转基因水稻的进展

转基因水稻的进展水稻是最重要的粮食作物之一,世界上约有一半以上的人口以稻米为主食。据专家预测,到2025年在现有稻谷产量的基础上再增加60%才能满足需要。随着人口的增长和耕地面积的减少,世界尤其是我国将面临粮食问题的严峻挑战,培育优良品种成为提高稻谷产量的主要途径。传统的育种技术已为培育水稻新品种做出了巨大贡献,并将继续发挥主导作用,但由于品种资源的贫乏,单靠传统育种已很难有太大的突破。20世纪下半叶以来,随着分子生物学研究的不断发展,基因工程技术特别是转基因技术在植物遗传育种上得到了广泛的应用,并取得了显著的成就。转基因技术就是将外源基因通过生物、物理或化学手段导入其它生物基因组,以获得外源基因稳定遗传和表达的遗传改良体。自1983年世界上首例转基因植物———一种含有抗生素药类的烟草在美国成功培植以来,全球范围转基因作物的种植面积和销售收入均以倍数增长。2004年,转基因作物面积(主要是大豆、玉米、油菜和棉花)已达11250万hm2,已被批准可使用的产品有1000多种。水稻作为世界上最重要的粮食作物之一,自1988年首次获得可育的转基因水稻以来,转基因技术在水稻品种改良上得到了广泛的应用,已选育了一系列转基因水稻品系(组合)。本文简要介绍了近年来水稻转基因研究方面所取得的成就,并就存在的问题提出了一些看法。1水稻转基因研究进展在植物分子生物学研究的众多材料中,水稻由于其基因组较小、重复序列较少等优点而成为一种重要的模式植物。自1988年首次获得转基因水稻以来,水稻转基因技术已获得突飞猛进的发展,目前已成功获得籼稻、粳稻、爪哇稻的转基因水稻。1.1抗虫转基因水稻研究虫害是水稻生产中的一大害,化学药剂杀虫不仅成本较高,而且严重污染环境,抗虫转基因水稻的应用前景是不言而喻的。目前应用于水稻抗虫性改良的外源基因主要有苏云金杆杀虫结晶蛋白基因(Bt基因)、昆虫蛋白酶抑制剂(PI基因)和植物凝集素基因3种,其中Bt基因是当前应用最为广泛的杀虫基因。1989年中国农业科学院生物技术中心杨虹等将Bt基因导入水稻品种台北309、中花8号的原生质体并获得再生植株;Maqbool等通过基因枪法将人工合成的CryIIA基因转入水稻,毒蛋白的表达量可高达1%,某些植株的杀虫率可达到100%。浙江大学舒庆尧等采用农杆菌介导法将密码子经优化Bt基因cryIA(b)导入到“秀水11”,获得抗性株系的Bt毒蛋白表达量占可溶性蛋白的0.5%~3%,对二化螟、稻纵卷叶螟和稻螟蛉1-5龄幼虫的毒杀作用达到100%,对8种鳞翅目害虫均表现高抗。中国科学院遗传与发育所朱祯等将豌豆胰蛋白酶抑制剂基因与信号肽和内质网定位信号KDEL的编码序列融合,得到融合基因,其编码的融合蛋白具有富积于内质网的特性,从而大大提高了转化植株的杀虫效果。转化该基因的水稻比转化未修饰的cpti基因的植株蛋白酶活性平均高出2倍。目前利用该基因已获得了包括明恢81和明恢86等高抗二化螟鳞翅目害虫的转基因水稻植株,用其配制的杂交组合已批准进入中试。复旦大学遗传所与中国水稻所、湖北农科学院等单位合作利用基因枪法将雪花莲凝集素基因导入粳稻品种鄂宜105和鄂晚5号中,得到了一批转基因株系。其中抗虫蛋白GNA的最高表达量占可溶性蛋白的0.5%。褐飞虱生物鉴定和喂养试验表明,转基因纯系可显著降低褐飞虱存活率和繁殖力,减少褐飞虱的进食量、延缓其发育进度。1.2抗病转基因水稻研究病害是影响水稻高产稳产的重要因素之一。世界上每年因病害引起的减产达10%以上。由于病害的复杂性,一般品种很难保持对其持久的抗性。因此国内外许多科学家致力于寻找抗病基因,希望通过外源基因的导入而获得抗病品种。现在许多重要的抗病基因如Xa21、Pib、CecropinB、CP等基因已从植物或其他生物中分离克隆,并在水稻抗病转基因中作了大量研究,取得了显著的成绩。抗病转基因水稻包括转抗病毒基因、抗真菌病毒基因和抗细菌病毒基因。抗病毒转基因已开展了8种病毒的转基因研究,包括水稻通枯罗病毒、水稻齿叶矮缩病毒、水稻条纹叶枯病毒和其它病毒,如水稻黄矮病毒(RYSV)、水稻矮缩病毒(RDV)等,取得了一定进展。在真菌病害中,危害最严重的是稻瘟病和纹枯病。几丁质酶是研究最广泛的一种病程相关蛋白(pathogenis-related,PR),Nishizama等从水稻中克隆了3个几丁质酶基因,并通过农杆菌介导法将具有广谱抗真菌的几丁质酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因转入水稻中,已经获得了一批对稻瘟病和纹枯病具有抗性的水稻品系。中山大学李宝健等将水稻碱性几丁质酶基因R、R,水稻酸性几丁质酶基因RAC22和苜蓿β-1,3-葡聚糖酶基因利用基因枪对多个籼稻和粳稻品种进行共转化,获得了一批对上述两种病害具有孤独抗性的转基因株系。白叶枯病是世界水稻生产中广泛发生,危害最严重的细菌性病害。在水稻中,至少已鉴定了19个抗白叶枯病的基因。中国农科院生物技术中心与国外合作研究转Xa21基因,获得的抗白叶枯病水稻明恢63株系已批准进行环境释放。中科院遗传所翟文学等采用农杆菌介导法将Xa21基因转入我国的5个水稻品种,获得了对白叶枯病具有抗性的水稻株系明恢63、盐恢559和珍汕97B等杂交稻恢复系和保持系,目前已利用其制得了转基因杂交稻汕优63和汕优559,结果表明这两个转基因杂交稻具有优良的广谱抗性,抗谱与Xa21基因供体IRBB相同。1.3抗除草剂转基因水稻研究水稻是重要的粮食作物之一,杂草危害严重影响水稻的产量和稻谷品质,每年因杂草造成稻谷减产75亿kg,损失巨大,特别是今年随轻型种植制度迅速推广,更加重了杂草的危害程度。将抗除草剂基因导入水稻使其产生对除草剂的抗性,有助于田间杂草控制。在抗除草剂转基因水稻研究中,大多使用的是Bar基因。它从潮湿链霉菌中分离克隆,能解除除草剂Basta对生物体内谷氨酰胺合成酶的抑制,而不会导致氨积累引起的植物死亡。1996年,中国水稻研究所首次用基因枪法将抗除草剂bar和cp4基因分别导入水稻,成功配制出抗两大除草剂草丁膦和草甘膦的转基因直播稻品系(组合)嘉禾98及杂交稻组合辽优1046等。中国农业科学院生物技术中心范云六实验室用CaMV35S引导的Bar基因,通过电激法介导实现了光亲和系02428的原生质体转化,得到了抗除草剂PPT的转基因植株。此外,王松文等利用农杆菌介导将细菌阿特拉津氯水解酶基因转入津稻107,转基因植株对除草剂阿特拉津具有抗性.1.4抗逆转基因水稻研究除病虫害因素外,不利的天气和土壤等环境条件也是影响稻谷产量和稻米品质的重要因素。IRRI分离克隆出3个与水稻耐淹能力有关的基因pdcI、pdcII、pdcIII,并采用不同的启动子转入水稻基因组中获得部分转基因植株。IRRI将烟草中的抗旱性基因CMO导入水稻中,获得抗旱性较强的转基因水稻。许等将大麦后期胚胎富蛋自基因HVAI导入水稻以求提高水稻抗旱能力。吴亮其等将拟南芥的δOT基因转入粳稻品种中,得到δOT基因超量表达的转基因水稻,转基因水稻的耐盐能力明显高与对照。河北大学朱宝成教授构建了脯氨酸合成酶基因载体并将其转入水稻,多数转基因水稻均耐盐,且可正常结实。Yokoi等(1998)利用农杆菌介导将拟南芥甘油3-磷酸酰基转移酶(GPAT)的cDNA转入粳稻中,转基因植株叶片的不饱和脂肪酸含量比对照高28%,耐冷能力提高,低温(17℃)下净光合速率提高20%。1.5稻米品质改良转基因水稻研究利用转基因技术进行水稻品质改良主要是营养品质和食味品质。与大豆、玉米、小麦等相比,稻米蛋白质的含量并不高,而且水稻蛋白质中必需氨基酸的含量也较低。美国Louisiana州立大学的研究人员Zheng等(1995)将菜豆种子蛋白质基因导入水稻中表达,转基因水稻种子中蛋白质含量增加4%。IRRI(1995)人工改造的水稻贮藏蛋白Glutelin(富含甲硫氨酸和赖氨酸)基因导入水稻并获得再生植株,外源蛋白得到表达。高越峰等将四棱豆中的高赖氨酸蛋白基因导入粳稻“中花8号”中,转基因植株中赖氨酸含量均得到了增加,最高增加了12.4%。Ye等(2000)将维生素A源的生物合成途径中3个相关基因导入水稻,转基因水稻种子中类胡萝卜素增加,内胚乳呈黄色。IRRI将单子叶植物中八氢番茄红素合成酶及其脱氢酶基因导入水稻,获得了富含类胡萝卜素的再生植株。在食味品质方面,李建粤等将大豆DNA导入水稻后,稻米中直链淀粉含量有所降低。日本科学家士原等育成了一种籽粒富含铁蛋白的转基因水稻。1.6水稻株型转基因研究进展优良的水稻株型是水稻能够获得高产的骨架。到目前为止,一些水稻株型相关基因已经被克隆,这为通过转基因技术改良水稻株型提供了条件。已有不少研究者对此进行了积极的探索,特别是在创造水稻新矮源上取得了很大进展。Sakamoto等利用水稻DI8基因的启动子引导水稻GA2oxI基因的表达,并获得了稳定遗传的具有半矮杆表型的转基因水稻。Ikeda等将水稻SLRI基因人工改造后(造成编码产物缺失17个氨基酸,并影响到DELLA功能域)转入水稻,获得一系列对GA不响应的矮化转基因株系。Fu等将拟南芥的野生型GAI基因和突变型gai基因转入水稻,结果也获得了对GA不响应的矮化程度不同的转基因植株。Nakagawa等克隆了两个与水稻花分生组织维持有关的基因RCN1和RCN2,RCN1和RCN2在转基因水稻中的过量表达不仅使生育期延长,也使穗部表现出分枝的密穗表型