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植物基因工程在农业中的应用
理学院
生物化学与分子生物学
卢双双
学
号：0202012085
摘 要: 近年来,植物基因工程研究取得飞速发展,在促进农业生产方面发挥了巨大作用.综述了植物基因工程主要研究方法及其目前的应用现状,并对植物基因工程产品的安全性问题作了分析.关键词:基因工程;转基因植物;应用
ABSTRACT The study of plant genetic engineering has been developed rapidly in recent years.And it has an enormous effect in promoting agricultural production.The paper attempts to present the main research approaches of plant genetic engineering and its current application situation in agriculture.It also analyses the safety of genetically modified crop production.Key words: genetics engineering；
genetically modified plant,； application
基因工程是指按人们的科研或生产需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成遗传物质（DNA），在体外切割、拼接形成重组 DNA，然后将重组 DNA 与载体遗传物质结合，将其引入到受体细胞，进行复制、表达，生产出符合人类需要的产品或创造生物的新性状。自 l983 年世界上第 l 例转基因植物问世至今，科学家育成了一大批耐除草剂、抗病、抗虫、病毒、抗寒的高产优质农作物新品种和植物材料，并开始在农业生产上大面积推广应用。据农业生物技术应用国际服务组织（ISAAA）发布的全球转基因作物商业化种植最新进展显示，2010 年全球 29个国家的 1 540 万农民种植转基因作物1.48 亿 hm2，种植面积比 2009 年增加10%。
一、在抗性育种上的应用
病虫害是造成粮、棉、油、果蔬等农作物减产、绝收的主要原因之一。据统计，由于病虫害每年给农业造成的损失达 13%，尤其由于某些害虫对化学农药产生抗性，使应用化学农药控制虫害的方法受到一定程度的限制。随着生物技术的发展，转基因作物能够减少农药的用量，降低农药及其残留物对人类和环境造成的危害，从而达到农业生产可持续发展的目的。苏云金芽孢杆菌是最早使用的生
物杀虫剂之一，早在1938年就用于防治地中海粉螟。1981年，科学家首次成功克隆了编码Bt 杀虫晶体蛋白基因。
我国科学家于1992年成功将Bt杀虫基因导入棉花，创造出单Bt转基因抗虫棉。1995 年，利用杀虫基因和豇豆胰蛋白酶抑制剂（CpT）I 基因，构建了双价抗虫（Bt+CpT）I 基因，标志着我国第二代抗虫棉的研究达到了国际领先水平。到 2008 年我国转基因抗虫棉面积已达380 万 hm2，占全国棉田面积的 70%。推广转基因抗虫棉后，每年化学农药的使用量减少 1 万到 1.5万 t，相当于我国化学杀虫剂年生产总量的 7.5%左右；棉农的劳动强度和防治成本显著下降，棉农中毒事件降低70%～80%，棉田生态环境得到明显改善。目前，苏云金芽孢杆菌蛋白基因已被成功导入番茄、烟草、水稻、玉米等作物。2009 年 8 月 17 日，农业部依法批准发放了转基因抗虫水稻（Bt水稻）的生产应用安全证书。但受到商业批准的限制，Bt 水稻在中国种植大约还需要三年时间。基因工程的发展为培育抗病虫的作物提供了新的手段，开辟了植物抗病虫育种的新时代。
二、在非生物胁迫育种上的应用
非生物胁迫因子(如干旱、热害、冷害、冻害、光辐射等)作用于植物，将会引起植物体内发生一系列的生理代谢反应，表现为代谢和生长的可逆性抑制，严重时导致整个植株死亡。各种胁迫中，冷害、干旱、盐碱是制约植物生长、影响农作物产量与品质的重要因素。所以，有关植物抗寒、抗旱及耐盐的研究一直是植物学研究领域的热点。
美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，育成抗旱、抗瘠的新品种。我国在抗盐基因工程上已取得了一些进展，先后克隆了脯氨酸合成酶（proA），山菠菜碱脱氢酶（BADH），磷酸甘露醇脱氢酶（mt）l 及磷酸山梨醇脱氢酶（gutD）等与耐盐相关基因，通过遗传转化获得了耐1%NaCl 的苜蓿、耐 0.8%NaCl 的草莓及耐 2%NaCl 的烟草，这些转基因植物已进入田间试验阶段。中国科学院遗传所将 BADH 基因导入水稻，获得的转基因水稻有较高的耐盐性，并能在盐田中结实。
三、在杂草控制方面的应用
目前在商业化种植的转基因作物中，耐除草剂性状是转基因作物的主要性状。2010 年，耐除草剂基因被广泛运用在大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜以及苜蓿中，种植面积占全球1.48 亿 hm2转基因作物面积的 61%。耐除草剂转基因植株的出现，不仅扩大了现有除草剂的应用范围，而且还影响新型除草剂的设计和使用。草甘膦是目前应用最为广泛的一种广谱除草剂，可杀死世界上 78 种恶性杂草中的 76 种。它通过抑制 5-烯醇 丙 酮 酸 莽 草 酸-3-磷 酸 合成 酶（EPSP）的活性而阻断芳香族氨基酸的合成，导致植物死亡。将含有抗草甘膦的 EPSP 合成酶突变基因引入植物，就可使植物获得抗草甘膦的能力。美国从 1996 年开始推入市场的转基因抗除草剂大豆，到 2007 年，已经占据了总播种面积的91%。除了转基因大豆，转基因抗除草剂的棉花和玉米在2007年也分别占据了总面积的70%和50%左右。由此，转基因抗除草剂作物通过美国巨大的播种面积对世界造成了巨大影响，如，2008年中国每年进口的大豆3743万t，绝大部分为转基因大豆。
四、在品质育种上的应用
第一代转基因作物通过抗病虫和杂草来实现产量的增加，第二代转基因作物将提供新的因素以进一步增加农民收入。目前改良作物产品质量的基因及应用主要有：控制果实成熟的基因；改善种子储藏蛋白基因；控制脂肪合成基因等。利用基因工程育种的方法，世界上有43 种农作物品种品质得到改良，包括水稻、番茄、马铃薯、瓜类、烟草等。2000 年，瑞士联邦技术研究所的 IngoPotrykus 等人将水仙的八氢番茄红素合成酶和八氢番茄红素双脱氢酶基因转入水稻，获得色泽金黄的金大米，使每克食用大米含高达35μg的维他命原A（β胡萝卜素），可为发展中国家食用缺乏维生素A大米的人们提供足量的维他命A，以大大减少由于缺乏维他命A 而死亡的人数。金米预计将于 2013 年进入商业化生产阶段。1997 年，我国第一个获准商品化生产的转基因番茄品种华番 1 号，解决了由于果实具有呼吸跃变期而难贮藏的难题，在 13～30℃下可贮藏 45d 左右，大大延长了保鲜期。
五、植物基因工程产品安全性问题
由于植物基因工程中的外源基因可能来自植物、动物或微生物,因而转基因植物不同于传统的杂交育种技术得到的植物新品种,人们对转基因植物的释放可能带来的新的基因组合及对进化、环境、人类健康和其他方面的影响还知之甚少,使得转基因植物的大面积推广种植进展缓慢.在生物安全方面主要考虑以下8个问题:(1)转基因植物的扩散问题;(2)转入植物的外源基因的扩散问题;(3)转入植物的其它标记基因(如抗生素抗性基因)的扩散问题;(4)转基因植物是否会影响生物多样性,即生物“入侵”问题;(5)转基因植物是否会改变与之相关物种(如害虫)的进化速度;(6)转基因植物中标记基因的毒性问题;(7)转基因植物的果实或其它部分作为食物是否会引起食用者不良反应,特别是有无可积累的长期作用;(8)转基因植物是否会对农业和国际贸易带来一些不可预测的影响.这些问题中1~4属于转基因植物的环境安全性问题.为了防止转基因的扩散,在大面积种植转基因植物时必须进行有效的隔离措施.问题中的5~7则属于食品安全性问题,虽然转基因技术已经给人类带来了巨大的社会效益和经济效益。但由于其打破了物种间的天然屏障，这种基因转移对生态环境和人类健康可能带来什么样的后果难以预料。人们对转基因植物提出了各种各样的安全性问题，因而基因工程食品的安全性一直成为人们关注的焦点。对此，应采取科学、认真、务实的态度，并吸收国际组织的研究结果与标准，制定相关法规加强管理，以保证转基因产品在农业生态环境、食品安全与健康等方面的安全性。
展 望
植物基因工程技术大大拓宽了植物可利用的基因库,带来了现代农业的变革.21世纪农作物基因工程的发展前景将是非常美好和令人鼓舞的,除了有重大经济价值的转基因作物将陆续进入大田生产以外,转基因技术也将有重大突破.不久的将来,可望出现集高产优质、高光效、抗病、抗虫和抗逆等特性于一身的作物新品种.许多科学家甚至预言,21世纪的所有主导农作物都将是基因工程产品.当然,要实现这一目标尚需时间和努力,但我们深信,植物基因工程将在第二次“绿色革命”中发挥巨大的作用.参考文献：
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