南京农业大学：《园艺植物育种学》课程教学资源（PPT课件）植物生物技术的过去、现状及未来

植物生物技术的过去现状及未来译自J.AMER.SOC.HORT.SIC.127(4)：462-466.2002作者：JohnD.Williamson（DepartmentofHorticultural Science,NorthCarolinaStateUniversity,Raleigh,NC2769-7609

植物生物技术的过去、 现状及未来 译自 J. AMER. SOC. HORT. SIC. 127(4):462-466.2002 作者：John D. Williamson (Department of Horticultural Science, North Carolina State University, Raleigh, NC 2769-7609 )

今天，转基因植物产品终于进入消费者生活之中。但是，今后我们至少还面临以下四个严峻的问题：（1）根癌农杆菌的宿主范围有限，不能包括许多主要的作物，如谷类和小麦等。其它基因转移方法，如基因枪转化（Johnston，1990）或PEG融合（0neiI等，1993）现在正普遍使用，有的代替了农杆菌介导的转化。（2）外源基因或性状的遗传要求胚原基细胞被转化。为此，通常可从单个转化细胞中获得再生植株。遗撼的是许多优良的植物品种被证明难以获得再生植株。(3）对控制许多植物优良性状的分子机制及遗传、生理机制知之甚少，从而为人工操作带来难以预料的问题。况且，大部分基因转化实际上还处于科研水平。(4）行政法规必须要关心生物安全性和遗传改良植物对环境产生的影响（wilkinson,1997)：

今天，转基因植物产品终于进入消费者生活之中。 但是，今后我们至少还面临以下四个严峻的问题： (1)根癌农杆菌的宿主范围有限，不能包括许多主要的作物，如谷类 和小麦等。其它基因转移方法，如基因枪转化（Johnston，1990）或 PEG融合（O neill等，1993）现在正普遍使用，有的代替了农杆菌介 导的转化。 (2)外源基因或性状的遗传要求胚原基细胞被转化。为此，通常可从 单个转化细胞中获得再生植株。遗憾的是许多优良的植物品种被证明 难以获得再生植株。 (3)对控制许多植物优良性状的分子机制及遗传、生理机制知之甚少， 从而为人工操作带来难以预料的问题。况且，大部分基因转化实际上 还处于科研水平。 (4)行政法规必须要关心生物安全性和遗传改良植物对环境产生的影 响（Wilkinson，1997）

高效稳定的水稻（釉稻）根农杆菌转化技术方法愈伤诱导NB培养基为基本培养基加入相应植物生长调节剂共培养第一天（预培养）整个操第三天（刘茵）作过程第五天（俊染、共培养）约需8天第八天（脱茵、筛选）抗性愈伤的筛选与再生成完整植株

生物技术的现状一大田转基因植物

生物技术的现状 ——大田转基因植物

一、病原体诱导的病毒抗性Beachy和同事们（Abe1等，1986）发现在转基因植物中表达烟草花叶病毒外壳蛋白基因可以抑制或延缓病毒病的发生，于是首次证明了植物通过遗传转化可获得优良的农艺性状。从此表明，许多病毒序列可以产生一定水平的抗病性。病原体诱导的病毒抗性（PDR）基因包括一些非编码蛋白序列，如缺陷干扰型RNAs和DNA，以及非转录RNAs（Beachy，1997；Fitchen和Beachy，1993），和编码外壳蛋白（或病毒的衣壳）、病毒复制酶亚基和病毒运动蛋白的基因。基于PDR的不稳定性，自前的资料还不足以建立对大多数病毒产生抗性的精确的分子机理。然而，除了有助于农业上发展抗病的植物品种外（例如Asgrow的Freedom），PDR还增加了我们对病毒发病机理和疾病的了解。对潜在抗性和致病性基本原理的深入理解，反过来可能会导致能产生持续抗性水平的第二代基因的诞生

Beachy和同事们（Abel等，1986）发现在转基因植物中表达烟草花 叶病毒外壳蛋白基因可以抑制或延缓病毒病的发生，于是首次证明了 植物通过遗传转化可获得优良的农艺性状。从此表明，许多病毒序列 可以产生一定水平的抗病性。病原体诱导的病毒抗性（PDR）基因包 括一些非编码蛋白序列，如缺陷干扰型RNAs和DNA，以及非转录RNAs （Beachy，1997；Fitchen和Beachy，1993），和编码外壳蛋白（或 病毒的衣壳）、病毒复制酶亚基和病毒运动蛋白的基因。基于PDR的 不稳定性，目前的资料还不足以建立对大多数病毒产生抗性的精确的 分子机理。然而，除了有助于农业上发展抗病的植物品种外（例如 Asgrow的Freedom II），PDR还增加了我们对病毒发病机理和疾病的 了解。对潜在抗性和致病性基本原理的深入理解，反过来可能会导致 能产生持续抗性水平的第二代基因的诞生。 一、病原体诱导的病毒抗性

、果实品质一一反义操作技术和FlavrSavr番茄可能第一例著名的商业化转基因植物产品是Calgene公司的FlavrSavr番茄，1989年2月开始审批，于1994年5月18日最终得到FDA（美国食品和医药管理局）的批准。（1994年7月美国农业部通过“NBIAP新闻”给予两次报道）。尽管不是十分成功，但是转基因番茄的确是20世纪80年代后期所开展的与果实成熟相关的酶的调控方面的开拓性工作（Giovannoni等1989: Griers0n等，1986)

可能第一例著名的商业化转基因植物产品是 Calgene公司的Flavr Savr番茄，1989年2月开始审批， 于1994年5月18日最终得到FDA（美国食品和医药管理 局）的批准。（1994年7月美国农业部通过“NBIAP新 闻”给予两次报道）。尽管不是十分成功，但是转基 因番茄的确是20世纪80年代后期所开展的与果实成熟 相关的酶的调控方面的开拓性工作（Giovannoni等， 1989；Grierson等，1986）。 二、果实品质——反义操作技术和Flavr Savr番茄

二、果实品质一一反义操作技术和FlavrSavr番茄果通常，许多果实的细胞壁中含有果实硬度的主要决定因子胶，包括番茄。在果实成熟过程中，果胶可被多聚半乳糖醛酸酶（PG）降解，而该酶的活性至少在某种程度上是受基因表达水平的调控。随着果胶的降解，果实会变软，从而使成熟中的果实很难在运输过程中不受损伤。为了克服这一问题，Calgene公司的科学家们率先从番茄中分离出PG基因（Rose等，1988）。同时他们将这种基因转化成其反义形式。将该反义PG基因序列（称作FIlavrSavr基因）转入番茄中（Sheehy等，1988），其表达可以干扰正常PG基因的表达。这样会使多聚半乳糖醛酸酶的量减少，于是减慢了果胶的降解，延缓了果实的软化（Kramer等，1990）。这种硬度较大的成熟果实不仅可以机械采收，而且可以延长货架存放期。FIavrSavr番茄引入之后，PioneerHi-Bred公司和DNA植物技术公司利用常规的育种方法已经生产出相同的保鲜期长的番茄（新鲜且全年供应）

通常，许多果实的细胞壁中含有果实硬度的主要决定因子——果 胶，包括番茄。在果实成熟过程中，果胶可被多聚半乳糖醛酸酶 （PG）降解，而该酶的活性至少在某种程度上是受基因表达水平的 调控。随着果胶的降解，果实会变软，从而使成熟中的果实很难在 运输过程中不受损伤。为了克服这一问题，Calgene公司的科学家们 率先从番茄中分离出PG基因（Rose等，1988）。同时他们将这种基 因转化成其反义形式。将该反义PG基因序列（称作Flavr Savr基因） 转入番茄中（Sheehy等，1988），其表达可以干扰正常PG基因的表 达。这样会使多聚半乳糖醛酸酶的量减少，于是减慢了果胶的降解， 延缓了果实的软化（Kramer等，1990）。这种硬度较大的成熟果实 不仅可以机械采收，而且可以延长货架存放期。Flavr Savr番茄引 入之后，Pioneer Hi-Bred公司和DNA植物技术公司利用常规的育种 方法已经生产出相同的保鲜期长的番茄（新鲜且全年供应）。 二、果实品质——反义操作技术和Flavr Savr番茄

三、除草剂抗性应用抗除草剂的转基因作物不仅减少了对耕地的需求，而且生长季使用除草剂的量也较小，因此可以减少成本和对环境的影响。美国Monsanto公司的抗草甘麟（Round-upReady）大豆、谷物和棉花就是最新的一例（见http：//www.roundupready.com）。草甘麟（N-phosphonomethyIgcine，Round-up）是后来出现的一种使用广泛，非选择性且对环境污染小的广谱性除草剂（Malik等1989）。草甘膦通过竞争性抑制芳香族氨基酸合成途径中所需酶的活性从而杀死植物。它的特异性靶位是叶绿体中核酸编码的5-烯醇式丙酸基莽草酸-3-磷酸盐合成酶（EPSPS）。为了降低对草甘膦的吸附，Monsanto公司的科学家们通过转化靶酶研究出了抗草甘膦的EPSPS，并保持其正常的催化活性（Huynh等，1988）。当把该EPSPS再次导入植株，它能赋予草甘膦麟抗性

应用抗除草剂的转基因作物不仅减少了对耕地的需求，而且生长 季使用除草剂的量也较小，因此可以减少成本和对环境的影响。美 国Monsanto公司的抗草甘膦（Round-up Ready）大豆、谷物和棉花 就是最新的一例（见http：//www. roundupready. com）。 草甘膦（N-phosphonomethylgcine，Round-up）是后来出现的一 种使用广泛，非选择性且对环境污染小的广谱性除草剂（Malik等， 1989）。草甘膦通过竞争性抑制芳香族氨基酸合成途径中所需酶的 活性从而杀死植物。它的特异性靶位是叶绿体中核酸编码的5-烯醇 式丙酸基莽草酸-3-磷酸盐合成酶（EPSPS）。为了降低对草甘膦的 吸附，Monsanto公司的科学家们通过转化靶酶研究出了抗草甘膦的 EPSPS，并保持其正常的催化活性（Huynh等，1988）。当把该EPSPS 再次导入植株，它能赋予草甘膦抗性。 三、除草剂抗性

三、除草剂抗性尽管所有的转基因植物在商业化释放之前都被检测，但仍然存在着产生耐除草剂的杂草的隐患，因为这些植株和野生杂草一旦通过授粉发生近源杂交，就会出现基因逃逸。利用叶绿体转化，虽然存在技术难度，但是可以避免这个问题，因为质体转基因不能通过花粉转移。借助叶绿体转化原胶，DanielI等（1998）将一个矮牵牛苷EPSPS的完整基因整合到烟草叶绿体基因组中，在抗除草剂转基因方面取得了成功。对F1代分析表明将完整的EPSPS基因整合到所有的叶绿体基因组中（每个细胞达到10000个拷贝）可相应地获得草甘膦抗性

尽管所有的转基因植物在商业化释放之前都被检测，但仍然存 在着产生耐除草剂的杂草的隐患，因为这些植株和野生杂草一旦通 过授粉发生近源杂交，就会出现基因逃逸。利用叶绿体转化，虽然 存在技术难度，但是可以避免这个问题，因为质体转基因不能通过 花粉转移。借助叶绿体转化原胶，Daniell等（1998）将一个矮牵 牛苷EPSPS的完整基因整合到烟草叶绿体基因组中，在抗除草剂转 基因方面取得了成功。对F1代分析表明将完整的EPSPS基因整合到 所有的叶绿体基因组中（每个细胞达到10000个拷贝）可相应地获 得草甘膦抗性。 三、除草剂抗性

四、特殊的油脂一一月桂酸最近有研究认为，人造黄油和其它食物中的转运脂肪酸可以增加心脏病和癌症的风险。随着对特殊油脂生物合成途径的深入理解这一发现已经鼓励人们对植物，如甘蓝型油菜（Brassicanapus）中油脂含量的遗传改良进行研究。Calgene公司研究的第一例商品化油脂是LAURICAL（Iauratecanola）（Knauf和Favviotti，1995），即含有月桂酸（十二烷酸）的转基因油菜。月桂酸（C12）可用于制糖业，而且是肥皂和去污剂的一种主要原料。自前，月桂酸的商品来源局限于从东南亚进口的椰子和棕榈的核仁中。Calgene公司已经分离出负责合成月桂酸的C12硫酯酶基因。含有该硫酯酶基因的DNA片段已经被转入油菜中，其中有些植株中的月桂酸多于40%。在1995年，Calgene公司就开始将月桂酸含量高的油脂投入商业化，目前正在对该油脂在食品中的作用和商品价值进行评价

最近有研究认为，人造黄油和其它食物中的转运脂肪酸可以增 加心脏病和癌症的风险。随着对特殊油脂生物合成途径的深入理解， 这一发现已经鼓励人们对植物，如甘蓝型油菜（Brassica napus） 中油脂含量的遗传改良进行研究。 Calgene公司研究的第一例商品化油脂是LAURICAL（laurate canola）（Knauf和Favviotti，1995），即含有月桂酸（十二烷酸） 的转基因油菜。月桂酸（C12）可用于制糖业，而且是肥皂和去污 剂的一种主要原料。目前，月桂酸的商品来源局限于从东南亚进口 的椰子和棕榈的核仁中。Calgene公司已经分离出负责合成月桂酸 的C12硫酯酶基因。含有该硫酯酶基因的DNA片段已经被转入油菜中， 其中有些植株中的月桂酸多于40%。在1995年，Calgene公司就开始 将月桂酸含量高的油脂投入商业化，目前正在对该油脂在食品中的 作用和商品价值进行评价。 四、特殊的油脂——月桂酸