基因技術(shù)對(duì)農(nóng)作物抗病的意義和展望

摘要 基因技術(shù)的飛速發(fā)展及其在農(nóng)作物病理學(xué)中的廣泛應(yīng)用，為農(nóng)作物抗病基因和病原菌無(wú)毒基因的克隆奠定了基礎(chǔ)。近40個(gè)農(nóng)作物抗病基因和30多個(gè)病原菌無(wú)毒基因的克隆及其結(jié)構(gòu)與功能的明確，有利于深入研究病原菌與寄主之間的相互作用關(guān)系，制定更為有效的農(nóng)作物病害防治措施。主要論述基因技術(shù)對(duì)于農(nóng)作物抗病的原理、意義和前景展望。

關(guān)鍵詞 基因技術(shù)；無(wú)毒基因；農(nóng)作物抗??；前景展望

中圖分類號(hào) S43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1671-489X（2008）18-0064-02

農(nóng)作物病害給人類帶來(lái)嚴(yán)重的危害，人類與農(nóng)作物病害的斗爭(zhēng)貫穿于農(nóng)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步之中。興起于20世紀(jì)初期的經(jīng)典遺傳學(xué)使人們能夠通過(guò)雜交育種成功地培育出新抗病品種，大幅度地提高糧食產(chǎn)量。近年來(lái)，分子生物學(xué)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展完善，使人們不但能夠從分子水平上進(jìn)一步研究農(nóng)作物與病原菌的相互作用機(jī)制，而且還可以通過(guò)基因技術(shù)這一現(xiàn)代生物技術(shù)直接、快速和高效地培育抗病作物品種。

1 農(nóng)作物抗病基因技術(shù)的原理

農(nóng)作物抗病基因技術(shù)指的是用遺傳轉(zhuǎn)化的手段提高農(nóng)作物的抗病能力，獲得轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的方法。農(nóng)作物抗病基因技術(shù)主要內(nèi)容是：進(jìn)行抗病基因及其他相關(guān)基因的分離和復(fù)制；與合適的載體及標(biāo)記基因構(gòu)成適合于轉(zhuǎn)化的重組質(zhì)粒；用不同的轉(zhuǎn)化方法向受體作物導(dǎo)人重組質(zhì)粒；篩選轉(zhuǎn)化植株并鑒定轉(zhuǎn)基因植株。除此之外，另一種獲得抗病轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的方法是，將具有抗病能力的農(nóng)作物的DNA直接導(dǎo)入受體作物，篩選出后代中具有抗病能力的植株，經(jīng)過(guò)穩(wěn)定得到轉(zhuǎn)基因抗病后代。

2 用于農(nóng)作物抗病基因技術(shù)的目的基因

2.1 農(nóng)作物抗病基因一般的抗病基因是指包含在主體內(nèi)能識(shí)別病原特性并激發(fā)抗病反應(yīng)的基因，它與病原菌的無(wú)毒基因互補(bǔ)。編碼胞外和胞內(nèi)兩種類型的受體蛋白，是抗病反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈的起始組份，當(dāng)與病原菌的無(wú)毒基因直接或間接編碼產(chǎn)物互補(bǔ)結(jié)合后，啟動(dòng)并傳導(dǎo)信號(hào)，激發(fā)如過(guò)敏反應(yīng)和系統(tǒng)獲得抗性的抗病反應(yīng)。

2.2 病原體無(wú)毒基因目前，無(wú)毒基因在農(nóng)作物抗病基因技術(shù)上的實(shí)際應(yīng)用遠(yuǎn)比農(nóng)作物本身的抗病基因廣，且有良好的應(yīng)用前景，因此對(duì)無(wú)毒基因的克隆具有重要的意義。

2.3 農(nóng)作物防衛(wèi)反應(yīng)基因農(nóng)作物的防衛(wèi)機(jī)制極其復(fù)雜，包括水解酶和病程相關(guān)蛋白 (PR蛋白) 的產(chǎn)生、農(nóng)作物保衛(wèi)素的合成和積累、細(xì)胞壁的木質(zhì)化作用以及富含輕脯氨酸糖蛋白在細(xì)胞壁的積累等許多方面。主要是農(nóng)作物產(chǎn)生的水解酶和PR蛋白，包括幾丁質(zhì)酶基因和葡聚糖酶基因、溶菌酶基因、抗菌蛋白基因等等。

2.4 降解或抑制病原物致病因子的基因在病原菌侵染致病過(guò)程中，病原菌產(chǎn)生的細(xì)胞壁降解酶和致病毒素起重要作用。例如，多聚半乳糖酸酶是一種細(xì)胞壁降解酶，在一些雙子葉農(nóng)作物中發(fā)現(xiàn)有多聚半乳糖酸酶抑制蛋白，該蛋白能有效地抑制農(nóng)作物病原菌的 PG 活性，提高農(nóng)作物的抗病能力。菜豆和梨的多聚半乳糖酸酶抑制蛋白基因已被分離克隆，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)基因研究。

3 農(nóng)作物抗病基因的轉(zhuǎn)化方法

自1983年第一例轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物獲得成功以來(lái)，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)發(fā)明了多種轉(zhuǎn)化方法用于農(nóng)作物的基因轉(zhuǎn)化。在成功的例子中占80％的是農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移法，另外，基因槍法也是主要的轉(zhuǎn)化方法。隨著研究的深入，其他的轉(zhuǎn)化方法不斷涌現(xiàn)，有多種方法成功地得到了轉(zhuǎn)基因植株，并且各具特點(diǎn)。

3.1.農(nóng)桿菌介導(dǎo)法根癌農(nóng)桿菌和發(fā)根農(nóng)桿菌屬革蘭氏陰性菌，對(duì)雙子葉農(nóng)作物侵染廣泛，在某些條件下對(duì)單子葉農(nóng)作物也有一定的感染性。根癌農(nóng)桿菌含有Ti質(zhì)粒，Ti質(zhì)粒上的T-DNA可以插入到農(nóng)作物基因組中，誘導(dǎo)在宿主農(nóng)作物中瘤狀物的形成。因此，將外源目的基因插入到T-DNA 中，借助Ti質(zhì)粒的載體作用，使目的基因在宿主農(nóng)作物中整合、表達(dá)。農(nóng)桿菌介導(dǎo)法又可根據(jù)其受體材料不同分為原生質(zhì)體共培養(yǎng)法、葉盤法和創(chuàng)傷農(nóng)作物感染法，其中葉盤法在許多農(nóng)作物上得到廣泛應(yīng)用[1]。

3.2 基因槍法該方法是美國(guó)康奈爾大學(xué)的J.C.Sanford教授在1987年發(fā)明的?；驑尫ㄓ址Q微彈法、粒子轟擊法等，是利用放電加速的金屬粒子攜帶外源DNA打入農(nóng)作物細(xì)胞或組織中進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移的一種方法?；驑尫ㄍ黄屏嘶蜣D(zhuǎn)移的物種界限，操作對(duì)象可以是完整的細(xì)胞或組織，也不必制備原生質(zhì)體，實(shí)驗(yàn)步驟比較簡(jiǎn)單易行，具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用范圍。

3.3 其他方法1）離子束介導(dǎo)法，是利用離子束對(duì)細(xì)胞壁的濺射和刻蝕作用，在細(xì)胞表面形成許多微孔道，為外源基因進(jìn)入細(xì)胞提供路徑。2）脂質(zhì)體法，用人工合成的脂類化學(xué)物質(zhì)，將DNA包裹成球體，通過(guò)農(nóng)作物原生質(zhì)體的吞噬或融合作用把DNA轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞。3）激光微束法，利用激光微束精確的定向性和損傷小的特點(diǎn)，將激光聚焦成微米級(jí)的微束去照射細(xì)胞，在細(xì)胞膜上可形成能自我愈合的微孔，使外源DNA易進(jìn)入細(xì)胞實(shí)現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)移。4）超聲波法，利用低聲強(qiáng)脈沖超聲波的物理作用，擊穿細(xì)胞膜造成通道，使外源DNA進(jìn)入細(xì)胞[2]。

4 農(nóng)作物抗病基因技術(shù)的重要意義

農(nóng)作物基因技術(shù)是細(xì)胞水平和分子水平上的遺傳操作，其最大優(yōu)點(diǎn)是能最大限度地利用人們所感興趣的外源基因以及使工作更具目的性，給農(nóng)作物抗病育種提供一條十分有效和有用的途徑。在抗病育種方面，科學(xué)家可以通過(guò)基因技術(shù)將抗病毒、抗細(xì)菌和抗真菌的基因引入農(nóng)作物中，從而提高農(nóng)作物的抗病性。而且，用轉(zhuǎn)基因的方法比常規(guī)的雜交育種方法，在育種周期上要縮短3～4年，展示了農(nóng)作物抗病基因技術(shù)在育種上的應(yīng)用前景。

5 基因技術(shù)在農(nóng)作物抗病方面的應(yīng)用前景

基因技術(shù)主要是通過(guò)遺傳圖譜為基礎(chǔ)的圖位克隆技術(shù)獲得的。除此之外，基因技術(shù)克隆技術(shù)又有創(chuàng)新，分析各個(gè)基因在不同時(shí)空的表達(dá)方面也顯示出巨大的應(yīng)用潛能[3]。其中創(chuàng)新包括：通過(guò)研究缺失突變體的表型分離基因，如核DNA消減法；從大的基因組區(qū)域直接分離編碼序列，如cDNA文庫(kù)差示篩選法和cDNA捕捉法；以mRNA為起始材料的表型克隆法，如通過(guò)研究mRNA差異表達(dá)篩選克隆基因；應(yīng)用DNA芯片（DNA chip）技術(shù)篩選新的基因。

對(duì)農(nóng)作物抗病相關(guān)基因及其作用機(jī)制的深入了解，將有助于促進(jìn)農(nóng)作物抗病分子育種的發(fā)展，從而最終達(dá)到控制病害發(fā)生、保障農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的目的。利用已克隆的農(nóng)作物抗病基因及病原菌的無(wú)毒基因進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，是提高農(nóng)作物對(duì)病原菌抗性的一條有效途徑。通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)法或基因槍法進(jìn)行遺傳操作，已獲得一批抗病轉(zhuǎn)基因植株，有的還通過(guò)了安全性試驗(yàn)，開(kāi)始商品化生產(chǎn)，展現(xiàn)出美好的前景。

總之，隨著基因技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，特別是目前人類基因草圖已經(jīng)繪制成功，一旦人類遺傳密碼全部破譯，則基因技術(shù)在植物學(xué)中的應(yīng)用將更加廣泛，并將產(chǎn)生更多更顯著的成果，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)科學(xué)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]張祥喜.植物抗病相關(guān)基因研究進(jìn)展[J].中華醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)雜志，2004(8)

[3]庫(kù)爾特#8226;拜爾茨.基因倫理學(xué)[M].馬懷琪，譯.北京:華夏出版社，2001