死亡;而双价抗虫棉体内不仅含有杀虫晶体蛋白,还含有CpTI基因控制合成的能抑制昆虫消化酶功能的功能蛋白,使害虫产生厌食反应,而导致害虫死亡。通过我国科研人员11年的艰苦奋斗,单价抗虫棉的研究达到了国际先进水平,使我国成为继美国之后第二个研制成功抗虫棉的国家。双价抗虫棉的创新研究达到了国际先进水平。在抗虫棉研究上,核心技术申请了两项国家专利,关键技术拥有我国自主知识产权。为了使转基因抗虫棉尽快实现产业化,在农业部、科技部和国家计委的大力支持下,抗虫棉在生产上的推广应用也取得了重大进展。目前,国家农业部批准可进行商品化生产的抗虫棉品种有6个,抗虫棉品种(系)11个;获准环境释放的单、双价抗虫棉品系41个;配制出增产、优质的抗虫棉杂优组合10多个。截止2000年,转基因抗虫棉已在河北、河南、新疆、山东、湖南、湖北、山西、江苏、安徽、辽宁等省累计推广36.6万hm2,其中双价抗虫棉2000年的种植面积为2.4万hm2,产生了巨大的社会和经济效益。棉农种植转基因抗虫棉,一般大约每公顷增加收益2100元。所以,转基因抗虫棉至今已累计产生的社会经济效益达7.68亿元。今后,如转基因抗虫棉每年推广100万hm2—200万hm2,每年将产生社会经济效益达21亿元—42亿元。因此转

基因抗虫棉在生产上的推广应用,对棉农增产增收、促进国民经济的发展、保护环境以及农业的可持续发展,有十分重要的意义。

2其它转基因作物的研究及应用

我国农业部迄今为止批准进行商品化生产的转基因植物除抗棉铃虫棉花外,还有耐储存番茄、抗黄瓜花叶病毒的番茄、甜椒和转花色矮牵牛花。它们都经过了大量的试验检测。对人体安全和环境没有不良影响,已进入商品化生产阶段。另外,我国转基因水稻的研究目前处在实验室研究阶段;小麦抗黄矮病基因工程研究,首次在国际上将中间偃麦草的抗黄矮病基因导入普通小麦,创造出抗黄矮病普通小麦新种质,在世界上首次获得抗病毒转基因小麦。【3】

三转基因植物发展趋势

从长远看，转基因作物将继续发展。转“投入性状”(input trait)的基因作物将进一步扩大,提高食品和饲料营养价植的“产出性状”(output trait)将变得极其重要,尤其在工业化国家。主要转基因作物,例如:大豆、玉米、油菜、棉花和马铃薯已经在美、加的播种面积将从目前的1%~10%,提高到25%~50%,或许更多。同时种植转基因作物的国家将一步增加。在欧洲,土耳其将可能是第一个种植转基因作物的国家,东欧、拉丁美洲、亚洲和非洲也将有所发展。表1显示转基因作物产品的数量还将大量增加,到1997年已商品化生产的产品17个,进入田间试验、有待商品化生产的产品35个。长远研究主要是多基因控制的、非生物性的胁迫性状,例如:抗旱、耐盐和耐铝。

值得注意的另一个趋势是已商品化的17个产品中4个是双重性

状,这种转多基因的趋势近期还会加快。传统的育种目标是集聚尽可能多的有益基因,生物技术将提供新的方法,能集聚传统方法不能转移的基因,生物技术能将来自土壤农杆菌的抗虫Bt基因、特殊的抗病基因、抗除草剂基因以及高淀粉含量基因集聚到同一品种中去。与“投入性状”相比,“产出性状”将变得更加重要,在已商业化的17个产品中,“产出性状”仅占3个(18%),而35个正在进行田间试验的产品中,“产出性状”占11个(31%),21世纪将是通过生物技术生产专业化食品和饲料的世纪。因此,在将来生物技术不仅被用来改良生物和非生物性状,而且被用来开发专门产品,例如:健康产品、营养产品、风味产品等等。

基因枪介导法在很多植物上取得了成功，尤其在小麦等禾本科植物中应用较多，该方法对物种、基因型和组织特异性的要求较小，但存在转化效率低、拷贝整合数较多、容易发生基因沉默、不能导入大片段DNA等缺点，下一步需要对外源基因的整合机理进行研究，明确所转移的DNA片段。

小麦、玉米等作物的转基因研究大多以未成熟胚为受体材料，建立成熟胚高频率再生体系和转化体系，对于提高小麦、玉米等作物转基因研究的效率具有促进作用。构建高效表达载体不但有利于外源基因的表达，也有利于转化细胞的筛选。启动子串联策略和增强子优化可避免外源基因导入后的低效表达和沉默现象，外源转入基因的诱导表达和组织特异性表达可以节约生物体能量消耗，降低对植株生长的不良影响。

通常情况下，转基因植株中除了目的基因，还包含标记基因。目前获得无筛选标记转基因植株的技术主要共转化法、重组定位系统、MAT载体系统等，其中的共转化法最为有效。

植物的一些主要特性表现为数量性状遗传，如产量、品质、抗逆性等，尤其是一些关键营养成分的代谢途径，均由多基因控制。将来自于其他植物或其它生物中的与上述性状相关的多个基因一次性导入植物，培育无筛选标记材料，是转基因植物研究的发展趋势。【4】在发展中国家，人口增长和食物短缺的矛盾日益尖锐，同时伴随着耕地减少、生物种植和生存环境的恶化，转基因技术是解决这些问题的最有效途径。在发达国家，转基因作物的种植已经产生了巨大的经济效益。人类对高产优质、抗病抗逆生物的需要，以及对低成本高产出的追求，无疑将促使转基因技术的深入研究和转基因植物的大规模产业化。

花粉管通道法在我国有很多成功的事例，先后获得了小麦、棉花、玉米、水稻、大豆等转基因植株，一些转基因植物品种已进入产业化生产，具有很强的实用性。但是，花粉管通道法获得的转基因植株缺乏严格的分子生物学证据，理论依据不充足，有待加强这方面的研究。参考文献

[1] 刘福林，李淑萍.转基因的现状及发展趋势[J].现代农业科技，2005,21

[2] 雷茂良，程金根.全球转基因植物发展现状[J].生物技术通报,1998,06

[3] 杨俊海.我国转基因动植物的研究现状及在农业生产上的应用[J].甘肃科技，

2002，04：37

[4] 叶兴国.我国转基因植物研究现状和“十一五”展望[J].中国农业科技，2007，

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