农业转基因品种利用现状及展望

　　【摘要】随着中国转基因核心技术取得突破，已初步建立起水稻、棉花、油菜、玉米、大豆、花生、杨树等主要农作物和林草、花卉、果树等高效、安全转基因技术体系。中国转基因品种得到大面积推广应用的作物首推棉花。目前转基因育种的主要手段有农杆菌介导转化法和外源基因直接导入法。外源基因直接导入法主要有电激法、PEG法和显微注射法。近年来发展起来的还有基因枪法、激光微束穿刺法、真空渗入遗传转化法和花粉介导法等。随着转基因安全性评估的逐步完善，转基因育种将在农业生产中发挥越来越重要的作用。

　　【关键词】转基因育种；方法；安全性

　　所谓农业转基因育种就是根据育种目标，从供体生物中分离并提取出控制某种性状的基因(目的基因)，经ＤＮＡ重组与整合或直接运载进入受体作物的基因组，获得稳定表达的转基因株，再进入田间试验，培育成农业生产上能应用的转基因新品种，并实现大面积推广。转基因育种相对于传统的杂交育种、诱变育种和多倍体技术育种来说，不仅缩短了育种周期，而且能准确地选择任何一个目的基因(植物、动物乃至人类)，从而打破了遗传物质分类上门、纲、目、科属的界限，实现了基因的转移，大大拓宽了作物遗传改良可资利用的基因来源。应用转基因技术获得的高产、优质、抗逆的转基因作物新品种为实现农业可持续发展开辟了崭新的途径。

　　中国植物转基因核心技术取得突破，目前已初步建立了棉花、水稻、油菜、玉米、大豆、花生、杨树等主要农作物和林草、花卉、果树的高效、安全转基因技术体系，大大缩短了中国与世界先进水平的差距。

　　1.农业转基因品种利用现状

　　在中国，转基因品种得到大面积推广应用的作物首推棉花。据统计，在2006年，中国有680万小型农户种植了350万公顷的抗虫棉，占到全国棉花种植总面积的66%。到2007年，中国已经有710万农民种植了转基因棉花，不仅获得可观的经济增收，更减少了40万吨的农药排放。

　　从经济效益来看，根据通常的方法计算，种植转基因抗虫棉每亩比对照可平均增产7.5千克皮棉，按10元/千克计，每亩可增收75元；每亩减少农药投入50元、减少人工投入计工费30元，也就是说，推广转基因抗虫棉，每亩可增收节支155元。

　　除了在棉花种植中应用生物技术外，中国的安委会还在2006年建议批准了抗环斑病毒的转基因番木瓜，中国正在考虑批准转基因水稻的种植，而且有望在颁发了生物安全证书、并获得品种审定、种子生产经营许可证后，转基因水稻的种植将通过审批。

　　转基因水稻，是根据某种特殊需要在水稻中引入特殊基因。现在申请商业化生产的是几种抗虫的转基因水稻。其中一种Bt转基因水稻，是在水稻中引入一种特殊基因后，产生一种蛋白，这种蛋白会让食用了这种水稻的常见害虫浑身溃烂并死亡。正是这样特殊的抗虫功能，可以使水稻田的农药使用量大大减少。

　　转基因抗虫性水稻可减少80％的农药使用量，从而大大减少农药尤其是剧毒农药对人和土地及环境的伤害。此外，转基因抗虫性水稻的亩产量也比常规水稻高约6％。如果我国推广种植抗虫转基因水稻，不仅能大大减少农药使用量，一年还能为农民增收200亿。如果转基因水稻能够商业化生产，意义不会亚于袁隆平的杂交水稻。目前国内还在研究一种抗旱的转基因水稻，如果能够研制成功，将是“革命性”的。

　　油菜是重要的油料作物，对油菜的改良是育种家们长期努力的目标。据报道，1998年全球转基因油菜种植面积为24960hm2占全球油菜种植面积的9％，1999年增至29120hm2，占全球油菜总面积的11％，2000年全球转基因作物面积为43680hm2，占全球作物种植面积的16％。多年来，许多育种工作者试图采用传统的育种手段来获得油菜良种，但进展十分缓慢。随着基因工程技术的发展，人们愈来愈倾向于通过基因工程的手段改良油菜的产量、品质及抗逆性。2003年，我国首个转基因油菜产业化项目通过了由中国农科院、浙江省农科院等６家科研院所的科学家组成的专家组论证。

　　1996年春，美国伊利诺伊西部许多农场主种植了一种大豆新品种，这种大豆是移植了矮牵牛的一种基因。这个新大豆品种可以抵抗杀草剂――草甘膦（毒滴混剂）。草甘膦会把普通大豆植株与杂草一起杀死。以后，随着国际上农业转基因技术的迅速发展，全球转基因大豆的种植面积迅猛发展。2001年，全球转基因大豆的种植面积达到3300万公顷，占大豆种植面积的46%。

　　2.转基因育种的主要手段和方法

　　在植物基因工程研究中，关键步骤之一是通过特定的方法将外源基因导入受体植物细胞内，使之发生定向的、永久性的遗传变异，即所谓的植物遗传转化。为了方便有效地将外源基因导入植物体内，人们不断地探索、发展新的植物遗传转化方法。目前应用到农业转基因中的遗传转化方法主要有农杆菌介导转化法和外源基因直接导入法。

　　2.1农杆菌介导转化法

　　农杆菌在侵染植物伤口时，可将其携带质粒上的一段DNA(T-DNA)整合到植物基因组上，并在植物体内表达。因此，农杆菌作为一种天然载体系统被广泛应用到植物基因转化中，成为植物基因转化的首选方法。农杆菌介导的转基因方法具有以下优点：不需要专门仪器；宿主范围广，包括大多数双子叶植物和少数单子叶植物；插入外源基因的片段较大，可达50Kb以上；转化率明显高于其它直接转化方法；外源基因整合到植物基因组上的拷贝数较少，多为单拷贝；整合的外源基因变异小，后代的分离规律也遵循孟德尔遗传规律。缺点是仍受宿主范围和菌株特异性等因素的限制。

　　2.2外源基因直接导入法

　　在油菜的遗传转化中，有越来越多的研究倾向于采用外源基因直接转化法，因其不受宿主范围的限制，也不需使用特定的载体。在早期的油菜遗传转化研究中取得成功的方法有3种：电激法、PEG法和显微注射法。近年来发展起来的还有基因枪法、激光微束穿刺法、真空渗入遗传转化法和花粉介导法等。

　　2.2.1电激法

　　电激法最初是从哺乳动物细胞转化中发展起来的一门新技术，后来用于植物细胞的遗传转化。国外最早报道是1985年美国的Michael等将其用于植物转基因上。Chapel和Gimelius利用电激法将B一葡萄糖醛酸酶基因(gus)导入甘蓝型油菜的叶肉原生质体中，建立了瞬时表达系统。Guerche等(1987)利用此法将含卡那霉素抗性基因nptH导入甘蓝型油菜中。自此，电激穿孔法先后在烟草、玉米、水稻、马铃薯、番茄、大豆、小麦等作物原生质体上获得成功。

　　2.2.2显微注射法

　　显微注射法是使用专门的仪器将外源基因直接注入到生物的生殖细胞中，而获得转基因再生植株的一种方法。显微注射法多年前在动物中就已获得成功，由此促进了它在植物细胞中的应用。Neuhaus等以甘蓝型油菜的花粉胚为受体，利用显微注射法将nptll基因的外源DNA注入细胞中。但这一方法需以精细的显微操作技术和细胞低密度培养为基础，并且必须建立固定植物细胞或原生质体的技术。

　　2.2.3基因枪法

　　基因枪法是借用火药爆炸、高压气体或高压放电为动力，用微粒对植物进行轰击而将其上的外源基因带入到植物细胞内，此法可以不受基因型和轰击靶组织的限制。目前基因枪法在油菜的遗传转化中已有成功的报道。Fukuoka等(1998)利用基因枪法转化甘蓝型油菜小孢子并获得可育的转化植株。国内方面，侯丙凯利用此法将从苏云金芽孢杆菌中克隆得到野生型杀虫晶体蛋白基因导入油菜叶绿体中获得4株转基因植株。但基因枪方法的缺点是转化效率低，一般在0．1％-1％范围内，增加了选择的难度，且费用昂贵。

　　2.2.4真空渗入遗传转化法

　　真空渗入遗传转化法是一种简便、快速、且无需经过组织培养阶段即可获得大量转化植株的基因转化方法。在油菜的遗传转化方面，目前国内已有成功的报道。

　　2.2.5激光微束穿刺法

　　激光微束穿刺法是利用聚焦到微米级的激光微束对组织进行穿刺，引起细胞膜的可逆性穿孔，从而导入外源DNA的一种基因直接转化技术。早在1987年，Weber等就利用微束激光将荧光素标记的外源  DNA导入叶绿体中。这一技术操作简便，转化频率高，定位准确，对细胞损伤小以及外植体适用性广泛等优点。利用激光微束穿刺法导入植物的外源基因还有一些报告基因、筛选标记基因和抗病基因，侯丙凯首次报道利用激光微束穿刺法将杀虫蛋白基因导入油菜，并获得抗虫转基因植株的研究结果。

　　2.2.6PEG法

　　PEG融合法操作简单，处理量大，融合频率高，而且不影响再生，基本上已克服了再生植株是嵌合体情况的发生，而且不需要昂贵的仪器设备。其缺点是仍需进行原生质体培养、处理时问长、不易掌握、常形成多元原生质体融合体。有报道指出，将PEG法与电击法等其他导入基因的方法相结合，能够提高转化率。

　　2.2.7花粉介导法

　　花粉介导法是利用生殖细胞――花粉作为载体，结合超声波处理介导外源基因对植物进行转化。花粉介导法避免了其它转化方法所要求的组织培养技术，转化方法简单、易操作、转化率高、且费用低，具有很强的实用性。

　　3.转基因食品的安全性问题

　　首先是毒性问题。一些研究学者认为，对于基因的人工提炼和添加，可能在达到某些人们想达到的效果的同时，也增加和积聚了食物中原有的微量毒素。

　　其次是过敏反应问题。对于一种食物过敏的人有时还会对一种以前他们不过敏的食物产生过敏，比如：科学家将玉米的某一段基因加入到核桃、小麦和贝类动物的基因中，蛋白质也随基因加了进去，那么，以前吃玉米过敏的人就可能对这些核桃、小麦和贝类食品过敏。

　　第三是营养问题。科学家们认为外来基因会以一种人们目前还不甚了解的方式破坏食物中的营养成分。

　　第四是对抗生素的抵抗作用。当科学家把一个外来基因加入到植物或细菌中去，这个基因会与别的基因连接在一起。人们在服用了这种改良食物后，食物会在人体内将抗药性基因传给致病的细菌，使人体产生抗药性。

　　第五是对环境的威胁。在许多基因改良品种中包含有从杆菌中提取出来的细菌基因，这种基因会产生一种对昆虫和害虫有毒的蛋白质。在一次实验室研究中，一种蝴蝶的幼虫在吃了含杆菌基因的马利筋属植物的花粉之后，产生了死亡或不正常发育的现象，这引起了生态学家们的另一种担心，那些不在改良范围之内的其它物种有可能成为改良物种的受害者。一些反对人士担心：转基因水稻如果被大面积种植，一些基因可能通过与其野生亲缘种间发生逃逸，即发生基因污染。转基因水稻商业化还将带来以下风险：生态平衡的破坏，一类害虫压下去了，其他的害虫就起来了；害虫对转基因抗虫作物可能发生抗性进化；转基因水稻危害非靶标生物，比如转基因稻的花粉、稻谷、稻草或根系分泌物也可能对稻田生态系统中的昆虫、鸟类、野生动物、根系微生物等产生影响，产生不可控制的后果。

　　最后，生物学家们担心为了培养一些更具优良特性，比如说具有更强的抗病虫害能力和抗旱能力等，而对农作物进行的改良，其特性很可能会通过花粉等媒介传播给野生物种。

　　最重要的问题是，人长期食用会有不良后果吗？在这一点上，也没有十分保险的答案。在食用转基因产品上，反对者和赞成者各有各的理由。有人认为转基因水稻所产出的大米安全性高于常规大米，转基因大米接受过严格的实验检测，对人体没有危害，因为大大减少了农药的施用，安全性还要高于常规的大米，常规的大米没有接受过严格的科学实验。抗虫转基因水稻产生的特殊抗虫蛋白只对昆虫有作用，在人畜身上没有“靶点”，也就是人食用后应该没有问题。

　　4.农业转基因育种的展望

　　现在大家知道，所有生物的DNA上都写有遗传基因，它们是建构和维持生命的化学信息。通过修改基因，科学家们就能够改变一个有机体的部分或全部特征。不过，到目前为止，这种技术仍然处于起步阶段，并且没有一种含有从其它动植物上种植基因的食物，实现了大规模的经济培植。同时许多人坚持认为，这种技术培育出来的食物是“不自然的”。

　　世界上第一种基因移植作物是一种含有抗生素药类抗体的烟草，1983年得以培植出来。又过了十年，第一种市场化的基因食物才在美国出现，它就是可以延迟成熟的番茄作物。一直到1996年，由这种番茄食品制造的番茄饼，才得以允许在超市出售。转基因技术终于走出实验室和试验田，进入像玉米、大豆和棉花作物的日常耕作。日前，农业生物技术应用国际服务组织发布的报告显示，经过10多年的推广，转基因作物发展迅速，2007年，全世界种植转基因作物的国家已达23个，全球55%的人口或多或少正在食用转基因食品。到2007年，中国已经有710万农民种植了转基因棉花，不仅获得可观的经济增收，更减少了40万吨的农药排放。

　　据介绍，第一代转基因作物遗传背景比较简单，转移一个基因，比如抗旱、抗虫的基因就能起到作用。下一步发展目标是加入质量性的基因，比如金色稻、金米，含有更多的维生素A，能够解决人体维生素A缺乏情况。含有高降钙素转基因的油菜可以防治老年骨质疏松，含人乳铁蛋白基因的稻米能防止腹泻。

　　目前，美国的科学家们已经开始大面积种植转基因水稻，这种水稻里面的转基因主要含人乳铁蛋白、溶菌酶和人血清白蛋白，能够提高人体的免疫力，尤其是能起到防止腹泻的效果。

　　眼下，治疗骨质疏松的办法是服用降钙素或者注射降钙素，但这种降钙素是合成的，1克1万多元，非常昂贵。而我国自主研发的高降钙素油菜的种子，每克可以产生3毫克降钙素，300多克油菜种子就可以产出1万多元的价值，具有很高的经济效益。

　　可以预料，随着国际上农业转基因技术的迅猛发展以及相关法律法规的逐步完善，农业转基因育种将在农业生产上发挥越来越重要的作用。本文来自《农业展望》杂志