2.1 植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)與轉(zhuǎn)基因植物

植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)又稱(chēng)植物基因工程，也稱(chēng)重組脫氧核糖核酸（DNA）技術(shù)，是指通過(guò)物理的、化學(xué)的或生物學(xué)的方法，將外源目的基因與載體結(jié)合形成重組DNA分子，導(dǎo)入受體植物細(xì)胞中，并獲得再生植株的轉(zhuǎn)基因技術(shù)。植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)是在植物種類(lèi)上的轉(zhuǎn)基因操作，用于創(chuàng)造植物新類(lèi)型或賦予植物新性狀。運(yùn)用植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)產(chǎn)生的植物新類(lèi)型或獲得轉(zhuǎn)化的植物及其后代，稱(chēng)為轉(zhuǎn)基因植物。

轉(zhuǎn)基因植物目前主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要是利用組織培養(yǎng)技術(shù)和基因重組技術(shù)，向農(nóng)作物轉(zhuǎn)入其他生物或物種的各種有用基因，特別是抗有害生物（病原體、害蟲(chóng)、雜草等）、抗逆境（干旱、鹽堿、寒冷、炎熱等）、增進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、改變生長(zhǎng)發(fā)育特性、提高光和效率等方面的基因，獲得符合人類(lèi)目標(biāo)的新種質(zhì)，培育新品種。轉(zhuǎn)基因作物在抗除草劑性、抗病性、抗蟲(chóng)性等方面的研究取得了突破性進(jìn)展，在抗旱性、改善產(chǎn)品品質(zhì)、高能生物燃料等方面也取得了一定的成績(jī)。醫(yī)藥領(lǐng)域主要是利用轉(zhuǎn)基因植物為“植物生物反應(yīng)器”，生產(chǎn)口服疫苗及醫(yī)用蛋白等。

植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)產(chǎn)業(yè)化是指以植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)明或成果為依托，以技術(shù)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用為目標(biāo)，以市場(chǎng)機(jī)制為導(dǎo)向，形成完整植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系、產(chǎn)品體系、組織管理體系、質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)行集約化生產(chǎn)、專(zhuān)業(yè)化分工、規(guī)模化經(jīng)營(yíng)、企業(yè)化管理，集研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、服務(wù)于一體，以提高經(jīng)濟(jì)效益為目的的植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)產(chǎn)業(yè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)產(chǎn)業(yè)化是植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)全過(guò)程結(jié)合的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，其最重要的特點(diǎn)是成果的研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和營(yíng)銷(xiāo)的一體化經(jīng)營(yíng)，使農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的研制者與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)營(yíng)者形成利益整體。

2.1.1 植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)：目的基因、載體與受體

植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用的目的基因分別從微生物、植物、動(dòng)物甚至人類(lèi)分離出來(lái)，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)復(fù)制和鑒定的有100種以上。其中，最常見(jiàn)的有種子貯藏蛋白基因、抗除草劑基因、抗病毒基因和抗蟲(chóng)基因等。

種子貯藏蛋白基因中，研究得較深入的有玉米、小麥的醇溶蛋白基因，水稻的谷蛋白基因，馬鈴薯的塊莖蛋白基因等。導(dǎo)入這些基因可望提高某些植物種子或儲(chǔ)藏器官的蛋白質(zhì)含量，或者改善蛋白質(zhì)的氨基酸組成，以提高作物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

抗除草劑基因至少有以下三類(lèi)：第一類(lèi)能改變植物酶對(duì)除草劑的敏感性。例如，“avoA突變基因”，它合成的EPSP酶中，脯氨酸被絲氨酸取代，酶的活力不受影響，但是對(duì)非選擇性除草劑草甘膦的結(jié)合力只有原來(lái)的25%，從而使植物對(duì)除草劑表現(xiàn)不敏感。第二類(lèi)能解除除草劑對(duì)植物酶的抑制。例如，“Bar基因”，它能合成乙酰轉(zhuǎn)移酶，解除選擇性除草劑對(duì)植物谷氨酰胺酶的抑制，避免植物細(xì)胞因?yàn)榘钡姆e累毒害而死亡。目前這個(gè)基因已被導(dǎo)入小麥、煙草、馬鈴薯、甜菜等作物，其中轉(zhuǎn)基因馬鈴薯已進(jìn)行大田試驗(yàn)，并取得良好效果。第三類(lèi)能補(bǔ)償被除草劑破壞的植物酶。例如，經(jīng)過(guò)修飾的EPSP酶基因，它表達(dá)的酶大幅度增加，以致草甘膦的濃度不足以破壞植物體內(nèi)所有的EPSP酶，植物因此免于死亡。目前已將這種修飾過(guò)的基因?qū)霟煵莺桶珷颗＃a(chǎn)生了抗性。

抗病毒基因主要有以下幾類(lèi)：首先，目前主要利用病毒蛋白外殼基因，導(dǎo)入這類(lèi)基因獲得了抗煙草花葉病毒的番茄、抗黃瓜花葉病毒的煙草和番茄、抗馬鈴薯X或Y病毒的馬鈴薯、抗苜蓿花葉病毒的苜蓿、抗大豆花葉病毒的大豆、抗番木瓜環(huán)斑花葉病毒的番木瓜等，其中不少已進(jìn)入大田試驗(yàn)。其次，利用反義核糖核酸（RNA），也就是將病毒基因反向接在強(qiáng)啟動(dòng)子后面，產(chǎn)生的大量反義RNA能封閉復(fù)制酶的結(jié)合位點(diǎn)，阻止病毒繁殖。但是這方面還需要進(jìn)一步研究，因?yàn)槟壳氨磉_(dá)的反義RNA量還未達(dá)到所需要的水平。最后，期望利用抗體基因的產(chǎn)物，使病毒的復(fù)制酶失效，這類(lèi)工作還處于試驗(yàn)階段。

抗蟲(chóng)基因主要有以下兩類(lèi)：一類(lèi)是毒蛋白基因。例如，蘇云金桿菌的Bt基因，它表達(dá)的晶體蛋白對(duì)鱗翅目和鞘翅目昆蟲(chóng)有毒殺作用。毒蛋白在昆蟲(chóng)消化道內(nèi)經(jīng)過(guò)蛋白酶激活后造成消化道損傷而導(dǎo)致昆蟲(chóng)死亡，對(duì)其他生物則沒(méi)有任何危害。目前Bt基因已被導(dǎo)入煙草、番茄、馬鈴薯、棉花、玉米、大豆等，并取得明顯效果。今后還需要研究如何提高毒蛋白表達(dá)量，研究在毒殺害蟲(chóng)的同時(shí)如何保護(hù)益蟲(chóng)等。另一類(lèi)抗蟲(chóng)基因是蛋白酶抑制基因，它的產(chǎn)物能干擾害蟲(chóng)體內(nèi)蛋白酶的活性，阻礙對(duì)食物的消化而使害蟲(chóng)致死，殺蟲(chóng)作用廣泛。這類(lèi)基因如豇豆胰蛋白酶抑制劑基因（CPTI），已導(dǎo)入煙草等作物，并產(chǎn)生抗蟲(chóng)效果。

植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用的目的基因，除上述之外，還有能固定空氣中游離氮轉(zhuǎn)化為植物可利用氮素的固氮基因、具有抗菌作用的幾丁質(zhì)酶基因和毒肽基因、與抗鹽堿關(guān)系密切的脯氨酸基因、與雄性不育有關(guān)的核酸酶基因、與果實(shí)成熟有關(guān)的ACC合成酶基因，甚至人類(lèi)的干擾素基因、生長(zhǎng)激素基因等。雖然目前它們還處于試驗(yàn)階段，但具有十分誘人的應(yīng)用前景。

用于裝載目的基因的載體，應(yīng)用最多的是細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的一種小型環(huán)狀DNA質(zhì)粒，它被某種酶切開(kāi)后能夠嵌入裝載具有目的基因的DNA片段。

為了便于在受體中檢測(cè)到載體的存在，通常需要選用具有特殊遺傳標(biāo)記的質(zhì)粒。目前植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)常用的遺傳標(biāo)記有以下幾種：第一種是抗生素的抗性基因，如Cat基因可使植物細(xì)胞表現(xiàn)抗氯霉素。第二種是GUS基因，它可以使植物細(xì)胞在X-gluc底物溶液中顯示藍(lán)色。第三種是熒光素酶基因，可以使植物細(xì)胞發(fā)出藍(lán)綠色熒光。植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)還有一些可望利用的潛在質(zhì)粒。例如，Ri質(zhì)粒可以誘導(dǎo)植物細(xì)胞產(chǎn)生根，這個(gè)根的細(xì)胞能分化形成植株。又如，酵母人工染色體能裝載巨大的DNA片段，已用于動(dòng)物基因工程，有望在不久的將來(lái)用于植物基因工程。

受體是重要的目標(biāo)。植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)往往需要先將目的基因?qū)胧荏w植物的離體單細(xì)胞，然后使單細(xì)胞分化發(fā)育成為轉(zhuǎn)基因植株。這首先是因?yàn)楦叩戎参锱c單細(xì)胞的微生物不同，前者是高度分化的多細(xì)胞有機(jī)體，很多情況下只有部分細(xì)胞接受目的基因，形成“嵌合體”。其次，與動(dòng)物細(xì)胞不同，植物細(xì)胞具有很強(qiáng)的全能性，在離體條件下容易分化發(fā)育成完整的植株。

因此，植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)一般有必要也有可能和組織培養(yǎng)相結(jié)合。作為組織培養(yǎng)的植物材料，多是原生質(zhì)體或懸浮培養(yǎng)細(xì)胞。目前這種方法已經(jīng)運(yùn)用在許多植物中，并得到了轉(zhuǎn)基因的植株，為大規(guī)模投入現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

2.1.2 植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的方法

植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的方法很多，并不斷創(chuàng)新，發(fā)展了農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、基因槍介導(dǎo)法、電擊穿孔法、病毒介導(dǎo)法、化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)法、脂質(zhì)體法、花粉管通道法、顯微注射法、離子束介導(dǎo)法和DNA浸泡法等轉(zhuǎn)基因技術(shù)，但主要以農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、基因槍介導(dǎo)法為主。

農(nóng)桿菌介導(dǎo)法又稱(chēng)為共培養(yǎng)法，是將農(nóng)桿菌與植物細(xì)胞共同培養(yǎng)，用農(nóng)桿菌含有目的基因的質(zhì)粒去轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞。該方法通常是在含有適量抗生素的培養(yǎng)基上，篩選具有抗生素抗性標(biāo)記的轉(zhuǎn)化細(xì)胞，然后用特定培養(yǎng)基誘導(dǎo)這些細(xì)胞形成植株。這是目前最常用的方法，已獲得轉(zhuǎn)基因株的植物大多數(shù)采用這種方法。

基因槍介導(dǎo)法又稱(chēng)為高速微彈法，是用表面附著DNA分子（含目的基因）的金屬微粒，經(jīng)過(guò)加速裝置，轟擊植物細(xì)胞，將DNA直接射入植物帶壁的細(xì)胞。這種方法不受受體種類(lèi)限制，快速簡(jiǎn)便，但是設(shè)備昂貴。目前這種方法的轉(zhuǎn)化率已達(dá)到8%～10%，還在研究如何進(jìn)一步提高。

利用這些方法，國(guó)外已建立了大規(guī)模的轉(zhuǎn)基因體系，如孟山都公司有200多人在室內(nèi)從事植物基因的轉(zhuǎn)化研究，每年得到幾十萬(wàn)株轉(zhuǎn)基因植株，以篩選特異性轉(zhuǎn)基因材料。多基因聚合轉(zhuǎn)化技術(shù)目前在煙草、大豆上已取得了成功，利用基因槍轟擊轉(zhuǎn)化獲得了多個(gè)外源基因同時(shí)表達(dá)的轉(zhuǎn)化植株。發(fā)達(dá)國(guó)家都致力于規(guī)模化轉(zhuǎn)基因技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠(chǎng)化和流水線(xiàn)式轉(zhuǎn)基因植物品種培育。多基因聚合轉(zhuǎn)化技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)多個(gè)基因按照育種目標(biāo)進(jìn)行組裝后同時(shí)導(dǎo)入一個(gè)受體中，有效地聚合多個(gè)有利基因，使多個(gè)性狀得到改良。開(kāi)展高效轉(zhuǎn)化技術(shù)研究可以突破基因型限制，提高轉(zhuǎn)化效率；實(shí)現(xiàn)了安全高效、多基因、規(guī)模化轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)的發(fā)展。

2.1.3 植物轉(zhuǎn)基因育種研究新進(jìn)展

自1983年首次獲得轉(zhuǎn)基因煙草、馬鈴薯以及1986年首批轉(zhuǎn)基因植物被批準(zhǔn)進(jìn)入田間試驗(yàn)以來(lái)，迄今為止，全世界轉(zhuǎn)基因植物研究至少涉及35個(gè)科的200多個(gè)種，有近50個(gè)國(guó)家對(duì)60余種轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行了總計(jì)30000次以上的轉(zhuǎn)基因作物的田間試驗(yàn)。已有35個(gè)科120多個(gè)種植物轉(zhuǎn)基因獲得成功，30多個(gè)國(guó)家批準(zhǔn)數(shù)千例轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)入田間試驗(yàn)，涉及的植物種類(lèi)有40多種，包括水稻、玉米、馬鈴薯等作物；棉花、大豆、油菜、亞麻、向日葵等經(jīng)濟(jì)作物；西紅柿、黃瓜、芥菜、甘藍(lán)、花椰菜、胡蘿卜、茄子、生菜、芹菜、辣椒等蔬菜作物；苜蓿、白三葉草等牧草；蘋(píng)果、核桃、李、木瓜、甜瓜、草莓等瓜果；矮牽牛、菊花、香石竹、蘭花等花卉；楊樹(shù)等造林樹(shù)種。

性狀主要包括5大類(lèi)：除草劑抗性；農(nóng)業(yè)有害生物抗性，如對(duì)病毒、細(xì)菌、昆蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)和真菌的抗性；改善產(chǎn)品品質(zhì)，如改變植物中的油分、淀粉、糖類(lèi)、纖維素；改良農(nóng)藝性狀，如提高產(chǎn)量、增強(qiáng)非生物逆境（冷、旱、鹽等）耐受能力；其他性狀，如選擇性標(biāo)記、遺傳限制等技術(shù)性性狀、特殊用途轉(zhuǎn)基因作物性狀，如產(chǎn)生藥用蛋白、生物能源等特殊性狀。

田間試驗(yàn)轉(zhuǎn)基因作物中比例最大的是抗除草劑作物，其次是抗蟲(chóng)、抗病轉(zhuǎn)基因作物以及改善農(nóng)藝性狀，如降低化肥使用的轉(zhuǎn)基因作物。

值得注意的是，新型轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的研發(fā)速度加快轉(zhuǎn)基因生物已經(jīng)從抗病、蟲(chóng)和除草劑等第一代植保性狀向抗逆、改良營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、改變代謝途徑等第二、三代發(fā)展，同時(shí)具有2～3種復(fù)合性狀的轉(zhuǎn)基因生物研發(fā)迅速。以培育抗旱、抗寒、鹽堿等非生物逆境作物為代表的轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)將成為未來(lái)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，以期突破水資源短缺和其他逆境條件等限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)先開(kāi)發(fā)第二代轉(zhuǎn)基因作物，更加注重產(chǎn)品質(zhì)量、消費(fèi)者的需求及農(nóng)作物的抗逆性，增加產(chǎn)品附加值及替代不可再生工業(yè)飼料的可再生飼料的“第二代”性狀，如低植酸酶動(dòng)物飼料、種子油分改良等。近年來(lái)，用于生產(chǎn)藥用蛋白、酶制劑及用于能源的第三代轉(zhuǎn)基因生物研發(fā)迅速，這些特殊用途的轉(zhuǎn)基因植物開(kāi)始進(jìn)入田間試驗(yàn)。

我國(guó)設(shè)立的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃、歷年國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃以及經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，科技部、財(cái)政部聯(lián)合于1999年正式實(shí)施的“國(guó)家轉(zhuǎn)基因植物研究與產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)”使我國(guó)轉(zhuǎn)基因植物的研究和開(kāi)發(fā)取得了顯著的進(jìn)展，有些研究已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。據(jù)2011年國(guó)家生物技術(shù)學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)投入研究和開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)基因植物達(dá)47種，涉及各類(lèi)基因103種。近年來(lái)有近20種轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)入了田間試驗(yàn)或環(huán)境釋放階段。