全 文 ：技术与方法
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 5期
现代生物技术在植物研究中的应用
倪福太 李长有 刘强 王占武
(吉林师范大学生命科学学院,四平 136000)
摘 要: 伴随着生物科学世纪的到来, 生物技术广泛应用于农业、医药、轻工业、食品、环保、海洋和能源等方面。列举
了几项现代生物技术在植物学研究领域中的应用,从几个角度揭示了现代生物技术在人们日常的生产生活中所扮演的重要
角色。
关键词: 现代生物技术 植物研究 应用
Application ofM orden Biotechnology in P lant Researches
N i Futa i L iChangyou L iu Q iang W ang Zhanwu
(College of L ife Sciences, J ilinN ormal University, S ip ing 136000)
Abstrac:t W ith the com ing century of bio log ica l science, b io techno logy show s the spec ia l cha rm and w idely applies in ag ricu lture,
m ed icine, light industry, food, env ironm en tal protection, sea, energy. Th is paper summ arized som e m odern biotechnology app lication in
p lant researches and revea ls the ir im po rtant ro les in people daily life and m anufacture.
Key words: M odern biotechno logy P lan t researches App lication
收稿日期: 20091207
作者简介:倪福太,男,副教授,从事植物学教学与研究; Em a i:l n ifu ta@i 163. com
1953年 Watson和 C rick发现了 DNA双螺旋结
构,奠定了现代分子生物学的基础,从而给整个生物
学乃至整个人类社会带来一场革命。此后越来越多
的科学家投身于分子生物学研究, 并取得了重大的
进展, 为人类能更好更多地创造和制造有用的商品
创造了条件。目前, 大量与人类健康密切相关的基
因,都已得到克隆和表达, 胰岛素、生长激素、细胞因
子及多种单克隆抗体等基因工程药物已正式生产上
市。同时,现代农业生物技术在提高作物的抗病、抗
虫、抗逆及品质改良方面发挥了重要的作用。据统
计,到 1998年 4月止,世界各国批准进行转基因作
物大田释放已达 4 387 hm2,其中转基因抗虫及抗除
草剂作物占多数。
鉴于现代生物技术所具有的巨大潜能, 各国政
府都十分重视它的发展, 在这方面美国一直居于领
先地位,欧洲和日本则在紧紧追赶。中国作为一个
发展中国家,在生物技术的发展方面也做出了巨大
的努力。农业生物技术发展的一个重要方面, 转基
因水稻、大豆、小麦、棉花、番茄和烟草等多种转基因
植物已培育成功, 有些已被批准进行大田释放或试
种。目前,中国已成为世界上转基因植物种植面积
最大的国家,并成为继美国之后第二个拥有转基因
抗虫棉花的国家。
现代生物技术在近 20年的发展中受到各方面
的关注,更有许多专家将 21世纪称为 生命科学的
世纪 !,将现代生物技术产业称为 21世纪的朝阳产
业!。一方面是由于现代生物技术发展迅速、用途
广泛;另一方面,是由于现代生物技术具有基础训练
技术所无法比拟的优越性, 即可持续发展。面对人
口膨胀、资源枯竭、环境污染等一系列直接关系到整
个人类生死存亡的严重问题, 人们越来越深切地认
识到了发展具有可持续发展的新技术、新产业的必
要性和紧迫性。由于生物技术是以生物为原料生产
产品的,因此其原料具有再生性, 同时利用生物系统
生产产品产生的污染物很少, 对环境的破坏性很小
或几乎没有,重组微生物甚至还可以消除环境中的
污染物。鉴于生物技术产业的以上特点,清洁、经济
的生物技术必然会在本世纪获得更大的发展。
2010年第 5期 倪福太等:现代生物技术在植物研究中的应用
2 现代生物技术在植物研究领域中的应用
21 分子生物学技术在植物研究中的应用
211 分子标记技术在果树培育中的应用 DNA
分子标记是现代分子生物学发展出来的一类重要的
遗传标记,已广泛应用于遗传图谱的构建、种质资源
的管理和鉴定、基因的定位与克隆等。分子标记是
一种可以在 DNA水平上直接反映遗传变异的遗传
标记, 具有受环境、材料来源的限制, 对表型无影响,
而且检测迅速, 操作简便等特点。因此, 在过去 10
年中, 有了突飞猛进的发展,至今已有几十种分子标
记技术相继出现,主要分为 3类: 以传统的 Southern
杂交为基础, RFLP为代表。以 PCR为基础 RAPD,
STS, SCAR, AFLP为代表。以重复序列为基础 SSR
为代表。
苹果 (M. pum ila M il.l )是世界上栽培最广泛的
果树之一,但由于苹果童期长、生长周期长、植株大、
基因组杂合程度高。由于分子生物学的兴起, 特别
是 DNA分子标记技术在苹果上的发展和应用, 使之
成为苹果遗传育种研究中的一个有效的研究方法和
辅助育种手段。经常应用于苹果遗传育种研究的分
子标记主要是 RFLP、RAPD、AFLP、SSR、SCAR等 [ 1]。
分子标记技术同时实现对果树的目标性状的早
期选择提供了有效途径。如果通过紧密连锁的
DNA标记来洗涤目的基因,则可以通过转基因来改
变性状,而果树无性繁殖的特点可以使得该性状非
常容易地保持下去。因此, 用 DNA标记法对果树重
要性状的 DNA标记,特别是缺乏遗传图谱的果树的
DNA标记,是十分重要的 [ 2]。
212 RAPD分子标记技术在植物遗传学研究中
的应用 自从 1971年 Khorana等提出多聚链式反
应 ( PCR )的基本概念之后, 1985年 Sa ik i等阐述了
具体原理和做法,并在 1988年从细菌中发现了热稳
定性的 Taq DNA聚合酶, 从而实现了 PCR反应的自
动化。在 PCR技术的基础上, W illiams等于 1990提
采用随机核苷酸序列为引物扩增基因组 DNA的随
机片段产生了一种新的分子标记 ∀ ∀ ∀ 随机扩增多态
性 DNA简称 RAPD, 即以一个寡聚核苷酸序列 (通
常为 10个碱基 )为引物, 对基因组 DNA随机扩增,
从而得到多态性图谱从而作为遗传标记的方法。同
年W elsh和 McC lilland提出 APPCR技术而用作基
础组指纹分析。由于 RAPD技术具有简便、快速、准
确、灵敏度高等特点, 得到广泛重视和应用。RAPD
技术在园艺植物遗传学研究中可被应用在遗传资源
保存、遗传资源分类、遗传多样性研究、种质资源鉴
定、品种 (杂种 )纯度鉴定及杂交育种研究、辅助选
择育种等方面 [ 3]。
213 反义 RNA技术在植物基因工程中的应用 生
物的遗传信息存在于 DNA或 RNA链上。在转录过
程中作为模板转录 mRNA的一条链称为反义链或
模板链,与这互补的另一条模板链称为有义链。由
有义链可转录成反义 RNA。反义技术以互补的核
酸链能够形成双股螺旋的原理为基础,利用反义基
因转录的反义 RNA来抑制目标性状中靶基因的表
达, 进而达到修饰目标性状的目的。
在鉴定植物基因的研究中,反义 RNA技术在控
制植物胚的发育研究中起着重要作用。研究植物基
因功能及生理代谢调控的一个重要前提是产生突变
体,利用反义 RNA技术对基因表达部分抑制可以产
生突变体。在植物基因工程研究中, 应用反义 RMA
技术可以通过抑制乙烯合成或抑制细胞壁来控制果
实的成熟。同时反义 RNA技术已成功地在修饰花
色、延长花卉衰老的寿命的基因工程中得到广泛应
用。利用反义 RNA技术可以抑制植物雄性不育的
表达,使转化株雄性可育。为创造工程不育系提供了
一条新思路。反义 RNA技术不可用于油料作物种子
脂肪酸含量的改变和植物抗病性机理的研究中。
214 EST技术在植物研究中的应用与前景 一
个基因组的所有碱基中一般只有大约 2%组成编码
蛋白质的那部分基因, 剩余的 98% 被称为 junk
DNA!。因此,测序基因组已不再是一种创建基因目
录的有效途径,大量试验证明以 cDNA进行基因转
录产物的大规模测序才是了解基因组的先驱。正如
Brenner所说: 如果基因 98%是垃圾, 那么最好的
策略将是寻找重要的 2%并测序。!高通量的 cDNA
测序于 1991年由 Adam s等创始, 在构建人脑的 cD
NA并进行末端单一次自动测序时首次提出了
EST!并发现了 337个基因。近来的研究也表明大
规模序列中经计算寻找基因的成功率很有限, 但使
用 EST对计算搜寻基因产生的影响极大。 EST现
在已经得到了广泛应用, 特别是在功能基因组研究
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 5期
中发挥作用巨大,是研究基因最有效的捷径。EST
是从一个随机选择的 cDNA克隆进行 5#端和 3#端单
一次测序获得的短的 cDNA部分序列, 代表一个完
整基因的一小部分,在数据库中其长度一般从 20到
7 000 bp不等,平均长度为 ( 360 ∃ 120) bp。 EST来
源于一定环境下一个组织总 mRNA所构建的 cDNA
文库, 因此 EST也能说明该组织中各基因的表达水
平。1998年 H arush ima等对水稻基因组作图的研究
中采用了 EST标记获得了 2 275个标记的高密度遗
传图谱,覆盖 1 5216 CM, 为构建更完整的水稻基
因组图谱和克隆重要性状的基因打下了坚实的基
础。2000年 Gyorgyey等在对苜蓿的结节发育研究
中,采用了逆 Northern杂交技术获得了高质量的
EST,从而识别了结节组织中特异表达的基因。
2002年 Motoak i等在拟南芥的基因组序列注解及基
因功能分析的研究中, 为解决冗余的问题对 cDNA
克隆进行了全长的测序, 为功能基因组时代里对基
因及产物的结构与功能分析打下了坚实的基础。
随着各物种 EST的不断开发及研究的深入,现
在 EST已广泛应用于种间、属间的遗传比较作图及
表达基因的染色体定位,也有将 EST定位到 BAC、
YAC上, 2002年 Wu等 [ 4] 通过以 PCR为基础的
YAC筛选构建了含 6 591个 EST位点的水稻转录图
谱,将表达基因进行了染色体定位,这为研究基因的
功能及克隆候选基因打下基础,也为研究物种的进
化关系提供了方便。相信, EST以其快速、大规模、
信息含量大等优点, 将势必成为一种可靠的技术手
段来推动后基因组研究的发展。
215 转基因作物及其食品的研究 以重组 DNA
技术为核心的现代生物技术的兴起是 20世纪生命
科学领域最伟大的事件。随着世界新技术革命的深
入发展,生物技术产业将成为反映综合国力的国民
经济支柱产业。其中, 现阶段以转基因植物为先锋
的农业生物技术,由于具有打破物种之间遗传物质
转移的天然生殖隔离屏障可以人为定向改变生物性
状,大幅度提高农作物的产量和质量。提高农业资
源利用率和农业生产力的特殊优势, 已经成为实现
传统农业向现代农业跨越的强大推动力其作为农业
科技革命的有效手段将成为 21世纪解决粮食、健
康、资源、环境等重大社会经济问题的关键技术 [ 5]。
近年来,转基因作物在农业生产上的应用引起
广泛的关注,争论的焦点在于转基因作物可能对人
体健康、生态环境造成的破坏以及人们对该项技术
的非自然属性产生的不安。但转基因技术仍然是一
项非常有用的生物技术, 无论是提高产量还是减少
病虫害以及改善营养价值, 转基因技术对农业可持
续发展有着其它技术难以比拟的优越性。比起大量
使用农药,化肥以抗病虫害及增产,转基因技术应该
更具安全性。为了使生物技术产业的健康发展, 保
障人类的身体健康,消除消费者顾虑,加强国际贸易
和商品流通,必须建立转基因生物安全评价和检测
体系,通过建立行之有效的检测方法,对转基因生物
的管理,以保证人类的安全和健康。
22 现代生物技术在植物抗逆性研究方面的应用
221 抗病虫害方面 植物基因工程技术在农作
物病虫害防治中的应用十分广泛, 尤其是在植物抗
病虫育种、生物农药等方面, 目前已大面积在生产上
推广应用。由于与病虫害防治有关的基因的发现,
以及转基因和微生物重组技术的一系列突破, 用于
植物病虫害防治的植物基因工程产品。首先得以开
发并在农业上实现了商品化生产。植物基因工程正
在开辟农作物病虫害防治的途径 [ 6 ]。
222 抗旱方面 水资源短缺正成为制约我国农
业发展的重要因素。培育抗旱的栽培稻品种并实现
水稻旱作,不但可以在很大程度上节约水资源,而且
有利于增产稳产, 节约能源和减少环境污染。抗旱
性包括逃旱性、避旱性、耐旱性和复原抗旱性。形态
生理学的研究揭示出大量的与栽培稻抗旱性有关的
形态特性和生理特性, 如根系和叶片性状、生育期、
渗透调节、脱落酸含量与栽培稻抗旱性密切相关,目
前已利用分子标记对上性状进行了基因定位 ( QTL)
研究旱稻品种改良也已取得重大进展。在进行抗旱
品种改良基础上,通过引进相应的栽培技术,节水种
植, 实现水稻旱作, 并达到稳定志增产的目的, 是抗
旱性研究的战略目标。在增产、稳定和优质的前提
下, 以培育耐旱性极强的水稻 (或旱稻 )为中心, 建
立有代表性的抗旱性研究基地, 进一步加强稻属抗
旱基因资源的发掘和创新、抗旱生理学和遗传学的
研究、利用现代生物技术实现不同物种间抗旱基因
的转移、建立节水种植栽培技术新体系是目前抗旱
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2010年第 5期 倪福太等:现代生物技术在植物研究中的应用
性研究的主要内容 [ 7]。
223 抗冷性方面 在植物抗冷性研究方面, 近
年来, 国内外在植物抗冷性的鉴定、抗冷性状的遗传
与基因作图、现代生物技术在植物抗冷育种中的应
用及抗冷性种质资源的筛选等方面均取得了较大的
研究进展。应用植物分子标记技术创建植物数量性
状基因的连锁图,用以辅助选择对植物抗冷性进行
遗传改良。现代生物技术与传统育种方法的有机结
合为抗冷性的遗传改良开辟了的途径 [ 8]。
3 总结
总之,伴随着生物科学世纪的到来,生物技术越
来越多的将会被运用到植物学的研究领域, 这将使
人们的生活变得丰富多彩, 而生物技术本身也将不
断地更新,给人们的生产、生活带来新的飞跃。
参 考 文 献
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