转基因棉花的综述

1转基因棉花的综述摘要：本文主要通过参考各参考文献对转基因棉花的研究现状、存在问题及未来发展前景的展望等进行了简单的综述。关键词：研发现状；存在问题；品种类型；前景展望1.前言自1996年商品化种植转基因作物开始，全球转基因植物的种植面积已由1996年的170万hm2猛增到2008年的1．25亿hm2，增长了73倍，目前已有25个国家1330万农民种植转基因作物。近年来，我国的转基因研究取得了较大发展，并且在基因药物、转基因作物、农作物基因图与新品种等方面具有相对比较优势。目前已批准棉花、番茄、辣椒、番木瓜、矮牵牛为商品化的转基因作物。其中，转基因棉花育种及产业化在我国取得了巨大的成功，不仅为增加我国植棉的经济效益、保护农业生态环境和维护棉农身体健康作出了突出贡献，而且扭转了美棉公司垄断我国转基因棉种市场的严峻局势，为保障我国棉纺织业持续健康的发展起到了举足轻重的作用[1]。2.我国转基因棉花研究状况棉花为我国主要农作物之一，其基因工程方面的研究进展迅速，在抗虫、抗除草剂、抗病、改善棉花纤维品质改良及其生态影响方面均取得了一系列重要研究成果啕[2]。1992年中国农科院生物技术研究所在国内首次人工合成了Bt杀虫基因，并与有关单位合作，将该基因导人中2棉所l2号、泗棉3号、晋棉7号等大面积推广品种中，获得了国产GK系列转基因抗虫棉，成为世界上学握该项技术的第二个国家，进而又将豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)和Bt基因重组，成功地导入棉花，育成了转双价基因(CpTI+Bt)SGK系列抗虫棉[3-4]。随着抗虫棉种植面积的增大，棉田次生害虫为害呈逐年加重的趋势，雒琚瑜等人通过对棉盲蝽发生日趋严重的原因及发生程度特点的分析，提出了防治盲蝽策略、防治指标与防治适期，并简单介绍了防治棉盲蝽各种行之有效的治理措施[5]。柏立新等人通过转基因棉花品种对棉大卷叶螟抗性水平的鉴定评估，提出在棉大卷叶螟重发地区，培育种植高抗棉大卷叶螟的转基因抗虫棉品种可有效地控制棉大卷叶螟危害，减少农药的使用[6]。棉花黄萎病是世界棉花生产中普遍存在的一大难题，也是长期困扰我国棉业的一种病害，我国很多学者对其病发的规律及机理进行了研究报道[7-8]。近期在抗黄萎病育种方面取得了突破性的进展，据了解天津市农业部门与中国农业大学开展科技合作，引进该校研发的具有自主知识产权的转基因高抗黄萎病棉花育种技术这一重大科技成果，不仅使棉花转基因抗黄萎病、耐盐碱、耐旱等优良品种覆盖天津，并且使转基因高抗黄萎病棉花育种产业化。3.转基因棉花存在的问题在我国以抗虫为主要目标的转基因棉花已经在生产上大面积推广和应用，并取得了显著的经济效益和社会效益。美国孟山都公司推出的第二代双Bt基因抗虫棉，已在美国国内大面积推广应用。陶氏益农公司也培育成功结合了2个Bt蛋白基因Cry1F和CrylAc的抗虫棉品种。3而我国目前生产上大面积种植的仍是第一代单Bt成基因抗虫棉，随着Bt转棉种植面积和种植时间的快速增长，棉铃虫会对转Bt棉产生抗性，一旦棉铃虫对Bt棉的抗性产生，将严重威胁到各种Bt制剂、转Bt棉的使用寿命，但我国目前还没有成熟的替代技术储备，这方面在近期内须要有重大突破[9-10]。此外我国的抗虫棉品种抗性单一，缺少具有广谱抗性的品种，往往针对少数鳞翅目害虫如棉铃虫、红铃虫等少数病害有很好的专一抗性，这容易引发次生病虫灾害的发生，比如Wueta1．2002等的实验研究表明，抗虫棉生产减少了棉铃虫等昆虫的数量，但是并没有减少其他昆虫数量，例如蚜虫和盲蝽象等[11]。我国在抗黄萎病育种进展缓慢，黄萎病灾情日益严重，目前缺乏黄萎病抗源，且致病机理复杂，缺乏高抗的转基因棉花品种。其次我国品种类型也比较单一，缺少高品质纤维棉花的品种，这导致我国曾出现一方面国产棉花大量积压，另一方面大量进口国外几十万吨棉花的情况。4.品种类型4.1抗虫转基因棉花中国早在1991年就已有将外源Bt基因导人棉株中的报道，1992年首次合成了拥有自己知识产权的CryIA杀虫基因，并于1993年采用农杆菌介导法和外源基因胚珠直接诱导法导人中棉所12、泗棉3号等主栽品种中，获得了高抗棉铃虫的转基因棉花株系。目前已用于和正在用于转基因抗虫棉培育的基因有以下3种[12]。4.1.1苏云金芽孢杆菌的内毒素胥白(Bt基因)4该抗虫基因来自苏云金杆菌，它是一种杀虫的芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis，简称Bt)，其杀虫毒性来自孢子形成时所产生的8一内毒素的伴孢晶体蛋白，其量约占孢重的30％左右，因此也称杀虫晶体蛋白(insecticidalcrystalprotein)。目前成功分离并导人到植物中获得转基因抗虫植株的Bt基因很多，但应用于棉花的Bt基因仅有CryIA(b)、CrylA(c)、CrylIA和CryIVA等少数几种。4.1.2蛋白酶抑制剂基因目前用于转基因抗虫棉的蛋白酶抑制剂基因主要有：大豆胰蛋白酶抑制剂基因(SK?I)，豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)，慈菇胰蛋白酶抑制剂基因(API)和水稻胱氨酸蛋白酶抑制剂等。将CpTI基因导人棉花，获得的转基因植株后代对棉铃虫具有明显的抗性。慈菇蛋白质酶抑制剂(API基因)也是一种重要的具有杀虫作用的蛋白酶抑制因子基因。API对多种蛋白酶都具有抑制活性，其抗虫能力优于CpTI基因。4.1.3凝集素基因植物凝集素(Iectin)是一类能够特异识别并可逆结合糖类复合物的非免疫性球蛋白，广泛存在于植物组织中，在储藏器官和繁殖器官中含量尤其丰富。在植物生长的各个阶段，外源凝集素以不同的方式保护植物免受害虫的侵害。目前应用较多的外源凝集素主要有豌豆凝集素(P—lee)、半夏凝集索(PTA)和雪花莲凝集素(GNA)。其中P—lec和GNA对人几乎无毒害，但对害虫却有极强的抑制作用。此外，苋菜种子凝集素(ACA)是一种新发现的凝集素，实验表明它的抗蚜效果比GNA更好。4.2抗除草剂棉花5通过化学方法控制棉田杂草，已成为现代棉花生产的重要手段，但高效除草剂往往同时对棉花造成损伤。利用基因工程方法培育抗除草剂的棉花品种是解决这一问题的有效途径。目前，应用基因工程技术培育抗除草剂作物主要有两种策略：一是修饰除草剂作用的靶蛋白，使其对除草剂不敏感或促使其过量表达以使作物吸收除草剂后仍能正常代谢；二是引入降解除草剂的酶或酶系统，在除草剂发生作用前将其分解。棉花中成功应用的抗除草剂基因有抗草甘膦基因、2，4一D单氧化酶基因和抗溴苯腈基因等。4.2.1抗草甘膦基因草甘膦(Glyphosate)是目前使用最广泛的一种内吸传导型和非选择性有机磷类除草剂。它的作用机理是特异性地抑制作物和细菌中草莽酸羟基乙烯转移酶(F．PSI's)的活性，当草甘膦与该酶结合时，阻断了芳香族氨基酸的合成，造成芳香族氨基酸缺乏，从而导致植株死亡。其抗性基因既可以是EPSPs，也可以是GOX，前者一是通过EPSPs的超常表达对一定剂量的草甘膦产生抗性，二是通过EPSPs基因作用活性位点变化对草甘膦产生抗性；后者GOX基因的产物能将草甘膦快速降解成无毒产物。4.2.2抗2，4一D基因除草剂2，4一D是一种激素型除草剂，从土壤细菌Alcaligeneeutrophus分离到一个能降解2，4一D的基因，称该基因为fda，将分离出的fda基因转入棉花后，可大大提高棉花对2，4一D的抗性。山6西省棉花研究所与澳大利亚CSIRO及中国农业科学院生物技术研究所合作，已成功将fda基因导人“晋棉7号”。4.2.3抗溴苯腈基因溴苯腈(Bromoxyril)是除草剂(Buctril)的活性成分，其作用机理是抑制光合作用的电子传递。Stalker从土壤细菌KlebsieUa中分离出溴苯腈的降解基因(bxn)，该基因编码腈水解酶，能使溴苯腈水解成3，5一二溴一4一羟基苯甲酸，即无活性的非除草剂。将该基因导入棉花可获得抗溴苯腈的转基因植株。中国农科院棉花研究所目前正与中国科学院上海植物生理研究所合作，利用花粉管通道法将抗PPT的bar基因导入中国主栽棉花品种中，现已取得阶段性成果。4.3抗病转基因棉花目前，国内棉花主产区相当一部分为重茬地，棉花黄萎病不断蔓延和增长，对棉花生产造成了很大的威胁，部分重病棉田因病产量损失严重，纤维品质下降，经济损失大，直接制约农村经济的发展和农民的收入。为了提高棉花的抗枯黄萎病的能力，进行抗病育种是防治病害的有效措施。刘桂珍等先后将构建的Chi和Glu嵌合双价基因导入棉花，已选出对枯黄萎病抗性较好的转基因棉花株系。吴家和等将维管束特异启动子启动的Chi和CaMV35S启动的Glu嵌合基因导人陆地棉品种，获得3个高抗黄萎病的转基因纯合系。黄骏麒等将抗枯萎病棉花的总DNA导入感病的棉花品种中，获得了一批抗枯萎或高抗枯萎病棉花新品系。于元杰等将罗布麻、蓖麻等植物的总DNA分别导入到陆地棉中，获得了抗枯萎7病兼抗虫的棉花新种质系。乐锦华等也从转ch+Glu双价基因棉花中筛选出高抗枯萎病的品系。目前中国转基因抗黄萎病棉花的研究取得了一定进展。通过花粉管通道法将葡萄糖氧化酶(GO)、几丁质酶(Chj)、葡聚糖酶(Glu)等转人棉花主栽品种中，并获得一些转基因优系，抗病性有所提高，但抗黄萎病转基因棉花还不够稳定，与生产应用要求还相差甚远。4.4抗逆转基因棉花随着研究的不断深入、基因的分离与克隆技术的发展、植物生长发育机理的进一步明确、植物生理生化的不断探索，使棉花在抗逆基因方面的研究取得了很大进展。干旱是限制棉花生长发育、基因表达和产量的主要环境因子之一。与棉花耐旱相关基因主要有两类：一类是受到干旱胁追诱导表达后产生的能增强植物抗旱能力的功能基因，如一些渗透调节物质和可溶性糖的编码基因PSCS等；另一类是在干旱胁迫下调控耐旱基因表达和信号转导的转录因子，如DREB等。目前已克隆出了大量的与植物耐旱相关的转录因子，如DREB转录因子等。CHENGXG等研究证明，陆地棉的AP2结构域含有1个GhDREB转录因子，并发现这种转录因子与棉花的耐旱性相关。黄波等应用半定量RT—PCR技术显示，GhDKEB1L基因在棉花子叶中受到低温、干旱以及NaC1处理时诱导表达，证明了棉花GhDREB1L转录因子通过与DRE元件结合，在低温、干旱及高盐的应答途径中起重要作用。董春海等把与植物生长素合成酶有关的农杆菌tins基因、tmr基因导人了棉花；周宝良、陈晓亚等把种子特异8表达的菜豆蛋白启动子ph／p—ipt基因导入棉花，获得了根系更加发达的再生植株。4.5品质改良转基因棉花纤维是棉花的主要产品，棉纤维品质的优劣直接影响着棉纺织品的质量及其在市场上的竞争力。人们从棉花中鉴定出与纤维品质有关的基因，通过改造基因的结构，改变其表达，以提高纤维品质。目前已从棉花中分离到大量棉纤维发育基因如：延展蛋白基因(Expansion)、膜联蛋白基因(Annexin)、膜转移蛋白基因(Itp)等。国内外科研人员近年来相继开展了用外源纤维优势基因转化陆地棉品种来改良棉纤维品质的探索性研究，取得了一定的成就(Mayeta1．2000)。中国科学院上海植物生理研究所成功地将兔子角蛋白基因导人棉花，使棉花纤维首次具有了角蛋白纤维的性质，纤维长度比普通棉纤维长度长60％，且伸缩性和热敏感性都大大增强，与兔子角蛋白非常接近。5.前景与展望中国转基因棉花研究虽然起步较晚，但进展较快，以转基因抗虫棉品系为亲本，或把转基因抗虫棉材料作为亲本，运用传统杂交方法，根据杂种优势，培育出综合性状优良的杂交抗虫棉近几年取得了可喜进展。目前，仅有转Bt基因抗虫棉得到大面积地推广种植，而与抗逆、纤维改良等性状有关的转基因棉花的研究和种植推广相对缓慢，未能大面积应用。究其原因可能有两个：一是与抗逆、纤维改良等性状的相关基因自身功能存在局限性，在转入棉花植株时未能达到预期的改良效果；二是一些优良的转基因株系，由于申报转基因作物安全评价时周期9较长，使得转基因棉株无法进行有效地种植，从而影响其在生产中的推广应用。相信在不久的将来，通过完善棉花遗传转化体系，可以将更多优良的克隆基因转移到棉