轉(zhuǎn)基因技術(shù)在玉米育種中的運(yùn)用

王良發(fā) 張守林 盧瑞乾 李長(zhǎng)建 李風(fēng)章 王靜 張素芬

摘要 就玉米轉(zhuǎn)基因在抗除草劑、抗蟲(chóng)、抗病、抗鹽堿等方面取得的成果進(jìn)行了回顧，以期為我國(guó)玉米分子育種研究提供參考。

關(guān)鍵詞 玉米；轉(zhuǎn)基因；非生物脅迫；分子育種

中圖分類(lèi)號(hào) S512 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）31-10875-02

Application of Transgene in Maize Breeding

WANG Liangfa， ZHANG Shoulin， LU Ruiqian et al （Maize Research Center， Hebi Academy of Agricultural Sciences， Hebi， Henan 458030）

Abstract The achievements of transgenic maize in herbicide resistance， insect resistance， disease resistance and alkali resistance were reviewed. It would be helpful for scientists who are working on the study of molecular breeding of maize in China.

Key words Maize； Transgene； Abiotic stress； Molecular breeding

玉米是人類(lèi)重要食物之一，在過(guò)去的幾十年里，傳統(tǒng)雜交育種為人類(lèi)糧食生產(chǎn)作出了巨大貢獻(xiàn)。但隨著人口數(shù)量的劇增，傳統(tǒng)育種技術(shù)已不能滿足人類(lèi)對(duì)食物、能源等的需求。轉(zhuǎn)基因技術(shù)因能在較短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)人們所需的生物性狀而迅速發(fā)展。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2030年，全球50%的農(nóng)產(chǎn)品將由轉(zhuǎn)基因技術(shù)提供^[1]。筆者就玉米轉(zhuǎn)基因在抗除草劑、抗蟲(chóng)、抗病、抗鹽堿等方面的成果進(jìn)行了回顧，以期為我國(guó)玉米分子育種研究提供參考。

1 技術(shù)回顧

1.1 玉米轉(zhuǎn)基因技術(shù)

將外源 DNA片段轉(zhuǎn)入玉米細(xì)胞中主要有3種方法：①載體介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法，如農(nóng)桿菌介導(dǎo)法；②DNA直接導(dǎo)入法，如基因槍法；③種質(zhì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化法，如花粉管通道法。

1983年，農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法成功運(yùn)用于雙子葉植物煙草，直到1996年，ISHIDA等^[2]構(gòu)建超雙元載體，以根癌農(nóng)桿菌為媒介轉(zhuǎn)化玉米自交系 A188 的幼胚，獲得了轉(zhuǎn)基因植株，農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法得以在玉米育種中廣泛運(yùn)用。

基因槍法是將外源 DNA包裹在微小的金?；蜴u粒表面，然后在高壓放電所產(chǎn)生的推力下高速微粒射入受體細(xì)胞或組織，使之導(dǎo)入細(xì)胞?；驑尫ň哂胁皇苁荏w類(lèi)型限制，可同時(shí)轉(zhuǎn)化多個(gè)基因，轉(zhuǎn)化率高的特點(diǎn)。

1988年，周光宇等^[3]提出并發(fā)展了花粉管通道法，該法的主要原理是授粉后使外源基因能沿花粉管滲入，經(jīng)過(guò)珠心通道進(jìn)入胚囊，轉(zhuǎn)化尚不具備正常細(xì)胞壁的卵、合子或早期胚胎細(xì)胞。該法操作簡(jiǎn)單，無(wú)需建立愈傷組織誘導(dǎo)，省時(shí)省力，不受植株基因型限制。

1.2 標(biāo)記基因

作物轉(zhuǎn)基因所應(yīng)用的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)只能使一小部分細(xì)胞穩(wěn)定轉(zhuǎn)化，因此在導(dǎo)入目的基因的同時(shí)還要導(dǎo)入標(biāo)記基因，賦予轉(zhuǎn)化體特定標(biāo)記以便于識(shí)別和鑒定^[4]。部分常用于轉(zhuǎn)基因玉米的標(biāo)記基因見(jiàn)表1。

2 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在玉米中的應(yīng)用

2.1 抗除草劑

將抗除草劑耐性引入玉米是增加對(duì)除草劑選擇及安全性的一種新途徑，也是一種高效、低成本、無(wú)公害的控制雜草的手段。

1996年美國(guó)孟山都公司最先注冊(cè)了抗草甘膦（農(nóng)達(dá)）的玉米品種，1997年美國(guó)孟山都公司已將EPSPS轉(zhuǎn)基因玉米應(yīng)用于大田試驗(yàn)。SR玉米是BASF公司開(kāi)發(fā)的抗除草劑玉米，對(duì)除草劑具有高度耐受性，在出芽后噴施可防治大多數(shù)禾本科雜草。在抗除草劑基因中以來(lái)源于吸水鏈霉菌的（Streptomyces hygroscopicus ）Bar基因應(yīng)用最廣且最成功。

近年來(lái)，研究人員培育出了一大批抗除草劑轉(zhuǎn)基因玉米品種。如抗咪唑啉酮玉米、抗稀禾定玉米、抗Liberty玉米、抗Poast玉米、抗草銨膦玉米、抗草丁膦玉米等。

2.2 抗蟲(chóng)

蟲(chóng)害是制約玉米生產(chǎn)的一大因素。傳統(tǒng)的化學(xué)殺蟲(chóng)劑不僅殺死害蟲(chóng)，還殺死了害蟲(chóng)的天敵，造成生態(tài)平衡破壞和環(huán)境污染。轉(zhuǎn)基因玉米是代替殺蟲(chóng)劑的更有效方法。

由于玉米螟泛濫，從蘇云金桿菌分離出的Bt毒蛋白基因就是針對(duì)這類(lèi)鱗翅目昆蟲(chóng)的，Bt毒蛋白在昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)的腸道內(nèi)微堿性條件下，經(jīng)蛋白酶水解，轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘远嚯姆肿?，可與敏感昆蟲(chóng)腸道上表皮細(xì)胞表面特異受體相互作用，擾亂細(xì)胞的滲透平衡，引起細(xì)胞腫脹甚至裂解，從而導(dǎo)致幼蟲(chóng)停止進(jìn)食最終死亡。隨后，針對(duì)鞘翅目、雙翅目的基因相繼發(fā)現(xiàn)。目前市面上已有好幾種Bt基因出售。

我國(guó)從1989年開(kāi)始轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)育種。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因研究課題組將Bt毒蛋白基因轉(zhuǎn)入玉米獲得了有抗蟲(chóng)性的轉(zhuǎn)化體，并在后代中分離出了正常遺傳的家系^[5]。王國(guó)英等^[6]成功地利用基因槍法把Bt基因轉(zhuǎn)移到玉米幼胚中，再生植株中CryIA基因得到表達(dá)。王景雪等^[7]用花粉管通道法分別將幾丁質(zhì)酶基因和Bt 基因?qū)胗衩住?/p>

由于長(zhǎng)時(shí)間的單一種植，一些目標(biāo)害蟲(chóng)對(duì)抗蟲(chóng)植株再次出現(xiàn)抗性，人們開(kāi)始尋找新的抗性基因。近年來(lái)，研究人員在嘗試克隆植物來(lái)源的抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因代替微生物來(lái)源基因，主要涉及的基因有：①蛋白酶抑制劑抗蟲(chóng)基因，如豇豆胰蛋白抑制劑基因（SCK）和豇豆胰蛋白抑制劑基因（CpTI）等。②植物外源凝集素（Lectin）基因，如雪花蓮凝集素基因（GNA）和半夏凝集素基因（pta）^[8]。也有研究者建議轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因植株混種，以延緩抗蟲(chóng)群體暴發(fā)的時(shí)間。

2.3 抗病

玉米生長(zhǎng)期間常受到病毒性病害（矮花葉病、玉米粗縮病等）、真菌性病害（玉米紋枯?。┖图?xì)菌性病害等侵襲而使其品質(zhì)及產(chǎn)量下降。

向玉米植株抗矮花葉病毒的能力轉(zhuǎn)入能與矮花葉病毒外殼蛋白基因互補(bǔ)的hpRNA后，玉米植株抗矮花葉病毒的能力顯著提高，研究還發(fā)現(xiàn)抗病能力與hpRNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度相關(guān)^[9]。沉默胱抑素基因（CC9）能有效地增強(qiáng)玉米植株對(duì)黑粉病的抗性^[10]。向玉米中轉(zhuǎn)入一種來(lái)至大腸桿菌的核糖核酸內(nèi)切酶基因，玉米植株表現(xiàn)出對(duì)玉米粗縮病的抗性^[11]。將兔防御素基因（NP1）導(dǎo)入玉米可有效抗大斑病^[12]。

2.4 抗非生物脅迫

當(dāng)農(nóng)作物對(duì)除草劑、害蟲(chóng)等獲得抗性成功后，研究者又把關(guān)注點(diǎn)移向非生物脅迫因子，如干旱、鹽堿、缺氮、少磷的環(huán)境。第一個(gè)商業(yè)化抗旱轉(zhuǎn)基因玉米品種是孟山都公司研發(fā)的Droughtgard玉米，該品種含有來(lái)源于枯草芽孢桿菌的cspB基因，冷休克蛋白cspB能與DNA或RNA結(jié)合，可以促進(jìn)植物適應(yīng)缺水環(huán)境。LU等^[13]向玉米中轉(zhuǎn)入鉬輔因子硫化酶， WANG等^[14]向玉米中轉(zhuǎn)入編碼磷脂酰肌醇磷脂酶ZmPLC1基因，AMARA等^[15]在玉米中大量表達(dá)LEA Rab28蛋白，都增強(qiáng)了玉米對(duì)干旱的耐受性。

任小燕等^[16]采用超聲波輔助花粉介導(dǎo)法將山菠菜膽堿單加氧酶（AhCMO）基因轉(zhuǎn)入玉米自交系“鄭58”中，結(jié)果表明，CMO的轉(zhuǎn)化提高了玉米的耐鹽性。付光明^[17]將玉米表達(dá)甜菜堿醛脫氫酶后發(fā)現(xiàn)重組玉米具有較強(qiáng)的耐鹽性。

農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育需要各種營(yíng)養(yǎng)元素，但我國(guó)部分土壤貧瘠，嚴(yán)重影響了糧食生產(chǎn)。針對(duì)缺氮、少磷的環(huán)境，大量的試驗(yàn)正在進(jìn)行。轉(zhuǎn)鹽芥H+焦磷酸酶（TsVP）玉米在磷酸鹽充足和缺乏的條件下都表現(xiàn)出比對(duì)照具有較強(qiáng)活力的根系，在磷酸鹽缺乏條件下，轉(zhuǎn)TsVP玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量、繁殖能力都優(yōu)于對(duì)照^[18]。向玉米導(dǎo)入ZmPTF1基因，可溶性糖在葉片和根部的含量發(fā)生改變，對(duì)缺磷的耐受性顯著增強(qiáng)^[19]。研究表明miRNA表達(dá)可以增強(qiáng)植株對(duì)N缺乏發(fā)生生理適應(yīng)^[20]。

3 展望

今天，轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品已惠及大多數(shù)人，防治乙肝病毒的乙肝疫苗和治療糖尿病的胰島素目前都源自轉(zhuǎn)基因。由于玉米產(chǎn)量大，比單細(xì)胞發(fā)酵成本低，比從動(dòng)物中提取更安全，研究人員開(kāi)始運(yùn)用玉米作為生物反應(yīng)器，生產(chǎn)人們急需的糖類(lèi)、氨基酸、維生素、醫(yī)用蛋白和生物燃料等。目前，我國(guó)正通過(guò)轉(zhuǎn)基因新品種培育重大專(zhuān)項(xiàng)整合國(guó)內(nèi)大部分科研院所的資源，來(lái)加快玉米轉(zhuǎn)基因研究步伐，這對(duì)于解決我們面臨的環(huán)境惡化、資源匱乏、糧食短缺等問(wèn)題具有重要作用。

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