農(nóng)作物抗除草劑草丁膦基因的發(fā)展進(jìn)程

何少海 鄭葉平 嚴(yán)景城 吳必波 沈鞏彥

1.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院; 2.浙江海洋學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展和轉(zhuǎn)基因技術(shù)不斷成熟的情形下，為解決勞動(dòng)力成本高，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值相對(duì)較低的現(xiàn)實(shí)問題。為適應(yīng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的革新和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程提供了技術(shù)依托。如何防治雜草以及提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)值已經(jīng)成為亟待解決的問題，農(nóng)作物抗除草劑基因的轉(zhuǎn)化受到越來越多科學(xué)家的青睞。草丁膦作為轉(zhuǎn)基因篩選具有簡便、高效、快速、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因科學(xué)研究中。 李國圣等利用基因槍法將als 基因?qū)肓擞衩讌采拷M織塊，朱常香等利用基因槍將bar 基因?qū)肓擞衩鬃越幌档挠着撸?均獲得了抗除草劑基因玉米自交系[1,2]。吳愛忠等[3]以含Bar 基因的pAHC20 為供體DNA，利用花粉管導(dǎo)入法培育抗除草劑的轉(zhuǎn)基因水稻。本文主要通過分析抗草丁膦除草劑的技術(shù)應(yīng)用和當(dāng)前抗草丁膦轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，這對(duì)當(dāng)前抗除草劑轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展有著拋磚引玉的作用。

一、草丁膦毒害機(jī)理及抗草丁膦基因表達(dá)

草丁膦（PPT）是低毒、廣譜的有機(jī)磷類除草劑。除草劑草丁膦的有效成分為膦絲菌素（PPT），是谷氨酰胺合成酶的一種強(qiáng)力抑制劑。谷氨酰胺合成酶是植物體內(nèi)唯一能解氨毒的酶，它能夠去除植物體內(nèi)硝酸還原反應(yīng)、氨解反應(yīng)和光呼吸過程中所釋放的氨。 草丁膦通過抑制谷氨酰胺合成酶活性，使植物體內(nèi)氨代謝混亂，細(xì)胞體內(nèi)氨的含量過高而中毒，葉綠素解體，最終引起植物死亡[4]。 草丁膦的抗性bar 基因來自土壤吸水鏈霉菌， 它編碼膦絲菌素乙酰轉(zhuǎn)移酶（PAT），PAT 使PPT 發(fā)生自由氨基乙?；瘡亩鴮?duì)其進(jìn)行解毒，使之不能抑制谷氨酰胺合成酶的活性，因而含有bar 基因的植物對(duì)草丁膦具有抗性。 草丁膦使得雜草氨基酸合成途徑受影響而死亡，而具有抗草丁膦基因的目標(biāo)作物可以存活。

二、草丁膦基因的研究進(jìn)程與總結(jié)

1986 年轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物首次獲準(zhǔn)進(jìn)入田間試驗(yàn)和1994 年第一個(gè)轉(zhuǎn)基因的植物產(chǎn)品在美國獲準(zhǔn)上市。研究表明， 抗除草劑農(nóng)作物在轉(zhuǎn)基因作物中應(yīng)用最廣。 水稻的轉(zhuǎn)基因研究開始于20 世紀(jì)80 年代末期， 由于耕地的不斷減少以及人口的持續(xù)增加，化肥和農(nóng)藥的不合理使用，從而依靠傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)獲得水稻高產(chǎn)很難，因此轉(zhuǎn)基因技術(shù)受到了很多的關(guān)注與研究。

基因槍法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)法是目前研究較多、應(yīng)用較廣的基因轉(zhuǎn)化法[5]。 轉(zhuǎn)基因科學(xué)研究主要以農(nóng)桿菌介導(dǎo)法和基因槍法為主。轉(zhuǎn)基因水稻主要向由我國學(xué)者們提出的培育綠色超級(jí)稻的方向發(fā)展。油菜作為主要的油料作物，抗草丁膦基因油菜是在油菜轉(zhuǎn)基因研究中研究最多、應(yīng)用最廣的技術(shù)，主要是由于其具有廣普、高效、低毒、低殘留和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。 因此抗草丁膦油菜已經(jīng)成為商業(yè)化和研究的熱點(diǎn)?？共荻§ⅲ℅lyphosate） 轉(zhuǎn)基因大豆是由美國Monsanto 公司研制，并得到了迅速發(fā)展。 中國市場(chǎng)上的大豆基本以轉(zhuǎn)基因大豆為主，這與中國加入世界貿(mào)易組織后美國大豆入侵中國市場(chǎng)有著密切關(guān)系。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉是目前轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品在市場(chǎng)上最受歡迎的。主要農(nóng)作物轉(zhuǎn)基因研究進(jìn)展相當(dāng)快，但轉(zhuǎn)基因食品尤其是轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)人類安全性的論證還需要很多的科學(xué)研究和科學(xué)依據(jù)。

三、草丁膦基因的優(yōu)缺點(diǎn)與展望

對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，抗除草劑草丁膦轉(zhuǎn)基因作物的栽培會(huì)大大減少勞動(dòng)成本，解放勞動(dòng)力，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)提供技術(shù)支撐，這將促使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的重大變革。 從科學(xué)技術(shù)方面，日漸成熟的基因轉(zhuǎn)化體系與技術(shù)， 專家學(xué)者們獲得了一大批轉(zhuǎn)基因材料，很多重要的基因被發(fā)現(xiàn)和定位，這有力地推動(dòng)了基因科學(xué)的發(fā)展與完善。

然而抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物雖然可以抵抗雜草，但是長期使用可能會(huì)使雜草產(chǎn)生抗性， 成為超級(jí)雜草，這對(duì)生態(tài)的平衡可能產(chǎn)生毀滅性打擊；轉(zhuǎn)基因技術(shù)是人為的將外源基因?qū)肽繕?biāo)作物上，可能會(huì)產(chǎn)生基因污染問題， 這對(duì)自然發(fā)展和自然基因庫的影響很大，有可能給自然帶來毀滅性災(zāi)難；對(duì)轉(zhuǎn)基因毒性問題還有待深入研究。 但巴西豆過敏事件、轉(zhuǎn)基因馬鈴薯引起大鼠器官生長異常等健康問題對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的推廣有著很大的阻力。 最為之可怕的食用轉(zhuǎn)基因食品，有可能使被轉(zhuǎn)基因DNA 侵入人體細(xì)胞， 產(chǎn)生病原病毒。

當(dāng)前，轉(zhuǎn)基因技術(shù)是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。如何更好的利用這一新興技術(shù)造福人類是所有專家學(xué)者的共同目的。 2014 年9 月28 日，國家主席習(xí)近平對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)提到自己的看法。 一是確保安全，二是要自主創(chuàng)新。 也就是說，在研究上要大膽，在推廣上要慎重。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化推廣，要嚴(yán)格按照國家制定的技術(shù)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行， 穩(wěn)扎穩(wěn)打，確保不出閃失，涉及安全的因素都要考慮到。 要大膽創(chuàng)新研究，占領(lǐng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)制高點(diǎn)，不能把轉(zhuǎn)基因市場(chǎng)都讓外國大公司占領(lǐng)了。這對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展可能會(huì)起到重大推動(dòng)作用。 作為一個(gè)新興事物，未來轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展方向必定是朝著健康的方向發(fā)展?？共荻§⒊輨┺D(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面會(huì)越來越廣泛，極大的提高了農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和生產(chǎn)效率，將會(huì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)的技術(shù)性革命。 商業(yè)化的推廣種植，對(duì)解決環(huán)境惡化、資源匱乏、效益衰減、緩解糧食短缺壓力有重大的作用。 利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)定向改造植物，打破物種界限，加快了良種選育的過程，充分利用了自然遺傳資源，這對(duì)提高作物抗性和產(chǎn)量以及品質(zhì)有著重大影響。

抗除草劑轉(zhuǎn)基因的技術(shù)發(fā)展日漸成熟，但是還需要一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z測(cè)與監(jiān)督程序測(cè)定轉(zhuǎn)基因作物的安全性，才能確保轉(zhuǎn)基因作物的推廣與長久發(fā)展。 現(xiàn)今抗草丁膦基因已經(jīng)導(dǎo)入在大豆、水稻、棉花等主要農(nóng)作物。 在建立起一套完善的檢測(cè)技術(shù)后，抗草丁膦除草劑轉(zhuǎn)基因技術(shù)將給農(nóng)業(yè)技術(shù)帶來巨大的效益?？共荻§⒊輨┗蛴型谥饕r(nóng)作物防治雜草中大放異彩，也將會(huì)大大減少雜草危害以及農(nóng)藥化肥污染浪費(fèi)，對(duì)美化生態(tài)環(huán)境起到了重要的作用。

[1]李國圣，張卿偉，張舉仁等.玉米叢生芽體系的建立及抗除草劑轉(zhuǎn)基因植株再生[J]. 中國科學(xué) （C 輯）,2001,31（5）：385-391.

[2]朱常香，宋云枝，張杰道等.抗蟲、抗除草劑轉(zhuǎn)基因玉米的獲得及遺傳研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2002,33（2）：120-125.

[3]吳愛忠，蔡潤，潘俊松等. 花粉管導(dǎo)入法培育抗除草劑的轉(zhuǎn)基因水稻[J]. 上海農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1999,17(4):237-241.

[4]張宏軍，劉學(xué)，張佳等. 草銨膦的作用機(jī)理及其應(yīng)用[J].農(nóng)藥與科學(xué)管理，2004, 25(4): 23-27.

[5]王玉林，方宏筠. 植物基因工程原理與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，1998:194-33.