張慧穎，王穎，韓成貴

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，北京 100193）

0 引言

民以食為天，糧食是人類維持日常生活最基本的生存資料，糧食的生產(chǎn)占據(jù)了農(nóng)業(yè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)地位。中國(guó)國(guó)土廣闊，人口眾多，人均耕地面積較少，并且在土地資源中農(nóng)用土地資源占比較小，后備耕地資源嚴(yán)重缺失，糧食問(wèn)題仍然嚴(yán)峻。因此，如何提高糧食作物的產(chǎn)量，改良糧食作物的品質(zhì)，讓人們不僅能夠吃飽飯，而且可以吃好飯，一直是相關(guān)科研人員關(guān)注的問(wèn)題和重點(diǎn)研究的方向。使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育糧食作物新品種，可以突破物種間隔離，將有利基因和性狀高效利用，有效地提高作物產(chǎn)量，改良作物品質(zhì)，在主糧作物中具有較為廣泛的應(yīng)用潛力。

1 轉(zhuǎn)基因技術(shù)

為了提高主糧作物的產(chǎn)量并改良其品質(zhì)，研究人員可以通過(guò)傳統(tǒng)的雜交育種方法培育作物新品種。但是傳統(tǒng)的雜交育種技術(shù)的隨機(jī)性較高且效率較低，如果通過(guò)傳統(tǒng)雜交育種手段將多種不同基因控制的優(yōu)良性狀聚合到同一植株中，需要花費(fèi)多年時(shí)間經(jīng)歷多次雜交才可以完成，需要的時(shí)間成本較大。此外，并不是所有的目標(biāo)基因均可以在野生株系中找到，此時(shí)，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)雜交育種方法的不足，大大提高了遺傳育種改良效率和范圍[1]。

轉(zhuǎn)基因主要是通過(guò)以下步驟完成。首先要挖掘獲取目標(biāo)性狀控制基因并對(duì)其進(jìn)行克隆，然后根據(jù)作物的密碼子偏好性構(gòu)建合適的載體并進(jìn)行重組轉(zhuǎn)化，將重組的DNA轉(zhuǎn)入目標(biāo)作物的細(xì)胞中，接著對(duì)作物植株進(jìn)行篩選，初步獲得轉(zhuǎn)基因成功的作物植株，之后需要對(duì)轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定，判斷其是否達(dá)到了預(yù)期的效果[2]。

通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以把研究人員前期從其他動(dòng)植物或微生物體內(nèi)分離出的目標(biāo)性狀基因通過(guò)DNA 重組和遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)導(dǎo)入到目標(biāo)植株的基因組中，使得目標(biāo)植株具有原來(lái)沒(méi)有的優(yōu)良性狀，如抗蟲(chóng)、抗病、抗逆、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)等，并可以保持穩(wěn)定遺傳，通過(guò)這種方法培育出的植株即為轉(zhuǎn)基因植物。

2 應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)的意義

植物轉(zhuǎn)基因亦稱植物基因工程，其研究的關(guān)鍵是利用重組DNA、細(xì)胞組織培養(yǎng)或種質(zhì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化等技術(shù)，將外源基因轉(zhuǎn)化導(dǎo)入植物細(xì)胞或組織，使之進(jìn)行遺傳物質(zhì)的定向重組，改良植物的性狀，培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的作物新品種。首例轉(zhuǎn)基因植株于1983年誕生，自其之后植物基因工程已在人工控制下定向改良植物的遺傳性狀研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在主要糧食作物的種植過(guò)程中會(huì)受到多種病蟲(chóng)害的危害，同時(shí)還會(huì)受到不良生長(zhǎng)環(huán)境的影響，影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育抗病蟲(chóng)作物，可以綠色有效地對(duì)病蟲(chóng)害進(jìn)行防控，有利于提高作物產(chǎn)量，改良作物品質(zhì)，提高農(nóng)民的收入，提高土地的使用效率[3]。

與常規(guī)育種方法相比，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育具有優(yōu)良性狀的作物新品種。首先，該技術(shù)擺脫了親緣關(guān)系的限制條件，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)植物及微生物之間的遺傳物質(zhì)的交流，從而充分對(duì)自然界中存在的各種遺傳資源加以充分利用；其次，該技術(shù)方便快捷地打破有利基因與不利基因之間的連鎖關(guān)系，使對(duì)有用基因的利用得以充分實(shí)現(xiàn)；最后，該技術(shù)可以有效地加快育種研究進(jìn)程，大大縮短育種所需年限。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)雜交技術(shù)的不穩(wěn)定性并使研究人員可以根據(jù)人們的需求將性狀優(yōu)良的外源基因轉(zhuǎn)入植株體內(nèi)并使其穩(wěn)定遺傳，通過(guò)培育轉(zhuǎn)基因植物，可以有效增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，改善農(nóng)作物品質(zhì)，有效提高作物的抗病性、抗逆性、抗蟲(chóng)性，降低生產(chǎn)成本，減少化學(xué)農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染，提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益。

ISAAA（國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織）的數(shù)據(jù)顯示，全球范圍內(nèi)轉(zhuǎn)基因作物的種植面積從1996年的170 萬(wàn)hm2增長(zhǎng)到2019 年的1.904 億hm2，其中以轉(zhuǎn)基因大豆和轉(zhuǎn)基因玉米為主要作物，兩者在全球范圍內(nèi)均占據(jù)了較大的種植面積。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用有效推動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高作物生產(chǎn)力，促進(jìn)全球糧食、飼料和纖維安全，提高土地利用率，支持國(guó)家耕地的自給自足，有效保護(hù)生物多樣性并能夠緩解氣候變化所帶來(lái)的相關(guān)挑戰(zhàn)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了一場(chǎng)新的革命。

3 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在玉米中的應(yīng)用

2009年玉米全基因組測(cè)序完成，為研究玉米基因的功能創(chuàng)造了條件，也方便了研究人員使用生物技術(shù)手段進(jìn)行玉米分子育種，在分子水平上對(duì)玉米性狀進(jìn)行遺傳改良，玉米轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)會(huì)[4]。

轉(zhuǎn)基因玉米是使用DNA 重組和基因克隆技術(shù)將外源目標(biāo)基因?qū)氲接衩字仓曛?，使其產(chǎn)生定向穩(wěn)定的遺傳，其后代即為具有穩(wěn)定遺傳性狀的玉米品系[5]。研究人員在玉米生產(chǎn)中致力于提高玉米的產(chǎn)量、提高玉米的抗病性和改良玉米的品質(zhì)和口感，通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以培育具有除草劑抗性、抗病性、抗蟲(chóng)性和品質(zhì)優(yōu)良的玉米品種[6]。

3.1 抗除草劑轉(zhuǎn)基因玉米

玉米的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)受到雜草的影響，雜草會(huì)與玉米競(jìng)爭(zhēng)水分、肥料和光照，對(duì)玉米的正常生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)。由于玉米的株型較高大，在種植生產(chǎn)中多采用噴施除草劑的方式來(lái)進(jìn)行除草。噴施除草劑雖然大大減少了雜草管理所耗費(fèi)的時(shí)間和成本，但同時(shí)也會(huì)對(duì)種植的農(nóng)作物產(chǎn)生不利影響。基于此，研究人員深入挖掘抗除草劑基因資源，利用遺傳轉(zhuǎn)化的方法將除草劑抗性基因（如從鏈霉菌中提取的具有草丁膦除草劑抗性的bar 基因）轉(zhuǎn)移到玉米基因組中，培育抗除草劑玉米品種[7]。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)將具有殺蟲(chóng)活性的抗蟲(chóng)基因和除草劑抗性基因bar或cp4-epsps共轉(zhuǎn)入玉米中，獲得的轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)害蟲(chóng)及除草劑雙重穩(wěn)定的抗性[8-9]。通過(guò)這種方法可以有效拓寬除草劑的施用范圍，使其可以在不傷害作物本身的前提下有效地進(jìn)行雜草管理。

3.2 抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因玉米

病蟲(chóng)害一直是影響作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，中國(guó)是玉米的種植大國(guó)，但同時(shí)也是玉米螟的多發(fā)重災(zāi)區(qū)，玉米受玉米螟危害嚴(yán)重，幾乎每2年就會(huì)發(fā)生一次大型蟲(chóng)災(zāi)，其中由于玉米螟危害造成的產(chǎn)量損失可達(dá)5%左右[5]。玉米鉆心蟲(chóng)也是危害玉米的主要害蟲(chóng)之一，它不僅可以危害玉米莖葉，還會(huì)對(duì)玉米的果實(shí)產(chǎn)生直接危害，給農(nóng)戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損害。通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)將抗蟲(chóng)基因轉(zhuǎn)入玉米植株中，可以培育出對(duì)相應(yīng)害蟲(chóng)具有抗性的玉米品種，通過(guò)該方法不僅可以有效控制害蟲(chóng)危害，還可以有效降低玉米種植過(guò)程中農(nóng)藥的施用量，從而促進(jìn)玉米的安全生產(chǎn)，提高農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)效益[2,10-11]。

抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因玉米主要是通過(guò)將Bt 毒蛋白或抗蟲(chóng)基因轉(zhuǎn)入到玉米基因組中，使玉米獲得對(duì)相應(yīng)害蟲(chóng)的抗性，大幅度降低蟲(chóng)害。Bt毒蛋白是一種存在于孢晶體中的原病毒，芽孢在成型的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種殺蟲(chóng)晶體蛋白，當(dāng)敏感的昆蟲(chóng)取食轉(zhuǎn)基因植物時(shí)，Bt 原毒素也隨之進(jìn)入昆蟲(chóng)的消化道，在昆蟲(chóng)的腸道內(nèi)被腸胃堿性蛋白酶水解成毒素分子，這種活化的毒素分子會(huì)促使昆蟲(chóng)停止取食而引起昆蟲(chóng)的死亡[5]。此外，研究人員還通過(guò)對(duì)蘇云金芽孢桿菌進(jìn)行篩選，分離克隆cry抗蟲(chóng)基因，培育抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因玉米，如Cry2Ab、Cry1A.105、Vip3A和Cry1F等均為商業(yè)上可用的Bt蛋白基因[1,10-12]。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)cry1Ah抗蟲(chóng)玉米對(duì)亞洲玉米螟具有顯著抗性，并且轉(zhuǎn)入的外源基因可以在玉米植株中穩(wěn)定表達(dá)和遺傳，植株在田間的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)良好[13-14]。通過(guò)室內(nèi)和田間抗蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)cry1Ac抗蟲(chóng)玉米可以顯著降低亞洲玉米螟的危害，初孵玉米螟幼蟲(chóng)在取食后6～7 天的存活率普遍低于15%。此外，研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)Bt-cry1Ab 和Bt-(cry1Ab+vip1Aa)抗蟲(chóng)玉米對(duì)草地貪夜蛾1～4 齡幼蟲(chóng)均具有較好的防控效果[15]。

此外，研究人員還對(duì)抗蟲(chóng)抗除草劑玉米展開(kāi)了研究，將抗蟲(chóng)基因和抗除草劑基因均轉(zhuǎn)入玉米中，使其產(chǎn)生對(duì)害蟲(chóng)和除草劑的雙重抗性，目前在該領(lǐng)域的的研究已經(jīng)取得了較多進(jìn)展。2019 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部批準(zhǔn)了杭州瑞豐生物技術(shù)有限公司和浙江大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的轉(zhuǎn)cry1Ab/cry2Aj和g10evo-epsps基因抗蟲(chóng)耐除草劑玉米‘瑞豐125’在北方春玉米區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用的安全證書(shū)。2020年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部先后批準(zhǔn)了大北農(nóng)研發(fā)的轉(zhuǎn)epsps和pat基因耐除草劑玉米‘DBN9858’和‘DBN9936’在北方春玉米區(qū)、黃淮海夏玉米區(qū)、南方玉米區(qū)、西南玉米區(qū)和西北玉米區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用的安全證書(shū)。其中‘DBN9936’對(duì)危害玉米的玉米螟等主要鱗翅目害蟲(chóng)具有良好的抗性，同時(shí)能耐受常用劑量4 倍的草甘膦且對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)不良影響，具有較高安全性[16]?！瓺BN9858’則為前者的配套庇護(hù)所，主要是為了防止害蟲(chóng)對(duì)轉(zhuǎn)基因品種產(chǎn)生抗體，2個(gè)玉米品種配合使用，在提供綠色高效玉米害蟲(chóng)防控的同時(shí)，還可有效延緩靶標(biāo)害蟲(chóng)的抗性產(chǎn)生，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，有利于生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。2021 年12月，大北農(nóng)研發(fā)的聚合cry1Ab、epsps、vip3Aa19、pat 基因的抗蟲(chóng)耐除草劑玉米品種‘DBN3601T’(‘DBN9936’בDBN9501’)在西南玉米區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用的安全證書(shū)也通過(guò)了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的審批。

3.3 使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良玉米品質(zhì)

作為玉米的種植大國(guó)，中國(guó)玉米的產(chǎn)量較高，但品質(zhì)普遍不好，玉米籽粒中的蛋白質(zhì)和賴氨酸含量較低。使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)玉米品質(zhì)改良，主要是通過(guò)克隆外源蛋白基因來(lái)提高玉米品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)定向定量改良玉米的淀粉含量、纖維素含量、賴氨酸含量和蛋白質(zhì)含量等目標(biāo)，從而有效提升玉米口感，提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

研究人員發(fā)現(xiàn)，將富含賴氨酸的馬鈴薯花粉特異水溶性蛋白對(duì)玉米種子進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即可將玉米中的賴氨酸含量提高10%以上[5,17]。岳靜等[18]從陸地棉的基因組中克隆了一個(gè)高賴氨酸蛋白(GhLRP)基因，通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)將該基因轉(zhuǎn)化到玉米植株中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因玉米的賴氨酸含量與野生型相比有了不同程度的提高，同時(shí)該研究還對(duì)轉(zhuǎn)基因株系的后代材料進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)該基因可以在后代株系中穩(wěn)定遺傳，具有較大應(yīng)用潛力。2014年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部批準(zhǔn)了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所的轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米‘BVLA430101’在山東省生產(chǎn)應(yīng)用的安全證書(shū)，通過(guò)培育轉(zhuǎn)植酸酶玉米可以有效改良玉米對(duì)土壤中磷的吸收量[19]。通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將ssnhx1、sber2-1 等基因轉(zhuǎn)化到玉米植株中可以顯著提高轉(zhuǎn)基因玉米的耐鹽性和抗旱性[20-21]。此外，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)也可以對(duì)玉米的籽粒大小進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，此舉不僅可以提高玉米的產(chǎn)量，還可以有效改善玉米的外觀品質(zhì)，在玉米育種中有較廣泛的應(yīng)用[2]。

4 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在小麥中的應(yīng)用

在小麥的生長(zhǎng)過(guò)程中，病蟲(chóng)草害的存在會(huì)嚴(yán)重影響其正常的生長(zhǎng)發(fā)育。較多雜草的存在會(huì)與其爭(zhēng)奪水分、肥料、光照和生長(zhǎng)空間，對(duì)其正常的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響。蟲(chóng)害和病害亦是對(duì)小麥產(chǎn)量影響最大的因素，麥蚜蟲(chóng)、小麥銹病、小麥赤霉病、小麥白粉病及小麥黃花葉病等病蟲(chóng)害給小麥生產(chǎn)造成巨大的損失[22]。基于此背景，培育與改良小麥品種變得尤為重要，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在其中發(fā)揮了重大作用。

中國(guó)對(duì)轉(zhuǎn)基因小麥品種的培育非常重視，設(shè)置了國(guó)家“863 計(jì)劃”、“轉(zhuǎn)基因植物研究與產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)”和“轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項(xiàng)”等資助項(xiàng)目，在其資助下中國(guó)轉(zhuǎn)基因小麥研究尤其是理論上取得了很大進(jìn)展。

4.1 抗除草劑轉(zhuǎn)基因小麥

在小麥生產(chǎn)過(guò)程中通常會(huì)采用除草劑對(duì)雜草進(jìn)行防治，避免其對(duì)小麥的正常生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，這樣的處理方式雖然可以顯著地提高除草效率，但除草劑的施用也會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)和周邊環(huán)境產(chǎn)生傷害。此時(shí)，挖掘抗除草劑基因，培育抗除草劑小麥就成了研究的重點(diǎn)?？钩輨┬←溨饕峭ㄟ^(guò)將具有抗除草劑特性的epsps、bar等基因轉(zhuǎn)移到小麥內(nèi)部而獲得，小麥經(jīng)過(guò)改良后就會(huì)產(chǎn)生抗除草劑的抗性，促進(jìn)小麥的穩(wěn)定生長(zhǎng)[23]。

4.2 抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因小麥

中國(guó)關(guān)于抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因小麥的研究相對(duì)較少，目前應(yīng)用于抗蟲(chóng)小麥品種培育的主要有2 種方法，一種是將大麥胰蛋白酶抑制基因或絲氨酸蛋白酶抑制基因轉(zhuǎn)入小麥中，可以獲取對(duì)蟲(chóng)害有一定抗性的小麥品種；另一種是將外源凝集素相關(guān)基因轉(zhuǎn)入小麥中，凝集素是活性蛋白和特異性糖相互結(jié)合的一類蛋白，對(duì)麥蚜蟲(chóng)具有較強(qiáng)的抗殺和阻滯作用，由此也可以獲取對(duì)蟲(chóng)害具有一定抗性的小麥品種[24-25]。

研究人員發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化雪花蓮凝集素gna 基因的小麥表現(xiàn)出明顯加強(qiáng)的蚜蟲(chóng)抗性[26]。徐瓊芳等[27-28]使用基因槍法獲得了雪花蓮凝集素gna 和bar 基因轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)基因小麥，該小麥表現(xiàn)出較好的抗蟲(chóng)和抗除草劑功能。段曉亮等[29]通過(guò)基因槍法將雪花蓮凝集素基因sgna、中國(guó)水仙凝集素基因sntl 和半夏凝集素基因pta轉(zhuǎn)化進(jìn)普通小麥品種，發(fā)現(xiàn)這3 種轉(zhuǎn)基因小麥均具有較好的抗蚜蟲(chóng)效果。使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以快速高效地獲得小麥抗蟲(chóng)品種，提升小麥對(duì)蟲(chóng)害的抗性，降低蟲(chóng)害對(duì)小麥的影響，可以有效提升小麥的品質(zhì)和產(chǎn)量。

4.3 抗病轉(zhuǎn)基因小麥

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是可應(yīng)用于抗病轉(zhuǎn)基因小麥培育過(guò)程中的一種非常高效的技術(shù)手段，在生產(chǎn)研究中通常將多種與抗病或病程相關(guān)的基因進(jìn)行聚合并轉(zhuǎn)化到小麥中，通過(guò)此法可以培育出具有較強(qiáng)抗病性的小麥品種。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)TaTLP1 蛋白基因小麥表現(xiàn)出對(duì)葉銹病的較強(qiáng)抗性[30]，轉(zhuǎn)WYMVNib8 蛋白基因小麥對(duì)小麥黃花葉病具有較強(qiáng)抗性[31]，將存在于大麥中的幾丁質(zhì)酶基因和曲霉素抗菌蛋白基因一起轉(zhuǎn)入小麥植株中，可以有效降低小麥白粉病的發(fā)病率和葉銹菌孢子的形成概率，獲得對(duì)小麥白粉病和小麥銹病具有一定抗性的轉(zhuǎn)基因植株[24,32]。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，來(lái)源于簇毛麥的pm21 是目前所有小麥白粉病抗性基因中抗白粉病表現(xiàn)最佳的，且在遺傳背景不同的小麥中均有非常穩(wěn)定的表現(xiàn)[33]?？咕?AMPs)是一類具有廣譜抗菌性的小肽，將編碼DmAMP1W蛋白的基因轉(zhuǎn)入小麥品系中，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)基因小麥對(duì)紋枯病和普通根腐病均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗性[34]。經(jīng)過(guò)挖掘和研究小麥相關(guān)抗病基因，并使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可以培育出具有較高抗性的轉(zhuǎn)基因小麥品種，有效提升小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)。

4.4 通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良小麥品質(zhì)

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們已經(jīng)不僅僅是追求小麥的產(chǎn)量，還希望小麥的品質(zhì)可以根據(jù)人們的需求得到相應(yīng)改善，便于進(jìn)一步的再加工和食品生產(chǎn)。使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)手段可以有效改善小麥的品質(zhì)和口感，改善小麥的籽粒硬度和籽粒中的淀粉含量，還可以對(duì)小麥的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，生產(chǎn)出更符合大眾需求的小麥。例如，研究人員將ADP-葡萄糖焦磷酸化酶大亞基因?qū)胄←溨仓曛锌梢杂行Т龠M(jìn)小麥籽粒中淀粉的合成[24]。通過(guò)在小麥中過(guò)表達(dá)V 型焦磷酸酶基因edvp1可以有效改善小麥品系對(duì)鉀元素的吸收量，提高小麥籽粒產(chǎn)量[35]。

5 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在水稻中的應(yīng)用

在水稻的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，病害的發(fā)生會(huì)對(duì)水稻的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，例如水稻白葉枯病、稻瘟病、紋枯病、稻曲病和矮縮病等，這些病害的發(fā)生均會(huì)對(duì)水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響[36]。蟲(chóng)害也是制約水稻生產(chǎn)的一個(gè)主要生物因素，在水稻生長(zhǎng)發(fā)育期間主要危害的蟲(chóng)害是二化螟、三化螟、褐飛虱和稻縱卷葉螟等，即使在現(xiàn)有防治水平下，中國(guó)每年因蟲(chóng)害造成的水稻產(chǎn)量損失依然非常高。使用傳統(tǒng)手段對(duì)病蟲(chóng)害進(jìn)行防治雖然也有較好的防治效果，但同時(shí)會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本并會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成污染，因此使用轉(zhuǎn)基因手段對(duì)水稻品種進(jìn)行改良，培育抗性水稻品種具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

轉(zhuǎn)基因水稻，是指將不同品種的水稻或近緣物種中的抗性基因通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)入水稻基因組內(nèi)培育新的具有較高安全性的水稻品種[37-38]。轉(zhuǎn)基因水稻的研究開(kāi)始于20世紀(jì)后期，至今中國(guó)國(guó)產(chǎn)的多種轉(zhuǎn)基因水稻品種已經(jīng)在美國(guó)獲得食用許可，在理論與應(yīng)用研究方面均取得了重大的突破。

5.1 抗病轉(zhuǎn)基因水稻

使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以培育具有較高抗性的水稻品種，研究人員通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)挖掘使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將抗病基因轉(zhuǎn)化進(jìn)水稻植株中獲得抗病品種。例如，xa21和xa23均為抗性較強(qiáng)、抗譜較廣的水稻白葉枯病抗性基因[39-40]，pi1、piz-5、pi-ta 和pi-b 為抗性較強(qiáng)的稻瘟病抗性基因[41]，將其轉(zhuǎn)化到水稻植株中大大縮短了傳統(tǒng)育種手段培育抗病新品種的時(shí)間。

5.2 抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因水稻

目前，對(duì)于水稻蟲(chóng)害的防治主要還是依賴化學(xué)農(nóng)藥，這不僅會(huì)增加農(nóng)民的生產(chǎn)成本、減少種糧收益，還造成環(huán)境污染、農(nóng)藥殘留、害蟲(chóng)抗藥性增強(qiáng)以及殺傷天敵等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。所以，培育抗蟲(chóng)品種，特別是培育對(duì)多種害蟲(chóng)均具有抗性的品種，是控制水稻蟲(chóng)害的最經(jīng)濟(jì)有效的防治手段。

目前在水稻自身中并未發(fā)現(xiàn)合適的優(yōu)異的抗蟲(chóng)基因，但是研究人員從蘇云金芽孢桿菌中分離出的Bt毒蛋白基因和蛋白酶抑制劑基因均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗蟲(chóng)性，具有較好的殺蟲(chóng)效果[42-43]。研究人員將這些表現(xiàn)優(yōu)異的外源基因通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、基因槍法等轉(zhuǎn)入水稻植株，并對(duì)轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行篩選鑒定，從而培育出新的抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因水稻品種。目前研究人員已通過(guò)該方法培育出了性狀優(yōu)良且具有較強(qiáng)抗蟲(chóng)性的水稻品種，如‘華恢1 號(hào)’、‘明恢86’和‘Bt 汕優(yōu)63’等[1,43-45]。2014年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部審核批準(zhǔn)了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)申報(bào)的轉(zhuǎn)cry1Ab/cry1Ac 基因的抗蟲(chóng)水稻‘華恢1 號(hào)’、‘ Bt 汕優(yōu)63’在湖北省范圍內(nèi)生產(chǎn)應(yīng)用的安全證書(shū)。

5.3 通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良水稻品質(zhì)

水稻的品質(zhì)主要由4 個(gè)方面組成，分別為碾磨品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食用品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。碾磨品質(zhì)主要指的是收獲后的稻谷在經(jīng)過(guò)機(jī)器加工后，得到的糙米、精米和整精米的數(shù)量。外觀品質(zhì)主要包括整精米的粒型（用長(zhǎng)寬比表示）、堊白粒率、堊白度和透明度。蒸煮食用品質(zhì)主要包括糊化溫度、直鏈淀粉含量、膠稠度、米粒延伸性和香味。食用稻米一般以中或低糊化溫度為好，直鏈淀粉含量以低或中為宜。營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主要包括精米中蛋白質(zhì)含量和賴氨酸含量，如‘華粳295’和‘華兩優(yōu)2890’均為品質(zhì)較好的優(yōu)質(zhì)稻谷品種。在改善稻谷品質(zhì)中，以對(duì)外觀品質(zhì)、蒸煮食用品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的研究居多，通過(guò)前期研究和挖掘相關(guān)的品質(zhì)調(diào)控基因，研究人員使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將目標(biāo)基因轉(zhuǎn)化到水稻植株中，從而獲得品質(zhì)較好的水稻品種。例如研究人員通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)將合成β-胡蘿卜素（合成維生素A 的前體）代謝途徑中的關(guān)鍵酶類基因(psy、crtl)轉(zhuǎn)入水稻，成功培育出富含維生素A的黃金米，大大提高了稻米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[46]。研究人員還利用T-DNA 雙元載體將可溶性淀粉合成酶SSSII-2 與潮霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶(HPT)基因一起導(dǎo)入優(yōu)質(zhì)粳稻品種，對(duì)SSSII-2 進(jìn)行RNA 干擾(RNAi)，使其表達(dá)顯著下調(diào)，導(dǎo)致胚乳的直鏈淀粉含量降低，從而獲得了可選擇的無(wú)標(biāo)記(SMF)轉(zhuǎn)基因水稻品系，且其籽粒外觀透明，淀粉理化特性和RVA 特性與當(dāng)前軟米品種相同[47]。此外，通過(guò)將能夠提高作物耐熱性的磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C9(AtPLC9)在水稻中進(jìn)行異源表達(dá)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因水稻表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐熱性，將OsNAR2.1 和OsNRT2.3a 基因在水稻中共過(guò)表達(dá)可以提高水稻產(chǎn)量和氮素利用效率[48-49]。

5.4 植物源重組人血清白蛋白注射液

作為中國(guó)的一線大宗臨床用藥，人血清白蛋白(HAS)具有重大的臨床上應(yīng)用價(jià)值，廣泛應(yīng)用于肝硬化腹水、腦水腫、手術(shù)后補(bǔ)充體液、燒傷燙傷、失血過(guò)多導(dǎo)致的休克、癌癥和艾滋病人放化療的輔助治療等領(lǐng)域，存在巨大的市場(chǎng)需求，因此各國(guó)科學(xué)家都在挖掘?qū)ふ乙环N不依賴血漿且安全廉價(jià)的重組人血清白蛋白技術(shù)。

楊代常團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)對(duì)水稻種子進(jìn)行改造生產(chǎn)制造出大量的人血清白蛋白，其蛋白含量占據(jù)水稻種子的總可溶性蛋白的10%左右。水稻胚乳生物反應(yīng)器技術(shù)主要是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)來(lái)對(duì)水稻進(jìn)行改造，將水稻的胚乳視為蛋白質(zhì)的生產(chǎn)車間來(lái)表達(dá)和生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)或多肽。水稻胚乳細(xì)胞含有非常完整的真核細(xì)胞蛋白質(zhì)加工模式，其重組蛋白質(zhì)的翻譯、折疊與修飾過(guò)程均與哺乳細(xì)胞非常相似，并且水稻具有清楚的生物學(xué)背景，目前未發(fā)現(xiàn)任何與動(dòng)物病原菌或病毒入侵植物細(xì)胞與人共患相關(guān)的報(bào)道，因此使用水稻表達(dá)重組蛋白質(zhì)具有很好的安全性和可行性。

該課題組根據(jù)人血清白蛋白氨基酸序列，人工合成了水稻偏愛(ài)密碼子的人血清白蛋白基因全序列，對(duì)其進(jìn)行克隆并構(gòu)建水稻轉(zhuǎn)化載體pOsPMP114后，將其導(dǎo)入水稻植株，獲得轉(zhuǎn)基因株系。之后，通過(guò)Western blotting檢測(cè)篩選出在水稻胚乳中表達(dá)OsrHSA較好的轉(zhuǎn)基因純合品系并通過(guò)多技術(shù)手段對(duì)其表達(dá)產(chǎn)物進(jìn)行驗(yàn)證，證明其表達(dá)的OsrHSA 具有與人血清白蛋白相同的高級(jí)結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)證明其可進(jìn)一步應(yīng)用于臨床，解決國(guó)內(nèi)人血清白蛋白供應(yīng)緊張的局面[50]。

6 展望

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用在解決人類面臨的農(nóng)業(yè)問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題等方面發(fā)揮了巨大的作用。通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育作物品種，有效提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，為農(nóng)作物育種提供了一種全新的技術(shù)和方法。

6.1 培育高產(chǎn)轉(zhuǎn)基因作物

提高作物產(chǎn)量依舊是首要目標(biāo)，由于產(chǎn)量是數(shù)量性狀，若想更大幅度地提高作物產(chǎn)量，可以通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)控制作物產(chǎn)量的基因進(jìn)行聚合，將聚合后的多基因?qū)朕r(nóng)作物植株，使其獲得更大的生產(chǎn)潛力。

6.2 培育多抗轉(zhuǎn)基因作物

農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育期間會(huì)遭遇多種病蟲(chóng)草害危害，現(xiàn)有的抗性品種多為單一抗性，僅對(duì)某種單一的病害或蟲(chóng)害具有較強(qiáng)抗性。為了更好地應(yīng)對(duì)病蟲(chóng)草危害，提高作物的綜合抗性，可以通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)多種病蟲(chóng)害的抗性基因進(jìn)行聚合，將多個(gè)抗性基因整合到作物基因組中，培育可以同時(shí)抵抗多種病蟲(chóng)害危害的多抗轉(zhuǎn)基因作物。ISAAA的數(shù)據(jù)顯示，2019年具有多種抗性的作物品種在全球范圍內(nèi)具有較大的種植面積，如抗蟲(chóng)/抗除草劑(IR/HT)復(fù)合性狀品種增長(zhǎng)了6%，為8510 萬(wàn)hm2，超過(guò)了原本種植最廣泛的耐除草劑性狀品種（8150 萬(wàn)hm2），說(shuō)明多抗性品種具有較大的應(yīng)用價(jià)值和前景[51]。

6.3 培育環(huán)境友好型轉(zhuǎn)基因作物

如今，整個(gè)社會(huì)都在倡導(dǎo)踐行節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，在農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中也可以積極響應(yīng)這一號(hào)召。通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育具有較好抗逆性、抗病蟲(chóng)性和高產(chǎn)的作物品種，在保證一定產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，減少作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中農(nóng)藥的噴施和水資源的損耗，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境[52]。

6.4 培育無(wú)標(biāo)記、轉(zhuǎn)基因插入位點(diǎn)確定的轉(zhuǎn)基因作物

轉(zhuǎn)基因作物品種在減少生物和非生物脅迫造成的損害方面發(fā)揮了重要作用，有望為全球消費(fèi)者提供越來(lái)越多的高質(zhì)量農(nóng)產(chǎn)品，但是人們對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的生物安全性一直持懷疑態(tài)度，普遍認(rèn)為為了提高轉(zhuǎn)基因作物品種的安全性，必須消除用于幫助完成轉(zhuǎn)基因過(guò)程的標(biāo)記基因，還應(yīng)當(dāng)確定轉(zhuǎn)基因的插入位點(diǎn)，即農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化在植物中的T-DNA整合位點(diǎn)及其對(duì)臨近基因表達(dá)的潛在影響，因此培育無(wú)標(biāo)記、轉(zhuǎn)基因插入位點(diǎn)確定的轉(zhuǎn)基因作物對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的安全應(yīng)用至關(guān)重要[53-54]。

目前在全球主要轉(zhuǎn)基因作物范圍內(nèi)，以轉(zhuǎn)基因玉米和轉(zhuǎn)基因大豆的種植面積較廣泛，并且轉(zhuǎn)基因玉米品種獲得審批數(shù)量最多，大豆與玉米的轉(zhuǎn)基因作物生產(chǎn)體系已初具雛形，具有完善的研究背景和技術(shù)手段，在此基礎(chǔ)上未來(lái)也許會(huì)有更大的突破。轉(zhuǎn)基因技術(shù)除了在農(nóng)作物育種中發(fā)揮巨大作用外，還可以在其他領(lǐng)域發(fā)揮作用。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)構(gòu)建植物生物反應(yīng)器、生產(chǎn)畜禽的植物基因工程疫苗也是新興的研究領(lǐng)域，與其他疫苗相比，轉(zhuǎn)基因植物疫苗具有廉價(jià)、安全、有效等優(yōu)點(diǎn)。利用轉(zhuǎn)基因植物作為環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的報(bào)警器，在環(huán)境出現(xiàn)重大生態(tài)損傷之前預(yù)告其可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以對(duì)污染地區(qū)修復(fù)效率做出評(píng)估，也是當(dāng)前轉(zhuǎn)基因植物利用的新方向。作為人類歷史上應(yīng)用最為迅速的重大技術(shù)之一，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)為未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更大的契機(jī)和影響。