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转基因玉米的应用研究进展

更新时间:2010-5-11:  来源:毕业论文

转基因玉米的应用研究进展
 摘要:玉米转基因的方法主要有农杆菌、基因枪、PEG介导等方法 ,受体主要是愈伤组织和幼胚等生活较旺盛的部位。目前在玉米上的成功应用是抗玉米螟的Bt转基因玉米、抗除草剂转基因玉米等种类。转基因技术目前面临的问题是关于环境和食物链的问题。也就未来玉米的转基因发展进行了讨论。

  关键词:转基因;玉米;安全性;研究

  The research and application of progress Genetically Modified maize

  ZhangLu

  (luohe medical college ,Luohe,462002)

  Abstract: Techniques such as Agro bacteria, particulate gun and PEG inducing techniques are often adopted in maize transgenic research, While vigorous part such as callus and yong embryo typically are used as acceptance. Transgenic Bt maize and transgenic herbicide-resistant maize are successfully developed. World wide conscious to environmental pollution protection and feed chains remains obstacle to Transgenic maize application.

  Key words: Genetically Modified ;maize; security ;research

  转基因(Genetically modified GM)也称重组DNA技术,创立于1972年。1985年首先在烟草上获得转基因植株。随着研究的深入,植物基因工程在农业上取得了巨大进展。到1997年初,美国已经批准的转基因田间实验已经达到2584项,批准17例转基因植物商业化释放。我国已经批准商业化生产4项,环境释放4项,中间实验10项。转基因可以使优良的生物基因在动物、植物、微生物之间进行交流,将其他生物上的优良基因转移到玉米内,弥补某些遗传资源的不足,丰富种质库[3]。玉米是我国和世界主要农作物之一,是植物遗传研究的模式植物,玉米的生产对于解决世界和我国的粮食问题具有十分重要的意义。

  我国每年因病虫等灾害导致玉米减产量为10%-15%,而且通过化学防治及生物防治的办法效果也不十分理想。通过种植转基因玉米仅在防病虫害上就能挽回玉米产量10%以上。另外,从世界范围看,转基因玉米的推广也已经带来了巨大的社会和经济效益。转基因玉米2005年市场价值达到19.1亿美元。据介绍说,以美国为例,美国原来每年约有一半的玉米田(3200万公顷)受棉铃虫危害,损失金额达10亿美元,种植转基因玉米后,产量提高9%,每英亩增收高达60美元。在取得巨大经济效益的同时,由于大幅度减少了化学农药的用量,环境效益十分明显。

  虽然,在国际上对转基因食品的安全性有很大争议,但作为目前世界上商业化种植的四大转基因作物之一,全世界转基因玉米,不论从生产形式上还是从消费形式上,它的种植面积近年来不断增长是势不可挡的。

  1 玉米转基因技术应用

  转基因技术的不断发展和完善使得转基因工作得以迅速开展。已经应用的转化技术有基因枪法、农杆菌介导法、种质系统转化法、花粉管通道法、PEG介导法、子房注射法、超声波法、阳离子转化法、电击法等。其中,基因枪法、农杆菌介导法在玉米遗传转化中都取得了很好的成就,这些方法都在不断的进行更深一步研究应用。

  1.1基因枪介导法

  基因枪法是通过基因枪击发火药爆炸、高压气体释放或高压放电所产生的推力使携带了外源基因的金属微弹穿透植物的组织、细胞壁和膜结构,将外源基因送入细胞核,进而整合到植物基因组中,实现遗传转化。基因枪转化的受体类型非常广泛,能被基因枪微弹穿透的组织都可以作为转化的受体,是玉米目前遗传转化的主要方法[6]。

  其最大优点是可以转化多种的组织和器官,转化受体可以是胚性悬浮细胞,愈伤组织、未成熟胚分生组织也可以是花粉、茎尖等。其中悬浮细胞是理想转化受体,悬浮的细胞容易大量获得,容易进行筛选。已经获得转基因玉米植株。

  1.2 农杆菌介导法

  农杆菌介导法是转基因技术中经常采用的一种手段。农杆菌在双子叶植物上的遗传转化方法已经十分完善,由于单子叶植物不是农杆菌的天然宿主,在单子叶植物上的遗传转化研究落后于双子叶植物。Grimsly等首次以玉米为材料,用农杆菌将玉米条纹病毒(MSV)的cDNA导人玉米植株中,使植株表现了系统感染症状,这个报道有力地证明了农杆菌能侵染玉米。这是玉米转基因育种的一个重要转折点,它开创了农杆菌应用于玉米转基因育种的新纪元[6]。

  农杆菌介导法具有简单易行,不需昂贵的设备,成本低,转化频率高,拷贝数少,遗传表达稳定性较好等优点,许多研究工作者仍热衷于不断完善这一转化体系,尤其近几年在单子叶植物特别是禾谷类作物上的突破性进展,表明农杆菌是很有潜力的一种转化方法。

  1.3 PEG介导法

  借助于PEG(聚乙二醇)可以诱导质粒DNA转化植物细胞,加入适量的钙离子可以进一步提高转化频率,可以打破农杆菌宿主的范围限制,使之可以转化到禾谷类作物。这种方法实验成本低,结果较稳定,重复性较好,不需要特殊仪器设备,易于推广,在玉米上已经获得了转基因植株。存在的主要问题是建立可靠高效的原生质体再生体系[3]。

  1.4 碳化硅纤维介导法

  利用碳化硅纤维对细胞进行转化,主要是将DNA、碳化硅晶体纤维和植物细胞一起震荡培养,附着在碳化硅上面的DNA可以随着碳化硅纤维进入受体经过不断改进,已经达到了和基因枪转化的效率接近的程度。在玉米上已经获得了较高的转化频率[3]。

  1.5 种质系统转化法

  种质系统转化,或称生物媒体转化系统,即利用花粉粒、花粉管通道或利用子房、幼穗及种胚注射外源DNA等方法,实现外源基因的导入[6]。

  1.6 子房注射法

  子房注射法是指利用显微注射仪或微注射针把外源DNA溶液注入子房中,靠子房产生的压力及卵细胞的吸收使外源DNA进入受精的卵细胞中。丁群星等首次报道用子房注射法将Bt抗虫毒蛋白基因导入玉米自交系,经Southern及PCR检测证明目的基因已整合,同时对转基因后代植株分子检测也呈阳性,对玉米螟饲喂显示一定的抗虫效果。目前,该方法转化率还不高,影响转化效率和结实率的原因是子房经注射受害较深而导致败育。应改进注射技术和注射工具,尽量减轻对子房的伤害,提高注射的准确度,并且DNA和注射工具均不能带菌。仅管如此,这一方法仍然具有优势,经过进一步探索,将是玉米基因转化的一个重要方法。

  1.7 花粉管通道法

  花粉管通道法是授粉后使外源基因能沿花粉管渗入,经过珠心通道进入胚囊,转化尚不具备正常细胞壁的卵、合子或早期胚胎细胞。花粉管通道法无需建立愈伤组织等组织培养体系,同时不受植株基因型的限制,但受授粉时间的局限且不能转化大片段的外源DNA。

  1.8 其它转化方法

  迄今报道在玉米上应用的其它基因直接导入方法还有电激穿孔法、超声波法、浸泡法(将成熟的种胚浸入外源DNA溶液当中,利用吸涨作用导入外源基因),等等,这些方法往往以原生质体为受体材料。尽管已有许多研究表明,外源基因被导入原生质体在细胞中能瞬时表达,并且在其再生愈伤组织中稳定整合和表达,然而由此获得的转基因可育植株却很少。玉米原生质体再生植株强烈地依赖于基因型,仅有少数几例对生产价值不大的品系如A188等能再生植株,无法应用于许多栽培品系或品种,因此这些转化方法受到很大限制[4]。

  2 转基因受体系统选择

  建立稳定、便捷、高效的遗传转化受体系统是转基因技术的首要条件。一个良好的基因转化受体系统应具备高效稳定的再生能力,较高的遗传稳定性,具有稳定的外植体来源,对选择性抗生素敏感,对农杆菌侵染有敏感性。早期因为基因转化技术的限制,只能利用胚性悬浮细胞的原生质体细胞作受体,而原生质体分化再生植株费时且很大程度上依赖于基因型,因此使得玉米转基因工程研究受到了限制。随着基因枪法、农杆菌介导法、花粉管通道法等转基因技术的发展与应用,遗传转化受体系统也多样化。目前应用于玉米遗传转化的受体有:外植体、胚性悬浮培养细胞、胚性愈伤组织、子房及花粉等[5]。

  3 转基因玉米的应用领域

  3.1抗虫性研究

  虫害是制约玉米生产的一大因素。目前,解决玉米虫害的主要方法是在玉米植株生长过程中喷施化学杀虫剂。化学杀虫剂不但杀死害虫,也杀死害虫的天敌,长此以往会造成生态平衡的破坏和环境污染的日益严重。同时由于害虫对农药产生抗药性使人们不断加大使用剂量,会造成环境污染的恶性循环。转基因抗虫玉米是替代杀虫剂的更有效方法,同时应采取有效的方法防止害虫对转基因植株产生抗性,如继续使用部分传统的玉米种子,并加快培养新一代的抗虫玉米杂交种[6]。

  抗虫转基因玉米主要应用的是Bt毒蛋白基因,Bt(苏云金芽孢杆菌)在芽孢形成的过程中产生杀虫晶体蛋白(IcP),Bt毒蛋白在体孢晶体内以原毒素的形式存在,被昆虫摄取后在昆虫幼虫的肠道内的微碱性条件下经蛋白酶水解转变为毒性多肽分子。可与昆虫肠道上敏感的表面特异受体相互作用,扰乱细胞的渗透平衡,从而导致幼虫停止进食,最终死亡。

  3.1.1 BT作物

  Bt即苏云金牙胞杆菌的英文拼写“Bacillus thuringiensis” 的缩写字母。目前通过转基因方法已建立了30多种作物,他们都能在植物组织中产生苏云金芽孢杆菌的一种内毒素。害虫使用了植物的任何组织都将解触到Bt蛋白,对内毒素敏感的害虫将被杀死。Bt转基因作物除了优点外,也有其他缺陷,如昆虫的抗性将使Bt介导的灭虫作用丧失;基因将在转基因作物和相关作物之间发生转移;Bt作物的非目标特异性可能通过转基因食品伤害到

  类[1]。

  3.2抗除草剂研究

  除草剂的普遍使用是现代农业的一大特点,它对节省劳动力、提高劳动效率、保护土壤结构都起到了不可磨灭的作用。但除草剂在消除杂草的同时也不同程度地伤害农作物,特别是玉米对除草剂尤为敏感。将抗除草剂基因引入玉米是一种高效、低成本、无公害的控制杂草的手段。2000年李国圣等用基因枪将来自拟南芥突变体中的抗除草剂基因als导入玉米细胞,经检测具有抗除草剂特性。2007年刘小红等以bar为外源目的基因,利用基因枪法将其导入了玉米优良自交系18—599红基因组中,获得了抗除草剂的优良玉米材料[4]。

  3.3 抗病转基因玉米

  抗病转基因玉米的主要目标是抗病毒和抗真菌病害。研究发现玉米矮花叶病毒(MDMV)B株外壳蛋白在转基因植株中表现出对MDMV的抗性另外,转几丁质酶基因玉米被认为具有抗真菌病害的效果。

  3.4 利用转基因玉米作载体生产特殊蛋白

  利用转基因玉米生产特种蛋白已成为另一种研究方向。美国德克萨斯大学实验站已将遗传工程玉米天然产生的特别蛋白推向市场。首批大量销售的两种产品是抗生素蛋白和葡萄糖苷酸酶。因为玉米基因易被修饰而且其基础条件已经具备,用标准技术可以很容易的将所需物质提取出来,所以该公司选择以玉米为载体通过一定的基因工程手段使其生产特殊蛋白。此外,抗病毒、高淀粉、高赖氨酸以及转入两种以上的目的基因的转基因玉米正处于试验阶段,有待于进一步的开发和利用[3]。

  3.5 改良品质

  赖氨酸是玉米蛋白质中的限制性氨基酸,含量高低直接关系到玉米的营养价值。孙学辉等通过基因工程提高了玉米的赖氨酸含量。国外已经报道了通过转基因玉米生产鸡蛋抗生素蛋白,并已进入商业化生产[6]。

  3.6 其它方面

  在美国的西部玉米带,提高杂交种抵抗较高的土壤PH值正在成为研究方向。预计产量应该比易感型的杂交种提高产量达到1/3以上。几个玉米种子公司正在进行的研究集中培育含有抵抗灰叶斑(GLS)的杂交种上。处于发展阶段的是其它的Bt菌株和控制其他的害虫如根虫,bIacK cutworms玉米螟,earworms,甘蔗螟的基因工程方面。其他的有经济价值的含有特定目的的性状,例如油分含量高、加工品质好、动物营养丰富,是将来的玉米转基因研究方向。农业上首例双价抗除草剂杂交种(同时抗Lid-erty和IMI除草剂)即将完成将由ICI/Garst完成其商业化[2]。

  4 转基因玉米育种中存在的安全性问题

  基因工程在玉米中的应用是把双刃剑,它所带来的优势勿庸置疑,但其安全性一直以来都是人们关注的焦点。转基因玉米能否顺利进入市场安全性是关键。概括出主要有以下两方面问题。一是基因扩散造成基因污染问题。玉米是靠风力授粉,所以很容易授粉给非转基因作物,从而造成品种混杂。Chapela和Quist(2001)LzTj报道了墨西哥Oaxaca州的玉米受到基因污染的分子证据,同时墨西哥政府也两次分别证实了本土玉米受污染的事实[283,这一发现令全世界感到震惊。此外抗性转基因玉米有可能将抗性基因转至环境中的野生植物群中,增加其抗虫、抗病毒、抗逆性,使其成为难以控制的杂草,甚至由于超强的适应性,有可能造成生态平衡的破坏。二是对人体健康造成影响的问题。标记基因(尤其是用抗生素基因作标记)可能会发生基因的“水平转移”,从而对人体产生负面影响,如抗生素抗性基因与人体内病原物发生“异源重组”,则会降低抗生素在临床医疗过程中的有效程度。一些基因在转移过程中,有可能获得某些蛋白的合成指令,导致人体过敏反应。

  5 基因玉米研究展望

  随着转基因食品的应用研究发展,日前,转基因工程在玉米遗传育种中的应用已经获得了举世瞩目的成就,对于解决耕地面积减少、粮食需求增加的现实矛盾提供了有力的技术支持,并为培育高产、高效、高抗玉米新品种提供了新思路[7]。随着转基因玉米理论体系和技术体系的更进一步发展,更多的优良受体材料将被应用,更多的优良基因将被发掘,并被准确定位提取。各种基因转化手段会更加优化,转化效率会得到有效提高。转基因玉米将逐步实现从单一基因、单一性状向多基因、多性状的转化发展,有效降低转化的成本,提高经济效率。基因工程的应用将会扩展到更多的领域,转基因玉米的商品化脚步将会加快,使广大农民得到更多实惠。对于转基因玉米的安全问题,我们不能因噎废食,政府必须不断完善各项法规政策,建立严格的管理体系,在投放市场前要做好转基因玉米的筛选和试验,确保对人身、对农业生产、对生态环境安全无害才能进行商品化生产。总之转基因玉米的应用有着光明的前景,基因工程将会在玉米遗传育种中得到更深入的研究和应用。

  目前还要注意,玉米主要经济性状都是数量性状,转基因研究主要集中于单基因的转化,要随着转基因技术的成熟和发展,使其面向数量基因的转化得以实现。另外要进行特种玉米的转基因工作的研究。开发玉米使之成为其他化学成品的加工厂;找更为有效的抗性基因,多个抗性基因协同作用;多基因控制性状的转化。同时要开展国际转基因技术、法律、食品贸易、环保等方面的合作。使转基因技术更好地服务于农业生产,从而使转基因玉米的优越性得以更好的展现和发展[3]。

  参考文献

  [1] 佩汉,弗里斯著;陈卫等译.转基因食品.北京:中国纺织出版社,2008.10:32-33

  [2] 孙岩,刘源霞,兰进好,杜景平著.转基因玉米研究进展.山东农业科学[J],2007,(6):22-25

  [3] 赵久然,郭景伦,滕海涛,尉德铭,郭强著.玉米转基因研究进展.玉米科学[J],2000,(3)45-49

  [4] 李国圣,杨爱芳,张举仁,毕玉平,单雷.玉米愈伤组织的遗传转化及抗除草剂植株再生[J]科学通报, 2000,(20):58-62

  [5] 王国英,张宏,谢友菊,戴景瑞,米景九,李太源,田颖川,乔利亚,莽克强. 玉米胚性愈伤组织转化及转Bt基因植株的抗虫性[J],农业生物技术学报, 1995,(03):13-16

  [6] 田兰,江俊峰,黑龙江农业科学,玉米转基因育种技术的研究进展[J],2008(09):56-60

  [7] 臧大存主编.食品质量与安全.江苏:中国农业出版社,2005,(10):190-206

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