基因工程的发展历程及其在农业生产中的应用

基因工程的发展历程及其在农业生产中的应用基因工程的发展历程及其在农业生产中的应用所谓基因工程，就是通过基因操作，将目的基因或DNA片段与合适的载体连接转入目标生物细胞，通过复制、转录、翻译外源目的基因以及蛋白质的活性表达，使转基因生物获得新的遗传性状的操作。基因工程的目标是实现转基因生物性状的定向改良，技术上包括基因或DNA的体外重组、转基因、重组子筛选与扩大繁殖等多个环节，目的性和技术性都很强，需要严密的实验设计。一、基因工程的发展历程基因工程是分子生物学、分子遗传学理论以及现代基因操作技术发展的必然结果，人类对未知世界探索的热情以及对基因工程的巨大需求又为基因工程的迅猛发展注入了强大的动力。基因工程的发展经历了理论和技术的酝酿、诞生和快速发展等几个时期。1860年—1870年孟德尔根据豌豆杂交实验提出了遗传因子的概念以及孟德尔遗传规律，1909年约翰逊第一次提出了“gene”名词，以及到后来证实遗传物质就是DNA和DNA双螺旋结构、中心法则和操纵子学说的发现，为基因工程的诞生奠定了理论基础。而后限制性内切核酸酶、连接酶的发现，载体的应用以及大肠杆菌转化体系的建立，为基因工程的诞生奠定的重要的技术基础。1973年，cohen等获得了抗四环素和新霉素的重组菌落，标志着DNA重组技术为核心的基因工程的诞生。随后重组DNA技术迅速应用到植物和动物。诞生后的基因工程不断迅速的发展。首先，基因工程的发展表现在技术上的不断进步。随着分子生物学的深入研究，对基因的利用也从最初的基因克隆和表达发展到基因水平上对蛋白质的结构进行修饰和改造的第二代基因工程，再发展到以利用重组技术对生物细胞固有代谢途径进行改造设计为主要内容的第三代基因工程。其次，基因工程的发展还表现为人类对待基因工程的观念越来越理性，转基因生物的安全性问题受到了社会公众和研发单位的重视，很多国家都建立了较成熟的基因工程安全管理制度。再次，基因工程生物由实验室走向应用。例如转基因产品的诞生，基因药物的诞生于应用等等。最后，各种模式生物的基因组计划的相继实施和完成，功能基因组学、代谢基因组学的研究使人类从更高的层次和更大的范围阐明生物性状形成的分子机制，使生物性状的基因工程改良策略更趋于合理，可供选择的重要基因越来越多。二、基因工程在农业中的应用70年代初建立发展起来的基因工程，经过20多年的不断进步和发展，已在生物学领域中起着举足轻重的作用。自1983年世界上第1例转基因植物问世以来，基因工程越来越受到世界各国的关注并得以飞速发展，育成了一大批耐除草剂、抗病、抗虫、抗病毒、抗寒的高产、优质农作物新品种和植物材料，并开始在农业生产上大面积推广应用。据统计，到目前为止转基因在120种植物上获得成功，有3000多例转基因植物进入田间试验，在美国和加拿大有50多种转基因植物进入商品化生产。全世界转基因农作物的种植面积也逐年增加，1996年为200万hm2，1997年达1280万hm2，而1998年增加到2600万hm2。从基因工程的定义上不难看出，基因工程首先强调外源核酸分子在另一种寄主生物细胞中进行繁殖的问题，这种跨越天然物种屏障的能力，是基因工程的第一重要特征。这表明，应用基因工程技术，人们就可以按照自己的主观愿望，创造出自然界原先并不存在的新的生物类型。通过基因工程技术，把来自不同生物的外源DNA插入到载体分子上，所形成的杂种DNA分子与神话传说中的那种具有狮首、羊身、蛇尾的怪物颇为相似。当前，科研人员正是利用基因工程这一特征，在植物遗传改良上取得了前所未有的成就。农作物生物技术的目的是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程技术在这些领域，已取得令人瞩目的成就。(一)利用基因工程技术改良作物品质随着生活水平的提高，人们越来越关注口味、口感、营养成分、欣赏价值等品质性状。实践证明利用基因工程可以有效地改善植物的品质，而且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域，取得了很好的效果。种子及其他贮藏器官(块茎、块根、鳞茎等)中蛋白质的含量及其氨基酸的组成、淀粉和其他多糖化合物以及脂类物质的组成，直接关系到这些食物的营养价值或在工业上的用途。由于不少贮藏蛋白的基因或与这些贮藏物质代谢过程有关的代谢过程而改变这些器官中的物质组成，甚至使植物产生的反义RNA基因，就有可能通过调控有关的代谢过程而改变这些器官中的物质组成，甚至使植物产生新的或者修饰过的化合物。在蛋白质改良方面，由于特定作物种子中往往缺少某几种必需氨基酸，人们的注意力集中于通过基因工程改变蛋白质的必需氨基酸的组成而改善植物的营养价值。美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因，成功地导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆，大大提高了营养价值，得到了农场主及消费者的普遍欢迎。Meijer将富脯氨酸基因成功地导入水稻中获得转基因植株，提高了籽粒的蛋白质含量，改善了稻米的品质。在花色、花香、花姿等性状的改良上也作了大量的研究。加州戴维斯的一家基因工程公司从矮牵牛中分离出一种新编码蓝色基因，导入玫瑰花中获得开蓝色花的玫瑰。烷羧酸(ACC)氧化酶合成基因的反义基因导入香石竹，已育成保鲜期延长2倍的抗衰老香石竹新品系。我国在利用基因工程改良植物品质上也取得了较大的成就，1997年，我国第一个获准进行商品化生产的基因工程番茄品种华番1号，经测定在13～30℃下可贮藏45天左右，大大延长了保鲜期，解决了由于果实具有呼吸跃变期而难贮藏的难题。北京农林科学院的工作人员经4年的努力，将来自美国优质面包小麦品种CHEYENNE的谷蛋白亚基导入到北京地区推广种植的抗病、高产品种，获得蛋白质含量较高的小麦类型，具有比较好的前景。在改变油料作物油脂的组成方面，近几年已取得一系列重要的突破，这方面的主要目标是改变油脂中不饱和度以及脂肪链的长度，通过导入硬脂酸ACP脱氢酶的反义基因，在转基因油菜和芜菁的种子中硬脂酸的含量由2%增加到40%，增加20倍。（二）利用基因工程技术培育抗虫作物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。全世界粮食产量因虫害所造成的损失占14%左右。在美国，在小菜蛾的防治上所耗费用达10亿美元，作物产量损失为4000多万吨。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。采用化学药剂虽然是防治害虫比较有效的方法之一，但由于特异性不高、具危险性、污染环境等原因，科技人员渐渐将目光转移到基因工程上来。自从将B.t毒蛋白基因导入烟草表达后表现出抗虫特性以来，国内外不少实验室在这方面开展了工作，并已相继获得抗虫基因番茄、马铃薯、甘蓝、棉花、杨树等。目前，除了将一些毒蛋白基因导入植物外，一些昆虫毒素基因也已被用于抗虫基因工程，取得很大效果。1987年美国科学家将HO-1毒素基因导入西红柿植株，培育出的转基因番茄，经大田试验证明，昆虫取食该植株的叶片后在几天内就死亡。另外，美国的研究人员开发了能抗科罗拉多马铃薯甲虫的马铃薯抗虫品种Newleaf、抗鳞翅目害虫的保铃棉花Bollgard及抗欧洲玉米螟的保产玉米Yieldgard，并相继进入了市场，深受农民的欢迎。我国科学家在1991年成功地将苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis，Bt)杀虫晶体蛋白基因导入棉花，获得了转基因植株。1993年将Bt晶体蛋白基因导入我国棉花品种中，获得了高抗棉铃虫的抗虫棉。（三）利用基因工程技术培育抗病作物抗病植物病害一直是农业生产中难以防治的，据联合国粮农组织(FAO)估计，全世界粮食生产每年因病害的发生而导致的损失占10%，棉花生产上损失为12%左右。在某些作物如甘薯，病毒病能使其减产20%～50%，严重时甚至绝收。使用一些药剂来防治病害通常效果不佳，采用有性杂交的方式来获得抗病品种也存在着各种局限性，因为抗性基因是受多基因控制，并且往往与一些不良基因连锁在一起，而基因工程则是在单个目的基因上进行，具有快速性和定向性。近10年来，植物抗病基因工程取得一系列的成果，已有10多个植物抗病基因被克隆并定序，同时育成了大量的抗病作物品种或品系。抗病毒基因工程中，目前主要采用的病毒的外壳蛋白(CP)基因导入植物的方法，使番茄、黄瓜、南瓜、甜椒等植物具有抗病性。1992年美国国家科学院公布了Hayakawa研究小组利用禾谷类作物病毒外蛋白技术获得成功，他们从2个日本水稻品种中分离出未成熟植株的细胞团，这种细胞团能长成植株，并能合成抗水稻条纹叶枯病毒的外蛋白基因。据测试，在31株含有外蛋白的对照水稻植株中，接种带病毒稻褐飞虱，结果80%的对照组出现了病毒症状，而通过基因工程培育的水稻植株仅20%～40%受感染。1995年美国农业部批准抗病转基因南瓜品种Freedom投入商业应用，取得了很好的经济和社会效益。在我国，在抗病毒基因工程上做了大量的研究，也获得了多种转基因抗病毒植物。如经过6年努力将合成的CMV和TMV外壳蛋白基因用Ti质粒介导引入烟草良种NC89，最终得到了抗TMV/CMV的转基因烟草，其中，抗TMV的转基因CN98在自然感染或攻毒条件下保护率可达到90%～95%，推广面积超过1.3万hm2。中国农业科学院的转基因抗病毒马铃薯品种，不仅具有抗病性，而且产量每66.7m2可达2000kg；沧州市农科院引进该项成果经试种获得成功，从根本上解决了病毒病引起的种性退化问题，是继茎尖脱毒组织后培养获得无毒苗的又一途径。（四）利用基因工程技术培育抗逆性强的作物植物对逆境的抗性一直是植物生物学家关心的问题。由于植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战，转基因耐涝性、耐盐碱、耐旱性和耐冷性的作物新品种(系)也已获得成功。植物的抗寒性对其生长发育尤为重要。植物在长期的进化过程中，在生长习性、生理生化方面对寒冷产生了一定的适应。在生长习性方面，有些植物以种子的形式越冬，有些植物则以地下器官的形式越冬，还有些植物则产生一些保护组织来抵御寒冷。在生理生化方面，则采用植株含水量下降、ABA含量增加、生长减缓和呼吸减弱等方式来适应寒冷。这在一定程度上能抵御寒冷，但过度的低温会导致植物体结冰、蛋白质受到损害、细胞膜遭到破坏，严重时使植物体发生冻害甚至死亡。怎样才能有效地提高植物的抗寒能力以抵御低温的胁迫呢？Hhomashow等将CBF1(C-repeatingbindingfactor)基因导入拟南芥，诱导了一系列低温调节蛋白的表达，使未经低温驯化的植株具有较强的抗寒能力，从而能够抵御比较寒冷的天气。科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免受低温的冻害正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼体内分离出来，导入植物体获得转基因植物，目前这种基因已被转入番茄、黄瓜中。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，使它们能在高寒地区或者骤冷的气候下生存。Murata等通过向烟草导入拟南芥叶绿体的甘油3磷酸乙酰转移酶基因，以调节叶绿体膜脂的不饱和度，使获得的转基因烟草的抗寒性增加。（五）利用基因工程技术培育抗除草剂作物化学除草剂在现代农业中起着十分重要的作用，新的除草剂也不断出现。作为一个理想的除草剂，它必须具有高效、广谱的杀草能力，而对作物及人畜无害，在土壤中的残留要短，不能增加农业成本太多。问题是现在要开发出一种新的符合上述要求的除草剂成本越来越高，选择的机率也在明显降低。50年代，从2000个化合物中可筛选出一个投入商品生产，到70年代，这个比例下降至1/7000，而80年代降低到差不多1/20000。然而，通过基因工程来提高除草剂的选择性以及对作物的安全性，具有重要的意义。同时，在作物导入高抗除草剂基因，也可使人们更自由地选择适合轮作套作的作物种类。现在，针对不同除草剂作用机理，已获得抗除草剂基因工程烟草、番茄、马铃薯、棉花、油菜、大豆、水稻等作物。以上所提到的仅仅只是基因工程在我们生产生活的一小部分作用，相信在以后不断的科学探索中会给人类生活带来更多的基因