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专业背景:计算机科学 研究方向与兴趣: JavaEE-Web软件开发, 生物信息学, 数据挖掘与机器学习, 智能信息系统 目前工作: 基因组, 转录组, NGS高通量数据分析, 生物数据挖掘, 植物系统发育和比较进化基因组学

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基因工程与植物的遗传改良  

2013-03-23 20:09:22|  分类: 遗传与基因组学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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基因工程与植物的遗传改良

 

 

常规植物遗传改良技术是以基因突变和有性杂交为基础的。通常情况下基因自发或诱发突变的频率低,其中有益突变则更少;同时,某种植物可利用的种质资源由于受生殖隔离等特性的制约,而局限在一个非常有限的范围内,使植物的遗传改良在很大程度上受到了限制。随着分子生物学的发展,人们对外源基因导入细胞及导人细胞后转化子的再生,进行了探索和研究,建立了切实可行的遗传转化体系,使得植物基因工程技术日臻完善。人们把基因工程技术应用于植物遗传改良,解决了常规遗传改良中存在的一些难题,逐步发展成为一种新的遗传改良手段,给植物遗传改良注入了新的活力(Vasil,1994;毕瑞明等,2006)。现代生物技术的飞速发展,使植物基因工程的研究硕果累累,给人类的生存与发展带来了新的希望和曙光。尽管植物基因工程在遗传改良中的应用仍然存在许多问题,但其应用价值越来越受到重视。

1  利用植物基因工程技术进行遗传改良

通过植物基因工程技术,将外源遗传物质插入、整合到受体植物的基因组中,使其在后代植株中稳定地遗传和表达,从而使受体植物获得新的性状。1973年Cohen等成功地进行了DNA体外重组并实现了细菌性状的转移,开始了利用DNA体外重组技术及基因工程方法改良生物的新时代(Gasser等,1989)。1983年Zambryske等以根癌农杆菌质粒为转化载体,将T-DNA上的基因转入烟草细胞,获得了第1株转基因植物——转基因烟草,开创了植物遗传改良的新纪元( Zambryske,1983;Benfey等,1989)。1986年Powell-Abel等将烟草花叶病毒外壳蛋白基因导人烟草后,获得了第1例抗病毒转基因烟草,这也是首次获得的有商业化应用前景的转基因植物。此后,基因工程技术广泛应用于植物遗传改良,创造出一系列具有抗病虫害、抗旱、耐除草剂、耐盐碱及其他环境胁迫、丰产、优质、增加观赏性、清除环境污染、生产转基因生物药品等优良性状的植物新品种。

利用植物基因工程技术进行遗传改良,能够打破物种间的生殖隔离,使不同物种间遗传交流成为可能,为拓宽植物可利用基因库创造了条件:植物基因工程提供了新的创造变异的技术手段,大大缩短了植物遗传改良周期:同时用于基因工程遗传改良的基因大多研究得较为清楚,改良的植物目的性状明确,选择手段有效,使引发植物产生定向变异和进行定向选择成为可能:另外通过改良植物的一些关键性状,使原品种(系)的重要农艺性状在很大程度上得到提高。随着基因工程研究的不断深入,能够克隆到更多的新基因并且转基因技术会得到进一步完善,对多个基因进行定向操作也将成为可能,这在常规遗传改良中是难以想象的。

2  植物基因工程的研究与应用

半个世纪以来,生命科学的飞速发展为生物技术产业的迅速崛起奠定了坚实的基础。以转基因为核心的植物基因工程技术正在领导一场新的农业科技革命。迄今为止,在转基因植物的获得、中试、田间释放及商品化种植等方面,取得了一系列突破性成就。自第1例转基因植物培育成功至今,科学家们已在200多种植物中实现了基因转移,包括粮食作物、经济作物、蔬菜、瓜果、牧草、花卉及造林树种( Maliga,2004)。

据国际农业生物技术应用服务机构(Interna- tional Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications,ISAAA)统计报告,自1996年转基因植物(genetically modified plant,GMP)特别是转基因农作物(genetically modified crop,GMC,现多称为生物技术作物)实现商业化以来,全球转基因作物种植面积每年均以2位数的百分率迅速增长。2007年全球转基因作物种植面积已达1.143亿hm2,较1996年增长了67倍;种植国家也由1996年的6个增加到23个;有1 200万农民从事转基因作物的种植;全球市场的转基因农产品价值高达70亿美元,发展态势异常迅猛( Clive James,2008)。   

1996-2005年间,耐除草剂一直是生物技术作物最重要的特性,随后是抗虫性和复合性状f赋予单一转基因作物品种复合多个转基因优势特性)。此外还涉及到抗病毒、抗细菌、抗真菌、抗逆境、品质改良和对生长发育的调控以提高产量潜力等性状。种植面积最大的是抗除草剂生物技术作物,近年来,转基因作物市场上复合性状转基因作物的面积有持续增长趋势。复合性状转基因作物在2004-2005年间发展最快,增长率达49%。2005年美国种植的生物技术作物中,大约有20%为包含2种或3种性状的复合性状基因产品。复合性状基因产品是未来的一个重要发展趋势。   

专家预计在今后的10年中,生物技术作物的强劲增长势头将继续保持,除了食品、饲料和纤维等传统农业产品以外,全新的农业产品将不断涌现,包括药品、口服疫苗、特种和精细化工产品等。同时,可再生的作物资源将取代不可再生、日益昂贵的污染性燃料。

由于人口和耕地的双重压力,我国对发展转基因植物,特别是农作物十分重视。国家从战略角度坚持对转基因研究进行支持,加大投资力度。因此,我国的转基因研究工作迅速在全国开展(贾士荣,1997;2001)。我国是亚洲最早开展转基因作物田间试验的国家,也是全球转基因作物商业化最早的国家之一,现在已经成为转基因作物种植面积的第六大国。20世纪80年代中期,我国政府启动了863计划,又批准了“国家转基因植物研究与产业化”专项计划,使我国在植物基因组和转基因研究的许多领域都取得了相对优势。尤其是具有我国自主知识产权的转基因抗虫棉和转基因水稻具备了较强的竞争优势,通过产业化示范和带动作用,取得了显著的经济、社会和生态效益,为我国农民增收和农业增效做出了重大贡献。转基因作物的推广将会缓解我国主要作物品质差、产量徘徊不前、病虫害逐年加重、水资源短缺、土壤退化、盐碱地、铝离子毒害及大量使用农药引起的环境污染等问题,为保障国家粮食安全、生态安全和提高农产品国际竞争力提供了强力技术支撑,对我国农业的未来发展方向产生了深远影响,并成为我国经济的一个新的增长点。

3植物基因工程的潜在风险及对策

常规遗传改良是通过近缘杂交、自然选择、适者生存、不适者被淘汰这个过程进行的。而植物基因工程在培育所需要的高产、稳产、优质、抗逆和新性状等植物新品种上,显示出独特的技术优势和全新的开发前景。但是,任何科学技术都是一把“双刃剑”,给人类带来利益的同时,也可能会带来一些潜在危险或尚不可预见的后果。例如,1999年5月20日的《自然》杂志报导:帝王蝶的幼虫在吃了某种转基因玉米的花粉沾染过的牛奶草叶子之后,近1/2的个体死亡,幸存的也不能正常发育。所以,在看到植物基因工程产生的成就,并大力发展基因工程技术的同时,也要看到它所带来的一系列问题。因此,在转基因植物的实践中,需要严格管理,采取谨慎与科学的态度,充分重视转基因植物的安全性,以避免给环境和人们的生产、生活带来难以挽回的危害。

外源基因去除”技术的要点之一是在目标植物中加入了受DNA调控片段启动子控制的特殊基因,该基因在启动子的作用下,可根据科学家的意愿,在需要的时间和部位将外源基因和自身从转基因植物中切掉,从而使转基因作物的花粉、种子、果实不再含有外来基因,或将外来基因从人们所需食用的部分(如植物的茎、叶、块茎)彻底清除掉,达到用转基因作物生产出非转基因食品的目的,从根本上解决了长期困扰人们的转基因植物基因扩散问题和转基因食品的安全性问题。

4  植物基因工程遗传改良与常规遗传改良的关系

转基因植物和常规繁殖生长的植物品种一样,是在原有品种的基础上对其部分性状进行修饰或增加新性状,或消除原来的不利性状。转基因技术实质上是传统育种方法的延伸,其本质与传统常规杂交育种相同。传统的常规育种一次转移的是成千上万个不同植物品种甚至不同植物种类的基因:而基因工程只是转移一个或数个基因,按照人们预先的设计改造植物体,更为准确、更具预见性和高效率。采用植物基因工程技术和常规遗传改良手段创制的植物新物(品)种在基因的变异上是等同的。在常规遗传改良过程中,基因突变、断裂、插入和重组等事件的发生都能产生新的表达产物,只是因为其基因表达产物由于种种原因难以检测或者并未引起人们的重视而已,这类基因表达产物同样也可能是植物原种质库中并不存在的,由于这类事件的发生完全是随机的,几乎不可能对其进行检测,人们往往只是看到了一些有益性状的改良,而忽视了其基因和代谢的深刻变化。另外,一些存在于植物近缘种中的基因通过遗传改良计划引入植物品种也有可能带来一些问题。因此,从创造基因变异的层面上来看,利用植物基因工程进行遗传改良与传统的植物遗传改良并无本质区别,只是大大提高了一些基因变异的机率和有效性而己。

植物基因工程能够突破物种之间的遗传障碍,按照人类意志定向地改造植物,但是按照达尔文的进化论和自然选择理论,利用它创造并形成一个新物种,仍然存在变异的产生、自然的选择、渐进和巩固的过程。所以植物基因工程若要创造新物(品)种,同样要经过由突变体到新物种的过程。这表明,从目的基因的分离、转化和表达,到转基因植物后代的选育,植物基因工程都与现代植物遗传改良息息相关。植物基因工程技术作为一种创造变异的手段是植物遗传改良工作的一个环节,要选育出能够在生产中推广应用的新品种,仍然离不开常规遗传改良技术手段的支持,一些商业化生产的转基因植物品种的选育过程很好地说明了这一点(郭三堆等,1999)。因此,植物基因工程必须与常规遗传改良紧密配合,经过大田试验将转基因植物的外源目的基因持续延续给后代或通过有性繁殖转移到别的品种。最后还必须与植物栽培紧密结合,才可能进行中试及推广。所以植物基因工程与常规遗传改良是相辅相承的,不能有所偏废。

就目前利用植物基因工程进行遗传改良的实践来看,一些与常规遗传改良不同的规律应引起人们的足够重视,如由于外源基因失活(gene sil- encing)、纯合致死(lethality)效应、花粉致死效应以及其他一些未知的原因,会导致外源基因的遗传不符合孟德尔遗传规律:外源基因一般呈显性遗传给后代;有些转基因当代植株可能会由于组织培养方面的原因造成结实率降低,但其后代的结实率可望恢复正常:一些目标性状明确的基因导入植物后,由于插入位点的原因可能导致其他性状的变化等等,这些情况的出现,使得转基因植物品种在选育手段和选育规律上具有其独特性(邱小辉等,1998)。

5  前景展望

国内外大量转基因植物的商品化生产实践,已经证明了基因工程技术在创造植物新种质和新品种中的价值。尽管目前此项技术还不够完善,人们对此还有一定疑虑,但从一些重要的农作物、树木、花卉、牧草等植物的转基因品种商品化生产现状来看,转基因植物以其自身独具的魅力,在未来人们的生产和生活中定会占有重要地位:利用植物基因工程进行植物遗传改良的工作也会越来越受到重视。目前,改良作物产品质量的基因及其应用主要有:控制果实成熟的基因:谷物种子储藏蛋白基因;控制脂肪合成基因:提高作物产量基因等。世界上有43种农作物品种得到改良,如水稻、番茄、马铃薯、瓜类和烟草等等。其中,大面积推广应用的转基因植物主要是抗虫、抗除草剂品种:为了满足人们生活质量提高的需求,科学家正在培育抗旱耐盐、改良品质、增加营养、医疗保健及生物能源用的第2代、第3代转基因植物,不仅可使消费者直接得益,还将为解决与广大消费者日常生活紧密相关的全球性水资源短缺和能源危机作出重大贡献。

转基因作物育种已成为最富活力的农业技术,转基因植物在生产中已经和正在发挥重要的影响,它不仅创造了可观的经济、社会和生态效益,在解决食品短缺、增进人类健康、增加和节省能源、保护自然资源和生态环境等方面产生越来越大的作用,而且显示出对于未来解决环境、能源等重大问题的巨大潜力,新兴的生物技术产业将具有更加广阔的发展前景

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