實現(xiàn)水稻育種新飛躍的基因工程

1、實現(xiàn)水稻育種新飛躍的基因工程我國水稻蟲害日益猖獗，但因水稻缺乏抗蟲基因而只好依賴于化學(xué)殺 蟲劑來防治，這樣就增加了稻作本錢并污染了生態(tài)環(huán)境，因此，水稻 抗蟲基因工程育種備受重視。目前，水稻抗蟲基因主要利用的是蛋白 酶抑制劑基因、 Bt 毒蛋白基因和外源凝集素基因等。蛋白酶抑制劑可 與昆蟲消化道內(nèi)的蛋白消化酶相互作用，形成酶 -抑制劑復(fù)合物 EI， 從而抑制蛋白消化酶的活性，同時，因復(fù)合物還能刺激消化酶的過量 分泌，通過神經(jīng)系統(tǒng)的反響抑制，使昆蟲產(chǎn)生厭食反響，最終因氨基 酸饑餓導(dǎo)致昆蟲不正常發(fā)育或死亡。蛋白酶抑制劑殺蟲譜廣，它作用 于昆蟲消化酶的活性中心，這是酶的最保守部位，根本可以排除通過 突

2、變產(chǎn)生耐受性的可能，因此，蛋白酶抑制劑基因在植物抗蟲基因工 程中占據(jù)突出地位。迄今，已有多種蛋白酶抑制劑基因被克隆，其中 使用較廣泛的有胰蛋白酶抑制劑基因等。Bt 毒蛋白基因是目前應(yīng)用得最為廣泛的抗蟲基因，主要特點是特異性強、殺蟲譜窄。Bt毒蛋白基因種類很多，其中CryI抗鱗翅目害蟲、CryII 抗鱗翅目和雙翅目害蟲、CryIII抗鞘翅目害蟲、CryIV抗雙翅目害蟲。 外源凝集素可與昆蟲腸道上皮細(xì)胞的糖蛋白相結(jié)合，影響營養(yǎng)物質(zhì)的 正常吸收，同時，還可促進昆蟲消化道內(nèi)細(xì)菌的繁殖，對消化道造成 損傷，從而到達殺蟲的目的。研究說明，轉(zhuǎn)外源凝集素基因水稻對稻 飛虱有抗殺作用。白葉枯病是水稻三大病害之一

3、。迄今，國際上已鑒定出 25個抗白葉枯病基因，其中由國際水稻研究所 Khush 從印度長雄蕊野生稻中發(fā)現(xiàn)的 抗白葉枯病基因Xa-21,對印度、菲律賓和中國的所有白葉枯病小種 均表現(xiàn)高抗。國內(nèi)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院章琦等也發(fā)現(xiàn)并定位了廣譜高抗白 葉枯病基因Xa-23o 1995年Song等克隆了 Xa-21基因，研究說明，轉(zhuǎn) Xa-21 基因水稻表現(xiàn)對白葉枯病的高度抗性和廣譜抗性。目前，我國雜 交水稻大多數(shù)組合不抗白葉枯病，大力開展Xa-21抗白葉枯病基因工程 育種具有重要意義。稻瘟病是水稻三大病害之首。國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn) 30 多個抗稻瘟病基因，其 中Pi-b和Pi-ta已被克隆。國內(nèi)已有多個實驗室在進行抗

4、稻瘟病基因的 別離克隆，預(yù)計不久將會有克隆的基因用于我國水稻抗稻瘟病基因工 程育種。除此之外，抗病基因的轉(zhuǎn)化研究已經(jīng)逐步向綜合性、多元性、廣譜性 和間抗性的方向擴展，即同時轉(zhuǎn)化多個抗性基因以獲得對多種病原菌 的抗性，如將 Bt、 Cptl、 Chi 基因相連接一起轉(zhuǎn)化受體作物品種，或者 轉(zhuǎn)化具有水平抗性的基因以獲得對多種病源菌的廣譜抗性，例如，轉(zhuǎn) 化RIPs基因可以同時獲得抗病毒、抗真菌、抗蟲的轉(zhuǎn)化體材料。 水稻分子育種研究主要包括基因工程育種和分子標(biāo)記輔助選擇，利用 這一技術(shù)在超高產(chǎn)育種中主要進行以下研究： 株型改進：利用這一技術(shù)，進行株型改進育種，如利用水稻分蘗控制 基因MOCI，通過構(gòu)建

5、載體將正義、反義 MOCI基因轉(zhuǎn)入到一些當(dāng)家品 種中，改進水稻株型，增加有效分蘗，形成理想株型的 “分蘗梯度 提高水稻光合效率：為進一步提高水稻產(chǎn)量潛力，科學(xué)家們正在試圖 用現(xiàn)代植物基因工程技術(shù)，提高光合效率。其途徑主要包括調(diào)節(jié)氣孔 關(guān)閉、提高Rubisco的效率和引入C4基因等。調(diào)控延緩葉片衰老系統(tǒng)：細(xì)胞沖動素是一種重要的延緩葉片衰老的生 長調(diào)節(jié)因子，其生物合成的第一步是異戊烯基側(cè)鏈轉(zhuǎn)移至5-AMP上在農(nóng)桿菌中，這一反響由 tmr 基因編碼的異戊烯基轉(zhuǎn)移酶所催化，并 且這一反響是細(xì)胞沖動素生物合成的限速步驟。Cao等通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方法獲得了 PSAG12-IPT專基因水稻植株，考察

6、了自我調(diào)控 延緩葉片衰老系統(tǒng)在水稻中的表現(xiàn)，結(jié)果說明具有早衰現(xiàn)象的水稻品 種延緩葉片衰老后，能促進灌漿，增加籽粒的充實度，從而提高結(jié)實 率和千粒重，并最終增加單株產(chǎn)量。遠緣有利基因利用：應(yīng)用分子育種手段，挖掘和利用野生種的遠緣優(yōu) 勢基因。野生稻中存在一些符合人類需要的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗性基因， 但因這些有利性狀可能與一些不利性狀緊密連鎖，應(yīng)用常規(guī)育種方法 可能難以利用。應(yīng)用胚胎拯救和分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)尋找和利用野 生稻中的優(yōu)勢基因還大有潛力可挖。轉(zhuǎn)移遠緣有利基因到水稻也是實 現(xiàn)超高產(chǎn)育種的有效手段?？钩輨┗蚴侵参锘蚬こ套钤缟婕暗难芯款I(lǐng)域之一，也是比擬成 功的植物基因工程?？钩輨┗蜣D(zhuǎn)水稻的目的之一是獲得抗除草劑 水稻品種， 應(yīng)用于直播稻田， 可以省時、省工地去除稻田雜草和雜稻。 目的之二是抗除草劑基因作為一個遺傳標(biāo)記導(dǎo)入兩系或三系雜交稻中 的恢復(fù)系品種， 使恢復(fù)系品種獲得抗除草特性， 用以配制雜交稻組合。 至今廣泛應(yīng)用的抗除草劑基因有 Bar基因和EPSP基因。Bar基因從潮 濕霉菌中別離克隆，它編碼草丁膦乙酰轉(zhuǎn)移酶，對除草劑草丁膦有高 度的專一性，能解除草丁膦的毒性。EPSPSS因編碼5-烯醇丙酮酰草酸 -3-磷酸合成酶， 對除草劑草甘膦有專