中国转基因抗虫棉的研究历程与展望
——基因工程研究进展作业
1
生物技术B1104
刘岩
0514110410
摘要:本文从抗虫基因的分离与转基因棉株的获得、转基因抗虫棉品种的转化、转基因抗虫棉研究的现状与进展方面进行介绍, 并在此基础上分析探讨了目前培育转基因抗虫棉存在的问题和将来的发展方向。
关键词：转基因抗虫棉 研究背景 转化方法 问题 展望
正文：转基因抗虫棉也称为转Bt 基因抗虫棉。它是将苏云金芽孢杆菌的Bt 基因导入到受体细胞（转基因抗虫棉的叶肉细胞）中。苏云金芽孢杆菌的代谢过程中能产生一种Bt 杀虫蛋白，它对多种害虫具有毒杀作用，作为生物农药广泛使用在蔬菜、瓜果等作物上。通过根癌农杆菌介导等方法将Bt 基因转入棉花植株的细胞中后，棉株体内也能合成Bt 杀虫蛋白。转Bt 基因抗虫棉的杀虫谱因Bt 基因不同而存在差异。我国现有的转基因抗虫棉对棉铃虫、红铃虫、卷叶虫等鳞翅目的害虫具有非常显著的抗性。
一、转基因抗虫棉的研究背景
（一) 抗虫基因分离与转基因棉花植株获得
2
用于植物抗虫基因工程研究的基因很多，但并不是所有的基因均可用于转基因抗虫基因抗虫棉的培育，而应根据棉花自身受害虫的危害情况，有针对性地选择那些对棉花害虫具有较强杀伤作用的基因。综观国内外的研究现状，目前已用于或正在用于转基因抗虫棉培育的基因主要有以下几类：
1．苏云金芽孢杆菌素蛋白基因（Bt 基因） Bt 制剂作为一种生物杀虫剂在农业上应用已有30余年的历史，虽然它具有专一性强、效果好、对人畜安全等优点，但在自然界被阳光钝化、雨水冲淋，从而限制了其在生产上的广泛应用。
2．蛋白酶抑制剂基因 植物蛋白酶抑制剂是自然界含量最为丰富的蛋白种类之一，它广泛存在于植物的各种组织及器官中，其中以种子与块茎中的含量最高，可达总蛋白含量的1%-30%。蛋白酶抑制剂的种类很多而且自身特点较多。首先，从杀虫机理上看，其基因产物作用于昆虫消化酶的活性中心，这是酶的最保守部位，突变的可能性很小，基本上可以排除害虫通过突变产生抗性的可能；其次，蛋白酶抑制剂的抗虫谱广泛; 另外，蛋白酶抑制剂来源于植物自身，对人畜无害。但是蛋白酶抑制剂基因要想达到理想的抗虫效果，就必须要求转基因植物蛋白酶抑制剂的表达量远远高于转Bt 基因植株的表达量，这也给抗虫基因工程带来了一定的困难。
3、外源凝集素基因 外源凝集素是一组广泛存在于植物组织中的蛋白质成分，在储藏器官和繁殖器官中的含量尤其丰富。
4、其它抗虫基因的研究及利用 除上面所讲述的几种抗虫基因外，人们还在不断探索新的抗虫基因，以便创造出更多更好的抗虫转基因作物。
二、抗虫基因的转化方法
3
（一）农杆菌质粒介导法 土壤农杆菌是一种能侵染多种双子叶植物的细菌，它体内含有一些很大的质粒，统称Ti 质粒。在Ti 质粒上有一段DNA ，称为T-DNA ，土壤农杆菌有二个种：根癌农杆菌和发根农杆菌。它们均能向植物细胞转移其质粒上的一段DNA 即T-DNA ，T-DNA 上含有一些致瘤基因。使被侵染的植物产生肿瘤。即冠瘿瘤。T-DNA 可整合到植物细胞核基因组中，并能稳定遗传。农杆菌质粒介导法的优点在于可靠性强、效率高，但只有外植体能再生的职子叶植物才能采用。
（二） 花粉管途径导入法 这是由周光宇最先提出并设计的技术一外源DNA 直接导人受体的花糟管途径导人法，即在植物白花受精一段时间后，把DNA 注入受体花器，使其沿花粉管通道进入胚囊，从而转化受精细胞或早期胚细胞。其优点是：简便易行，避免了植物再生的困难，对数量性状的转化较为有效；不足是：导人重复数大，转化机理尚未完全明了，转化体检测存在一定困难。
（三）粒子轰击法 粒子轰击法，又称基因枪法。该方法的受体不受植物种类、器官等限制，特别用于农杆菌不能感染的单子叶植物，但可靠性较差、转化频率较低。
（四）其它转化技术 用于植物转基因工程的转化技术通常还有PEG 介导转化法、电穿孔法、病毒介导转化法、超声波法、微注射法、脂质体法等，这些方法各有千秋，但很少用于棉花抗虫基因工程研究。
三、转基因抗虫棉目前存在的问题
（一）转基因抗虫棉的产量有待提高 目前我国培育出的转基因抗虫棉的产量与常规优良品种相比较显得偏低。
（二）转基因抗虫棉的抗虫范围有待拓宽 据统计为害棉花的害虫大约有几十种， 4
而目前种植的转基因抗虫棉仅只对棉铃虫等少数害虫具有毒杀作用。
（三） 害虫对转基因抗虫棉的抗性问题 这是人们最为担心的问题，已有实验证明棉铃虫对Bt 棉的忍耐性比先前提高了十余倍，若任其发展大约需要80年的时间，棉铃虫就有可能对现在种植的转基因抗虫棉产生抗性。因此应尽早进行这方面的研究，以寻求阻止或延缓产生抗性的对策和措施。
四、转基因抗虫棉的展望
（一）抗虫棉的其他抗性研究
病害、草害等生物逆境以及干旱、淹涝、盐碱等非生物逆境均是阻碍我国棉花生产进一步发展的重要因素。通过基因工程技术进行抗病、抗除草剂、抗旱、耐盐等转基因棉花研究, 对我国棉花的持续稳步发展具有重大意义。
1. 抗虫棉的抗病研究 棉花枯黄萎病是影响棉花产量和品质的重要病害, 尤其是黄萎病, 被称为/棉花癌症0。有研究报道2003年我国棉花黄萎病流行的面积达320万hm2, 而由此引起的皮棉减产达2. 3亿kg, 直接损失27. 6亿元。由于陆地棉本身缺乏抗黄萎病资源, 通过常规育种方法难以找到解决途径。借助基因操作手段, 克隆高效抗病基因的生物技术育种方法, 或通过诱变育种、远缘杂交育种结合分子标记的育种方法, 有望最终攻克棉花黄萎病。
2 抗虫棉的抗除草剂研究 早在20世纪末, 国外就已经大面积商业化种植抗除草剂的转基因棉花。我国由于棉田较分散, 对抗除草剂转基因棉花的需求相对较弱。但随着我国棉花区域化种植结构的调整, 农村剩余劳动力向城市的转移, 抗虫抗 5
除草剂转基因棉花的育种及产业化研究显得日益重要。
3 抗虫棉的耐盐碱研究 我国盐碱地总面积约有3 000多万hm2, 其中滨海宜棉区有近1 000万hm2盐碱地。粮食作物无法在盐碱地种植, 而棉花具有一定的耐盐性。据测算, 滨海盐碱地可扩大植棉面积130多万hm2。通过基因工程的方法, 进一步提高棉花的耐盐性, 可充分利用盐碱地, 开发新的植棉区域, 有效缓解因耕地不足而引起的粮棉争地矛盾。
参考文献：
1. 李燕娥, 朱祯, 陈志贤. 等. 觅豆胰蛋白酶抑制剂转基因棉花的获得. 棉花学报.1998.10(5):237一243
2. 朱玉, 吴茜, 高越峰. 等. 雪莲花外源凝集素基因的、序列分析和植物表达载体的构建. 农业生物技术学报,!997,5(4):331一338
3. 刘春明. 朱祯, 周兆斓, 等. 觅豆胰蛋白酶抑制剂抗虫转基因烟草的获得. 科学通报,1992_18:1694一1697
4. 郭三堆. 植物Bt 抗虫基因工程研究进展[J].中国农业科学, 1995, 28 (5): 8-13.
5. 赵建周. 棉铃虫对转Bt 基因棉的抗性问题及其对策[J].农业生物技术通讯,1998,2:1-2.
6. 张宝龙，倪万潮，张天真，等. 花粉管通道法转基因抗虫棉外源基因的整合方式[J].江苏农业学报，2004，20（3）：144-148.
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中国转基因抗虫棉的研究历程与展望
——基因工程研究进展作业
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生物技术B1104
刘岩
0514110410
摘要:本文从抗虫基因的分离与转基因棉株的获得、转基因抗虫棉品种的转化、转基因抗虫棉研究的现状与进展方面进行介绍, 并在此基础上分析探讨了目前培育转基因抗虫棉存在的问题和将来的发展方向。
关键词：转基因抗虫棉 研究背景 转化方法 问题 展望
正文：转基因抗虫棉也称为转Bt 基因抗虫棉。它是将苏云金芽孢杆菌的Bt 基因导入到受体细胞（转基因抗虫棉的叶肉细胞）中。苏云金芽孢杆菌的代谢过程中能产生一种Bt 杀虫蛋白，它对多种害虫具有毒杀作用，作为生物农药广泛使用在蔬菜、瓜果等作物上。通过根癌农杆菌介导等方法将Bt 基因转入棉花植株的细胞中后，棉株体内也能合成Bt 杀虫蛋白。转Bt 基因抗虫棉的杀虫谱因Bt 基因不同而存在差异。我国现有的转基因抗虫棉对棉铃虫、红铃虫、卷叶虫等鳞翅目的害虫具有非常显著的抗性。
一、转基因抗虫棉的研究背景
（一) 抗虫基因分离与转基因棉花植株获得
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用于植物抗虫基因工程研究的基因很多，但并不是所有的基因均可用于转基因抗虫基因抗虫棉的培育，而应根据棉花自身受害虫的危害情况，有针对性地选择那些对棉花害虫具有较强杀伤作用的基因。综观国内外的研究现状，目前已用于或正在用于转基因抗虫棉培育的基因主要有以下几类：
1．苏云金芽孢杆菌素蛋白基因（Bt 基因） Bt 制剂作为一种生物杀虫剂在农业上应用已有30余年的历史，虽然它具有专一性强、效果好、对人畜安全等优点，但在自然界被阳光钝化、雨水冲淋，从而限制了其在生产上的广泛应用。
2．蛋白酶抑制剂基因 植物蛋白酶抑制剂是自然界含量最为丰富的蛋白种类之一，它广泛存在于植物的各种组织及器官中，其中以种子与块茎中的含量最高，可达总蛋白含量的1%-30%。蛋白酶抑制剂的种类很多而且自身特点较多。首先，从杀虫机理上看，其基因产物作用于昆虫消化酶的活性中心，这是酶的最保守部位，突变的可能性很小，基本上可以排除害虫通过突变产生抗性的可能；其次，蛋白酶抑制剂的抗虫谱广泛; 另外，蛋白酶抑制剂来源于植物自身，对人畜无害。但是蛋白酶抑制剂基因要想达到理想的抗虫效果，就必须要求转基因植物蛋白酶抑制剂的表达量远远高于转Bt 基因植株的表达量，这也给抗虫基因工程带来了一定的困难。
3、外源凝集素基因 外源凝集素是一组广泛存在于植物组织中的蛋白质成分，在储藏器官和繁殖器官中的含量尤其丰富。
4、其它抗虫基因的研究及利用 除上面所讲述的几种抗虫基因外，人们还在不断探索新的抗虫基因，以便创造出更多更好的抗虫转基因作物。
二、抗虫基因的转化方法
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（一）农杆菌质粒介导法 土壤农杆菌是一种能侵染多种双子叶植物的细菌，它体内含有一些很大的质粒，统称Ti 质粒。在Ti 质粒上有一段DNA ，称为T-DNA ，土壤农杆菌有二个种：根癌农杆菌和发根农杆菌。它们均能向植物细胞转移其质粒上的一段DNA 即T-DNA ，T-DNA 上含有一些致瘤基因。使被侵染的植物产生肿瘤。即冠瘿瘤。T-DNA 可整合到植物细胞核基因组中，并能稳定遗传。农杆菌质粒介导法的优点在于可靠性强、效率高，但只有外植体能再生的职子叶植物才能采用。
（二） 花粉管途径导入法 这是由周光宇最先提出并设计的技术一外源DNA 直接导人受体的花糟管途径导人法，即在植物白花受精一段时间后，把DNA 注入受体花器，使其沿花粉管通道进入胚囊，从而转化受精细胞或早期胚细胞。其优点是：简便易行，避免了植物再生的困难，对数量性状的转化较为有效；不足是：导人重复数大，转化机理尚未完全明了，转化体检测存在一定困难。
（三）粒子轰击法 粒子轰击法，又称基因枪法。该方法的受体不受植物种类、器官等限制，特别用于农杆菌不能感染的单子叶植物，但可靠性较差、转化频率较低。
（四）其它转化技术 用于植物转基因工程的转化技术通常还有PEG 介导转化法、电穿孔法、病毒介导转化法、超声波法、微注射法、脂质体法等，这些方法各有千秋，但很少用于棉花抗虫基因工程研究。
三、转基因抗虫棉目前存在的问题
（一）转基因抗虫棉的产量有待提高 目前我国培育出的转基因抗虫棉的产量与常规优良品种相比较显得偏低。
（二）转基因抗虫棉的抗虫范围有待拓宽 据统计为害棉花的害虫大约有几十种， 4
而目前种植的转基因抗虫棉仅只对棉铃虫等少数害虫具有毒杀作用。
（三） 害虫对转基因抗虫棉的抗性问题 这是人们最为担心的问题，已有实验证明棉铃虫对Bt 棉的忍耐性比先前提高了十余倍，若任其发展大约需要80年的时间，棉铃虫就有可能对现在种植的转基因抗虫棉产生抗性。因此应尽早进行这方面的研究，以寻求阻止或延缓产生抗性的对策和措施。
四、转基因抗虫棉的展望
（一）抗虫棉的其他抗性研究
病害、草害等生物逆境以及干旱、淹涝、盐碱等非生物逆境均是阻碍我国棉花生产进一步发展的重要因素。通过基因工程技术进行抗病、抗除草剂、抗旱、耐盐等转基因棉花研究, 对我国棉花的持续稳步发展具有重大意义。
1. 抗虫棉的抗病研究 棉花枯黄萎病是影响棉花产量和品质的重要病害, 尤其是黄萎病, 被称为/棉花癌症0。有研究报道2003年我国棉花黄萎病流行的面积达320万hm2, 而由此引起的皮棉减产达2. 3亿kg, 直接损失27. 6亿元。由于陆地棉本身缺乏抗黄萎病资源, 通过常规育种方法难以找到解决途径。借助基因操作手段, 克隆高效抗病基因的生物技术育种方法, 或通过诱变育种、远缘杂交育种结合分子标记的育种方法, 有望最终攻克棉花黄萎病。
2 抗虫棉的抗除草剂研究 早在20世纪末, 国外就已经大面积商业化种植抗除草剂的转基因棉花。我国由于棉田较分散, 对抗除草剂转基因棉花的需求相对较弱。但随着我国棉花区域化种植结构的调整, 农村剩余劳动力向城市的转移, 抗虫抗 5
除草剂转基因棉花的育种及产业化研究显得日益重要。
3 抗虫棉的耐盐碱研究 我国盐碱地总面积约有3 000多万hm2, 其中滨海宜棉区有近1 000万hm2盐碱地。粮食作物无法在盐碱地种植, 而棉花具有一定的耐盐性。据测算, 滨海盐碱地可扩大植棉面积130多万hm2。通过基因工程的方法, 进一步提高棉花的耐盐性, 可充分利用盐碱地, 开发新的植棉区域, 有效缓解因耕地不足而引起的粮棉争地矛盾。
参考文献：
1. 李燕娥, 朱祯, 陈志贤. 等. 觅豆胰蛋白酶抑制剂转基因棉花的获得. 棉花学报.1998.10(5):237一243
2. 朱玉, 吴茜, 高越峰. 等. 雪莲花外源凝集素基因的、序列分析和植物表达载体的构建. 农业生物技术学报,!997,5(4):331一338
3. 刘春明. 朱祯, 周兆斓, 等. 觅豆胰蛋白酶抑制剂抗虫转基因烟草的获得. 科学通报,1992_18:1694一1697
4. 郭三堆. 植物Bt 抗虫基因工程研究进展[J].中国农业科学, 1995, 28 (5): 8-13.
5. 赵建周. 棉铃虫对转Bt 基因棉的抗性问题及其对策[J].农业生物技术通讯,1998,2:1-2.
6. 张宝龙，倪万潮，张天真，等. 花粉管通道法转基因抗虫棉外源基因的整合方式[J].江苏农业学报，2004，20（3）：144-148.
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