植物基因工程在农业中的应用
摘要 粮食危机、资源短缺、环境恶化、效益衰退等全球性难题，对传统农业提出了严峻的挑战。植物基因的开发和应用，尤其是农业生物技术得到了飞速发展并取得了很大的成就。从杂草控制、培育新品种、品质改良、作物增产、抗虫、抗寒等方面论述了植物基因工程在国内外农业中的应用概况，并对基因组学、作物基因广谱、持久抗逆性的发展前景进行了展望。
进入21世纪后，以基因为核心的生物技术的研究与应用成为生物科学的主流，农业生物技术产业应运而生，成为新世纪发展现代农业的主导产业之一。为解决长期困扰人类发展的粮食危机、资源短缺、环境恶化、效益衰退等诸多难题，大量生物技术逐渐应用于农业生产并发挥越来越重要的作用，如基因工程、组织培养、细胞工程等技术[1-3]。植物基因工程技术是利用重组DNA技术，有计划地在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对生物基因进行改造和重新组合，再插入、整合到受体植物基因组中，使重组基因在受体细胞内表达，从而使受体植物获得新的形状，培育出高产、多抗、优质的新品种[4]。
1 植物基因工程在农业生产中的应用
1.1 杂草控制
杂草是导致农业生产严重损失的重要因素，也是世界各国杂草科学家关注的焦点。人工去除田间杂草费时、费力，通过化学方法来控制杂草已成为现代化农业生产不可缺少的一部分。然而除草剂的使用有许多局限性，如杂草的抗药性、除草剂在土壤中的残留和污染、除草剂对农作物造成的危害等，制造抗除草剂的转基因作物是克服这些缺点的理想途径[5]。目前，使作物具有抗除草剂特性的方法主要有3种: ①将除草剂作用的酶或蛋白质的基因转进植物,使其拷贝数增加,使转基因作物中这种酶或蛋白质的量大大增加,从而使该作物对除草剂产生抗性; ②使以除草剂为底物的酶的基因转到植物中,该基因编码的酶在转基因作物中将除草剂催化分解,达到保护植物的目的; ③使利用除草剂能识别和作用植物特定酶的特定位点的这一特点,用基因突变的方法使该位点上相应的氨基酸发生突变,除草剂不能识别而使转基因作物对除草剂不敏感[6]。
应用转基因技术培育抗除草剂的作物，不但可以减少使用化学除草剂，降低其在生态系统中的残留污染，而且给轮作或间作作物的选择以更大的灵活性。1983年培育出第1例抗除草剂的转基因烟草，1986年被批准进入田间试验。截至目前，已获得抗除草剂的转基因大豆、棉花、油菜、小麦等。在抗除草剂作物的选育过程中，该技术所需的资金投入少、见效快、周期短，已逐渐引起农业科研人员的兴趣，预计到2020年除草剂品种将比现在的水平减少10%～15%[2-3]。
1.2 培育新品种
利用转基因技术，可改变传统花卉的种类、颜色、品质，并能创造新奇的变异品种，培育出自然界前所未有的新品种，由此为人类提供独特的观赏享受。如德国科学家开发出了转基因反季节茄子等蔬菜，能够保证市场能全年供应新鲜蔬菜。加利福尼亚的戴维斯基因工程公司从矮牵牛中分离出一种新蓝色编码基因，将其导入到玫瑰中，获得了开蓝色花的玫瑰，从而提高了观赏价值[1]。湖北大学生物科学院蔡得田教授主持的“特异花卉克隆与基因工程创新”，成功地将赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的编码基因导入花卉中。
1.3 作物品质改良
为满足人们日益增长的物质生活需要，植物基因工程的应用使植物的品质特性得以改良。如我国的转基因耐贮番茄品种华番1号，1997年经农业部批准进入商品化生产。普通的番茄只能贮藏7 d左右，而转基因耐贮番茄能在13～30℃的环境条件下贮藏45 d左右，贮藏时间明显延长，降低了番茄在运输、储藏时的损失。美国国际植物研究所从大豆中提取蛋白质合成基因，导入到马铃薯后，经过培育得到高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆。将甜味基因导入玉米，获得了转基因甜玉米，用作食品或糖浆的致甜剂，并逐渐停用了那些可能危害人类健康的化学甜味剂（如糖精）[7]。
1.4 作物增产
将植物基因工程应用于农业中，得到了稳产高产农作物。目前，转基因技术也已成功地创造了高产的玉米、小麦、蔬菜等[8]。利用分子生物学的杂交和遗传育种，可使水稻产量达7.5～10.5 t/hm2，未来应用植物基因工程可使水稻产量达到12～15 t/hm2。水稻研究专家预计，在不久的将来，水田水稻产量可达10 t/hm2。据科学家预测，2000—2030年，在农业生产中应用基因技术，将使粮食作物获得更大的丰收[1-3]。
1.5 抗虫
虫害严重影响农业生产，影响作物的产量和品质，制约农业经济的稳定发展。我国是世界上最大的棉花生产国，但由于棉铃虫的持续性大爆发，造成棉花减产达17％~50％，每年造成经济损失50~100亿元人民币。长期以来人们普遍采用化学杀虫剂来控制害虫，但化学杀虫剂的长期使用暴露了严重的问题，如农药的残留、害虫的耐受性、环境污染等，而利用基因工程的手段培育抗虫植物新品种除可以克服以上缺点外，还具有成本低、保护全、特异性强等优点，从而倍受关注，成为当前研究的热点[9]。
我国科学家在1991年成功地将苏云金芽孢杆菌Bt杀虫晶体蛋白基因导入棉花，获得了转基因植株。中国农业科学院先后培育出31多个棉花转基因品种和品系，据试验对棉铃虫的抗性达80％以上，并且具有丰产性和品质优良的特点。目前人们已获得多种抗虫基因，其中有蛋白酶抑制剂基因，淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因、昆虫特异性神经毒素基因、几丁质酶基因等[10]。它们已被导入烟草、棉花、油菜、水稻、玉米、马铃薯等多种农作物，在抗虫方面得到了广泛的应用，有的已进入了商品化生产。
1.6 抗寒
低温既限制植物的栽种面积，又会使植物的产量降低。过度的低温会导致植物体结冰、蛋白质受损、细胞膜遭到破坏，严重时使植物体发生冻害甚至死亡。近十几年来，随着对抗寒分子机制的认识，人们不断尝试着采用基因工程手段培育抗寒新品种。KODAMA将拟南芥叶绿体中的脂肪脱氢酶基因导入烟草中，所获得转基因烟草的抗寒性增强。MCKERSIE等通过pEXSOD载体将拟南芥Fe-SOD基因转入紫花苜蓿中，经过两年的大田试验，发现转基因植株越冬存活率大大提高。SAMIS等将Mn-SOD基因导入到紫花苜蓿，不仅提高了转基因植物的膜稳定性，同时还使植物的生物量增加。LEE等从拟南芥中分离出受低温诱导基因LOS2，这种基因编码烯醇酶参与植物体内多种糖代谢途径，在逆境下维持细胞活性具有重要的作用。相信在不久的将来，会有各种具有强烈抗寒特性的转基因植物出现，使它们能够在寒冷的环境中得以很好地生存[9]。
2 展望
如上所述可见，植物基因工程在培育现代社会所需的集高产、优质、抗杂草、抗虫、抗寒于一身的农作物新品种方面，显示出其独特的技术优势和全新的开发前景。虽然国内外转基因植物研究与产业化已取得突破性的进展，我国植物基因工程技术体系已经初步建立，并取得可喜的令人瞩目的进展。但也应看到，由于受到技术发展的限制，抗病基因工程的研究开发需要进一步深入，抗逆、品质改良、生长发育等基因工程还有待基础研究的新突破。因此，当前国家植物基因工发展前景主要有以下几个方面: (1)续增国家对植物基因工程基础研究与产业化的投入，积极鼓励和引导企业投资生物技术研究，拓宽国内外技术作的渠道。 (2)加强国家农业生物技术研究计划的统一管理，制定和完善有利于人才培养引进和研究成果转化的一系列政策，尽快组建国家级植物基因工程研究与产业化基地，逐步建立适合我国国情的研究开发与产业化发展体制。 (3)对技术相对比较成熟的转基因植物产品，如抗虫棉花、抗虫玉米、抗虫水稻和抗除草剂农作物等，要加大力度尽快实现产业化。 (4)当前要特别重视基因组学、生物信息学等基础研究，集中力量保护开发我国生物基因资源，分离克隆一批具有自主知识产权、可供植物基因工程利用的新基因[11]。
不久的将来，可望出现高产优质、集高效、抗病、抗虫和抗逆等特性于一身的作物新品种。有科学家预言，21世纪的所有主导农作物都将是基因工程产品。另外，植物基因工程在农业上的应用还体现在农业环境保护、植物耐盐性、抗旱性和抗涝性等方面，在减少白色污染、盐碱地及旱涝地的合理利用方面也起到了一定的积极作用[9]。
参考文献
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