宋志紅　孟慶忠　張濤　李國榮

摘要：抗除草劑作物尤其是轉基因抗除草劑作物的開發(fā)，使田間防除雜草變得簡便易行，并且降低除草成本，提高經(jīng)濟效益。對抗除草劑基因在作物育種中的應用現(xiàn)狀進行了綜述，挖掘抗除草劑基因在作物中的利用

關鍵詞：抗除草劑基因；育種；應用

中圖分類號：S330 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）24-6120-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.003

Abstract： As the development of herbicide resistant crops， especially herbicide resistant transgenic crops， it had become easier to field weed control， and decrease weeding cost， improve economic effects. The application of herbicide gene in crop breeding was summarized in the article to explore the use of herbicide resistant genes in crops.

Key words： herbicide resistance gene； breeding； application

1970年，人們發(fā)現(xiàn)歐洲千里光（Senecio vulgaris）對均三氮苯類除草劑具有抗性[1]?？茖W家受此啟發(fā)，開始了抗除草劑的作物新品種的研究。迄今為止，人類已獲得了很多抗（耐）除草劑作物，尤其是轉基因抗除草劑作物，諸如抗草丁膦轉基因作物、抗草甘膦（農達）轉基因作物、抗磺酰脲類除草劑轉基因作物、抗溴苯腈轉基因作物、抗阿特拉津轉基因作物、細胞色素P450及脫鹵素酶轉基因抗除草劑作物等近10個類別[1]。抗除草劑作物開發(fā)最大的作用就是擴大殺草譜，使田間防除雜草變得簡便易行，降低除草成本，提高經(jīng)濟效益。20世紀90年代，黃大年等[2]提出了將抗除草劑特性應用于作物雜種優(yōu)勢利用中的設想，本研究為了挖掘抗除草劑基因在作物中的利用，對近些年抗除草劑基因在作物育種中的應用現(xiàn)狀進行了綜述。

1 抗除草劑基因及作物

抗除草劑作物品種主要通過轉基因技術與非轉基因常規(guī)育種方法創(chuàng)制。

1.1 非轉基因抗除草劑作物

20世紀70年代，人們利用非轉基因手段（傳統(tǒng)育種）開始培育抗除草劑作物，并成功培育出了第一個抗均三氮苯除草劑油菜品種“OACtriton”。傳統(tǒng)的育種方法有自然選擇、雜交法、誘變法、組織培養(yǎng)法等非轉基因手段，迄今為止，培育出的非轉基因抗除草劑作物主要包括：①抗三氮苯類：大豆、油菜；②抗稀禾啶（環(huán)己烯二酮）類：玉米、大豆；③抗咪唑啉酮類：玉米、棉花、小麥、水稻、向日葵、小扁豆；④抗磺酰脲類：大豆、亞麻、棉花、向日葵、油菜；⑤抗草銨膦類：油菜、甜菜、大豆、玉米、棉花。采取此種途徑選育而成的抗除草劑作物品種易于被人們接受而被一些國家認可。其中抗咪唑啉酮類作物是非轉基因抗（耐）除草劑作物發(fā)展中最成功的作物，特別是耐咪唑啉酮水稻，2008年在美國阿肯色州的種植面積已占水稻種植總面積的1/3，而在哥斯達黎加則占水稻種植總面積的22%，此外，在加拿大、巴西和希臘等國均己大面積種植[3]。

1.2 轉基因抗除草劑作物

20世紀80年代中期，生物技術與基因工程的發(fā)展使人們擺脫了單純利用自然界植物固有遺傳特性的局面，進入自由構建遺傳性狀的新時代，導致創(chuàng)制轉基因抗除草劑作物的迅速發(fā)展，轉基因抗除草劑作物已成為主流。到目前為止，已有近300種植物通過轉基因技術培育出抗除草劑品種[4]。按照基因的不同，對轉基因抗除草劑作物進行分類：①抗草甘膦轉基因作物：番茄、玉米、水稻、小麥、向日葵和甜菜等20余種植物；②抗草銨膦（草丁膦）轉基因作物：玉米、小麥、水稻、大豆、油菜、馬鈴薯、番茄和苜蓿等；③抗磺酰脲類除草劑轉基因作物：油菜、水稻、大豆、亞麻、棉花、番茄、甘蔗和甜瓜等；④抗溴苯腈轉基因作物：油菜、棉花、馬鈴薯和煙草等。另外，還有抗莠去津（阿特拉津）轉基因作物、細胞色素P450及脫鹵素酶轉基因抗除草劑作物等[5]。在這些抗性作物中，50%以上是抗草甘膦作物。2010年，全球已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化種植的抗草甘膦轉基因作物主要有大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜及苜蓿6種，僅抗草甘膦大豆種植面積就達7 330萬hm2。占全球轉基因作物種植總面積的50%，占全球大豆總種植面積的77%左右[6]。

現(xiàn)已經(jīng)研究的抗除草劑基因主要有抗草丁膦、雙丙氨酰膦的bar（PAT）基因；抗草甘膦的gox、aroA、cp4-epsps基因；抗磺酰脲類除草劑的SURB-Hra、SURA-c3、csrl基因；抗均三氮苯類（莠去津等）的psbA、atzA基因；抗2-4 D的tfDA基因；抗溴苯腈的bxn基因等[7]。

2 中國抗除草劑作物研究概況

中國在抗除草劑基因工程方面的研究起始于20世紀80年代，抗阿特拉津大豆是中國獲得的最早的轉基因抗除草劑作物，到目前為止，獲得的抗除草劑基因有抗阿特拉津基因（PS6A）、抗草銨膦基因（bar）、抗溴苯腈基因（bxn）、抗2，4-D基因（tfdA）和抗草甘膦基因（G2-EPSPS）等。目前已獲得的抗除草劑轉基因作物有抗草銨膦水稻和小麥；抗2，4-D棉花；抗阿特拉津大豆；抗草甘膦玉米、棉花、油菜、水稻、大豆和小麥；抗溴苯腈油菜和小麥等。2012年，中國培育的抗草甘膦轉基因玉米獲得農業(yè)部批準，進入生產(chǎn)性試驗階段，如果實現(xiàn)商品化生產(chǎn)，將有利于打破美國孟山都等跨國公司在抗除草劑轉基因產(chǎn)業(yè)上的壟斷地位[8]。endprint

3 抗除草劑基因在作物育種中的應用

3.1 作為篩選標記基因

抗除草劑基因作為篩選標記基因具有產(chǎn)生的假轉化體少并能給作物帶來有用的農業(yè)性狀的優(yōu)點，已越來越多地應用于植物遺傳轉化。其中bar基因是應用最廣的抗除草劑選擇標記基因。Nakamura等[8]利用bar基因作為篩選標記，構建了用于植物遺傳轉化的高通量載體，將抗蟲基因Cry1 Ca[9，10]、抗旱、耐鹽基因BADH等[11]與抗除草劑基因bar結合，通過農桿菌介導轉化法成功導入水稻中。張春雨等[12]研究表明，bar基因在后代田間篩選中具有明顯的成本優(yōu)勢。此外，抗草甘膦的aroA基因、抗溴本腈的bxn基因和抗綠磺隆的csrl基因等也已成功地應用于不同作物的遺傳轉化[13]。

3.2 在雄性不育法育種中的應用

雜種優(yōu)勢育種是利用兩個或幾個遺傳性不同的親本雜交育出在生長勢、生活力、抗逆性、產(chǎn)量、品質等方面優(yōu)于其親本的雜種后代的一種育種方法。作物雄性不育化育種是雜種優(yōu)勢利用的重要途徑之一。作物雄性不育包括質核互作不育和核不育兩種類型，相對應生產(chǎn)上為三系法和兩系法育種，三系即不育系、保持系、恢復系，三系配套在多種作物中已廣泛發(fā)現(xiàn)，應用方式上較為成功的是中國20世紀70年代興起的水稻野敗胞質不育三系配套的雜交種，迄今仍具生命力，并擴展到東南亞等國家[14]。但三系法中一些作物存在不育系不育性不徹底、胞質含有產(chǎn)量不利因子及優(yōu)勢組合篩選緩慢等問題[2]。二系法是指核不育類型，此類型沒有保持品種（保持系），不能實現(xiàn)三系配套，通常呈不育與可育1∶1的分離[15]。核不育類型在應用中還有很大的難度，所以到目前還沒有推廣使用。核不育類型中的光溫敏核不育類型其不育度受光溫調節(jié)，利用此特性配制雜交品種，與三系法相比，可以免去不育系繁殖的異交過程，免去不育細胞質帶來的各種負作用，以及由于恢復源廣、配組自由，獲得強優(yōu)勢組合的幾率大大提高[16]。因此，光溫敏核不育系制種具有廣闊的前景，但其在繁殖、制種過程中受到誘導光溫條件的制約，表現(xiàn)為不育系育性敗育不徹底，繁種、制種質量難以保證，配制的雜種表現(xiàn)出真雜交率不高（通常只為40%～80%）等問題[17]。早在20世紀90年代，中國科學家就提出利用抗除草劑基因應用到不育系育種中的設想，以提高雜交種純度和簡化育種程序，發(fā)展到現(xiàn)在主要進展如下。

3.2.1 培育新型抗除草劑不育系 抗除草劑基因轉到不育系育成新的抗除草劑不育系。雜交制種時，噴灑相應除草劑可除掉不育系中的雜株（本身可育株、氣候條件影響、機械混雜等因素）和雜草，保證了不育系純度，降低了繁種的隔離條件，尤其在抗除草劑核不育系制種時，可以利用除草劑去除50%的可育株，大大減輕了勞動強度，為核不育的應用提供了可能的條件[14]。近些年獲得的抗除草劑不育系有抗草甘膦的水稻光溫敏核不育系[18]、抗草丁膦的水稻光溫敏核不育系[10，12]、抗草甘膦油菜不育系[19，20]、抗草銨膦甘藍型油菜核不育系[21，22]、抗草甘膦棉花核不育系Yu98-8A1[23]和Yu98-8A2[24]等。這些抗除草劑不育系的創(chuàng)制為兩系法雜交制種打下了堅實的基礎。

3.2.2 培育新型抗除草劑恢復系 將顯性抗除草劑基因轉到恢復系中可育成新的抗除草劑恢復系，將得到的攜帶純合抗除草劑基因的新恢復系與不育系配制雜交組合，得到的真雜種后代具有抗除草劑特性，因此，通過施用除草劑即可去除假雜種、雜株和雜草，獲得整齊一致的雜種群體。山西省農業(yè)科學院谷子研究所選育出K103、K95、K161、K163、K172等一批具有較高配合力的抗拿捕凈（稀禾啶）恢復系，隨后用這一批抗除草劑新品系作父本，2008年選育出抗除草劑優(yōu)質新品種長雜2號并通過山西省認定，2012年獲山西省科技進步二等獎。2010年選育出晉谷49號和晉谷50號并通過山西省認定。2013年選育出晉谷56號和晉谷57號并通過山西省認定[25]。水稻通過田間雜交、回交或轉基因遺傳轉化等手段也培育出一大批抗除草劑恢復系，包括抗草銨膦恢復系明恢63-B、測64-B、特青-B等20余個[26，27]，抗草甘膦秈型水稻恢復系[28]、抗pursuit（普殺特）水稻恢復系等[29]，并利用其恢復系培育出雜交稻香125S/Bar68-1等一批優(yōu)良組合[28，29]。在抗除草劑油菜恢復系中，肖國櫻等[30]培育出了抗草丁膦油菜恢復系和抗草甘膦的油菜恢復系。并利用其恢復系配置了抗草甘膦雜交油菜組合，產(chǎn)量鑒定結果表明，5個抗性組合雜種一代單株產(chǎn)量均高于親本，超親優(yōu)勢率達到17.84%～42.80%。

3.3 作為化學殺雄劑應用于雜交制種

化學殺雄是獲得雜交種的又一途徑，化學殺雄雜交制種除不需要人工去雄而大幅度降低了雜交種生產(chǎn)的成本外，還具有免除不育系制種中育性配套和保持所必需的繁瑣工序，且親本選擇更加廣泛，雜交組合選配自由，更易選出具超優(yōu)勢的雜交種。因此，化學殺雄技術在雜交優(yōu)勢利用和雜交制種上有著廣闊的市場前景。

這方面研究主要集中在棉花的研究上。Viator等[31]研究發(fā)現(xiàn)在抗草甘膦棉花四葉期后噴施草甘膦，造成花藥不能正常開裂、花粉活力降低、棉鈴畸形等現(xiàn)象。隨后科研學者設想，如果通過間隔噴灑除草劑來控制棉花雄性不育，同時對其進行人工授粉，觀察雌蕊育性及植株的結鈴性，可能是創(chuàng)造雄性不育進行棉花制種的新途徑。李燕[32]探討了草甘膦作為棉花化學殺雄劑的應用，結果表明，隨著噴灑濃度的升高，噴灑次數(shù)的增加，雜交種純度逐漸提高，最高可達96.9%，但負效應也愈加明顯。對草甘膦殺雄獲得的雜交種的產(chǎn)量及品質相關性狀進行分析，結果表明，草甘膦對轉基因棉花雜交后代生長沒有負效應。梅磊等[33]研究認為考慮到氣候等因素，轉基因抗草甘膦棉花可在現(xiàn)蕾初期噴施20 mmol/L的草甘膦，每隔15 d（遇特殊氣候可延長5 d）噴1次，共噴4次，即可進行不去雄雜交棉制種。孟慶忠等[34]研究結果表明，10%草甘磷100倍液可得到母本全株雄性不育性狀。王秀麗等[35]研究認為，自現(xiàn)蕾開始，每隔16 d噴灑一次除草劑可以有效控制棉花雄性不育。endprint

3.4 雜交種純度快速鑒定與純度控制技術研究

雜交種純度是制約雜交優(yōu)勢利用育種中的主要因素之一。除草劑抗性基因的利用，為控制雜交種的純度提供了有效途徑。中國每年雜交作物制種的純度主要靠冬季到海南進行種植鑒定，鑒定時間長，分子鑒定需要高端試驗設備及專業(yè)操作人員。而利用抗除草劑基因培育的抗除草劑雜交種，可在苗期通過相應除草劑的篩選體系快速、簡便、有效地鑒定雜交種純度，不僅節(jié)省成本，對銷售假冒低劣雜交種子坑害農民的行為也可起到有效的防護作用。另外，雜交種的純度也得到有效控制，這一技術也叫超凈雜交種技術，它的應用可以重新啟用曾經(jīng)被摒棄的一些配合力好但育性有欠缺的不育系，利于雜交組合的自由選配和提高雜交水稻的產(chǎn)量，親本選擇范圍的擴大能增加群體的遺傳多樣性，防止生產(chǎn)上的遺傳脆弱性和流行病的發(fā)生。

金紅等[36]摸索出抗除草劑轉基因黃瓜的田間抗性鑒定和室內種子抗性鑒定的除草劑臨界濃度。建立了一套在種子發(fā)芽階段或2片真葉期進行黃瓜雜交種純度鑒定的新技術。王新其等[37]利用田間與室內方法鑒定了水稻F1雜種純度，二者鑒定結果相符，因此，通過浸種或苗期噴藥，就可以有效殺死假雜種，保證雜交群體的純度。周心童[38]確定了有效鑒別棉花父、母本品種抗與非抗草甘膦棉花的最適濃度為2.00 g/L，鑒別雜交種的最適草甘膦濃度為2.25 g/L，最適宜的噴施時間為棉苗三葉期。馬小艷等[39]研究了浸種法鑒定轉基因抗草甘膦棉花。草甘膦的濃度選擇在20.00 g/L，浸泡時間約1 h。該方法檢測周期短，工作量小。吳偉等[40]利用發(fā)芽試驗和苗床試驗對抗草甘膦棉花浙雜14雜交棉種子進行純度鑒定。結果表明，發(fā)芽試驗鑒定的純度結果略低于苗期鑒定，但趨勢完全相同。李志強等[41]研究表明，利用室內發(fā)芽試驗鑒定轉基因抗草甘膦棉花抗性的方法是準確可行的。熊緒讓等[42]對轉bar基因抗除草劑兩系雜交水稻香125S/Bar68-1進行了栽培應用初步試驗，結果表明，雜交水稻香125S/Bar68-1去雜提純靠專用除草劑，苗期噴施一次Basta（草丁膦的商品名）對保證其純度和提高產(chǎn)量是至關重要的。旱育軟盤秧噴施效果最好。孫海波等[43]研究表明，轉bar基因恢復系NT-5-1的T6世代仍保持對Basta的抗性；轉bar基因雜交稻3～4 葉期噴施0.1%～0.2% Basta 60 kg/667m2，清除假雜種效果均達100%。肖國櫻等[30]對轉bar基因抗除草劑兩系法雜交早稻的高產(chǎn)栽培技術進行了研究。結果表明，使用除草劑Basta后的純度達99.98%。理論產(chǎn)量平均達550 kg/667 m2以上。

3.5 機械化制種技術研究

肖國櫻等[18]提出一種不育系解決機械化制種和不育系混雜的方法，通過雜交、遺傳轉化等方法，選育出抗草銨膦和草甘膦/感苯達松的水稻光溫敏核不育系EBl85Bs。苯達松也是一種除草劑，由于這些不育系具有抗除草劑的特點，而恢復系不具備，制種時不育系與恢復系可以混播，待授粉完成后噴施除草劑殺死恢復系，成熟后機械化收割不育系上所結雜交種子，而不需要提前人工刈割恢復系；而且恢復系在不育系中均勻分布也可以提高異交率。如果在制種過程中遇到異常低氣溫，造成不育系少量自交結實而混雜在雜種F1代中，可以通過在雜種F1代秧田噴施苯達松殺死混雜的苯達松敏感不育系，雜交種由于野生基因的顯性作用而不受傷害，從而可以保證大田F1代的純度；此外，秧苗期噴施除草劑可以代替田間種植鑒定雜交種純度，減少了種植鑒定中的土地占用和人工費用。本設想也可以運用到其他作物中，通過培育一種抗/感除草劑的不育系來一次性解決機械化制種和清除不育系混雜的問題。

4 展望

綜上所述，抗除草劑基因在作物中除了有效去除田間雜草的主要作用外，在基因工程、雜交優(yōu)勢利用育種和栽培技術上都有重要應用。在中國抗除草劑基因的利用已成為一個新的研究熱點，并取得了很大的進展，科學家利用抗除草劑基因作為篩選標記，結合其他抗性基因質粒如抗旱、抗病蟲、提高農藝性狀或產(chǎn)品風味的基因，選育高抗且優(yōu)質的品種；在作物育種方面，抗除草劑不育系與恢復系的利用，水稻、小麥、棉花、油菜、谷子、黃瓜等也創(chuàng)制出不同類型的抗除草劑新種質，這為抗除草劑基因應用于雜種優(yōu)勢提供了具有潛力的材料基礎。另外，已經(jīng)培育出了谷子品種長雜2號、晉谷56號和晉谷57號，水稻品種香125S/Bar68-1。利用抗除草劑基因對雜交種進行純度快速鑒定與純度控制技術的研究，使得一些三系、兩系、化殺組合已具備了走向生產(chǎn)示范的條件?？钩輨┗蛟诤喕耘?、化學殺雄、機械化制種方面都開始了研究。總之，抗除草劑基因的利用研究越來越引起人們的關注，隨著此研究的深入，將不斷推進基因工程、作物育種與生產(chǎn)的發(fā)展，使21世紀的農業(yè)發(fā)生重大變革。

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