转基因抗虫棉

转基因抗虫棉的研究进展

摘要：综述了转基因抗虫棉的研究进展，包括抗虫基因的研究、载体构建技术的研究、转化技术的研究及存在的问题等，并展望了转基因抗虫棉未来发展前景。关键词：转基因抗虫棉花研究进展

引言

棉花生长周期长、虫害多，造成的损失非常严重。据统计，在转基因抗虫棉商品化之前，全球每年用于防治棉花虫害的费用高达20亿美元，约占所有农作物防虫费用的四分之一。[1]传统的化学农药防治棉铃虫不仅费用高，且已引发了棉虫的抗药性，同时化学杀虫剂的过量使用也带来了环境污染的问题，而转基因植物所产生的杀虫蛋白主要是通过抑制害虫消化等生理功能而达到抗虫的目的。与施药防治棉田害虫相比，转基因技术具有较多优势：不会在土壤和地下水中造成残留；不会被雨水冲刷流失；对非靶标生物无毒性；保护作用无盲区；减少农药及用工投入[2]等。雪花凝集素（Gulanthus nivalis agglutinin gene，GNA）是第一个转入重要作物、并对刺吸式口器害虫有抗性的基因，转GNA的水稻可降低害虫的存活率，阻止害虫的发育[3]。另外烟草阴离子过氧化物酶[4]、昆虫几丁质酶基因[5]也被用于抗虫基因工程的研究。迄今为止在棉花抗虫基因工程研究领域，最成功的例子是苏云金芽孢杆菌Bt杀虫基因的应用，其次是蛋白酶抑制剂基因。另外，凝集素、α-淀粉酶抑制剂、胆固醇氧化酶等转基因抗虫植物的研究也取得了进展，所以利用基因工程技术培育转基因抗虫棉受到了各国的高度重视。自1996年商品化种植转基因作物开始，全球转基因植物的种植面积已由1996年的170万hm2猛增到2008年的1.25亿hm2，增长了73倍，2008年全球市场价值已达75亿美元，约占全球商业种子市场的22%，其市场价值优势明显，转基因产业得到了蓬勃发展，尤其在发展中国家。印度Bt棉2002年引入，连年种植面积快速增加，至2008年达760万hm2，产量翻番，曾经是全球棉花产量很低的国家，现已成为棉花出口国。转基因棉回报率高，生产成本低，市场需求大，到2005年我国通过国家审定的转基因抗虫棉品种已增至26个[6]，到2007年我国转基因抗虫棉种植面积已达380万hm2，占全国棉花种植面积的69%。农业生物技术应用国际服务组织（ISAAA）发布的报告显示，2007年转基因作物种植面积增加了12%，达到了1.143亿hm2，成为过去五年来种植面积增加第二快的一年。[7] 2008年至2010年，我国新型转基因抗虫棉培育和产业化全面推进，新培育36个抗虫棉品种，累计推广1.67亿亩，实现效益160亿元，国产抗虫棉市场份额达到93%，有效控制了棉铃虫危害，彻底打破了国外抗虫棉的垄断地位。这是我国转基因生物新品种培育重大专项取得的成就之一。我国转基因技术研究与应用取得了显著成效：获得一批具有重要应用价值和自主知识产权的基因，培育一批抗病虫、抗逆、优质、高产、高效的重大转基因生物新品种，为我国农业可持续发展提供强有力的科技支撑。

然而，随着转基因抗虫棉在世界范围的发展，也不断涌现出一些问题，如棉花质量问题，抗虫性持久问题，对生态环境安全问题等，本文综述了转基因抗虫棉的研究进展，包括抗虫基因的研究、载体构建技术的研究、转化技术的研究及存在的问题等，并展望了转基因抗虫棉未来发展前景。

1.几种抗虫基因的介绍

1.1 Bt基因

Bt基因是苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）的简称，它是一种革兰氏阳性菌，在地球上分布十分广泛。Bt基因是抗虫棉中研究最多、进展最快、应用最广泛的一类基因，它对鳞翅目昆虫有专一杀伤作用。大部分Bt杀虫蛋白具有杀虫专

一性和高度选择性，所以对植物和包括人在内的动物没有毒害，而且是环境可以接受的。这种芽孢杆菌的杀虫特性在于它在形成芽孢时产生一种杀虫晶体蛋白（insecticidal crystal protein，ICP）或（δ-内毒素）[8,9]转Bt基因棉的毒素能在棉株内持续表达，使得棉铃虫在棉花的整个生长期都受到Bt毒蛋白的高压选择，因而减少了农药用量约60%，减少劳动力投入7%，转基因抗虫棉花比一般棉花平均提高单产10%，扣除种子成本和价格因素，每公顷增收可达到1250元[10]Bt

基因的种类很多，但获得转基因抗虫棉的Bt基因仅有Cry1A（b）、Cry1A（c）、Cry1A等少数几种。Bt基因对棉铃虫、红铃虫、玉米螟等害虫有较高的抗性。[7]天然Bt基因在转基因植物中表达很低[Vaeck et al. 1987，Fischhoff et al. 1987]，故多采用人工合成的方法对Bt基因进行改造以获得能在植物高校表达的杀虫基因。如：Perlak等[13]按照双子叶植物优化密码子，以化学合成方法合成了衍生于Bt kurstaki HD-1、Cry1A（b）和HD-73、Cry1A（c）的嵌合基因，其3´端的1/2序列被缺失，且改变了部分保守序列的密码子。所得到的基因序列包含相当于编码615氨基酸序列的1845bp。将基因导入棉花后，其中杀虫蛋白质表达量为天然Bt基因表达量的50 ~100倍。郭三堆等[14]设计并合成了适于在植物中表达的苏云金芽孢杆菌GFM crylA Bt杀虫基因，构建了可在植物中高效表达杀虫基因的表达载体pGBI4AB，通过农杆菌介导法和花粉管通道法导入棉花，研制成功了单价抗虫棉，并在1997年开始了商品化，至2001年单价抗虫棉累计推广了73.33多万hm2。美国孟山都公司也研制成功转Bt杀虫基因的抗虫棉并先于我国进行了大规模商品化。转Bt基因抗虫棉的成功研制与大面积推广和应用，促进了高科技生产商品化趋势，降低了棉农和政府的投资风险，取得了显著的生态、社会和经济效益。

1.2蛋白酶抑制剂基因

蛋白酶抑制剂（PI）是一类可以抑制蛋白酶水解活性的蛋白质，小到由十几个氨基酸、大到由几百个氨基酸组成。根据蛋白酶抑制剂所抑制蛋白酶的性质，可将其分为4大类：丝氨酸蛋白酶抑制剂、巯基蛋白酶抑制剂、金属羧肽酶抑制剂和天冬氨酰蛋白酶抑制剂。目前所发现的植物来源的蛋白酶抑制剂均属于前3种类，其中在抗虫植物基因工程中，研究最深入的是丝安酸蛋白酶抑制剂。如豇豆胰蛋白酶抑制剂基因，大豆胰蛋白酶抑制剂基因，马铃薯蛋白酶抑制剂I基因和II基因，番茄蛋白酶抑制剂I基因和II基因等，作为杀虫基因已被广泛而深入的进行了研究。[1]抗虫性较为理想的是豇豆胰蛋白酶抑制剂(cowpea trypsin inhibitor, CpTI) [15]。它是由设立在尼日利亚的国际热带作物研究所(IITA)从几千份豇豆资源材料中筛选到的一份抗豆象虫甲的材料——TVtrz027中得到的。[16]可抑制昆虫的消化作用，并引发一系列生理反馈作用，如干扰昆虫蜕皮过程，降低免疫功能，或使肽类激素产生不足等，最终导致昆虫死亡。[17] Hilder等[18]及刘春明等[19]分别报道分离并克隆了CpTI的cDNA，Hilder等[Hilder V. A.，Gatehouse1987]首先获得了转cptI基因的烟草植株。李燕娥等[21]和陈宛新等[22]分别将豇豆胰蛋白酶抑制剂CpTi基因和修饰过的CpTi基因导入棉花，获得了具有明显抗虫能力的转基因植株。与Bt毒蛋白基因相比．CPTI基因的抑制作用靶是昆虫酶的活性位点．具有杀虫范围广、效果稳定等特点；其次是害虫耐受性极小，因为它作用于昆虫消化酶最为保守的部位；再者，目前应用的蛋白酶抑制剂基因，主要源于植物，其转基因产品更易于公众接受。然而，蛋白酶抑制剂基因在抗虫上的问题也不容忽视，这就是它要求在转基因棉花中有较高的表达量，才能实现抗虫性；在某些情形下，还要求组织或器官特异表达。但由于PI基因往往需要大量表达才能产生明显的抗虫效果，因而转PI基因棉还没有在生