轉基因植物

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轉基因植物(Transgene plant)是擁有來自其他物種基因的植物。該基因變化過程可以來自不同物種之間的雜交,但今天該名詞更多的特指那些在實驗室里通過重組DNA技術人工插入其他物種基因以創造出擁有新特性的植物。

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目錄

概念簡介

轉基因植物的研究主要在於改進植物的品質,改變生長周期或花期等提高其經濟價值或觀賞價值;作為某些蛋白質和次生代謝產物的生物反應器,進行大規模生產;研究基因在植物個體發育中,以及正常生理代謝過程中的功能。

以植物作為生物技術的實驗材料有其特定的優點,那就是植物細胞大部分都有全能性(totipotency),可以用單個細胞分化發育出整個植株。這樣,經過基因工程改造的單個植物細胞有可能再生成一棵完整的轉基因植株。這些植株還可通過有性生殖過程把改變了的性狀遺傳給下一代。

植物基因工程用作外源基因的轉化受體有許多種,包括胚性愈傷組織(cai—lus)、分生細胞、幼胚、成熟胚、受精胚珠、種子和原生質體等。從這些受體細胞都可獲得再生的轉基植株。  

植物基因轉化方法

①農桿菌介導法:農桿菌的Ti質體可以作為載體。Ti質體上有兩個區域,一個是T-DNA區,這是能夠轉移並整合進植物受體的區段;另一個是Vir區,它編碼實現質體轉移所需的蛋白質。將待轉化的外源基因先克隆在大腸桿菌質體上,然後將此質體轉入不會引起冠癭瘤的農桿菌(這種菌的Ti質體已除去了T-DNA),使外源基因通過同源重組整合在Ti質體上;然後用帶有外源基因的這種農桿菌去轉化植物細胞,將外源基因轉入植物細胞的基因組

②直接轉入法:這是將裸露的DNA直接導入植物細胞,然後將這些細胞在體外培養再生出植株。裸露的DNA的轉化效率較低,因而要輔之以高效率的組織培養系統。

植物細胞有一層很厚的細胞壁,因此需先去除植物細胞壁,使之成為原生質體,然後用來直接轉入外源DNA。當然,也可用機械的方法將DNA直接注入植物細胞而毋須去除細胞壁,這類方法有用顯微操縱儀把DNA直接注入植物細胞,也可在金屬微粒上蘸塗了外源DNA,把它當作子彈,用「基因槍」轟擊植物組織而進入植物細胞。

原生質體融合:將不同物種的原生質體進行融合,可實現兩種基因組的結合。也可將一種細胞的細胞器,如粒線體葉綠體與另一種細胞融合,此時,是一種細胞的細胞核處於兩種細胞來源的細胞質中,這就形成了胞質雜種(cybrid)。

④花粉管通道法:在授粉後向子房注射含目的基因的DNA溶液,利用植物在開花、受精過程中形成的花粉管通道,將外源DNA導入受精卵細胞中,並進一步整合到受體細胞的基因中,隨受精卵的發育而成為轉基因新個體。該方法是由我國學者在20世紀80年代提出的。我國目前推廣面積最大的轉基因抗蟲棉就是採用花粉管通道法培育出來的。  

國外轉基因植物產業化現狀

植物轉基因技術是指把從動物、植物或微生物中分離到的目的基因,通過各種方法轉移到植物的基因組中,使之穩定遺傳並賦予植物新的農藝性狀,如抗蟲、抗病、抗逆、高產、優質等。隨著現代生物技術的迅速發展,植物轉基因技術方興未艾。自從1983年首次獲得轉基因植物後,至今已有35科120多種植物轉基因獲得成功。1986年首批轉基因植物被批准進入田間試驗,至今國際上已有30個國家批准數千例轉基因植物進入田間試驗,涉及的植物種類有40多種。

目前,農作物生物技術育種的研究已經不再處於實驗室階段,而是進入了實際應用,走到了商業化階段。近年來,轉基因植物在全球的種植面積增長迅速,種植轉基因植物的國家從1992年的1個增長到1996年的6個,1998年9個,1999年進一步擴大到12個國家。全球轉基因植物的種植面積1996年僅為170萬hm2,1997年為1100萬hm2,1998年增長到2780萬hm2,1999年又比1998年增長44%,達到3990萬hm2。

美國轉基因植物的商業化速度進展很快,其推廣應用走在其它國家的前列。1994年國Calgene公司研製的轉基因延熟番茄首次進入商業化生產,到1998年底就有30多例轉基因植物被批准進行商業化生產。1999年全球轉基因植物種植面積中,美國就佔72%,達2870萬hm2;其次是阿根廷670萬hm2;佔17%;加拿大400萬hm2,佔10%;我國名列第4位,1999年種植面積達30萬hm 2,佔1%,其他國家的種植面積都小於1%。

種植的轉基因植物種類主要有:大豆(佔54%),玉米(佔28%),棉花(佔9%),Canola油菜(佔9%),馬鈴薯、西葫蘆和木瓜的比例都小於1%。按轉基因植物的性狀劃分,抗除草劑佔71%,如抗除草劑的大豆(54%)、Canola油菜(9%)、玉米(4%)和棉花(4%):抗蟲轉基因植物佔22%,主要是抗蟲玉米(19%)和抗蟲棉(3%);抗蟲兼抗除草劑佔7%,主要是抗蟲兼抗除草劑的玉米(5%)和棉花(2%);抗病毒和其它性狀轉基因植物的比例小於1%。

轉基因植物的產業化,尤其是轉基因農作物的產業化,由於提高產量、減少除草劑、殺蟲劑等農藥使用量和節約大量勞力,而帶來巨大的經濟效益和社會效益。近5年來,全球轉基因植物的銷售額成倍增長,1995年僅7500萬美元,1996年增加了3倍達2.35億美元,1997年和1998年繼續增長,到1999年達到21∽23億美元。  

中國轉基因植物研究與產業化發展

在國家「863」高新技術研究與發展計劃及國家科技攻關計劃的資助下,我國轉基因植物的研究和開發取得了顯著的進展,有些研究已經達到國際先進水平。據1996年國生物技術學會統計,我國投入研究和開發的轉基因植物達47種,涉及各類基因103種。近年來有近20種轉基因植物進入了田間試驗或環境釋放階段。至1999年,農業部批准可進行商業化生產的國內研製的轉基因植物有5種,它們分別是:抗蟲棉花、改變花色的矮牽牛、延熟番茄、抗病毒的甜椒和番茄。

1、植物抗蟲基因工程

在國家"863"計劃的支持下,中國農業科學院生物技術研究所成功地人工合成和改造了植物抗蟲害的Bt基因,獲得了高抗棉鈴蟲的轉基因棉花品種和品系。此外,中國農業科學院棉花所、南京農業大學和山西省農科院棉花所等單位還以轉基因抗蟲棉為親本,育成了一批抗蟲能力在80%以上,單產比主栽品種高15%以上的轉基因抗蟲雜交棉組合。擁有我國自主知識產權的抗蟲棉花的育成和大面積推廣應用,標誌著我國轉基因植物研究開始進入產業化發展階段。

為了有效控制水稻害蟲的危害,中國農業科學院生物技術研究所和華中農業大學合作成功地獲得了轉Bt基因雜交水稻,對二化螟、三化螟和稻縱卷葉螟的毒殺效果達到95%。浙江農業大學(現已併入浙江大學)也成功地將Bt基因導入水稻早稻品種。目前轉Bt基因抗螟蟲水稻已進入環境釋放階段。中國科學院遺傳所研製成功的轉CpTI基因抗蟲水稻也分別獲准在北京、福建和山西進入中間試驗和環境釋放。此外,中國農業大學研製的轉基因抗玉米螟玉米、復旦大學遺傳所研製的轉基因抗褐習蝨水稻、中國科學院微生物研究所和中國林業科學院林研所研製的抗蟲轉基因楊樹也都進入環境釋放階段。

2、抗病基因工程

中國農業科學院生物技術研究所已成功地人工合成和改造了來自天蠶蛾的抗菌肽基因,並導入我國馬鈴薯主栽品種米拉,獲得抗病性提高I∽Ⅲ級的抗青枯病的轉基因株系,現已經農業部批准在四川省進行環境釋放。目前抗菌肽基因已經供給國內10多家研究單位,進行抗水稻白葉枯病、馬鈴薯軟腐病、花生和番茄的青枯病、大白菜軟腐病、柑桔細菌潰瘍病、桑樹和桉樹青枯病、櫻桃根腫病等抗細菌病基因工程研究。

白葉枯病也是危害水稻生產的最為嚴重的病害之一。中國農業科學院生物技術研究所與國外合作研製成功的轉Xa21基因抗白葉枯病水稻明恢63株系已分別在安徽省和海南省進行環境釋放;華中農業大學和中國科學院遺傳所研製的轉Xa21基因抗白葉枯病水稻也分別進入中試階段。

真菌病也是嚴重影響農作物生產的一類病害。中國農業科學院生物技術研究所與中國科學院上海植物生理研究所等單位合作,成功地克隆和修飾了植物來源的幾丁質酶基因和葡萄糖氧化酶基因,通過花粉管通道法分別將這兩個基因導入棉花,獲得了抗黃萎病和枯萎病和枯萎的轉基因棉花,這些株系在病圃中表現良好,現已進入中試階段。

在抗病毒的基因工程方面,國內也取得了很好進展。北京大學克隆了煙草花葉病毒TMV、黃瓜花葉病毒CMV、馬鈴薯X病毒等中國株系以及水稻矮縮病毒的外殼蛋白基因,研製成功的抗黃瓜花葉病毒甜椒和番茄都已經分別在雲南和福建進入中試或環境釋放。中國農業科學院油料研究所研製的轉基因抗條紋病毒花生、北京市農林科學院蔬菜研究中心育成的抗蕪菁花葉病毒白菜和新疆農科院核技術生物技術所獲得的抗黃瓜花葉病毒轉基因甜瓜都已分別進入中試。此外,國內一些研究單位還獲得了抗環斑病毒(PRSV)的番木瓜,抗黃矮病和黃花葉病毒的小麥等抗病毒病的基因工程植株。

3、植物抗逆基因工程

我國在抗鹽基因工程上已取得了一些進展,先後克隆了脯氨酸合成酶(proA),山菠菜脫氫酶(BADH),磷酸甘醇脫氫酶(mtl)及磷酸山梨醇脫氫酶(gutD)等與耐鹽相關基因,通過遺傳轉化獲得了而1%NACL的苜蓿、耐0.8%NACL的草莓及耐2%NACL的煙草,這些轉基因植物已進入田間試驗階段。中國科學院遺傳所將BADH基因導入水稻,獲得的轉基因水稻有交較高的耐鹽性,並能在鹽田中結實。

4、植物品質改良的基因工程

北京大學已將編碼必需胺基酸的基因轉入馬鈴薯,獲得含高必需胺基酸的馬鈴薯品系,這些品系已在內蒙試種,正準備進入中試開發。中國農業大學成功地將高賴氨酸基因導入玉米,獲得的轉基因玉米中賴氨酸含量比對照提高10%。

在控制植物發育的基因工程中,較為成熟的技術延遲成熟番茄的研究。華中農業大學和中國科學院植物所分別獲得了這種轉基因番,貯存時間可延長1∽2個月,有的可達80多天。1997年農業部基因工程安全委員會已批准這種耐儲存番茄進行商業化生產。中國農業大學利用反義基因技術培育的耐儲存番茄新品種已進行環境釋放。

北京大學成功地將與植物花青素代謝有關的查而酮合酶基因導入花卉植物矮牽牛,轉基因矮牽牛的花色呈現自然界沒有的變異,提高了花卉的觀賞價值。轉基因蘭花和轉基因非洲菊的研究工作正在進行中。

5、植物葉綠體基因工程

中國農業科學院生物技術研究所在國內較早開始進行植物葉綠體遺傳轉化研究。1996年建立了煙草葉綠體遺傳轉化體系,並成功地將Bt基因導入煙草葉綠體中,轉基因植物殺蟲效果顯著]。他們還將固氮酶基因(nifH和nifM)、抗劑基因(bar基因)和綠色熒光蛋白(GFP)基因導入了煙草葉綠體。

6、植物生物反應器

利用轉基因植物作為生物反應器生產藥用蛋白的研究逐漸受到各國的重視,研究探索的熱點之一是利用轉基因植物生產口服疫苗。中國農業科學院生物技術研究所的科研人員將B型肝炎病毒表面抗原基因導入馬鈴薯和蕃茄,飼餵小鼠試驗檢測到較高的保護性抗體,濃度足以對人類產生保護作用。該所還進行了利用植物葉綠體作為生物反應器生產藥用蛋白的探索,目前已將C肝病毒(HCV)抗原基因導入衣藻葉綠體。利用轉基因植物生產口服疫苗可以大大降低疫苗的生產成本,在發展中國家更有良好的發展前景。  

轉基因植物發展

2001年世界轉基因植物商品化種植面積達到5260萬公頃,其中我國的種植面積為150萬公頃,是2000年的3倍,成為世界轉基因作物種植面積增長最快的國家。其主要原因一方面是因為已開發的產品效果良好,受到農戶的重視而加大了種植面積;另一方面是由於國家加大了研究力度,轉基因植物的新技術和新產品不斷產生。

1、抗蟲轉基因植物

2001年,轉基因抗蟲棉在已經取得重大成績的基礎上又有新的突破。中國農業科學院生物技術研究所的抗蟲棉基因專利「編碼殺蟲蛋白質融合基因表達載體及其應用」獲得國家知識產權局和世界知識產權組織授予的中國專利金獎。同時,雙價轉基因抗蟲棉SGK321也順利通過河北省品種審定委員會審定,標誌著我國在雙基因抗蟲棉研究領域處於國際領先地位。目前,SGK321已經通過了農業轉基因生物安全性評價,並獲准在晉、冀、魯、豫、皖進行商品化生產,在湖北進行環境釋放。綜合2000年和2001年兩年區試結果,SGK321早熟性明顯優於其他品種,霜前皮棉畝產75.4公斤,相當於對照抗蟲雜交種的93.4%。該品種纖維品質好,長度為29.2毫米,比強度29.4厘米/特克斯,馬克隆值4.8,抗蟲性突出。

到目前為止,我國已審定抗蟲棉品種14個,其中單價棉11個,分別為:GK1(國抗1號)、GK12(國抗12號)、GK19(國抗19號)、GK22(國抗22號)、GK30(魯棉研16號)、GK95-1(晉棉26號)和GK46(晉棉31號)、GKz10(魯棉研15號)、GKz13(魯RH-1)、GKz6(中棉所38)和GKz8(南抗3號);雙價棉3個,分別為:sGK321、sGK9708(中棉所41)、sGK5(新研96-48)。這些抗蟲棉品種均高抗棉鈴蟲,具有較好的品質性狀及豐產性。同時,還培育出一批具有較強競爭力的抗蟲棉品種,其中雜交棉品種2個(魯H9513和中抗雜5號),常規品種2個(ZGK9708和魯S6145)。此外還有正在參加國家區試的有潛力的品種6個,雜交棉4個。2001年國產抗蟲棉已經在河北、河南、山西、山東、湖南、湖北、江蘇、安徽、新疆、遼寧等17個省市推廣60萬公頃,佔據了國內抗蟲棉43.3%的市場佔有率。加上孟山都公司的抗蟲棉,2001年轉基因抗蟲棉的種植面積達到了全國棉花種植面積的31%,種植農戶超過350萬戶。

在抗蟲轉基因水稻方面,中科院遺傳與發育生物學研究所研製的轉SCK基因(修飾豇豆蛋白酶抑制劑基因)抗蟲水稻在福建已連續進行了5年大田試驗。經鑒定,其對二化螟田間防治效果達90-100%,稻縱卷葉螟抗性達81-100%,對大螟62.6-63.9%,稻苞蟲83.9%。鑒於目前政策原因暫時還不能大面積推廣種植,但已採取多地區多點進行大田試驗。該轉基因水稻的食品安全性檢測已基本完成,結果表明與常規稻無明顯差異。目前正進一步發展無選擇標記、高效表達、多價抗蟲基因等轉基因水稻新品種。

中國農業大學從Bt菌株克隆得到一種沉默的新殺蟲基因cry1Ie1,該基因表達的毒蛋白對亞洲玉米螟顯示了高殺蟲活性,目前國際上已經確定了其在分類上的模式基因地位。該基因及該基因與cry1A基因的組合已申請國家發明專利。在此基礎上進一步完成了cry1Ie1和cry1Ac基因的密碼子改造和原核真核表達載體的構建,改造基因的殺蟲活性鑒定正在進行之中。

2、抗病轉基因植物

中科院遺傳與發育生物學研究所和國外單位合作定位和克隆成功的白葉枯病抗性基因Xa21通過獨創的水稻Xa21基因農桿菌介導轉化系統大量轉化高產優質水稻品種明恢63、珍汕97B、鹽恢559、太湖粳6、培矮64S、C418、8706和中花11等。抗性分析顯示這些轉基因系對19個不同的白葉枯病原菌株包括9個菲律賓小種,3個日本小種和7個我國病原型高度抗性,接種鑒定病斑面積小於10%。多數Xa21轉基因系的抗性強於Xa21基因供體IRBB21,這表明在不同的遺傳背影下Xa21仍保留了對白葉枯病的高度抗性和廣譜抗性。目前部分轉基因株系已經進入中試階段。

中國農業大學利用已建立的小麥高頻遺傳轉化體系,利用基因槍轟擊法將小麥黃花葉病毒(WYMV)外殼蛋白基因、菌傳相關72kDa蛋白基因和RNaseIII、2-5A System等目的基因分別導入小麥,獲得多種抗病毒轉基因株系。其中NY-8等50份材料已通過國家生物安全審定批准進入田間試驗。從中篩選獲得了多個保持了受體品系的優良綜合農藝性狀、抗病毒能力達到極顯著水平的品系,並首次在禾穀類作物上確認了由轉基因沉默所介導的抗病毒機制。

中國水稻研究所等單位通過轉基因技術將昆蟲抗菌肽基因通過基因槍技術或通過pCBl載體導入水稻未成熟胚,獲得抗細菌病轉基因水稻植株,實驗證明轉基因水稻在溫室條件下對白葉枯病菌和水稻細條病菌的抵抗能力增強,並表現其遺傳穩定性。

中國農科院生物技術研究所與中國科學院上海植物生理研究所等單位合作成功地克隆和修飾了植物來源的幾丁質酶基因和葡萄糖氧化酶基因,獲得了抗黃萎病和枯萎病的轉基因棉花,現已進入中試階段。

3、轉基因植物反應器

中國科學院上海植物生理研究所開展了利用煙草花葉病毒(TMV)作為表達載體應用於植物生物反應器的研究,用該方法大規模表達口蹄疫病毒表面抗原多肽,製備高效,安全,廉價的重組口蹄疫疫苗。該研究利用自建的TMV本地株系基因組cDNA突變體庫,在外源的表達上取得了較大突破。已獲得能融合表達長達31肽的各種口蹄疫病毒表面抗原肽的重組TMV。重組病毒具有穩定的系統感染能力,每克煙草鮮葉中可得到1毫克以上高純度的融合蛋白。並且找到了簡單有效的從煙草中大規模純化病毒蛋白工藝路線及重組疫苗的配製技術。

4、轉基因植物品質改良

浙江省農科院在國際上首次從光合產物分配的角度,提出了利用反義PEP基因提高油菜種子含油量的技術路線,據此構建了反義PEP基因,利用農桿菌介導途徑,將反義PEP基因導入油菜基因組,相繼獲得了多批反義PEP基因油菜植株。育成的"超油一號"含油量達47.4%,"超油二號"含油量高達52.82%,含油量均比傳統品種提高25%以上,成為目前國際上含油量最高的甘藍型油菜。打破了我國長江流域油菜含油量在37%~43%長期徘徊的局面,實現了我國油菜種子含油量的突破。

揚州大學及中科院遺傳與發育生物學研究所等分離並克隆了與水稻種子中澱粉合成相關的基因:澱粉分支酶Sbe1、澱粉分支酶Sbe3和可溶性澱粉合成酶SSS,以及水稻胚乳特異性表達基因啟動子元件Gt1、GluB-1、RP5和RAG1。構建了可轉化水稻的、含有義或反義澱粉合成酶和高賴氨酸含量蛋白(LRP)基因等的工程載體,通過轉化獲得了含不同品質基因的轉基因水稻植株800餘株。目前已經完成了部分轉基因水稻植株的分子鑒定。

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