基因工程在农业中的作用及发展前景

0　前言

70年代初建立发展起来的基因工程，经过20多年的不断进步和发展，已在生物学领域中起着举足轻重的作用。自1983年世界上第1例转基因植物问世以来，基因工程越来越受到世界各国的关注并得以飞速发展，育成了一大批耐除草剂、抗病、抗虫、抗病毒、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。据统计，到目前为止转基因在120种植物上获得成功，有3000多例转基因植物进入田间试验，在美国和加拿大有50多种转基因植物进入商品化生产。全世界转基因农作物的种植面积也逐年增加，1996年为200万hm2，1997年达1280万hm2，而1998年增加到2600万hm2。

1　基因工程技术在农业上的应用

基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，并使之渗入到原先没有这类分子的寄主细胞内，而能持续稳定地繁殖。从定义上看，它首先强调外源核酸分子在另一种寄主生物细胞中进行繁殖的问题，这种跨越天然物种屏障的能力，是基因工程的第一重要特征。这表明，应用基因工程技术，人们就可以按照自己的主观愿望，创造出自然界原先并不存在的新的生物类型。通过基因工程技术，把来自不同生物的外源DNA插入到载体分子上，所形成的杂种DNA分子与神话传说中的那种具有狮首、羊身、蛇尾的怪物颇为相似。当前，科研人员正是利用基因工程这一特征，在植物遗传改良上取得了前所未有的成就。农作物生物技术的目的是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程技术在这些领域，已取得令人瞩目的成就。

1.1　利用基因工程技术改良作物品质

随着生活水平的提高，人们越来越关注口味、口感、营养成分、欣赏价值等品质性状。实践证明利用基因工程可以有效地改善植物的品质，而且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域，取得了很好的效果。种子及其他贮藏器官(块茎、块根、鳞茎等)中蛋白质的含量及其氨基酸的组成、淀粉和其他多糖化合物以及脂类物质的组成，直接关系到这些食物的营养价值或在工业上的用途。由于不少贮藏蛋白的基因或与这些贮藏物质代谢过程有关的代谢过程而改变这些器官中的物质组成，甚至使植物产生的反义RNA基因，就有可能通过调控有关的代谢过程而改变这些器官中的物质组成，甚至使植物产生新的或者修饰过的化合物。在蛋白质改良方面，由于特定作物种子中往往缺少某几种必需氨基酸，人们的注意力集中于通过基因工程改变蛋白质的必需氨基酸的组成而改善植物的营养价值。美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因，成功地导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆，大大提高了营养价值，得到了农场主及消费者的普遍欢迎。Meijer将富脯氨酸基因成功地导入水稻中获得转基因植株，提高了籽粒的蛋白质含量，改善了稻米的品质。在花色、花香、花姿等性状的改良上也作了大量的研究。德国科隆蒲朗克研究院分子育种所的科研人员于1987年，将玉米色素合成中的一个还原酶基因，导入矮牵牛后得到开砖红色花的类型。加州戴维斯的一家基因工程公司从矮牵牛中分离出一种新编码蓝色基因，导入玫瑰花中获得开蓝色花的玫瑰。烷羧酸(ACC)氧化酶合成基因的反义基因导入香石竹，已育成保鲜期延长2倍的抗衰老香石竹新品系。我国在利用基因工程改良植物品质上也取得了较大的成就，1997年，我国第一个获准进行商品化生产的基因工程番茄品种华番1号，经测定在13～30℃下可贮藏45天左右，大大延长了保鲜期，解决了由于果实具有呼吸跃变期而难贮藏的难题。北京农林科学院的工作人员经4年的努力，将来自美国优质面包小麦品种CHEYENNE的谷蛋白亚基导入到北京地区推广种植的抗病、高产品种，获得蛋白质含量较高的小麦类型，具有比较好的前景。巴西坚果的富含蛋氨酸的2S清蛋白基因转入烟草，在菜豆种子的贮藏蛋白基因的启动子的驱动下，表达的蛋白质中18%的氨基酸为蛋氨酸，在转基因烟草的蛋白质中蛋氨酸的含量增加了30%。也有人将编码高含硫氨基酸的蛋白质基因导入豆牧草，使之在茎中高度表达，大大提高了其作为饲料的营养价值。同时，基因工程在调控植物的淀粉及其他多糖化合物方面，也取得较大进展。在改变油料作物油脂的组成方面，近几年已取得一系列重要的突破，这方面的主要目标是改变油脂中不饱和度以及脂肪链的长度。通过导入硬脂酸ACP脱氢酶的反义基因，在转基因油菜和芜菁的种子中硬脂酸的含量由2%增加到40%，增加20倍。

1.2　利用基因工程技术培育抗虫作物

虫害严重影响农业生产，影响作物的产量和品质，制约农业经济的稳定发展。全世界粮食产量因虫害所造成的损失占14%左右。在美国，在小菜蛾的防治上所耗费用达10亿美元，作物产量损失为4000多万t。我国是世界上最大的棉花生产国，但由于棉铃虫的持续性大爆发，造成棉花减产达17%～50%，每年造成经济损失50～100亿元人民币。采用化学药剂虽然是防治害虫比较有效的方法之一，但由于特异性不高、具危险性、污染环境等原因，科技人员渐渐将目光转移到基因工程上来。自从将B.t毒蛋白基因导入烟草表达后表现出抗虫特性以来，国内外不少实验室在这方面开展了工作，并已相继获得抗虫基因番茄、马铃薯、甘蓝、棉花、杨树等。目前，除了将一些毒蛋白基因导入植物外，一些昆虫毒素基因也已被用于抗虫基因工程，取得很大效果。1987年美国科学家将HO-1毒素基因导入西红柿植株，培育出的转基因番茄，经大田试验证明，昆虫取食该植株的叶片后在几天内就死亡。另外，美国的研究人员开发了能抗科罗拉多马铃薯甲虫的马铃薯抗虫品种Newleaf、抗鳞翅目害虫的保铃棉花Bollgard及抗欧洲玉米螟的保产玉米Yieldgard，并相继进入了市场，深受农民的欢迎。我国科学家在1991年成功地将苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis，Bt)杀虫晶体蛋白基因导入棉花，获得了转基因植株。1993年将Bt晶体蛋白基因导入我国棉花品种中，获得了高抗棉铃虫的抗虫棉。中国农业科学院生物技术中心培育出10多个棉花转基因品种品系，据试验对棉铃虫杀伤力达80%以上，并且具有丰产性和品质优良的特点。如1998年通过国家审定的中棉所29就是一个适于北方棉区生产的中熟转基因Bt棉。到目前为止，我国已育成10多个杀虫效果显著、丰产性能好、纤维品质优良，适用于不同生态条件种植的品种或品系，已在国内9个省市大面积试种、示范和应用，预计到2000年，我国转基因棉花种植面积将达到20万hm2。

1.3　利用基因工程技术培育抗病作物

抗病植物病害一直是农业生产中难以防治的，据联合国粮农组织(FAO)估计，全世界粮食生产每年因病害的发生而导致的损失占10%，棉花生产上损失为12%左右。在某些作物如甘薯，病毒病能使其减产20%～50%，严重时甚至绝收。使用一些药剂来防治病害通常效果不佳，采用有性杂交的方式来获得抗病品种也存在着各种局限性，因为抗性基因是受多基因控制，并且往往与一些不良基因连锁在一起，而基因工程则是在单个目的基因上进行，具有快速性和定向性。近10年来，植物抗病基因工程取得一系列的成果，已有10多个植物抗病基因被克隆并定序，同时育成了大量的抗病作物品种或品系。抗病毒基因工程中，目前主要采用的病毒的外壳蛋白(CP)基因导入植物的方法，使番茄、黄瓜、南瓜、甜椒等植物具有抗病性。1992年美国国家科学院公布了Hayakawa研究小组利用禾谷类作物病毒外蛋白技术获得成功，他们从2个日本水稻品种中分离出未成熟植株的细胞团，这种细胞团能长成植株，并能合成抗水稻条纹叶枯病毒的外蛋白基因。据测试，在31株含有外蛋白的对照水稻植株中，接种带病毒稻褐飞虱，结果80%的对照组出现了病毒症状，而通过基因工程培育的水稻植株仅20%～40%受感染。1995年美国农业部批准抗病转基因南瓜品种Freedom 投入商业应用，取得了很好的经济和社会效益。在我国，在抗病毒基因工程上做了大量的研究，也获得了多种转基因抗病毒植物。如经过6年努力将合成的CMV和TMV外壳蛋白基因用Ti质粒介导引入烟草良种NC89，最终得到了抗TMV/CMV的转基因烟草，其中，抗TMV的转基因CN98在自然感染或攻毒条件下保护率可达到90%～95%，推广面积超过1.3万hm2。中国农业科学院的转基因抗病毒马铃薯品种，不仅具有抗病性，而且产量每66.7m2可达2000kg;沧州市农科院引进该项成果经试种获得成功，从根本上解决了病毒病引起的种性退化问题，是继茎尖脱毒组织后培养获得无毒苗的又一途径。

1.4　利用基因工程技术培育抗逆性强的作物

植物对逆境的抗性一直是植物生物学家关心的问题。由于植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战，转基因耐涝性、耐盐碱、耐旱性和耐冷性的作物新品种(系)也已获得成功。植物的抗寒性对其生长发育尤为重要。植物在长期的进化过程中，在生长习性、生理生化方面对寒冷产生了一定的适应。在生长习性方面，有些植物以种子的形式越冬，有些植物则以地下器官的形式越冬，还有些植物则产生一些保护组织来抵御寒冷。在生理生化方面，则采用植株含水量下降、ABA含量增加、生长减缓和呼吸减弱等方式来适应寒冷。这在一定程度上能抵御寒冷，但过度的低温会导致植物体结冰、蛋白质受到损害、细胞膜遭到破坏，严重时使植物体发生冻害甚至死亡。怎样才能有效地提高植物的抗寒能力以抵御低温的胁迫呢?Hhomashow等将CBF1 (C- repeating binding factor)基因导入拟南芥，诱导了一系列低温调节蛋白的表达，使未经低温驯化的植株具有较强的抗寒能力，从而能够抵御比较寒冷的天气。科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免受低温的冻害正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼体内分离出来，导入植物体获得转基因植物，目前这种基因已被转入番茄、黄瓜中。相信在不久的将来，会有各种具有强烈抗寒特性的转基因植物出现，使它们能在高寒地区或者骤冷的气候下生存。Murata等通过向烟草导入拟南芥叶绿体的甘油3磷酸乙酰转移酶基因，以调节叶绿体膜脂的不饱和度，使获得的转基因烟草的抗寒性增加。

1.5　利用基因工程技术培育抗除草剂作物

化学除草剂在现代农业中起着十分重要的作用，新的除草剂也不断出现。作为一个理想的除草剂，它必须具有高效、广谱的杀草能力，而对作物及人畜无害，在土壤中的残留要短，不能增加农业成本太多。问题是现在要开发出一种新的符合上述要求的除草剂成本越来越高，选择的机率也在明显降低。50年代，从2000个化合物中可筛选出一个投入商品生产，到70年代，这个比例下降至1/7000，而80年代降低到差不多1/20000。然而，通过基因工程来提高除草剂的选择性以及对作物的安全性，具有重要的意义。同时，在作物导入高抗除草剂基因，也可使人们更自由地选择适合轮作套作的作物种类。现在，针对不同除草剂作用机理，已获得抗除草剂基因工程烟草、番茄、马铃薯、棉花、油菜、大豆、水稻等作物。

1.6　利用基因工程调节植物的次生代谢或用植物生产具有重要经济价值的蛋白质植物的很多次生代谢产物广泛用于生产药物、化妆品、食品添加剂等，但是在天然植物中它们的含量通常很低。在研究了解次生代谢途径的前提下，导入在正常植物中作为代谢途径的限速酶的基因或有关的具调节功能的基因，有可能提高作物的特定次生代谢物的产量。例如将长春花的编码色氨酸脱羧化酶的基因导入烟草中使之由色氨酸产生生物碱原色胺，在转基因植物中酶活增加45倍，而色胺含量增加了260倍，结果1g鲜重的植物材料可产生1mg多的色胺。国内外一些实验室正在利用重组的植物病毒(如MTV)感染植物，以产生大量有医用价值的蛋白。还有人将动物蛋白基因转入植物，使之在植物特定的器官表达，也已取得成功。

1.7　生物固氮

氮是植物生长必不可少的一种元素，农业生产中氮是长时期使作物获得高产的基本条件。氮素的来源有工业固定、生物固定、自然放电等，化学氮肥对作物产量提高有显著的作用，但也有其不容忽视的弊病，那就是能源的消耗、环境的污染和生产成本的提高。而生物固氮则能在常温、常压下合成氮肥，从而大幅度地节约能源并且不会对环境造成严重的污染，所以多年来一直受到科学研究人员的关注，特别是近10年来，固氮基因工程得到了飞速发展，对固氮的机理和应用性作了大量的研究。固氮的基因工程主要是将克氏肺炎杆菌固氮基因(nif)导入到不能固氮的微生物或者植物中，以获得固氮微生物或固氮植物。日本国立遗传研究所通过质粒PRD1将nif引入到根际微生物中，发现乙炔的还原能力增强3倍，在种植120天的水稻中有1/5的氮是来自这种转基因菌的固氮作用。中国科学院遗传研究所把带有固氮基因的质粒PRD1从大肠杆菌K12jc5564转移到无固氮能力的水稻根系菌4502Y中，表现出较强的固氮能力，经测定接种有该菌的水稻发育明显优于对照植株。

1.8　利用基因工程调控植物激素和生长发育

对植物生殖生长过程(包括花的形成、发育、雄性不育、自交不亲和性、胚胎发育等)的调控，在作物生产及园艺上均十分重要。最为成功的是利用基因工程产生雄性不育系。另外，有人将一种叫flo的基因导入杨树，竟使之开花提前了好几年。基因工程在调控植物激素和生长发育方面的应用近年来发展很快。

2　基因工程体及其产品安全性问题

由于基因工程可以使基因对生态环境和人类健康可能带来什么样的后果难以预料。目前的科学水平不能精确地预测转基因可能产生的所有表型效应，也很难明确地回答公众对基因工程产品提出的各种各样的安全性问题。因此，为了加强农业生物工程产品的安全性，应根据自己的国情，采取积极、认真、慎重的态度与务实、具体的保护措施。要吸收国际组织的研究结果与标准，快速设立安全评价与管理机构，制定法规，采取防范措施。在目前科学技术尚难以完全检测、鉴别的情况下，充实和完善实验和隔离设备，利用健全的食品检测手段，对转基因产品农业生态环境与人民的食物安全、健康的影响，实施严格的把关和保护。

3　基因工程在我国农业发展中的前景及对策

如前所述，由于基因工程运用DNA分子重组技术，能够按照人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体，具有新奇遗传性状的新型生物，增强了人们改造动物植物的主观能动性，预见性，并且当前已在提高动植物产量，改善品质，增强抗逆性及生产特用产品上发挥了不可代替的作用，显示了巨大的潜力。当前，世界各国，包括美国、日本、加拿大等国家政府及其一些大公司都十分重视基因工程技术的研究与开发应用，纷纷投入大量的人力、物力、财力，抢夺这一高科技制高点[5]。目前，转基因物质在美国的农作物种植和食品加工的各个环节中无处不在，其应用日益增长。至今，美国批准了35种转基因作物、几十种转基因酶和其它应用在食品加工过程中的转基因物质。当前我国基因工程技术尚落后于发达国家，更应当加速发展，迎头赶上，切不可坐失良机。对于基因工程技术，应考虑以下3点：①提高重要性认识，加大投入力度。21世纪将是一个高科技激烈竞争的时代，而主战场将是生物技术和信息技术。我国是一个人多地少，人均资源贫乏的国家，粮食与环境污染问题依然是下个世纪国民经济与社会发展的主要问题之一。而其因工程技术在农业上的特殊地位与作用，最有可能担此重任，因此，要充分认识其重要性，加大投入力度。②加强管理，有选择性地研制开发对当前生产有用的基因工程产品。我国还是一个发展中的大国，资金有限，对于基因工程的开发研究不可能面面俱到，应重点扶植一些有基础、条件较好的单位，并且将重点放在开发性研究上，21世纪初可优先考虑发展以下领域：农作物基因工程，畜禽鱼虾的基因工程技术，动植物中有价值产物的合成。③加速研究成果向产品化转变。21世纪基因工程技术将加快向产业化、商品化、环保化和国际化发展，其根本目的在于最大限度地提高资源产出率，劳动生产率和产品商品率，实现产业的社会经济和生态效益统一。在我国，研究领域与生产领域脱钩的现象依然严重，一些研究成果在鉴定之后就被锁在柜子里面，这样既不利于调动研究人员的积极性，也不能给社会带来任何实际好处。因此，要理顺科研与市场的关系，建立健全科研管理机制与体系，这是发展基因工程这一高科技不可缺少的外部环境。