張麗雯張永娟陳 恒

（1 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，上海 200031；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

轉(zhuǎn)基因棉花研發(fā)及商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢

張麗雯1，2張永娟1陳 恒1，2

（1 中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心，上海 200031；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

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國際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織（ISAAA）2016年報告顯示，全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積從1996年的170萬公頃上升至2015年的1.797億公頃，20年時間取得近百倍的增長。自1996年起，全球累計20億公頃的可耕地種植了轉(zhuǎn)基因作物，包括轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花和油菜等。其中棉花是世界上最主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，全世界植棉國家和地區(qū)有96個，其中產(chǎn)量較高的國家有中國、美國、印度等。目前，以常規(guī)育種方法得到的棉花品種不同程度地存在種子活力低、易受害蟲草影響、生長發(fā)育偏慢及易發(fā)生莖枯病等問題，而轉(zhuǎn)基因的方法可以通過直接或間接的轉(zhuǎn)移手段，有目的、有計劃地向棉花體內(nèi)引入控制性狀遺傳的優(yōu)良基因，在無需改變原有特性的條件下，打破基因不良連鎖，實現(xiàn)生物性狀的定向改變，從而提高棉花產(chǎn)量、改良纖維品質(zhì)以及增強(qiáng)抗蟲、抗病和抗逆性。

1 棉花轉(zhuǎn)基因的主要技術(shù)和平臺

主要的植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)可分為兩大類：第一類是直接基因轉(zhuǎn)移技術(shù)，包括基因槍法、原生質(zhì)體法、脂質(zhì)體法、花粉管通道法、電激轉(zhuǎn)化法、PEG 介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法等，這類方法以基因槍轉(zhuǎn)化法和花粉管通道法為代表；第二類是生物介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化方法，主要有農(nóng)桿菌介導(dǎo)和病毒介導(dǎo)等方法。目前應(yīng)用于棉花的轉(zhuǎn)基因方法主要有3種：農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、基因槍轟擊法和花粉管通道法。

1.1 農(nóng)桿菌介導(dǎo)法

農(nóng)桿菌是普遍存在于土壤中的一種革蘭氏陰性菌，分為根癌農(nóng)桿菌（Agrobacterium tumefaciens）和發(fā)根農(nóng)桿菌（Agrobacterium rhizogenes）兩大類，目前應(yīng)用較多的是根癌農(nóng)桿菌。根癌農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)粒上有一段T-DNA區(qū)，將目的基因插入到改造后的T-DNA區(qū)，借助農(nóng)桿菌的侵染能力，經(jīng)過一系列過程，實現(xiàn)外源基因的轉(zhuǎn)移和整合。農(nóng)桿菌介導(dǎo)法的優(yōu)點是簡便易行、導(dǎo)入與轉(zhuǎn)化機(jī)理清楚、導(dǎo)入受體作物的外源基因明確、轉(zhuǎn)化率高、轉(zhuǎn)育周期短等，其關(guān)鍵在于胚性愈傷組織的獲得。

國外最早利用這種方法獲得轉(zhuǎn)基因再生植株的是A g r a c e t u s公司的Umbeck，將nptⅡ基因和cat基因?qū)肟伦置?12中1；國內(nèi)是山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所的陳志賢等，將除草劑基因Tfda成功導(dǎo)入晉棉7號中2。

2004年，Leclavathi等3對農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行了改良，將傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)化方法（用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化棉花的一小段下胚軸或子葉誘導(dǎo)愈傷組織）改為用農(nóng)桿菌直接轉(zhuǎn)化愈傷組織，縮短了實驗周期并更加簡便。

1.2 基因槍轟擊法

又稱粒子轟擊技術(shù)，是繼農(nóng)桿菌介導(dǎo)法之后在棉花轉(zhuǎn)化中應(yīng)用最廣泛的一項技術(shù)，利用基因槍產(chǎn)生的高壓動力沖擊波將包裹外源DNA的重金屬顆粒（如鎢粉、金粉等）射穿植物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，射入植物細(xì)胞，使外源DNA隨機(jī)整合到植物細(xì)胞染色體中，達(dá)到外源DNA在受體植物中正常表達(dá)和穩(wěn)定遺傳的目的。轉(zhuǎn)化棉花的靶受體包括愈傷組織、胚性懸浮細(xì)胞、莖尖分生組織、幼胚及花粉等。其最顯著的特點是不受受體基因型影響，但容易形成多拷貝造成基因沉默、形成嵌合體，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化成功率低（棉花中轉(zhuǎn)化率僅為4%左右）、遺傳穩(wěn)定性差?；驑屴Z擊法關(guān)鍵技術(shù)在于轉(zhuǎn)基因植株的篩選培養(yǎng)及嵌合體后代的篩選鑒定。

1990年，F(xiàn)iner等4以棉花胚性懸浮細(xì)胞為受體最先通過基因槍轟擊法遺傳轉(zhuǎn)化棉花并收獲轉(zhuǎn)基因植株。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所（簡稱中棉所）以棉花胚性愈傷組織為受體，建立了棉花胚性愈傷組織基因槍轟擊高效轉(zhuǎn)化體系，轉(zhuǎn)化周期3～4個月，成功率得到大大提升，高達(dá)94.1%，轉(zhuǎn)化規(guī)模也可達(dá)到1200轉(zhuǎn)化體/年5。

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1.3 花粉管通道法

花粉管通道法首先由我國提出，Zhou等于1983年在《Methods inEnzymology》雜志上報道了棉花花粉管導(dǎo)入外源DNA并獲得成功的文章6，為活體基因的轉(zhuǎn)化開辟了新的途徑?；ǚ酃芡ǖ婪ㄒ话憷梦⒆⑸浞?、柱頭滴加法、花粉勻漿法及子房注入法等導(dǎo)入外源基因。1998年倪萬潮等7通過花粉管通道法將Bt基因?qū)脬裘?號，選育出了我國第一批通過審定的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉GKI?；ǚ酃芡ǖ婪ú僮鞣奖?，不需要棉花組織的培養(yǎng)和誘導(dǎo)再生的過程，但轉(zhuǎn)化率低（2%左右）且受棉花自然花期和自然條件影響較大。此方法可以直接獲得轉(zhuǎn)基因棉花的種子，大大縮短育種周期，目前通過此方法已獲得多個轉(zhuǎn)基因抗蟲棉新品種（品系），其中部分已經(jīng)審定并在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用。

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1.4 棉花規(guī)?；D(zhuǎn)基因技術(shù)體系平臺

中棉所李付廣團(tuán)隊與國內(nèi)相關(guān)研究單位合作，建立了以農(nóng)桿菌介導(dǎo)法和花粉管通道法為主、基因槍轟擊法為輔，高效、工廠化的棉花轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系，實現(xiàn)了流水線操作，年產(chǎn)轉(zhuǎn)基因植株6000株以上，有效降低了轉(zhuǎn)基因運行成本，初步實現(xiàn)了棉花轉(zhuǎn)基因的規(guī)?；⒂行貙捔耸荏w的基因型范圍，將抗蟲、抗病、纖維品質(zhì)改良等基因轉(zhuǎn)入到了27個主栽培棉花品種中，且農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)化周期縮短到6個月，轉(zhuǎn)基因效率顯著提高。此外，還將植物嫁接技術(shù)成功應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因棉花的快速移栽，成活率達(dá)到90%以上，有效解決了棉花轉(zhuǎn)基因苗移栽成活率低的難題8。

近年來，利用該技術(shù)體系累計為國內(nèi)41家單位轉(zhuǎn)化基因234個，創(chuàng)制種質(zhì)材料621份，成功獲得中棉所17、中棉所27、泗棉3號等16個轉(zhuǎn)基因棉花新品種9。十年前我國轉(zhuǎn)基因棉花主要為美國品種，經(jīng)過十年的發(fā)展，目前我國國產(chǎn)轉(zhuǎn)基因棉花的種植面積已超過總轉(zhuǎn)基因棉花種植面積的99%，這很大程度上得益于該技術(shù)體系平臺的建立，由此可知該體系的建立對于促進(jìn)我國棉花生物技術(shù)育種以及加速其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要意義，處于國內(nèi)同類研究的領(lǐng)先地位，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2 轉(zhuǎn)基因棉花研發(fā)狀況分析

2.1 轉(zhuǎn)基因棉花研發(fā)概況

目前轉(zhuǎn)基因棉花的研發(fā)與培育已在多個國家成功進(jìn)行，過程主要涉及基因克隆、遺傳轉(zhuǎn)化、形狀鑒定、品種培育、株系篩選及安全性評價等環(huán)節(jié)。研發(fā)的核心是篩選出結(jié)構(gòu)完整且表達(dá)良好的株系，構(gòu)建具有商業(yè)推廣價值的轉(zhuǎn)基因棉花植株。國內(nèi)外對轉(zhuǎn)基因棉花的研究包括抗蟲、抗除草劑、抗病、纖維改良、抗旱和耐鹽堿等，但如今研究較多并取得進(jìn)展的主要為抗蟲、抗除草劑和纖維改良等性狀10。

國內(nèi)外在轉(zhuǎn)基因棉花方面獲得了一批優(yōu)質(zhì)棉花新基因及抗除草劑轉(zhuǎn)基因棉花新材料，轉(zhuǎn)基因抗病棉花和轉(zhuǎn)融合抗棉鈴蟲抗蚜蟲雙基因棉花研究取得較大進(jìn)展，主要得益于如下轉(zhuǎn)基因棉花轉(zhuǎn)化事件的成功（表1）（于ISAAA找到57項轉(zhuǎn)化事件，本文主要介紹前30項）11。

表1 近年轉(zhuǎn)基因棉花轉(zhuǎn)化事件轉(zhuǎn)基因棉花體系 研發(fā)機(jī)構(gòu) 特性 轉(zhuǎn)入基因 使用國家/地區(qū)（使用時間）19-5lA DuPont HT als 美國（1996年）281-24-236 Dow AgroSciences LLC IR cry1F 美國（2004年）日本（2005年）281-24-236×3006-210-23（MXB-13） Dow AgroSciences LLC IR cry1F+cry1Ac 巴西（2005年）日本（2006年）3006-210-23 Dow AgroSciences LLC IR cry1Ac 美國（2004年）3006-210-23×281-24-236 × MON1445 Dow AgroSciences LLC HT+IR cry1F，cry1Ac，cp4 epsps，bar，aad，nptII日本（2006年）韓國（2006年）81910 Dow AgroSciences LLC HT aad-12，pat 加拿大（2015年）3006-210-23×281-24-236墨西哥（2014年）韓國（2014年）3006-210-23×281-24-236 ×MON88913 ×MON88913×COT102 Dow AgroSciences LLC HT+IR cry1F，cry1Ac，cp4 epsps，aph4，pat，vip3A International Inc HT+IR cry1F，cry1Ac，cp4 epsps，bar 墨西哥（2006年）哥斯達(dá)黎加（2006年）31707 Monsanto Company HT+IR cry1Ac，nptII，bxn 美國（1998年）31803 Monsanto Company HT+IR cry1Ac，nptII，bxn 美國（1998年）31807×31808 Monsanto Company HT+IR bxn，cry1Ac 加拿大（1998年）42317 Monsanto Company HT+IR cry1Ac，nptII，bxn 美國（1998年）Pioneer Hi-Bred BNLA-601 Central Institute for Cotton Research HT cry1Ac 印度（2012年）BXN10211 Monsanto Company HT nptII，bxn 澳大利亞（2002年）BXN10215 Monsanto Company HT nptII，bxn 墨西哥（1996年）BXN10222 Monsanto Company HT nptII，bxn 美國（1994年）COT102 Syngenta IR vip3A，aph4 澳大利亞（2005年）美國（2005年）COT102×COT678 Syngenta IR vip3A，aph4，cry1Ab 哥斯達(dá)黎加（2009年）COT102×COT678 ×MON88913 Syngenta and Monsanto Company HT+IR vip3A，aph4，cry1Ab，cp4 epsps 哥斯達(dá)黎加（2009年）COT678 Syngenta IR cry1Ab美國（2009年）新西蘭（2009年）墨西哥（2011年）COT102×MON15985× MON88913×MON88701 Monsanto Company HT+IR vip3A，aph4，cry1Ab，aad，bar，dmo，uidA，cry2Ab2，cp4 epsps韓國（2016年）GHB119 Bayer CropScience HT+IR bar，cry2Ae 美國（2011年）中國（2014年）

注：IR—抗蟲；HT—抗除草劑。

近年來，全球轉(zhuǎn)基因棉花研究論文基本呈不斷增長的趨勢（圖1），2012年與2013年論文量稍有下降，可能與部分人員抵制轉(zhuǎn)基因作物有關(guān)。

2.2 轉(zhuǎn)基因棉花研發(fā)國家/地區(qū)及機(jī)構(gòu)分布

從不同國家/地區(qū)轉(zhuǎn)基因棉花研究論文量分布可以看出，美國與中國領(lǐng)跑全球轉(zhuǎn)基因棉花研發(fā)，且占有較大優(yōu)勢，印度與巴基斯坦位居其后（圖2）。

從全球看，重要的轉(zhuǎn)基因棉花研究機(jī)構(gòu)有中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所與中國科學(xué)院（圖3）。我國在轉(zhuǎn)基因棉花研究方面占有重要地位。

圖1 1997～2016年全球轉(zhuǎn)基因棉花研究論文量

3 不同類型轉(zhuǎn)基因棉花研發(fā)進(jìn)展

利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)對棉花各性狀進(jìn)行改良可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)育種方法的不足，快速培育出多種新型棉花育種材料。為解決糧食增產(chǎn)與耕地面積不斷縮小的矛盾，使棉花能夠在糧食作物不能種植的干旱地和鹽堿地進(jìn)行栽培生產(chǎn)，培育具有優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗蟲、抗除草劑、耐旱、耐鹽堿、抗病、抗早衰等性狀的新型轉(zhuǎn)基因棉花材料成為當(dāng)前棉花遺傳改良的研究熱點。下面主要介紹抗蟲、抗除草劑和纖維改良這3種轉(zhuǎn)基因棉花。

圖2 不同國家/地區(qū)轉(zhuǎn)基因棉花研究論文量分布

圖3 全球轉(zhuǎn)基因棉花研究論文量前10位研究機(jī)構(gòu)

3.1 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花

3.1.1 轉(zhuǎn)基因Bt抗蟲棉花

棉花獲得抗蟲功能的基因主要有3類：源于蘇云金芽孢桿菌的殺蟲蛋白基因（Bt）、從植物中分離的昆蟲蛋白酶抑制劑基因（PI）和植物凝集素基因（1ectin），目前國內(nèi)外大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉主要為轉(zhuǎn)基因Bt棉花。

蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis，Bt）整合到棉株體中后，會在芽孢形成階段產(chǎn)生一種叫δ-內(nèi)毒素的伴孢晶體（蛋白質(zhì)晶體），被鱗翅目等昆蟲的幼蟲吞食后，在其中腸道堿性條件和酶的作用下被激活，活化的毒素能與中腸特異性受體結(jié)合，導(dǎo)致孔洞形成而使昆蟲死亡12。由于人體和多數(shù)動物的胃腸是酸性的，因此這類蛋白對人體和多數(shù)動物是無毒的。目前發(fā)現(xiàn)并登記的cry1-cry67基因大約有190種，但獲得的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的Bt基因僅有幾種，如cry1A、cry1Ab、cry1Ac、cry1F、cry2Ab及cry2Ae等。Bt基因單價抗蟲棉只對以棉鈴蟲為主的鱗翅目和鞘翅目害蟲有抗殺作用，對棉蚜、 紅蜘蛛、棉盲蝽、煙飛虱等害蟲沒有作用或效果甚微。2001年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所構(gòu)建出Bt+CPTⅠ雙價抗蟲基因，利用花粉管通道法導(dǎo)入受體品種石遠(yuǎn)321，成功地培育出SGK321雙價基因抗蟲棉，其具有更穩(wěn)定持久的抗蟲性13。

有研究表明，長期種植Bt棉花的棉田棉盲蝽的數(shù)量增多14，導(dǎo)致棉盲蝽由棉花的次要害蟲轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕οx。2011年，Baum等15發(fā)現(xiàn)了一種新型的針對棉盲蝽有較好防治作用的Bt蛋白基因，可以有效控制棉盲蝽的生長發(fā)育。轉(zhuǎn)基因抗蟲Bt棉花首先由美國研發(fā)成功，我國于1994年成功導(dǎo)入了具有高殺蟲活性的Bt殺蟲基因的cry1A，成功選育出了GK1、GK12、GK19、GKZ1等國產(chǎn)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種，并得到了大面積推廣使用，成為繼美國之后世界第二個研制成功轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的國家。

3.1.2 RNAi轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花

植物介導(dǎo)的RNAi技術(shù)可以有效、特異性地抑制昆蟲基因的表達(dá)，從而抑制害蟲的生長。在RNAi轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花領(lǐng)域，目前尚未有RNAi抗蟲棉花注冊，但已經(jīng)成為十分活躍的研發(fā)領(lǐng)域，在棉花的害蟲防治領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

3.2 轉(zhuǎn)基因抗除草劑棉花

棉田中的雜草種類繁多，會嚴(yán)重影響棉花的正常生長發(fā)育而影響棉花的產(chǎn)量。除草劑可以抑制雜草的生長，同時對棉花的正常發(fā)育也會有一定的抑制作用，因此除草劑和抗除草劑棉花的協(xié)同使用具有重要意義。研發(fā)抗除草劑棉花主要有3種方法：①修飾除草劑作用的靶蛋白，使棉花對除草劑不敏感或者促使靶蛋白過量表達(dá)使除草劑作用后還能正常代謝；②引入降解除草劑的酶，在除草劑作用于棉花靶蛋白前將其分解；③編碼轉(zhuǎn)運體蛋白，使毒素從植物體內(nèi)輸出?？钩輨┟藁ㄖ饕锌共莞熟⒚藁?、抗草銨膦棉花 和抗磺酰脲類棉花。

3.2.1 抗草甘膦棉花

草甘膦（glyphosate）是世界上使用最廣泛的一種非選擇性的有機(jī)膦類除草劑。其機(jī)理是競爭性抑制植株中5-烯醇丙酮莽草酸-3-磷酸合成酶（EPSPS）的活性，阻斷芳香族氨基酸的合成，造成芳香族氨基酸缺乏，導(dǎo)致植株死亡。通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法導(dǎo)入epsps基因可以有效地提高棉花對草甘膦的耐受性。第一個商用的抗草甘膦轉(zhuǎn)基因棉花由孟山都公司培育（代號為MON1445），轉(zhuǎn)化所用質(zhì)粒含有兩個抗草甘膦基因，包括改良過的cp4-epsps和來源于人蒼白桿菌的gox基因。拜耳公司培育的GBH614抗草甘膦轉(zhuǎn)基因棉花，轉(zhuǎn)化所用質(zhì)粒中含有兩個突變的玉米epsps基因（2epsps），導(dǎo)致兩個氨基酸的改變，繼而轉(zhuǎn)化、培育得到抗草甘膦轉(zhuǎn)基因棉花。

3.2.2 抗草銨膦棉花

草銨膦（glufosinate ammonium）機(jī)理為草銨膦被葉片吸收后，可由葉片基部向端部轉(zhuǎn)移，強(qiáng)烈的細(xì)胞毒劑銨離子在植物體內(nèi)積累導(dǎo)致氨代謝紊亂，使植物中毒而死；同時光合作用受到嚴(yán)重抑制，使植物失綠后呈黃白色，2～5d后開始枯黃死去16?？共蒌@膦棉花幾乎與抗草甘膦棉花同時研制成功，但其商業(yè)化應(yīng)用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗草甘膦棉花。

bar基因是目前用得較多的一種抗除草劑標(biāo)記基因，它可以編碼乙酰轉(zhuǎn)移酶（PAT）基因，對草銨膦進(jìn)行修飾，反應(yīng)產(chǎn)物能夠被順利代謝而使其失去除草能力?？共蒌@膦棉花可以產(chǎn)生能修飾除草劑的酶，在除草劑發(fā)生作用前對其進(jìn)行修飾使其失去除草能力17。1997年Keller等18通過基因槍轟擊法將bar基因轉(zhuǎn)化到柯字棉312、岱字棉50、海島棉Pima和EI Dorado4個品種中，成功獲得了抗草銨膦轉(zhuǎn)基因棉花植株。

3.2.3 抗磺酰脲類棉花

磺酰脲類通過對植物體內(nèi)的乙酰乳酸合成酶（ALS）的抑制，從而阻礙支鏈氨基酸（纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸）合成，抑制植物細(xì)胞的分裂和生長。四倍體棉花中有多個ALS家族，其中一個als基因的突變體對磺酰脲類表現(xiàn)出了明顯的抗性，可以保護(hù)植物正常的生理活動。美國Phytogen公司從棉花中克隆出了編碼ALS的基因，對其進(jìn)行了編碼區(qū)改造令它產(chǎn)生異構(gòu)ALS，在原有啟動子和先導(dǎo)序列的驅(qū)動下，進(jìn)行棉花再轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化體表現(xiàn)了對磺酰脲類除草劑較高的抗性。Dupont公司也將als基因?qū)氲紺ocker312，獲得了對氯磺?。ㄒ环N磺酰脲類除草劑）具有抗性的棉花系。

3.3 轉(zhuǎn)基因纖維品質(zhì)改良棉花

棉纖維是棉花產(chǎn)量形成的主要部分，是由胚珠外珠被表皮層的單細(xì)胞分化而來，其長度、強(qiáng)度及細(xì)度等品質(zhì)決定著棉花的經(jīng)濟(jì)價值。利用基因工程技術(shù)將棉花纖維發(fā)育相關(guān)基因?qū)朊藁?，提高棉花纖維產(chǎn)量和品質(zhì)，成為當(dāng)前棉花增產(chǎn)和品質(zhì)改良的主要途徑19。

棉花纖維品質(zhì)改良基因主要與棉花種子發(fā)育和IAA等激素代謝相關(guān)。李德謀等20將GhASN-Like導(dǎo)入棉花，提高了轉(zhuǎn)基因植株的單株成鈴數(shù)和單鈴種子數(shù)，增加了籽棉和皮棉的產(chǎn)量。裴炎等利用棉花纖維細(xì)胞特異啟動子FBP7，驅(qū)動IAA合成基因iaaM在棉花中表達(dá)，使在棉纖維發(fā)育起始階段胚珠表面的IAA含量迅速增高，增加了能夠發(fā)育成纖維的細(xì)胞數(shù)量21。2013年夏桂先等將棉花苯丙烷類化合物木質(zhì)素合成基因GhLIN2導(dǎo)入棉花，增加轉(zhuǎn)基因棉花纖維內(nèi)木質(zhì)素含量，使棉花纖維長度、細(xì)度和強(qiáng)度均得到顯著提高22。李曉榮等利用35S啟動子驅(qū)動棉花尿甘二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶基因GhUGP1在棉花中表達(dá)，獲得的轉(zhuǎn)基因棉花材料纖維長度比對照增加18.5%，斷裂比強(qiáng)度增加了31.85%23。

4 轉(zhuǎn)基因棉花商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢

4.1 全球轉(zhuǎn)基因棉花商業(yè)化總體發(fā)展態(tài)勢

1996～2015年的20年間，全球轉(zhuǎn)基因作物累計種植面積達(dá)到空前的20億公頃，其中轉(zhuǎn)基因棉花已經(jīng)達(dá)到3億公頃。印度、美國、中國和巴基斯坦是世界前四大轉(zhuǎn)基因棉花種植國，2010年種植的轉(zhuǎn)基因棉花面積占全球轉(zhuǎn)基因棉花種植面積的91.9%。

1996年，美國、澳大利亞、墨西哥3個國家率先開始商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因棉花（主要為Bt抗蟲棉），此后轉(zhuǎn)基因棉花種植業(yè)迅速發(fā)展。1998年，中國、阿根廷和南非開始種植轉(zhuǎn)基因棉花，種植國家增加到6個。2002年，印度和哥倫比亞加入了種植轉(zhuǎn)基因棉花的行列。2006～2010年，每年增加一個國家開始種植轉(zhuǎn)基因棉花，依次是巴西、緬甸、布基納法索、哥斯達(dá)黎加、巴基斯坦。2010年，種植轉(zhuǎn)基因棉花的國家達(dá)到13個，按種植規(guī)模排序依次是：印度、美國、中國、巴基斯坦、阿根廷、澳大利亞、緬甸（2006 年批準(zhǔn)種植轉(zhuǎn)基因棉花，2007年開始種植，此后快速發(fā)展，至2010年達(dá)27萬公頃，占全國棉花總種植面積的75%）、布基納法索、巴西、墨西哥、哥倫比亞、南非和哥斯達(dá)黎加。2013年，全球轉(zhuǎn)基因棉花種植面積高達(dá)2510萬公頃，其中印度種植面積最大，為1080萬公頃，巴基斯坦自2010年開始種植轉(zhuǎn)基因棉花后發(fā)展迅速，達(dá)到了300萬公頃。

2015年澳大利亞種植了65.8萬公頃轉(zhuǎn)基因作物，包括21.4萬公頃棉花，值得注意的是，澳大利亞種植的全部棉花都是轉(zhuǎn)基因棉花（應(yīng)用率100%），其中99%為復(fù)合性狀（抗蟲和抗除草劑）棉花。澳大利亞是全球部署轉(zhuǎn)基因棉花和抗蟲管理的領(lǐng)先者，2015年已經(jīng)對Bollgard Ⅲ進(jìn)行了田間試驗，種植面積有3萬公頃。在孟加拉國等小國，棉花紡織業(yè)在國內(nèi)有著至關(guān)重要的作用，2015年孟加拉國進(jìn)行了Bt抗蟲棉的田間試驗（田間試驗是審批前的倒數(shù)第二個步驟）。在緬甸，一種新的Bt棉花品種Ngwechi-9也于2015年進(jìn)行了商業(yè)化種植。蘇丹的轉(zhuǎn)基因Bt棉花種植面積較2014年增加了30%，達(dá)到12萬公頃。而政治轉(zhuǎn)型、纖維質(zhì)量等原因阻礙了布基納法索在種植面積上突破40萬公頃，并于2016年宣布停止種植轉(zhuǎn)基因棉花。

4.2 印度

棉鈴蟲是印度棉花的主要害蟲，2001年前印度棉農(nóng)大量使用殺蟲劑來控制害蟲，在棉花的生長季內(nèi)，殺蟲劑的噴灑次數(shù)為5～20次，甚至更多，大約花費120億盧比（約2.01億美元）。雖然大量使用殺蟲劑，但效果并不明顯，棉鈴蟲已經(jīng)對所施殺蟲劑產(chǎn)生抗藥性，所以在2001年印度還是棉花的凈進(jìn)口國。2002年，印度政府批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因棉花（單價抗蟲棉BollardⅠ）商業(yè)化種植后，農(nóng)藥的使用量減少39%，植棉業(yè)迅速發(fā)展，2009年基本普及了轉(zhuǎn)基因抗蟲棉（單價抗蟲棉BollardⅠ與雙價抗蟲棉Bollard Ⅱ），普及率高達(dá)88%。截止到2014年，印度轉(zhuǎn)基因Bt棉花種植面積創(chuàng)歷史新高，達(dá)到1160萬公頃，是2002年開始商業(yè)化種植的5萬公頃的230倍。2015年，印度保持其轉(zhuǎn)基因棉花的種植面積，并成為全球第一大棉花生產(chǎn)國（主要歸功于轉(zhuǎn)基因Bt棉花）。其770萬小農(nóng)戶種植了1160萬公頃Bt棉花，應(yīng)用率為95%。2002～2014年，轉(zhuǎn)基因Bt棉花使印度農(nóng)場的收入增加183億美元，僅2014年一年就達(dá)到16億美元。

目前，經(jīng)印度政府農(nóng)業(yè)部門注冊并同意商業(yè)種植的350個轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種由印度政府的棉花研究中心（CICR）、JK農(nóng)業(yè)遺傳公司（JK AgriGenetics）、南氏種子（Nath Seed）及馬?？?孟山都生物技術(shù)公司（Mahyco Monsanto Biotech）提供，然后通過50家種子公司生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉種子，約600萬農(nóng)戶可以自由選擇購買這些品種進(jìn)行棉花種植。

4.3 美國

棉花是美國第五大作物，種植面積僅少于小麥，主要種植在美國南部和西部。美國主要種植兩種轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，一種是Monsanto公司研發(fā)的單價抗蟲棉Bollgard I，另一種是復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因棉花。

美國農(nóng)業(yè)部國家統(tǒng)計服務(wù)中心（USDA/NASS）報告顯示，1996年開始商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因棉花時，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉種植面積為73萬公頃；到2001年，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的種植面積達(dá)到200萬公頃。與2009年相比，2010年轉(zhuǎn)基因棉花的種植面積已從320萬公頃增加到390萬公頃，其中Bt棉占15%，（HT+Bt）棉占58%，HT棉占20%。2011年，Bt棉占17%，HT棉占15%，（HT+Bt）棉的種植面積與2010年相比基本沒有變化。截至2013年，美國轉(zhuǎn)基因棉花種植面積占全美棉花種植總面積的90%，（HT+Bt）棉的種植面積占全部轉(zhuǎn)基因棉花的82%。

在新品種轉(zhuǎn)基因棉花方面，近期美國農(nóng)業(yè)部動植物衛(wèi)生檢驗局（APHIS）批準(zhǔn)了“Roundup Ready Xtend”新型轉(zhuǎn)基因棉花的種植，旨在對抗已經(jīng)對孟山都Roiindup轉(zhuǎn)基因棉花產(chǎn)生抗性的雜草。此外，拜耳作物科學(xué)研究所的轉(zhuǎn)基因棉花品種Twinlink獲得美國國家環(huán)境保護(hù)局（EPA）批準(zhǔn)，該品種含有2種蛋白毒素，分別是源自T304-40品系的蘇云金桿菌Cry1Ab蛋白毒素和源自GHB119品系的Cry2Ae蛋白毒素，可以有效防治鱗翅目害蟲， 如棉鈴蟲、煙青蟲、草地夜蛾等， 同時其對除草劑草銨膦也具有很強(qiáng)的耐受性。目前，轉(zhuǎn)基因棉花品種Twinlink在澳大利亞、新西蘭、巴西和加拿大等國家都獲得了批準(zhǔn)。

4.4 中國

我國從1998年開始大面積種植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，主要是以美國的品種（岱子棉公司生產(chǎn)）為主，當(dāng)時占國內(nèi)抗蟲棉市場份額的95%以上。隨著中國自主研發(fā)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉逐漸成熟，國產(chǎn)抗蟲棉的品種數(shù)量和種植面積逐年提高，2001年轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的種植面積首次超過了非轉(zhuǎn)基因棉面積，2002年國產(chǎn)抗蟲棉占國內(nèi)抗蟲棉市場份額的43.3%，2003年國產(chǎn)抗蟲棉的種植面積超過了美國抗蟲棉，占國內(nèi)抗蟲棉市場份額的53.9%，到2015年，國產(chǎn)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉已占99%以上的市場份額，打破了美國抗蟲棉的壟斷。

雖說我國國產(chǎn)轉(zhuǎn)基因棉花在近20年來得到了快速發(fā)展，但在1998年才開始商業(yè)化種植轉(zhuǎn)基因棉花，到2011年普及率僅為71.5%，普及速度遠(yuǎn)慢于印度、美國、巴基斯坦等國，主要原因為新疆棉區(qū)還沒有完全放開轉(zhuǎn)基因棉花的種植，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉種植面積比例一直較低。目前我國轉(zhuǎn)基因棉花的種植區(qū)域有長江流域、黃河流域、西北內(nèi)陸地區(qū)及新疆棉區(qū)。

2012年我國第二代轉(zhuǎn)基因棉花研究總體躍居世界領(lǐng)先水平，并擁有國際發(fā)明專利等自主知識產(chǎn)權(quán)，為擺脫高端棉花長期依賴 進(jìn)口的局面，打下了堅實基礎(chǔ)。其中，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所選育的“中棉所70”，利用海島棉與轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品系雜交，通過分子聚合技術(shù)培育而成，該棉花材料纖維長度為32.5毫米，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)棉標(biāo)準(zhǔn)。2015年我國成功種植了370萬公頃的轉(zhuǎn)基因棉花（棉花總種植面積為380萬公頃）。盡管低價和高庫存導(dǎo)致我國棉花總種植面積從2014年的420萬公頃減少到380萬公頃，但轉(zhuǎn)基因棉花的應(yīng)用率從2014年的93%升高到2015年的96%，種植轉(zhuǎn)基因棉花的農(nóng)民人數(shù)超過660萬。1998～2014年，農(nóng)民從Bt棉花獲得的經(jīng)濟(jì)收益為175億美元，僅2014年一年就達(dá)到了13億美元。

4.5 巴基斯坦

巴基斯坦是一個以農(nóng)業(yè)為主的國家，棉花是該國的主要經(jīng)濟(jì)作物。2009年巴基斯坦內(nèi)閣經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)委員會（ECC）批準(zhǔn)了在巴基斯坦國內(nèi)大面積種植轉(zhuǎn)基因棉花的計劃。2010年開始首次種植轉(zhuǎn)基因棉花（8個常規(guī)品種和1個雜交品種），種植面積就高達(dá)240萬公頃，占棉花總種植面積（320萬公頃）的75%。2015年，巴基斯坦轉(zhuǎn)基因作物的種植面積為290萬公頃，全部為轉(zhuǎn)基因棉花。2010年前巴基斯坦始終是一個棉花的凈進(jìn)口國，進(jìn)口量超過45萬噸，經(jīng)過近幾年轉(zhuǎn)基因棉花的大面積種植，巴基斯坦已一躍成為全球第四大轉(zhuǎn)基因棉花種植國，為增加資源貧乏的小農(nóng)戶的收入做出了重要貢獻(xiàn)。

5 轉(zhuǎn)基因棉花安全性評價

轉(zhuǎn)基因棉花的安全性問題主要為靶標(biāo)害蟲的抗性、轉(zhuǎn)基因生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性的變化對有害生物地位演化的影響。

轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的安全性評價主要為靶標(biāo)生物對轉(zhuǎn)基因抗病蟲棉花的抗性監(jiān)測及風(fēng)險評估。如轉(zhuǎn)基因Bt抗蟲棉的使用，隨著時間的增加，棉鈴蟲、紅鈴蟲等可能會產(chǎn)生對Bt基因的抗性，從而導(dǎo)致Bt基因抗蟲性的喪失。因此對轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花的合理種植、使用與監(jiān)測，延緩靶標(biāo)生物的抗性進(jìn)化，防止靶標(biāo)害蟲對現(xiàn)有抗蟲基因產(chǎn)生抗性是目前研究的重點之一。

評估除草劑對棉田及周邊的植物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性的影響是轉(zhuǎn)基因抗除草劑棉花的安全性評價的重要內(nèi)容。長期使用單一的除草劑會導(dǎo)致雜草產(chǎn)生抗性，同時也可能對棉田及周邊的植物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性產(chǎn)生影響。因此，采用適當(dāng)?shù)墓芾泶胧┓乐闺s草對除草劑產(chǎn)生抗性，通過研究除草劑對植物群落演替的影響，發(fā)展以種植轉(zhuǎn)基因抗除草劑棉花為核心的雜草治理技術(shù)體系，從而有效地控制雜草的發(fā)生與危害顯得特別重要。

6 展 望

棉花作為全球重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在國民經(jīng)濟(jì)與人類日常生活中發(fā)揮重要作用。轉(zhuǎn)基因棉花運用轉(zhuǎn)基因生物育種技術(shù)，可以改善棉花的抗蟲、抗除草劑、耐逆、抗病和優(yōu)質(zhì)等性狀，并讓這些有利于棉花生產(chǎn)的性狀在較短的時間內(nèi)聚合，滿足棉花生產(chǎn)的需要。綜合利用轉(zhuǎn)基因植物生物育種技術(shù)，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的突破性新品種，是全球轉(zhuǎn)基因棉花育種發(fā)展的根本目的。但抗蟲草轉(zhuǎn)基因棉花的長期大面積種植亦會導(dǎo)致靶標(biāo)害蟲及草的抗性形成，影響棉田生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，因而進(jìn)一步研發(fā)及合理治理、監(jiān)測在今后的轉(zhuǎn)基因棉花育種研究中顯得尤為重要。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.05.006

張麗雯，中國科學(xué)院研究生院，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)信息中心在讀碩士研究生。

E-mail：zhangliwen@sibs.ac.cn

國內(nèi)外轉(zhuǎn)基因棉花的研發(fā)主要集中于抗蟲、抗除草劑、抗病、耐鹽堿、抗旱和纖維改良等性狀研究，但只有轉(zhuǎn)基因抗蟲、抗除草劑和纖維改良等性狀得到注冊應(yīng)用。轉(zhuǎn)基因棉花的大規(guī)模商業(yè)化種植，可以有效控制棉花害蟲與雜草并改善棉花纖維品質(zhì)，顯著提高棉花產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。主要描述了棉花轉(zhuǎn)基因的主要技術(shù)和規(guī)?；D(zhuǎn)基因技術(shù)體系平臺，論述了轉(zhuǎn)基因棉花近年來的總體研發(fā)狀況及在棉花抗蟲、抗除草劑及纖維改良方面的研究進(jìn)展，分析了全球前四大轉(zhuǎn)基因棉花種植國家（印度、美國、中國和巴基斯坦）轉(zhuǎn)基因棉花的商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢，并歸納總結(jié)了轉(zhuǎn)基因棉花的安全性問題及今后主要的發(fā)展方向。