基因工程技术在植物保护中的应用
2007/11/1 来源:农技服务 作者:何长松


  摘要 基因工程是20世纪末迅速发展起来的新兴生物技术,在促进农业生产方面发挥了巨大作用,尤其在植物的抗病、抗虫、抗除草剂、抗逆及品种改良等方面提供了更为广阔的应用前景。笔者详细阐述了基
  因工程在农业中的应用,通过对基因工程技术的特征分析及在农业上应用效果的总结,论述了基因工程给我国目前农业发展带来的机遇与挑战及应采取的对策。
  关键词 基因工程技术;植物保护;防治应用;发展前景
  中图分类号 S77文献标识码 A文章编号 1004-8421(2007)11-056-03
  
  基因工程和细胞工程、酶工程、发酵工程均属于现代生物工程。诞生于20世纪70年代的基因工程技术,作为生物工程的重要领域,自20世纪80年代中后期以来取得了迅速发展。基因工程是采用类似工程设计的方法,人为地转移和重组生物遗传物质中的基因,从而达到改变生物的性状和功能,创造出更加适合于人类需要的、而大自然未能赐给的新生物,因而基因工程也称遗传工程、遗传操作或重组DNA技术等。由于与病虫害防治有关的各类基因的发现及植物转基因和微生物重组技术的一系列突破,用于植物保护的基因工程产品首先得到开发并在农业上实现商业化应用。基因工程技术为现代植物保护工作开辟了广阔的前景。
  
  1 植物基因工程技术概况
  
  植物基因工程技术是利用生物或物理、化学的手段将目的基因导入植物细胞,以获得人们需要的转基因植物的一项基因工程技术。植物的遗传转化目前可分为间接转移和直接转移2类,通过染色体DNA的Southern分析、多聚酶链式反应技术等方法可检测基因转移是否成功。
  1.1 间接转移法 以某种菌或植物病毒为载体,把目的基因插入载体,通过菌或病毒感染植物,使目的基因整合到受体植物的DNA上复制和高效表达。
  1.2 直接转移法 利用植物细胞的生物学特性,通过基因枪法、脂质体介导法、多聚物介导法等物理和化学技术将目的基因直接转移到受体植物细胞内。
  
  2 基因工程技术在植物保护中的应用
  
  2.1 国内外发展概况
  2.1.1 转基因植物。1983年,转基因植物(烟草和马铃薯)首次诞生。1986年,转基因抗虫和抗除草剂植物开始进入田间试验。1994年,首批转基因植物产品——延熟保鲜的番茄和抗除草剂棉花在美国获准进入市场销售。截至1998年6月,国外批准商业化应用的各类转基因植物产品已近90种,仅美国和加拿大就超过了50种。其中,大部分都与病虫草害防治有关,如抗虫(玉米螟)玉米,抗虫(棉铃虫、红铃虫)棉花,抗虫(甲虫)马铃薯,抗病毒西葫芦、番木瓜,抗除草剂(草甘磷、草铵磷、溴苯腈、磺酰脲、咪唑啉酮)的玉米、大豆、棉花、油菜、亚麻等。另据统计,1996年世界种植的转基因农作物面积约为200万hm2,1997年猛增至1 280万hm2,1998年又上升至2 600 hm2。在美国,转基因玉米、大豆和棉花的种植面积已分别占各种作物总种植面积的25%~33.3%。
  我国在转基因植物方面的研究也获得了很大地发展,据1996年统计,国内正在研究和开发的转基因植物约47种,涉及各类基因103种。其中与病虫草防治有关的基因约62种,即抗病毒病基因33种、抗细菌病害8种、抗真菌病害7种、抗虫11种、抗除草剂3种。近几年研究的基因数量和转基因植物的种类又有增加,目前国内已有10余种转基因植物进入了田间试验或试种示范阶段。我国自行研究培育的5个转基因产品已获准商业化应用,其中同抗病虫有关的有3个,即抗棉铃虫的棉花、抗病毒病的番茄和甜椒。近年来,转苏云金芽孢杆菌(Bt)杀虫晶体蛋白基因的棉花最为引人瞩目。我国现已育成10多个杀虫效果显著、丰产性好、纤维品质优良、适于不同生态条件种植的品种或品系,这些材料已在国内9个省、市(区)大面积试种、示范和应用。新一代双价抗虫棉(含Bt杀虫蛋白酶抑制剂2种基因)品系已进入了大面积示范。我国已成为在世界上独立研究成功转基因抗虫棉,并拥有自主知识产权的第2个国家。
  2.1.2 重组微生物。过去采用传统选育方法,得到的自然菌株防治对象窄,稳定、持久性差。基因工程则为这些菌株的遗传改良提供了有效的手段,新一代杀虫防病重组微生物的研究开发已取得显著的进展。1991年以来,国外已有一些新型微生物农药产品投入市场,其中以微生物杀虫剂居多,如采用质粒修饰与交换技术开发的新型Bt杀虫剂Foil、Condor和Cutlass;利用基因体外重组技术开发的新型Bt杀虫剂Raven OF和Crymax WDG;利用基因转移与生物微囊技术开发的杀虫荧光假单胞菌菌剂MVP、MTrak和MPeril等。重组微生物杀菌剂的研究开发也有突破。如对多种植物根癌病有效的放射土壤杆菌K84菌株经基因缺失重组后,防病效果更为稳定持久,1992年该菌已定名为Nogall并获准进入国际市场。
  我国重组微生物的研究开发起步稍晚,但近年来也取得了良好进展。如已从我国Bt资源中鉴定出Cry1 Ac10 和Cry1 Fb3等新型杀虫蛋白基因,通过基因重组和转移,分别获得了杀虫毒力较高或兼有杀虫与防病作用的苏云金芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌菌株。微生物杀菌剂的研究开发也具有一定的特色。如通过转座子诱变和接合转移技术获得了防病增产作用良好的荧光假单胞菌,该菌对小麦金蚀病田间防治效果(降低白穗率)可达65%,增产约20%以上。通过致病基因hrp缺失构建的工程菌株,可降低水稻白叶枯病病情指数近50%,与增效剂混用,田间防治效果可达60%以上。
  2.2 基因工程技术在植物病害防治方面的应用
  近年来,利用基因工程技术防治植物病害方面已取得了一定的进展。如黄瓜、马铃薯、番茄、烟草、苜蓿等植物,经常出现花叶病害而枯死,这些都是病毒引起的病害。人们在研究此病害过程中,发现了交叉保护现象,即先用弱病毒感染植物,再用强病毒感染植物,结果后者感染不上,达到了免疫防病作用。目前,抗病毒基因工程有以下几个方面:
  2.2.1 转病毒外壳蛋白基因工程。烟草花叶病毒(TMV)是1种RNA病毒,由单链RNA和外壳蛋白组成。将单链RNA编码外壳蛋白的片段反转录成cDNA,然后放入载体,转化到烟草中表达,结果在烟草中有病毒的外壳蛋白。当再感染相同病毒时,体内的外壳蛋白能阻断新入侵病毒的复制和传递,达到防病效果。利用相同原理,马铃薯、番茄、苜蓿等花叶病毒转外壳蛋白基因的植物已获得成功。
  2.2.2 病毒卫星RNA基因工程。将病毒卫星RNA反转录成cDNA放入载体,转化到植物中。外界侵入病毒的卫星RNA序列和转化植物中的cDNA序列配对重组,结果阻止卫星RNA复制。这种方法已在马铃薯、黄瓜上应用。
  2.2.3 病毒反义RNA基因工程。将病毒RNA反转录成cDNA,反方向接到启动子后面,构成载体,转化植物。入侵病毒RNA与植物中转录的反义RNA配对互补,阻断入侵病毒的复制。除上述以外,近来发展到利用病毒基因组的其他片段介导的抗性作用,都取得了较大进步。
  2.2.4 抗细菌和真菌病害的基因工程。目前,抗细菌和真菌病害的基因工程也有了很大的进展。如鸟氨酸氨甲酰转移酶基因和乙酰转移酶基因用于抗细菌病害;核糖失活蛋白、几丁质酶和葡聚糖酶、解毒酶等基因用于抗真菌病害。我国科学家从丝瓜根部分离得到芽孢杆菌TG 26菌株,可抑制因细菌或真菌性病原菌引起的作物萎蔫病,亦可抑制小麦赤霉病菌、棉花枯萎病菌、西瓜枯萎病菌等。
  

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