轉(zhuǎn)基因植物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

任志強, 肖建紅， 楊慧珍, 卜華虎

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原 030031；2.農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，山西太原 030031)

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轉(zhuǎn)基因植物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

任志強1，2, 肖建紅1， 楊慧珍1, 卜華虎1

(1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原 030031；2.農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，山西太原 030031)

摘要從增強作物抗性、改善蔬菜品質(zhì)、改善小麥面包粉品質(zhì)、降低咖啡堿含量、增加維生素含量、增加營養(yǎng)品質(zhì)等方面綜述了轉(zhuǎn)基因植物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，并對未來轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)基因植物；分子農(nóng)業(yè)；生物技術(shù)

The Application of Transgenic Plants in Agriculture

REN Zhi-qiang1,2, XIAO Jian-hong1, YANG Hui-zhen1et al (1. Modern Agriculture Research Center, Shanxi Academy of Agriculture Science, Taiyuan, Shanxi 030031; 2. Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement on Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Taiyuan, Shanxi 030031)

AbstractThe application of transgenic plants in agriculture were reviewed from aspects of enhancing crop resistance, improving vegetable quality, perfecting the baking quality of wheat bread flour, reducing caffeine content, increasing vitamin content and nutritional quality, the application prospect of transgenic plants was forecasted.

Key wordsTransgenic plants; Molecule agriculture; Biotechnology

分子農(nóng)業(yè)是利用動植物分子遺傳學(xué)和轉(zhuǎn)基因方法等生物技術(shù)將外源基因?qū)胧荏w植物體內(nèi)，改變其遺傳組成而使其成為具有特殊功能的植物[1]，分子農(nóng)業(yè)利用植物生產(chǎn)和提取所需物質(zhì)，便于操作和規(guī)模化生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)工廠化發(fā)展奠定了科技基礎(chǔ)。目前轉(zhuǎn)基因植物已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護、工業(yè)生產(chǎn)、食品品質(zhì)改良、醫(yī)學(xué)保健等多個領(lǐng)域，并在解決人類糧食、健康等重大問題上發(fā)揮了獨特的作用。據(jù)統(tǒng)計，1996~2012年來自全球約30個國家種植轉(zhuǎn)基因作物，累計種植面積超過15億 hm2，2012年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積達到1.703億 hm2[2]。我國轉(zhuǎn)基因植物研究起步較晚，但由于確立了正確的發(fā)展策略，將其及時列入重點扶持的“轉(zhuǎn)基因重大專項研究”，發(fā)展迅速，并已取得很大成就。

轉(zhuǎn)基因植物以其簡便操作、價格低廉、無副作用等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)注入無限的生機。筆者從增強作物抗性、改善蔬菜品質(zhì)、改善小麥面包粉品質(zhì)、降低咖啡堿含量、增加維生素含量、增加營養(yǎng)品質(zhì)等方面進行綜述，并對轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用前景進行了展望。

1增強作物抗性

2015年孫越等[3]通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的玉米莖尖遺傳轉(zhuǎn)化法將目標(biāo)基因轉(zhuǎn)入玉米材料，構(gòu)建出既抗草甘膦又抗蟲的質(zhì)粒pCAMBIA1302-P35S::epsps-Tnos-Pubi::cry1AcM-Tnos。通過分子檢測、草甘膦抗性篩選和田間接種亞洲玉米螟等試驗篩選出轉(zhuǎn)基因株系，并進行了轉(zhuǎn)基因植株室內(nèi)抗亞洲玉米螟和田間草甘膦抗性分析試驗，采用RT-PCR檢測和Western blot方法得出抗蟲蛋白在轉(zhuǎn)基因植株中穩(wěn)定表達。從大量轉(zhuǎn)基因株系中優(yōu)選出6個遺傳穩(wěn)定且抗亞洲玉米螟、抗除草劑草甘膦的轉(zhuǎn)基因玉米株系。通過花粉管通道法和農(nóng)桿菌介導(dǎo)法，將人工合成的殺蟲基因轉(zhuǎn)移到棉花品種中，獲得中國抗蟲棉1號(GK-1)和中國抗蟲棉95-1號(GK95-1)，目前已在我國進行大面積的試種、示范和商品化生產(chǎn)。

2011年高靜等[4]通過PEG融合法對其原生體進行轉(zhuǎn)化，把帶hph基因的質(zhì)粒導(dǎo)入蘋果腐爛病菌03-8，結(jié)果表明，外源基因hph能在蘋果腐爛病菌中穩(wěn)定遺傳，為蘋果腐爛病菌的致病機制研究、致病相關(guān)基因克隆以及為尋求控制該病害的有效途徑奠定了基礎(chǔ)。PonericinW1可以抑制稻瘟病菌、葡萄灰霉病菌的菌絲生長，可以抑制小麥赤霉病菌的菌絲生長和產(chǎn)孢，還可以抑制丁香假單胞桿菌番茄致病變種和水稻白葉枯病菌的生長。陳永芳等[5]把PonericinW1基因序列經(jīng)密碼子優(yōu)化，人工合成后構(gòu)建至植物表達載體，采用蘸花法由農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化擬南芥。轉(zhuǎn)基因植株接種病原真菌白粉病菌后，葉片上菌絲和分生孢子梗都少于野生型，且有未萌發(fā)的孢子；接種病原細菌丁香假單胞桿菌后，葉片內(nèi)的細菌量較野生型顯著減少，表明轉(zhuǎn)基因植株的抗病性較野生型顯著增強。

He等[6]利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將膽堿脫氫酶基因(betA)導(dǎo)入小麥中，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因植株小麥體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物甜菜堿的含量大大提高，從而提高了耐旱性，農(nóng)桿菌介導(dǎo)的單子葉植物轉(zhuǎn)化試驗在水稻、玉米上也取得了成功。潘映雪等[7]以馬鈴薯品種“東農(nóng)303”微型薯為試驗材料，通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法把耐旱植物厚葉旋蒴苣苔的脫水蛋白基因BDN1導(dǎo)入馬鈴薯中，并研究了其遺傳轉(zhuǎn)化的影響因素，對其獲得的抗性再生植株進行PCR檢測、Southern blot檢測、半定量RT-PCR檢測并測定了轉(zhuǎn)基因植株的相對含水量、脯氨酸含量、丙二醛含量和超氧化物歧化酶活性，結(jié)果表明，BDN1基因在馬鈴薯中高效表達，轉(zhuǎn)基因植株葉片的鎖水能力加強，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增多，酶活性升高，增強了馬鈴薯耐旱能力。

在煙草中成功導(dǎo)入一種從胡蘿卜中提取的AFPs基因，該基因的表達可減輕煙草因凍害而造成的損失。AFPs的積累可以阻止胡蘿卜中的冰晶形成，減輕冰凍土壤中根系損害。把從北極蝶中提取的防凍基因?qū)氩葺?，可以提高草莓抗凍性[8]。

2改善作物品質(zhì)

2.1改善蔬菜品質(zhì)馬檳榔甜蛋白和應(yīng)樂果甜蛋白的植物表達載體已構(gòu)建完成，并成功應(yīng)用于番茄和萵苣的遺傳轉(zhuǎn)化，這種無需糖或其他化學(xué)添加劑即可使食物變甜的技術(shù)將會應(yīng)用于水果和蔬菜[9]。英國科學(xué)家在南美一種牽?；▽僦参镏邪l(fā)現(xiàn)了一種能刺激分泌苯基苯乙烯酮異構(gòu)酶的基因，該酶可以合成番茄黃烷酮，將該基因?qū)敕?，黃烷酮含量提高了78倍，食用后可起到抗病保健的作用[10]。目前有關(guān)番茄品質(zhì)改良的研究，主要是增加番茄的甜度、提高番茄紅素含量和提高番茄中可溶性固形物含量。李振等[11]將bzr1基因轉(zhuǎn)入番茄中，并對轉(zhuǎn)化植株進行分子鑒定以及 T1代遺傳學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因株系果實在轉(zhuǎn)色期的可溶性固形物、可滴定有機酸、可溶性蛋白、維生素C、番茄紅素和類胡蘿卜素含量以及乙烯釋放量均顯著高于對照，大大提高了番茄的營養(yǎng)品質(zhì)。

2.2改善小麥面包粉品質(zhì)淀粉和蛋白質(zhì)是小麥子粒的主要組成成分，小麥面粉品質(zhì)取決于面筋的數(shù)量和質(zhì)量。小麥的烘烤品質(zhì)取決于面粉中的面筋蛋白，其高分子量谷蛋白亞基(HMV-GS)決定著面團彈性和延展性，編碼基因位于3個不相連鎖的位點GluA1、GluB1和GluD1,其位點分別位于1A、1B、1D染色體近著絲點的長臂上，不同亞基的種類對品質(zhì)的影響不同，其中對面包品質(zhì)貢獻較大的亞基是由GluA1位點表達的1+2，GluD1位點的5+10、2+12和GluB1位點的17+18。陳梁鴻等[12]通過基因槍法將小麥編碼高分子量谷蛋白亞基的基因1Dx5和1Dy10導(dǎo)入農(nóng)藝性狀優(yōu)良但烘烤品質(zhì)較差的普通小麥品種京花1號，從而改良了小麥的烘烤品質(zhì)。劉廣田[13]研究了1Dx5基因在小麥不同發(fā)育階段的表達量，發(fā)現(xiàn)只在開花到灌漿階段表達，表達量在不同時期差異很大，花后15 d是蠟熟期的28%，灌漿期為40%，乳熟期為72%，完熟期為54%。

2.3降低咖啡堿含量咖啡堿是茶樹中重要的次生代謝產(chǎn)物，一般為茶葉干物質(zhì)重的2%～5%?？Х葔A具有興奮神經(jīng)、祛除疲勞及增加心血管活動等功能，但攝入過量的咖啡堿也會引起副作用。茶樹為木本植物，常規(guī)雜交育種不僅時間長，而且需要投入大量的人力、物力和財力，轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以快速實現(xiàn)定向選擇育種目標(biāo)。Mohanpuria等[14]通過基因槍法和農(nóng)桿菌法將含咖啡堿合成酶基因片段的RNAi載體分別導(dǎo)入茶樹子葉的胚性愈傷組織和茶樹幼苗的根系(種子萌發(fā)30 d)，獲得了11和7株含該載體的轉(zhuǎn)基因植株，利用HPLC技術(shù)測定發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株的咖啡堿和可可堿含量分別比對照降低了44%～61%和46%～67%，這不僅證實了利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)降低茶樹咖啡堿的可能性，而且也首次在茶樹體內(nèi)印證了茶樹咖啡堿合成酶具有合成咖啡堿和可可堿的功能。

2.4增加維生素含量將編碼的八氫番茄紅素合成酶基因psy轉(zhuǎn)入水稻，其種子胚乳中維生素A前體物質(zhì)會大量積累[15]。Ye等[15]利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法成功地將其他物種的psy、cntl和lcy基因?qū)胨净蚪M中，使它們在水稻胚乳中表達生成維生素A合成所必需的酶，解決了水稻胚乳不能合成維生素A的難題，使人們有望通過食用水稻而獲得維生素A。植物食品中維生素C含量的提高也可通過導(dǎo)入相關(guān)酶基因獲得[16]。

由于人體無法合成抗壞血酸，因此只能通過日常飲食從植物食品中獲取。國外研究表明，CaMV 35S啟動子控制可以使草莓中的D-半乳糖醛酸還原酶基因在馬鈴薯中超量表達，塊莖中抗壞血酸含量提高了1.6~2.0倍[17]。另有研究表明，在玉米胚乳中導(dǎo)入來自水稻的dhar(脫氫抗壞血酸還原酶基因)基因，可以使玉米胚乳中抗壞血酸含量提高6.0倍[18]。

2.5增加營養(yǎng)品質(zhì)目前，富含蛋氨酸的轉(zhuǎn)基因煙草、直鏈淀粉含量降低的轉(zhuǎn)基因水稻、月桂酸含量高達40%的轉(zhuǎn)基因油菜都相繼研究成功，有的已進入大田試驗[19]。科學(xué)家們正在研究一種脂肪酸含量高達90%的轉(zhuǎn)基因油菜[20]。Falco等[21]把DapA和Lysc基因分別連接葉綠體導(dǎo)肽和種子特異性啟動子后，導(dǎo)入油菜和大豆，結(jié)果種子中賴氨酸含量增加了1~4倍[20]。

Goto等[22]利用大豆鐵蛋白基因獲得了在水稻胚乳高水平表達貯藏鐵蛋白的植株。日本科學(xué)家成功地將大豆鐵蛋白基因轉(zhuǎn)入生菜中，培育出可預(yù)防貧血的轉(zhuǎn)基因生菜，增強了葉片儲存鐵分子的能力，含鐵量較一般生菜提高了1倍。

原花色素在啤酒中起朦朧作用，研究者將白花色苷還原酶導(dǎo)入大麥，可增加原花色素在種子中的合成積累，使麥芽品質(zhì)得以改善[23]，這些轉(zhuǎn)基因大麥的商品化會促進啤酒制造業(yè)的發(fā)展。

3展望

當(dāng)今世界人口快速增長，世界需要無污染、高品質(zhì)、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)，分子生物學(xué)和基因工程的發(fā)展使其成為可能。隨著轉(zhuǎn)基因植物的迅速發(fā)展，關(guān)于轉(zhuǎn)基因植物安全性的爭論也越來越激烈。轉(zhuǎn)基因植物對環(huán)境安全方面的影響主要體現(xiàn)在以下幾點：轉(zhuǎn)基因作物在提高抗性的同時有可能變異為雜草；轉(zhuǎn)基因抗蟲作物除對目標(biāo)害蟲產(chǎn)生毒害外，也會對同一類的非目標(biāo)生物產(chǎn)生毒害作用；轉(zhuǎn)基因作物可以通過開花授粉把新基因傳遞給附近的近緣物種；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中轉(zhuǎn)基因微生物須通過環(huán)境釋放才能發(fā)揮作用，目前尚不能確定這類微生物對生態(tài)環(huán)境的影響。

相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們法制意識的提高，在強化對轉(zhuǎn)基因植物研究、管理和安全性評價的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)基因植物將得到更大規(guī)模的應(yīng)用，轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)新的經(jīng)濟增長點。

參考文獻

[1] 焦瑞身.展望即將到來的“分子農(nóng)業(yè)”[J].生物工程學(xué)報，2001(7)：361-364.

[2] JAMES C.2012年全球生物技術(shù)/轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢[J].中國生物工程雜志，2013,33(2):1-8.

[3] 孫越,劉秀霞,李麗莉,等. 抗亞洲玉米螟、抗草甘膦轉(zhuǎn)基因玉米的培育[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報，2015, 23(1): 52-60.

[4] 高靜，李艷波，柯希望，等．PEG介導(dǎo)的蘋果腐爛病菌原生質(zhì)體轉(zhuǎn)化[J]．微生物學(xué)報，2011,51(9):1194-1199.

[5] 陳永芳,孫朋衛(wèi),唐定中.螞蟻抗菌肽 Ponericin W1對植物病原菌的體外抑菌活性及其轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗病性[J].遺傳,2013, 35(8):1023-1029.

[6] HE C,ZHANG W，GAO Q,et al. Enhancement of drought resistance andbiamass by increasing the amount of glycine betaine in wheat seedlings[J].Euphytica,2011,177:151-167.

[7] 潘映雪，張麗莉，石瑛，等．根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)BDNl基因轉(zhuǎn)化馬鈴薯的研究[J]．中國蔬菜，2013(6):37-43.

[8] BURKHARDT P K，BEYER P，WUNN J.Transgenic rice endosperm expression daffodil phytoene synthase accumulates phytoene,a key intermediate of provitamin a biosynthesis[J].The plant journal,1997,11:1071-1078.

[9] 毛雪，劉征，李潤植.小麥遺傳育種國際學(xué)術(shù)討論會論文集[C].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社,2001:317-320.

[10] 秦新民.蔬菜轉(zhuǎn)基因的研究進展[J].長江蔬菜,1999(11):1-3.

[11] 李振，魏佳，賈承國，等．bzr1 基因的轉(zhuǎn)化對番茄果實性狀的影響[J]．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43(9):34．

[12] 陳梁鴻，王新望，劉廣田，等.小麥編碼高分子量谷蛋白亞基基因的轉(zhuǎn)化[J].作物學(xué)報,1999(4):437-440.

[13] 劉廣田.小麥HMW-GS1Dx5基因的克隆及其特異性表達[J].生命科學(xué)研究,1999(2):143-149.

[14] MOHANPURIA P,KUMAR V,AHUJA P S,et al.Producing low-caffeine tea through post -transcriptional silencing of caffeine synthase mRNA[J].Plant Mol Biol,2011,76(6):523-534.

[15] YE X，AL-BABILI S,KLOTI A.Engineering the provitamin A(β-carotene)biosynthetic pathway into(carotenoid-free)rice endosperm[J].Science,2000,287(5451):303-305.

[16] BAUW G J C,DAVEY M W,OSTERGAARD J. Production of ascorbic acid in plants:WO,98/50558[P].1998.

[17] HEMAVATHI,UPADHYAYA C P,YOUNG K E, et al.Over-expression of strawberry D-galacturonic acid reductase in potato leads to accumulation of vitamin C with enhanced abiotic stress tolerance[J]．Plant science，2009，177(6)：659-667.

[18] NAQVI S,ZHU C,FARRE G,et al.Transgenic multivitamin corn through biofortification of endosperm with three vitamins representing three distinct metabolic pathways[J]．Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America，2009，106(19):7762-7767.

[19] 程焉平.轉(zhuǎn)基因植物的研究與應(yīng)用[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001,26(5):26-30.

[20] MURPHY D J.Production of novel oils in plants[J].Current opinion in biotechnology,1999,10:175-180.

[21] FALCO M,BIASSONI R,BOTTINO C, et al.Identification and molecular cloning of p75/AIRMI,a novel member of the sialoadhesin family that functions as an inhibitory receptor in human natural killer cells[J].J Exp Med,1999,190(6):793-802.

[22] GOTO F,YOSHIHARA T,SHIGEMOTO N,et al.Iron fortification of rice se ed by the soybean ferritin gene[J].Nature biotechnology,1999,17(3): 282-286.

[23] MA S W,ZHAO D L.Transgenic plants expessing autoantigens fed tomice to induce oral immune tolerance[J].Nature Med,1997,3:793-796.

收稿日期2015-12-24

作者簡介任志強(1973- )，男，山西運城人，副研究員，從事玉米遺傳育種研究。

中圖分類號S 33

文獻標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)03-109-02