主要农作物转基因研究现状和展望

生物谷

　　DNA  双螺旋结构的发现为分子生物学研究奠定了基础，DNA  重组技术的创立使分子生物学研究由理论进入实践，植物基因工程研究应运而生。在此基础上，Zambryski  等利用农杆菌介导法获得了世界上第一例转基因烟草植株，Horch  等建立了农杆菌介导的叶盘转化法，马铃薯、番茄、拟南芥等双子叶模式植物转基因先后获得成功。此后，植物转基因技术迅速发展，先后建立了除农杆菌介导法以外的  PEG  介导法、电激穿孔法、病毒介导法、基因枪法、显微注射法、花粉管通道法、超声波法等，转基因成功的物种不断扩大，涉及35个科的50多个物种，共120多种植物。经过多年的实践和优胜劣汰，多数转化方法已被逐步放弃，形成了以农杆菌介导法和基因枪法占主导地位的两大植物转基因体系。迄今为止，媒介农杆菌法获得的转基因植物占转基因植物总数85％左右。同时，将一些有利用价值的外源基因导入了植物，并逐步将转基因植物应用到农业生产。植物基因工程研究已涉及到品种改良的各个方面，包括抗虫、抗病(病毒、细菌和真菌病害)、抗除草剂、抗逆(寒冷、盐碱、重金属等)、品质改良(碳水化合物、油脂和蛋白质等)、发育调控、营养吸收等。在开展主要农作物转基因技术体系和功能基因转化研究的同时，转基因大豆、玉米、棉花、油菜等作物新品种在生产上的产业化面积逐年增加。

1  主要农作物转基因研究进展

1.1  大豆遗传转化技术与转基因研究现状

　　大豆是遗传工程最困难的作物之一，首先是因为大豆组织培养还不够成熟，虽然有很多报道认为可以从大豆下胚轴、子叶节、子叶、叶片、幼荚子叶、未成熟胚、花药等外植体获得再生植株，但频率较低，重复性较差。其次是因为大豆对农杆菌十分敏感，一经感染，难以从特殊组织或细胞再生植株。由于大豆的重要性，研究者们一直试图创立有效的组织培养和植株再生体系。无论如何，大豆遗传转化还是取得了很大成功。最早有关大豆遗传转化的研究大多利用原生质体为外植体。1988年  Hinchee  等首次利用农杆菌介导法获得了大豆转基因植株，将  nptⅡ  基因和草甘瞵抗性基因导入了大豆；McCabe  等利用基因枪法获得了转  nptⅡ  基因的大豆植株。1989年  Parrott  等利用基因枪法获得了转玉米  15kDa  醇溶蛋基因和  nptⅡ  基因的大豆转基因植株；刘博林等采用合子期子房微注射的方法，将龙葵的抗阿特拉津基因  psbA  导入了大豆叶绿体基因组，获得了转基因大豆。Sato  等利用基因枪法通过细胞悬浮系经胚胎发生途径获得转化的大豆再生植株；Christou  等利用电击转化法获得了多个外源基因稳定表达的转化细胞系。Finer  等利用基因枪轰击大豆胚状体悬浮培养物，以潮霉素为选择剂，获得了大量再生植株。黄健秋等利用改良  PEG  介导法对大豆原生质体进行  GUS  基因转化，检测到了  GUS  基因的稳定表达。Stewart  等获得了转  CryIA  基因的可育大豆植株；美国  Monsanto  公司利用基因枪轰击方法将编码5-烯醇-丙酮酸莽草酸-磷酸合成酶  (EPSPS)  基因转入大豆植株，获得了抗除草剂转基因大豆，利用农杆菌介导法将抗除草剂的  Roundup  基因转入大豆，培育了  Roundup  Ready  转基因大豆，得到了大面积产业化；Wei  等利用  PEG  法将外源基因导入大豆原生质体，得到了转基因植株。徐香玲等利用农杆菌介导法将大豆花叶病毒外壳蛋白基因转入了大豆植株；南相日等获得了转  Bt  基因的大豆植株。Zhang  等实验发现，在子叶节转化体系中，利用  bar  基因和相应的筛选剂  glUFOsinate，选择效果明显优于其它标记基因。Xing  等通过构建二段  T-DNA  的双元表达载体，获得了无筛选标记的转基因大豆植株。Sato  等利用农杆菌介导法将从琉篱苣中克隆的  Δ-脂肪酸去饱和脱氢酶基因转入了大豆植株，获得了无筛选标记的转基因品系，其籽粒中  γ-亚麻酸含量显著提高。此外，人们还在尝试将葡聚糖酶基因、核糖体失活蛋白基因和几丁质酶基因转入大豆，提高大豆对真菌性病害的抗性，将维生素A  合成相关基因转入大豆，改良大豆营养品质，将核酮糖1,5二磷酸羧化酶基因转入大豆，改良大豆光合效率，提高大豆产量。

　　自从获得第一例转基因大豆以来，已经有很多成功的报道，包括产业化的抗除草剂转基因大豆。目前应用最普遍的方法仍然是农杆菌介导的子叶节再生系统，其次是基因枪介导的胚性悬浮培养再生系统。其他转化方法有待于继续改进，包括花粉管  DNA  摄取法，农杆菌小花渗入法，以及农杆菌和基因枪介导的其它大豆外植体转化系统。用于大豆转化最有效的农杆菌菌系为  EHA101，外植体为子叶节，再生途径为诱导丛生芽的器官发生途径，选择标记采用  bar  基因，选择剂为  glUFOsinate。获得抗性大豆再生植株后，除了常用的组织化学染色和分子生物学手段外，还可以利用叶片擦抹除草剂对转基因大豆进行快速检测。

1.2  玉米遗传转化技术与转基因研究现状

　　Fromm  等最先开展了玉米遗传转化工作，利用电击法诱导玉米原生质体吸收携带氯霉素乙酰转移酶基因的质粒  DNA，电击处理后检测到了该基因在玉米细胞中的表达，进一步将  nptⅡ  基因转入玉米原生质体，获得了稳定转化的抗性愈伤组织。Rhodes  等利用电击法将  nptⅡ  酶基因转入玉米原生质体，首次获得了玉米转基因植株，但转基因植株全部不育。Grimsly  等将玉米条纹病毒基因构建到农杆菌  Ti  质粒上，利用农杆菌侵染玉米植株，导致了系统感染症状，首次证明了农杆菌可以侵染玉米细胞。Fromm  等、Gordon-Kamm  等利用基因枪介导法分别将  bar  基因、GUS  基因和萤火虫荧光素酶基因等转入玉米，获得了转基因植株。丁群星等利用微玻璃针注射授粉后10～20h  的玉米子房，将苏云金芽孢杆菌  (Bt)  杀虫蛋白基因转入玉米，获得了可育的转基因植株。王国英等利用基因枪轰击玉米悬浮细胞系、未成熟胚和胚性愈伤组织，将  Bt  基因和  bar  基因转入了玉米。Ishida  等利用农杆菌介导法转化玉米自交系  A188  未成熟胚，获得了大量转基因植株，建立了农杆菌介导法转化玉米的技术体系。张宏等利用超声波法转化玉米，获得了转基因植株。张荣等将农杆菌转化玉米的基因型拓宽到常规自交系综3、综31，张艳贞等利用农杆菌介导将  Bt  毒蛋白基因导入玉米优良自交系340和4112，平均转化率达到了2.35％。

　　综上所述，虽然在玉米转化中采用的方法有电击法、基因枪介导法、超声波法、微注射法、PEG  法和农杆菌介导法等，但基因枪介导法和农杆菌介导法应用的最为成功。授粉后18  d  左右的幼胚是普遍采用的受体材料，再生能力强，转化效果好。对农杆菌介导法而言，适宜转化的玉米基因型还比较有限，适宜的农杆菌菌系有  C58C1  和  LBA4404，共培养基中加入适量的乙酰丁香酮  (AS)、脯氨酸、谷氨酰胺等物质，有利于农杆菌侵染玉米幼胚和提高转化效率。

1.3  水稻遗传转化技术与转基因研究现状

　　80年代末期，国内外相继报道利用  PEG  法和电击法转化水稻原生质体，获得了水稻转基因植株。由于原生质体培养操作复杂，以原生质体作为转化受体，转化再生率非常低。90年代初，人们试图把双子叶植物常用的农杆菌转化技术应用到水稻转基因研究中。李宝健等首先利用农杆菌转化水稻，通过在农杆菌菌液和感染培养基中添加  AS、香草醛、没食子酸等酚类化合物的方法，在愈伤组织水平上检测到了外源基因的表达，并在电子显微镜下观察到了农杆菌对水稻细胞的粘附和侵染。Chan  等以水稻开花授粉后10～12d  的幼胚为受体，经农杆菌感染后获得了转基因植株，但同样缺乏分子生物学证据。李瑶等用农杆菌转化水稻不定芽，获得了具有  GUS  表达的转化植株，但缺乏分子生物学证据。Hiei  等以水稻成熟胚愈伤组织和未成熟幼胚为受体，获得了较多有严格分子生物学证据的转基因植株，并对农杆菌介导法转化水稻的影响因素进行了详细研究，建立了比较成熟的农杆菌转化水稻的技术体系，为农杆菌介导法转化单子叶植物开辟了先河。也为  Rashid  等利用农杆菌成功转化籼稻奠定了基础。

　　Ye  等将  β-胡萝卜素合成途径的3个基因  psy、crtⅠ、aphⅣ  导入了水稻，培育了富含维生素A  的新品系。Eunpyo  等(1989)、张宪银(2001)等、高越峰等分别将储藏蛋白基因  Glutein、球蛋白基因、高赖氨酸基因导入了水稻，转基因水稻的品质有了不同程度改进。何迎春等利用花粉管通道法将几丁质酶基因导入水稻，均获得了变异的子代，并提供了分子杂交证据。但这一方法的转化效率还比较低，在操作上还受到开花季节的限制，而且对后代的筛选工作量很大。许明辉等先后利用基因枪法将几丁质酶-葡聚糖酶双价基因转入了水稻，与受体品种相比，转基因水稻对稻瘟病的抗性显著增强。Hossan  等(1991)将3个与水稻耐淹能力有关的基因pdcⅠ、pdcⅡ、pdcⅢ  转入水稻，获得了转基因植株。村田纪夫等、高倍铁子等分别将甜菜碱生物合成酶基因  codA  和  betA  导入水稻，获得了耐盐硷性较强的转基因植株。

　　转化外源抗虫基因是水稻转基因研究中最活跃的研究领域，所利用的外源基因包括杀虫晶体蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、凝集素基因、神经毒素基因，如CryIA(b)、CryIA(c)、cpTI、GNA、AaIT  等。目前，我国已建立了农杆菌将  SCK  抗虫基因稳定转化水稻的技术体系，转化效率5％以上。Gatehouse  等报道了转雪花莲凝集素  GNA  基因水稻抗褐飞虱的研究结果。

　　抗白叶枯病基因工程育种和抗除草剂基因工程育种是水稻转基因研究中的另一个热点。Tu  等利用农菌介导法将  Xa21  基因导入了  IRF-2  等水稻品种，转基因水稻对白叶枯病的抗性明显增强。黄大年等利用基因枪法将抗菌肽基因导入了京引119水稻，转基因植株对白叶枯病具有一定抗性；将抗除草剂的  bar  基因导入了杂交水稻恢复系，由于保持系不含  bar  基因，所以杂交种苗期喷洒  Basta  除草剂，不但可以杀死杂草，而且可以去除假杂种，转基因抗除草剂水稻已进入田间试验。应用转基因技术培育新型雄性不育系，提高抗逆性，防止水稻早衰和改良水稻品质的研究正在进行中。

　　农杆菌介导的水稻遗传转化体系非常成熟，在国内外得到了广泛应用，而且不存在严格的基因型特异性，在  AAM  培养基上预培养2～3  d  的成熟胚愈伤组织和未成熟胚均可作为外源基因转移的受体材料，再生能力和转化能力都比较理想，获得成功的农杆菌菌系有  LBA4404、A281  等。基因枪介导的水稻遗传转化体系比较成熟，实际工作中的应用也比较广泛。

1.4  小麦遗传转化技术与转基因研究现状

　　在粮食作物中，小麦属于遗传转化最为困难的作物，加上转基因研究起步较晚，基因工程育种进程明显落后于其它作物。随着基因枪的问世、新的选择标记基因和高效启动子的运用，1991年以后小麦转基因研究开始增多。Vasil  等利用基因枪介导法将  bar  基因导入了小麦，获得了世界上第一例小麦转基因植株。  Weeks  等利用基因枪介导法将  GUS  基因、bar  基因导入了小麦，建立了基因枪法转化小麦的技术体系。在随后的几年内，小麦转基因研究基本上借助于基因枪介导法。Zhou  等利用基因枪介导法将  CP4  基因和  GOX  基因导入了小麦，获得了转基因植株。Blechl  等将编码高分子量谷蛋白亚基  HMW-GS  基因导入了小麦幼胚和幼穗，获得了稳定表达的转基因植株。然而，农杆菌介导法一直是小麦遗传转化的一道难关。Cheng  等首次利用农杆菌介导法将  GUS  基因和  nptⅡ  基因转入了小麦，获得了小麦转基因植株，并对转基因植株  T0  代-T2  代进行了分子检测。夏光敏等、叶兴国等利用农杆菌介导法将  nptⅡ、bar  等外源基因转入小麦，获得了转基因植株。2001年以来，小麦转基因研究的重点由转化体系建立转为功能基因转移。Zhou  等利用农杆菌介导法将抗除草剂的  Roundup  基因转入了小麦品种  Bobwhite，培育了  Roundup  Ready  小麦，转基因小麦对除草剂表现很强抗性，已完成生产试验，等待产业化。徐惠君等利用基因枪介导法将  Nib8  复制酶基因导入了小麦，徐琼芳等、梁辉等分别利用基因枪介导法将  GNA  基因导入了小麦，转基因小麦对黄花叶病毒病、蚜虫表现较强抗性，目前已进人环境释放阶段。作者利用农杆菌介导法将  GCE、Bcl、Rip  基因导入了小麦，中间试验结果表明转基因小麦对赤霉病表现出一定抗性。

　　到目前为止获得小麦转基因植株的报道中，基因枪法占90％左右，其它方法仅占10％，包括农杆菌介导法、花粉管通道法、低能氩离子束介导法等。由于农杆菌介导法的优点，人们对此项研究一直坚持不懈。2003年  Khanna  等通过构建超级双元表达载体  HK21  和在培养基中加入多胺类化合物，转化效率达到了1.2％～3.9％；Hu  等以来源于农杆菌的抗除草剂基因  EPSPS  为选择标记，以草丁膦为筛选剂，将  EPSPS  基因导入了小麦品种  Bobwhite，转化效率达到了4.3％。Cheng  等认为农杆菌感染后对外植体进行干燥处理可显著提高  T-DNA  转运水平和转化效率。

　　小麦转基因研究大多采用授粉后13～14  d  的幼胚为受体材料，表达载体构建中普遍采用  Ubi、E35S  等启动子和  bar、nptⅡ、EPSPS  等筛选标记基因，筛选剂一般使用  Bialaphos、GlUFOsinate、G418  和  Glyphosate  等，成功利用的农杆菌菌系包括  ABI、Agl1、c58C1、LBA4404  和  CP4  等。总之，小麦转基因研究涉及报告基因或标记基因较多，目的基因较少，所用的受体基因型大多是  Bobwhite。因此，拓宽小麦遗传转化的受体范围，完善农杆菌转化小麦的技术体系，将一些控制抗病、优质、抗逆和抗虫的外源基因导入小麦，是今后小麦转基因研究的重点。

2  转基因农作物产业化

2.1  转基因农作物在全球的种植

　　自1986年首例转基因植物被批准进入田间试验以来，国际上已有30个国家批准了数千例转基因植物进入田间试验，涉及的植物种类达40多种。1994年转基因番茄在美国批准上市，1995年转基因棉花获准商业化生产，转基因油菜在加拿大获准大田推广，1996年转基因玉米在美国开始商业化种植，1996年全球转基因作物种植面积达到170万公顷。1999年转基因大豆在美国批准上市，转基因作物在全球种植面积2000年发展到4420万公顷，比1996年增加了25倍。2001年转基因玉米在美国开始大面积种植，转基因大豆发展到巴西、阿根廷等国家，转基因作物在全球种植面积2004年增加到8100万公顷，比2003年增加了19.7％，比1996年增加了近47倍。目前为止，有7个转基因植物获准在18个国家商业化种植，除大豆、玉米、棉花、油菜等主要农作物外，还包括番茄、矮牵牛、甜椒、南瓜和木瓜。其中，转基因大豆的种植面积最大，占全球转基因植物总面积的60.0％，其次是转基因玉米、转基因棉花和转基因油菜。就全世界而言，美国是种植转基因作物面积最大的国家，占全球转基因作物总面积的59.0％，其次是阿根廷、加拿大、巴西和中国。美国是种植的转基因作物主要是大豆、玉米等，阿根廷和巴西种植的转基因作物主要是大豆，加拿大种植的转基因作物主要是油菜，中国种植的转基因作物主要是棉花。按转基因作物类型划分，抗除草剂类型占73.0％，主要是转基因大豆和油菜，抗虫类型占18.0％，主要是转基因玉米和棉花，兼抗类型占9.0％，主要是转基因，抗病毒等类型不到1.0％，主要是木瓜。

2.2  转基因农作物在国内的种植

　　在国家“863”计划和“转基因植物研究与产业化专项”等科技项目的资助下，我国转基因植物研究取得了很大进展。目前为止，共有1000多例转基因植物申报了安全性评价，批准了近800例，其中，批准中间试验450多例，批准环境释放200例左右，批准生产性试验50多例，包括转基因水稻、棉花、玉米、油菜、马铃薯、大豆、小麦等30种植物。耐储藏番茄、观赏矮牵牛、观赏矮牵牛、保铃棉、抗虫棉、抗病毒甜椒、抗病毒番茄等转基因植物被批准进行商品化生产。我国种植面积最大的转基因作物是抗虫棉，2002年种植面积为200万公顷，2003年种植面积为280万公顷，2004年发展到了370万公顷。但是，与国际先进水平相比我国转基因研究还有一定差距，转基因作物的的种植面积只占全球的5％，涉及的转基因作物主要是棉花。

2.3  转基因农作物产生的经济效益

　　转基因作物的推广在全球产生了可观的经济效益，不但大幅度减少了农药使用量，有效控制了害虫和杂草，减轻了环境和农产品污染，而且显著提高了作物产量，增加了农民收入。据  ISAAA  估算，转基因作物种子在全球范围内的市场年交易额从最初的1.5亿美元增加到近几年的30多亿美元。美国种植转基因大豆的收益每公顷增加了约50美元，种植转基因棉花的收益每公顷增加了约40美元，种植转基因玉米的收益每公顷增加了20多美元。从美国和加拿大种植转基因玉米的情况看，对玉米螟的控制效果十分突出。抗虫玉米与同品种非转基因对照比，平均增产7％～9％。全球仅  Bt  棉花的推广种植节约了33000多吨杀虫剂，减少了约40％，2001年美国种植的6种转基因作物减少杀虫剂使用量23000多吨，不但降低了生产成本，而且保护了环境。1996～2003年我国抗虫棉的累计种植面积达到了480万公顷，国产抗虫棉品种的市场份额由1998年的10％上升到2002年的64.4％，棉农增加收益20多亿元，每年每公顷平均增收700多元。

3  农作物转基因研究的问题与展望

3.1  转化方法运用和转化体系建立

　　农杆菌介导法是应用最广泛的植物转基因方法。在自然条件下，农杆菌只侵染双子叶植物，不侵染单子叶植物。所以，早期人们认为农杆菌介导的转化方法不能用于单子叶植物。由于农杆菌转化法具有转化效率高、外源插入片段明确、单拷贝整合等优点，许多研究者一直在探索用农杆菌转化禾谷类粮食作物。近几年来，尽管已经建立了主要粮食作物农杆菌介导的转化体系，但转化效果极大地依赖于物种、基因型、外植体以及其它一些未知因素。尤其是小麦和玉米，基因型、外植体的要求比较严格。进一步提高这两大作物的转化频率，建立不受基因型限制的高效转化体系。

　　基因枪介导法在小麦中应用的最多，其次是玉米和水稻。但基因枪介导法存在转化效率比较低，插入外源  DNA  的片段大小不明确，多拷贝整合比较多，容易发生基因沉默现象，不能导入大片段  DNA  等缺点，而且成本高，操作比较复杂。在实际应用中有一定局限性。

　　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，有些转基因品种已进入产业化生产，具有很强的实用性。花粉介导转化法是花粉管通道法的拓展，在一些植物上有成功的报道。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。

　　建立简单、高效的转化体系对于主要农作物转基因研究具有重要意义。活体植株农杆菌浸花转化法在拟南芥中应用的非常有效，种子成熟后在选择培养基上萌发或苗期喷洒选择剂，即可获得转基因植株。如果能将这种方法成功用于主要农作物，将绕过组织培养环节，有利于转基因技术的普及。

3.2  提高主要农作物转化效率的策略

　　组织培养和植株再生途径是植物转基因研究的基础。在主要禾本科作物中，农杆菌转化水稻的技术体系最为成熟，原因可能在于水稻转化多以成熟胚为受体材料，不但再生能力强，而且取材方便。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，存在强烈的基因型特异性，建立成熟胚高频率再生体系和筛选对农杆菌敏感的基因型，对于提高小麦、玉米等作物的转化效率具有促进作用。经过近2年的研究探索，我们利用农杆菌转化小麦成熟胚愈伤组织首次获得了转基因植株，为进一步提高小麦农杆菌转化效率提供了新途径。

　　农杆菌-植物细胞间的信号传导和互作是实现植物基因转移的关键步骤。小麦、玉米、水稻等单子叶植物对农杆菌不敏感，改良共培养过程的外界环境、筛选适宜的农杆菌菌系和受体基因型等可促进  T-DNA  的剪切和转移。同时，通过将  VirGN54D  等调节基因转入农杆菌供体和  VIP1  等结合蛋白基因转入植物受体，可诱导  Vir  基因的集体表达，提高  T-DNA  的细胞间转移水平，以及向细胞核的运输和向染色体上的整合，对于提高农杆菌转化效率具有较大潜力。另外，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。

3.3  功能基因转移和应用

　　从获得第一例转基因植株到现在，已经有多种基因转移到多种植物当中的报道，涉及到抗病毒、抗真菌、抗虫、抗除草剂、抗旱、改善品质等性状。但是，从目前产业化利用的转基因植物来看，真正具有应用价值的转基因植物主要有两类，一是转  Bt  基因的抗虫植物，二是转  Roundup  基因和  EPSPS  基因或  bar  基因的抗除草剂植物，其他多数转基因植物没有在生产实践中发挥预期的作用，其原因是所转移的基因功能不强。所以，应加强有重要利用价值基因的挖掘和克隆工作，进一步将其转入主要农作物，推动农业增产、农民增收。

3.4  转基因植株检测和功能鉴定

　　转基因植株获得后进行严格的分子生物学检测和科学的功能鉴定，有利于转基因植物的推广。在对转基因植株进行  PCR、ELISA、叶片涂抹除草剂等初步鉴定的基础上，进行  Southern、Northern、Western  等鉴定，检测功能基因的整合、转录和表达。尤其对于农杆菌介导法获得的转基因植株，由于  T0  植株内农杆菌的存在，PCR  检测结果有一定程度的假阳性。功能鉴定要在严格控制的条件下进行，设置重复和对照。

3.5  安全型转基因作物培育

　　通常情况下，转基因植株中除了目的基因，还包含标记基因。选择标记不但影响转基因植物的安全性评价，也存在生物安全性和环境安全性隐患，需要从转基因植株自交后代或杂交后代中排除、摆脱。目前获得无筛选标记转基因植株的技术主要有共转化法、重组定位系统、MAT  载体系统等，其中共转化法最为有效。混合质粒基因枪轰击的共转化法存在一定缺陷，二个载体上除了目标基因和标记基因外，携带其它一些不需要的  DNA  序列。二段  T-DNA  载体农杆菌介导的共转化法安全、可靠，获得无标记转基因植株的效率也比较高。笔者通过构建包含三段  T-DNA  的双元表达载体(目的基因分别位于二段  T-DNA  上，标记基因位于另一段  T-DNA  上)转化大豆，T1  代中无标记转基因植株频率为7.6％。

3.6  作物多基因转化-分子设计育种

　　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或大片段  DNA  导入作物，按照人们的意愿开展分子设计育种，对于改良作物的品质和抗逆性等具有重要意义。将自然存在的基因簇或并不相连锁的一系列外源基因导入植物基因组的同一位点，有可能出现由多基因控制的新性状。不仅如此，大片段基因群或基因簇的同步插入还可以在一定程度上克服位置效应，减少基因沉默等不良现象。目前植物转化常用的表达载体大小约7～9  kb，一般只能携带1～2个功能基因，利用这样的载体对作物的数量性状进行基因工程改良，需要对同一基因型进行多次重复转化，耗时较长，转化和表达效果也不一定理想。BIBAC  载体可以克服常用载体的缺点，实现多基因或大片段  DNA  向植物中的转化，在作物分子设计育种中具有广阔应用前景。利用  BABIC  载体转化水稻、小麦、玉米等禾本科作物还未见报道。我们已经在水稻中进行了  BIBAC  转化的成功尝试。

3.7  新型转基因作物产业化趋势

　　瑞士科学家培育的黄金水稻富含维生素A，对于人类健康和解决饥荒都非常重要，人们期待着黄金水稻的商业化生产。我国科学家在世界上率先将抗虫基因、抗除草剂基因和抗白叶枯病基因导入了水稻，目前正在进行环境释放和生产试验，有望近几年实现产业化生产。美国科学家培育的  Roundup  Ready  小麦对除草剂表现高度抗性，显示了产业化良好的前景。我国科学家培育的抗黄花叶病毒病转基因小麦目前正在进行环境释放和生产试验。美国科学家培育的高  γ-亚麻酸含量大豆、高色氨酸含量玉米，加拿大科学家培育的高不饱和脂肪酸含量油菜，对于防止心血管疾病、皮肤保健和提高食品营养具有很好的利用价值。

　　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。预计2005年全球转基因作物的交易额将达到50亿美元，2010年将达到100亿美元。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生物的大规模产业化。

作者单位：中国农业科学院作物科学研究所  等