農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究

1、內(nèi)容為網(wǎng)絡(luò)收集僅供參考農(nóng)業(yè)生物技術(shù)中國人口眾多且還在不斷增長，人均農(nóng)業(yè)用地有限，缺少水和其他資源，植物經(jīng)常遇到生物和非生物脅迫。到2030年，糧食產(chǎn)量必須增加30s50%才能使年產(chǎn)量達到6.4億t。因此，在未來30s40年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率的持續(xù)增長是一個非常緊迫的頭等大事。有幾個因素可以影響糧食的單位面積產(chǎn)量。科學(xué)和生物技術(shù)可以在以下幾個方面起作用從而提高生產(chǎn)率：改良作物品種、改善采后處理以及減少干旱和病蟲害所造成的損失。從1960年到1985年，通過植物育種學(xué)家的努力已經(jīng)培育出得到極大改良的品種。然而在最近10年間，品種改良的速度大大減慢。這是由于可利用的種質(zhì)資源是有限的，且植物育種工作者在開展無

2、緣雜交育種過程中常常會遇到種間不親和的障礙。僅僅依靠傳統(tǒng)育種技術(shù)，在品種改良方面似乎已不能取得足夠的進展，另一方面，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)最近已得到極很大的發(fā)展，預(yù)計今后30年在品種改良中將會取得極大的進展。在中國消費的所有食物中70以上來自于禾本科糧食作物（水稻、小麥、玉米、大麥、燕麥、高梁、黑麥和谷子）。因此，本文將簡要綜述在以下幾個方面增加禾本科糧食作物產(chǎn)量的可能性。1996年中國的糧食總產(chǎn)據(jù)估計為4.9億t。其中水稻的產(chǎn)量最多，接近1.6億t。Evenson等（1996）對世界水稻產(chǎn)量的增長進行了估計他分根據(jù)現(xiàn)有知識，估計了水稻產(chǎn)量從1994年到2020年可能的增長幅度（表4.11.1）o表t1

3、1全世界水稻產(chǎn)量的計博長.產(chǎn)量噌長因素相對于1曲4年的噌長率（x）導(dǎo)人贈加產(chǎn)量的有利基因24種植抗各種告蟲的轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)S種植抗各種病害的轉(zhuǎn)基團植物rs導(dǎo)人耐干旱和鹽脅迫的有利基因10通過使用血盆蔥物利用現(xiàn)在的產(chǎn)冢非耕種土地3*Evenson博士所收集的數(shù)據(jù)主要是1994年5月之前的。而在1994s1997年期間在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)方面有許多未預(yù)計到的新的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，未來的20年中可能會有更多的發(fā)現(xiàn)。因此，作物產(chǎn)量的實際增長率可能比表中所列的數(shù)據(jù)高得多。*通過減少損失來增加產(chǎn)量。從表中可以看出，到2020年預(yù)計全世界水稻產(chǎn)量可增長56%。如果中國可以達到估計增長值的2/3,即37，并且其他主要禾谷類

4、作物也能增長同樣的幅度，則不用增加農(nóng)藥與肥料用量就足以為中國人提供足夠的食物。事實上，當開始使用抗蟲和抗病的轉(zhuǎn)基因植物時，化學(xué)農(nóng)藥的用量預(yù)計將會減少。因此，生物技術(shù)的應(yīng)用對環(huán)境也是有益的。應(yīng)該指出，Evenwon博士在作這一預(yù)測時，假設(shè)對水稻生物技術(shù)研究和開發(fā)的資金資助在今后25年內(nèi)將會繼續(xù)，就像過去8年左右那樣。另外，基礎(chǔ)設(shè)施和管理也將同時得到改善。Toenniessin（1991）和WU（1994）總結(jié)了在水稻基因工程方面有潛在應(yīng)用價值的基因和技術(shù)。Toenniessen（1991）所綜述的具有潛在應(yīng)用價值的基因包括：利用不同的細胞質(zhì)雄性不育體系改良雜交水稻；利用編碼殺蟲蛋白的基因（如Bt

5、晶體蛋白和蛋白酶抑制劑）提供抗蟲性；利用抗真菌、細菌和病毒病的基因；利用提高抗旱和抗鹽性的基因等。基中部分包括因在引入水稻后，已表現(xiàn)出有危亡的結(jié)果,Wu（1994）對這些結(jié)果進行了綜述。其中包括編碼抗病蛋白（如Bt晶體蛋白、蛋白酶抑制劑、雪花蓮凝集素和核糖體去活蛋白）的基因和編碼抗病蛋白（如幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶的抗真菌多肽）的基因。下面就對最近的一些研究進展進行綜述。增加糧食或種子產(chǎn)量的方法利用雜交水稻通過利用雄性育，袁隆平20年前在中國培育了雜交水稻。雜交稻在中國已經(jīng)大面積種植，它的產(chǎn)量比常規(guī)稻高出近20。然而，可供田間種植的雜交稻品種很少，因此需要培育更多的品種。此外，其他有用性狀，如抗蟲病

6、性，對干旱、鹽堿和低溫的耐性等，也需要通過生物技術(shù)引入雜交稻。定位高產(chǎn)的數(shù)量性狀位點（QTL）利用分子生物學(xué)技術(shù)，如限制性片斷長度多態(tài)性（UFLP）和簡單序列長度多態(tài)性（SSLP）,人們可以鑒定與高產(chǎn)性狀共分離的染色體區(qū)域。一個例子就是野生稻種2個QTL位點的定位，這2個位點可使水稻產(chǎn)量提高20%（Xiao等,1996）。一旦這種QTL位點被鑒定出來，人們就可以利用標記輔助育種把相應(yīng)的染色體區(qū)域比傳統(tǒng)育種技術(shù)更快地引入水稻優(yōu)良品種。將來還可能通過遺傳圖克隆在QTL位點上的這2個基因，最終也可能把這些與高產(chǎn)相關(guān)的基因通過遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)引入水委或其他禾本科作物，獲得得可育的轉(zhuǎn)基因植株。引入外源基因延

7、遲衰老增加產(chǎn)量在衰老過程中，葉片細胞經(jīng)過代謝和基因表達的協(xié)調(diào)變化，導(dǎo)致光合能力的急劇衰減。人們發(fā)現(xiàn)，外用細胞激動素可以延緩衰老。Gan和Amasino（1995）的工作表明，通過將編碼細胞激動素合成酶的cDNA（受自體調(diào)節(jié)的啟動子所驅(qū)動）導(dǎo)入煙草，轉(zhuǎn)基因煙草植株與非轉(zhuǎn)基因植株相比產(chǎn)生了更多的種子和生物量。如果這一有利基因在轉(zhuǎn)基因水稻和其他禾本科植物中也有同樣的作用，預(yù)計將會培育出高產(chǎn)的糧食作物。引入抗病基因減少病害所造成的產(chǎn)量損失內(nèi)容為網(wǎng)絡(luò)收集僅供參考克隆并導(dǎo)入水稻抗白葉枯病基因Song等（1995）用位置克隆法已經(jīng)從水稻中克隆了Xa2l抗病基因，它編碼一個受體激酶類蛋白。將這一基因轉(zhuǎn)入感白葉

8、枯病的水稻品種中，轉(zhuǎn)基植株對這一病菌的許多株系都有高度抗性。導(dǎo)入控制水稻東格魯病的cDNA已知水稻的一種重要病害是由水稻東格魯病毒的浸染引起的。有兩種類型的東格魯病毒，RTSV和RTBV。編碼RTSV和RTBV外殼蛋白的基因已經(jīng)用基因槍轟擊法轉(zhuǎn)入水稻，對第三代轉(zhuǎn)基因植株進行了抗性鑒定。初步的試驗結(jié)果表明，部分轉(zhuǎn)基因植株抗水稻東格魯病毒（Faupuet等，1997）。這些研究者還計劃把幾個不同的病毒基因引入水稻以完全控制東格魯病。導(dǎo)入控制水稻黃矮病的cDNA為了尋找一種遺傳工程抗水稻黃矮病毒（RYSV）的策略，表達RYSV核殼蛋白（N）的轉(zhuǎn)基因水稻植株已經(jīng)被培育出來。23株轉(zhuǎn)基因植株的TI代已經(jīng)

9、進行了病毒抗性測定。在8個株系中有65%的后代植株表現(xiàn)了抗性（Fang等，1997）,導(dǎo)入幾丁質(zhì)酶cDNA空制真菌病害在CaMV35汨動子控制下的一個幾丁質(zhì)酶基因通過轉(zhuǎn)化被導(dǎo)入水稻。有幾個第二代轉(zhuǎn)基因水稻植株對Rhizoctoniasolani表現(xiàn)了抗性（Lin等，1995）。導(dǎo)入抗蟲基因減少蟲害所造成的損失導(dǎo)入晶體蛋白基因控制害蟲合成蘇云金芽孢桿菌crylA（b）基第二代和第三代轉(zhuǎn)基因植株對幾種鱗翅目害蟲表現(xiàn)了明顯的殺蟲作用（Wunn等，1996）。將水稻螟蟲抗性引入育種種質(zhì)資源中，將使一這重要農(nóng)藝性狀可以用于水稻常規(guī)育種項目。導(dǎo)入蛋白酶抑制劑基因控制害蟲馬鈴薯蛋白酶抑制劑II基因（pin2

10、）已被導(dǎo)入水稻。通過DNA雜交分析證明導(dǎo)入的pin2基因已穩(wěn)定地遺傳到第五代。第五代轉(zhuǎn)基因水稻植株的抗蟲性測定表明，這些轉(zhuǎn)基因植株對水稻的一種重要的害蟲一一大螟的抗性提高（Duan等，1996）。將兩個殺蟲基因?qū)胨窘?jīng)過改造的o內(nèi)毒素基因crylA（b）和豇豆胰蛋白酶抑制劑基因（CpTi,水稻肌動蛋白啟動子actin1）分別導(dǎo)入水稻，有幾個轉(zhuǎn)基因植株對黃螟表現(xiàn)了高度的殺蟲活性（Wu等，1997）。導(dǎo)入外源cDNA®育耐旱和耐鹽堿的水稻LEA基因用基因槍轟擊法將來自于大麥胚發(fā)育后期的高豐度蛋白基因Hval導(dǎo)入水稻懸浮細胞，第二代轉(zhuǎn)基因植株對缺水和高鹽的耐性明顯提高（XU等1996）。

11、通過種植帶有抗旱和耐鹽基因的水稻（或其他植物），在缺水條件下可以減少產(chǎn)量損失，在高含鹽土壤中也能得到較高的產(chǎn)量。其他基因能夠提供耐缺水和高鹽含量的其他有用基因包括編碼甘露醇（Shen等，1997）、脯氨酸（Kishor等，1995）和多氨（Masgrau等，1997）生物合成的基因，這些基因已被證明能夠增加轉(zhuǎn)基因煙草對內(nèi)容為網(wǎng)絡(luò)收集僅供參考鹽和干旱脅迫耐性。其他的有用的基因，如編碼谷光甘肽S-轉(zhuǎn)移酶或谷光甘肽過氧化物酶（Roxas等，1997）、鐵氧化物歧化酶（Cam育,1996）的基因也已經(jīng)被證明能夠增加轉(zhuǎn)基因煙草的脅迫抗性。當幾個或多數(shù)這種基因與適合的單子葉植物可調(diào)控啟動子連結(jié)，并轉(zhuǎn)入水稻

12、或其他禾本科植物中時，就可能培育出能夠耐缺水和高鹽的轉(zhuǎn)基因植物。應(yīng)該提到，導(dǎo)入一個有利cDNA或基因并不足提供高度的干旱和鹽堿耐性。人們需要將幾個有利cDNA或基因?qū)胪粋€水稻轉(zhuǎn)基因植株，以提供對脅迫的高度耐性。導(dǎo)入外源cDNA培育耐低溫的水稻一種擬南芥（COR47）與水稻肌動蛋白基因的啟動子相連結(jié)并導(dǎo)入水稻，得到許多轉(zhuǎn)基因植株（Cheng等，1998）。當把生長60天的水稻植株放在4條件下5天，大多數(shù)非轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩仓甑娜~片枯萎變黃，而兩個轉(zhuǎn)基因系水稻的葉片保持了綠色和相對正常的外表。與對照植株相比轉(zhuǎn)基因植株在20mM的鹽溶液中的生長要好得多。因此可以認為COR47可以使轉(zhuǎn)基因水稻耐低溫和高

13、鹽（Chen等，1998）。通過種植攜帶這種基因的水稻或其他植物可以延長寒冷地區(qū)的生長季，從而通過增加灌漿時間而增產(chǎn)。其他基因的利用還有其他具有潛在的價值的基因可以利用，這些基因編碼的蛋白可脂肪或蛋白質(zhì)的合成更有效。其中有些方面是長期目標，科學(xué)家已經(jīng)開始進行更為廣泛的研究。其中包括改變光合系統(tǒng)使它更有效從而提高產(chǎn)量，向植物中引入固氮基因等。如果植物可以固氮，就可以減少氮肥用量。這些目標都非常重要，但難度很大，可能需要20年左右的深入研究才能取得進展。中國農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展在過去的10多年時間里，中國已經(jīng)開始發(fā)展農(nóng)業(yè)生物技術(shù)。雖然已經(jīng)取得了一些成功，如培育了多種轉(zhuǎn)基因植物并在田間種植了抗病的煙草

14、和番茄，但禾本科植物的轉(zhuǎn)基因研究才剛剛開始顯出希望。中國在農(nóng)業(yè)科學(xué)和農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域很少有重大貢獻。例如，本文所引用的大多數(shù)重要的最新研究進展都是在發(fā)達國家所進行的研究結(jié)果。我認為，中國的生物學(xué)家之所在植物科學(xué)和農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域沒有重大貢獻和進展較慢是因為他們多選擇短期項目，而不是進行長期的創(chuàng)造性研究。這是因為研究和開發(fā)的資助不足，缺少嚴格的檢查研究進展的專家評審體系和持續(xù)資助。由于年輕的研究人員和研究生缺乏動力和不穩(wěn)定因素（由于工資低和想出國等），資深科學(xué)家過多的非科研活動負擔，科學(xué)家缺乏和其他研究小組合作的意愿以及儀器設(shè)備供應(yīng)不及時等所造成的不利工作環(huán)境也是一個重要的影響因素。在未來的30年中，中國科學(xué)家在農(nóng)業(yè)科學(xué)以及農(nóng)業(yè)生物技術(shù)方面需要進行更多的基礎(chǔ)研究。中國也需要吸收和利用國外研究和開發(fā)的新為了達到這些目標，中國的領(lǐng)導(dǎo)人必須大量增加農(nóng)業(yè)研內(nèi)容為網(wǎng)絡(luò)收集僅供參考究和開發(fā)的預(yù)算，引入嚴格的專家評審系統(tǒng)，以保證研究的質(zhì)量。農(nóng)業(yè)方面的高級官員需要熟悉傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)科學(xué)和新發(fā)展的農(nóng)業(yè)生物技術(shù)。十分關(guān)鍵的是他應(yīng)該理解科學(xué)的價值，并能夠促進國際間的合作。小結(jié)利用生