轉(zhuǎn)基因水稻 葉紅偉.doc

淺析轉(zhuǎn)基因水稻的發(fā)展歷程與展望基因工程研究進(jìn)展作業(yè) 生物技術(shù)B1104葉紅偉0514110420引言：水稻是我國最重要的糧食作物之一，我國水稻生產(chǎn)用全國四分之一的耕地面積生產(chǎn)出了全國三分之一的糧食,養(yǎng)活了全國二分之一以上的人口。可見,水稻生產(chǎn)在我國糧食安全中占有舉足輕重的地位,其中雜交水稻作出了重要的貢獻(xiàn),繼續(xù)加強(qiáng)水稻育種研究對(duì)維護(hù)我國糧食安全具有重要意義。一、轉(zhuǎn)基因水稻研發(fā)概況 （一）國際概況 目前,全球轉(zhuǎn)基因水稻研究進(jìn)展迅速,已有數(shù)百例轉(zhuǎn)基因水稻獲準(zhǔn)田間試驗(yàn),涉及抗蟲、抗病、抗除草劑、品質(zhì)和農(nóng)藝性狀改良等多方面內(nèi)容。美國于2004年和2009年分別批準(zhǔn)藥用型轉(zhuǎn)基因水稻和抗除草劑轉(zhuǎn)基因水稻的商業(yè)化種植;第三世界國家伊朗于2004年批準(zhǔn)Bt抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻的商業(yè)化種植,面積從開始的2000公頃現(xiàn)已增加數(shù)倍。 （二）國內(nèi)概況 我國轉(zhuǎn)基因水稻研發(fā)與世界同步,其中抗蟲轉(zhuǎn)基因水稻處于世界領(lǐng)先水平。到2008年為止,轉(zhuǎn)基因水稻進(jìn)入大田試驗(yàn)的共有173項(xiàng),其中抗鱗翅目害蟲、抗白葉枯病和抗除草劑等5個(gè)轉(zhuǎn)基因水稻已進(jìn)入生產(chǎn)性試驗(yàn)階段;最近,其中兩個(gè)已獲農(nóng)業(yè)部頒發(fā)的安全證書。這些研究積累為推進(jìn)我國轉(zhuǎn)基因水稻產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)。 二、我國水稻生產(chǎn)中的主要問題 （一）病蟲害造成的損失病蟲害依然是水稻生產(chǎn)中的主要障礙,每年造成數(shù)百億元的經(jīng)濟(jì)損失。病害主要包括:水稻白葉枯、稻瘟病、紋枯病、稻曲病和條紋葉枯病等;蟲害主要包括二化螟、三化螟、大螟和稻縱卷葉螟等鱗翅目害蟲,以及稻飛虱、稻褐飛虱和白背飛虱等同翅目害蟲。我國每年由于病蟲害造成的水稻產(chǎn)量損失超過20%。據(jù)研究表明,僅鱗翅目害蟲中的二化螟每年造成的損失就高達(dá)70億元人民幣。 （二）災(zāi)害、干旱和逆境我國是一個(gè)災(zāi)害頻發(fā)且資源相對(duì)短缺的國家,干旱等逆境在水稻生產(chǎn)中造成嚴(yán)重減產(chǎn)。水稻用水量約占農(nóng)業(yè)耗水量的70%,占我國總耗水量的一半左右,對(duì)水資源僅占世界人均擁有量四分之一的中國來說,無疑是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。近年來,干旱、高溫、冷害頻繁發(fā)生,已經(jīng)嚴(yán)重影響我國水稻生產(chǎn)。 （三）化肥的過分使用我國水稻種植面積約占世界總水稻種植面積的20%,而氮肥用量卻占世界的37%;磷肥用量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界平均水平。由于化肥過量使用,既增加了生產(chǎn)成本、造成土壤退化,同時(shí)也引起水體富營養(yǎng)化,對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和人類賴以生存的環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,提高化肥使用效率勢在必行。 （四）稻米品質(zhì)有待改良隨著生活水平的不斷提高,我國已基本解決了溫飽問題,片面的追求產(chǎn)量而忽視品質(zhì)的育種目標(biāo)勢必要改觀。人們對(duì)稻米的蒸煮、食味、外觀、加工和營養(yǎng)等品質(zhì)不斷地提出了更高的要求;目前,我國稻米品質(zhì)已不能滿足人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。 （五） 育種技術(shù)的革命在近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間內(nèi),我國水稻生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩次飛躍:半矮稈基因種質(zhì)資源的利用和雜交水稻的大規(guī)模推廣使我國水稻單產(chǎn)由不足3 000 kg/hm2提高到了目前的6 000多kg/hm2;然而,近十年來我國水稻單產(chǎn)一直徘徊不前。要進(jìn)一步大幅度提高水稻單產(chǎn),采用新的育種技術(shù)勢在必行。轉(zhuǎn)基因技術(shù)為水稻新品種培育提供了一個(gè)嶄新的重要途徑,其可以克服生殖隔離,實(shí)現(xiàn)物種間遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移。 三、轉(zhuǎn)基因水稻的研發(fā)主要類別 (一)轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻 通過培育抗蟲品種, 提高水稻自身抗性是一種更經(jīng)濟(jì)更環(huán)保的策略。但是,常規(guī)育種技術(shù)培育抗蟲新品種不僅需要較長的時(shí)間, 而且對(duì)于水稻最主要的害蟲螟蟲(二化螟、三化螟、稻縱卷葉螟等)在水稻中尚未發(fā)現(xiàn)有效的抗性種質(zhì)資源。目前,最有希望和前途的方法就是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)把外源抗蟲基因引入水稻中創(chuàng)造出新的抗蟲品種。迄今為止, 人們?cè)谥参?、?dòng)物甚至微生物中已鑒定并克隆了許多有用的抗蟲基因。一些抗蟲基因已轉(zhuǎn)入水稻獲得了轉(zhuǎn)基因抗蟲品系, 而且有一些已進(jìn)行了大田實(shí)驗(yàn), 展現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景。 1.轉(zhuǎn) Bt 基因水稻來自于蘇云金芽胞桿菌(Bacillus thuringiensis,Bt)的Bt毒蛋白基因是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的抗蟲基因之一。大多數(shù)Bt菌在芽胞形成過程中會(huì)產(chǎn)生伴胞晶體。這種伴胞晶體是一種具特異殺蟲活性的蛋白質(zhì),稱為Bt毒蛋白或殺蟲晶體蛋白. 通過將Bt菌來源的Bt毒蛋白基因?qū)氲街参镏芯涂梢栽谥参镏斜磉_(dá)并積累Bt毒蛋白,從而使轉(zhuǎn)基因植物獲得抗蟲性。 2.轉(zhuǎn)植物或動(dòng)物來源抗蟲基因水稻植物來源的抗蟲基因主要有植物凝集素基因和蛋白酶抑制劑基因等。凝集素基因是抗蟲效果相對(duì)較好的植物來源的基因,其中雪花蓮凝集素(GalanthusNivalis agglutinin, GNA)基因是使用比較廣泛的一種抗蟲基因。使用GNA基因最大的優(yōu)點(diǎn)在于,GNA對(duì)Bt蛋白不能控制的刺吸式(同翅目)害蟲如稻飛虱有一定的抗蟲效果。 （二）轉(zhuǎn)基因抗病水稻細(xì)菌性病害白葉枯病(bacterial blight)以及真菌性病害稻瘟病(blast)和紋枯病(sheath blight)是水稻生產(chǎn)上常見的三大病害。在轉(zhuǎn)基因抗白葉枯病育種上, 直接轉(zhuǎn)化主效抗病基因是比較快捷和有效的辦法。 （三）轉(zhuǎn)基因抗旱水稻長期以來干旱是導(dǎo)致水稻減產(chǎn)的重要因素,且由于世界氣候變化而呈日益加劇的趨勢。水稻生產(chǎn)耗水量巨大,占我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的70%; 而我國又是一個(gè)淡水資源缺乏的國家,人均淡水資源只有世界平均水平的 1/4。因此,培育節(jié)水抗旱水稻,減少水稻生產(chǎn)的用水量,對(duì)于提高水稻產(chǎn)量,保障我國的糧食安全具有重要意義。由于抗旱機(jī)制的復(fù)雜性,完全依賴常規(guī)的育種手段難以培育抗旱品種。目前轉(zhuǎn)基因技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于抗旱水稻的培育,通常所采用的策略就是在轉(zhuǎn)基因水稻中表達(dá)干旱誘導(dǎo)或抗旱相關(guān)基因。 （四）轉(zhuǎn)基因營養(yǎng)高效利用水稻化肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ),化肥的使用為提高糧食產(chǎn)量,確保糧食安全作出了巨大的貢獻(xiàn)。研究和培育營養(yǎng)高效利用的水稻品種,配合科學(xué)的施肥方法和田間栽培管理措施,在不減少產(chǎn)量的前提下大幅降低肥料的投入,對(duì)確保糧食安全和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。（五）轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)水稻轉(zhuǎn)基因高產(chǎn)水稻的培育主要是集中于C4 水稻的研究上。眾所周知, 根據(jù)光合作用碳同化途經(jīng)中CO2固定的最初光合產(chǎn)物的不同,高等植物可分成C3,C4和景天酸植物。C4 植物是從C3植物進(jìn)化而來的一種高光效種類。與C3植物相比,C4植物在光合效率、抗逆境脅迫方面都具有優(yōu)勢。遺憾的是許多主要作物如水稻、小麥、大麥、和大豆都是C3植物. 長期以來,許多植物學(xué)家和育種家都希望可以將C3作物改良為C4作物, 而轉(zhuǎn)基因技術(shù)的興起也為C3作物改良為 C4 作物帶來了希望。（六）轉(zhuǎn)基因抗除草劑水稻發(fā)展轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物通常采用兩個(gè)策略: 1.修飾除草劑作用的靶蛋白基因, 通過降低靶蛋白的敏感性或提高其表達(dá)水平來獲得對(duì)除草劑的抗性; 2.通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)引入新的酶系統(tǒng)來提高植物對(duì)除草劑的代謝能力從而達(dá)到抗除草劑的效果。四、展望在過去的20多年里,轉(zhuǎn)基因水稻的研究取得了巨大的進(jìn)步,不僅建立了成熟的遺傳轉(zhuǎn)化體系,而且獲得一大批有應(yīng)用潛力的轉(zhuǎn)基因材料。轉(zhuǎn)基因水稻的研究在許多方面上還有待進(jìn)一步的發(fā)展，技術(shù)上還不夠成熟、缺乏可以有效控制稻飛虱的抗性基因、抗性品種往往推廣數(shù)年后就會(huì)失去抗性等。雖然導(dǎo)入個(gè)別的外源基因可以看到一定的效果,但是目前取得的進(jìn)展離理想的目標(biāo)尚有較大的距離。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國,人口眾多,確保我國的糧食安全至關(guān)重要。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的應(yīng)用,將為我國未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出重大的貢獻(xiàn)。讓我們以積極、理性的心態(tài)去面對(duì)轉(zhuǎn)基因的未來。參考文獻(xiàn)：1 朱楨，轉(zhuǎn)基因水稻研發(fā)進(jìn)展，中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2010年12月。2何瑞鋒,王媛媛,杜波,等，水稻雙元細(xì)菌人工染色體字體系統(tǒng)轉(zhuǎn)化體系的建立，遺傳學(xué)報(bào),2006年，33: 269276。3陳浩,林擁軍,張啟發(fā)轉(zhuǎn)基因水稻研究的回顧與展望科學(xué)通報(bào) 2009年第54卷第1