全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·技术与方法· 2009年第 1期
收稿日期：2008-06-10
作者简介：张英（1960-），女，吉林公主岭人，副研究员，主要从事农业信息研究；Tel：0431-87063141，E-mail：zhangying@cjaas.com
基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质
粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，使之
渗入到原先没有这类分子的寄主细胞内，并能持续
稳定地繁殖 [1]。 随着分子生物学技术及分子育种理
论的快速发展，基因工程越来越受到遗传育种者的
青睐。 而转基因技术是基因工程的核心技术。 育种
者利用转基因技术可以对有益的基因进行有目的
的操作，并且可以跨越天然物种屏障把来自其他生
物的基因导入到与其毫无亲缘关系的新的寄主生
物细胞中，以获得所需要的理想性状 ，缩短选育周
期，从而培育出高产、优质、多抗的作物新品种。 目
前，转基因技术在玉米的遗传育种中得到广泛应用
并取得了较好的成效。
1 玉米育种中常用的转基因技术
转基因技术的不断发展和完善使得玉米转基
因工作得以迅速开展。 玉米转基因育种方法很多，
有基因枪法、农杆菌介导法、花粉管通道法、PEG 介
导法、子房注射法、超声波法、阳离子转化法、电击
法、显微注射法等 [2]。 目前，在玉米转基因育种中比
较成功的方法主要有农杆菌介导法、基因枪法和花
粉管通道法 3 种。
1.1 农杆菌介导法
根癌农杆菌是一种能够浸染植物根或茎基部
伤口使之形成冠瘿瘤的细菌。农杆菌介导法是以根
癌农杆菌和 Ti 或 Ri 质粒的一段 T-DNA 为载体，将
目的基因转移到受体细胞核的染色体上的一种方
法 [3]。 农杆菌介导法具有能转移较大的 DNA 片段、
整合的外源基因重排少且多以单或寡拷贝整合等
优点，遗传稳定性较好，再生植株可育性比较高，而
且该法简单易掌握。
转基因技术在玉米遗传育种中的应用
张英 穆楠 朴红梅
（吉林省农业科学院经信中心，长春 130033）
摘 要： 玉米转基因育种是通过基因转移方法创造玉米新种质或新品种。将转基因技术与玉米常规育种技术相结
合，能尽快地培育出符合育种目标的新品种，带来了育种水平的提高、创新和突破，加快了玉米育种进程。 论述了转基因
技术在玉米育种中的主要应用方法、研究进展及应用现状。 随着转基因技术的飞速发展及其研究的日趋成熟，转基因技
术在拓宽玉米种质资源、提高杂交种的抗逆性、抗病虫性、提高产量和品质等方面将发挥更大的作用，应用前景广阔。
关键词： 玉米 遗传育种 转基因 生物技术 基因工程
Applications of Transgenic Technology in Maize Genetic Breeding
Zhang Ying Mu Nan Piao Hongmei
（The Economic Information Center，Jilin Academy of Agricultural Sciences，Changchun 130033）
Abstract： The maize transgenic breeding is a method that can be able to create new corn varieties or new
germplasm through gene transfer. The combination of transgenic technology and maize normal breeding technology has
improved breeding level and accelerated the process of maize breeding. This paper discussed the main application
methods，research progress and application status of transgenic technology involved in maize breeding. With the rapid
development of transgenic technology，transgenic technology would play a great role in broadening germplasm resource
of maize，increasing the stress resistance，disease and insect resistance，and improving yield and quality of hybrid， thus
being shown wide prospect of application.
Key words： Maize Genetic breeding Transgenic Biotechnology Genetic engineering
2009年第 1期
Gould[4]报道了农杆菌转化玉米茎尖分生组织
获得成功。 Ishida[5]用含超双元载体的农杆菌转化玉
米幼胚 A188 获得成功，转化率为 5%～30%，成为农
杆菌转化玉米的一个里程碑 。 Luppotto 等 [6]对玉米
幼胚先用微弹轰击法造成创伤，然后再与农杆菌共
培养，大大提高了转化率 。 黄璐等 [7]在国内首次报
道农杆菌转化玉米杂交种成功。由于玉米是单子叶
植物，不是农杆菌的天然宿主，所以转化率低，这使
农杆菌介导法在玉米育种中的应用受到一定限制。
1.2 基因枪法
基因枪法是通过基因枪击发火药爆炸、高压气
体释放或高压放电所产生的推力使携带有外源
DNA 的金属微弹穿透植物的组织、 细胞壁和膜结
构，将外源基因送入细胞核，进而整合到植物基因
组中，实现遗传转化的一种物理方法。 该法是玉米
遗传转化中应用最多、效果最好的方法，不受基因
型的限制，转化的受体类型非常广泛。
自 1989 年 Klein 等 [8，9]用基因枪将 GUS 和 PAT
基因导入玉米悬浮细胞系并获得转基因玉米以来，
基因枪法在转基因玉米研究中发挥了重要作用。目
前，对抗虫基因 Bt 毒蛋白的转移多用此法。 但此法
也存在许多问题，如转化体存在嵌合体、多拷贝、外
源基因在后代中稳定性差及设备昂贵等。
1.3 花粉管通道法
花粉管通道法是授粉后使外源基因能沿花粉
管渗入，经过珠心通道进入胚囊，转化尚不具备正
常细胞壁的卵、合子或早期胚胎细胞。 花粉管通道
法无需建立愈伤组织等组织培养体系，同时不受植
株基因型的限制，既可向玉米导入目的基因，也可
转移含有目的基因性状的供体总 DNA。 同时，该技
术具有操作简单、方便、育种时间短、任何基因源都
可用来基因转化并可直接运用到常规育种。这对于
目前玉米大多数农艺性状基因还没有完全分离出
来的现状具有重要的现实意义。
花粉管通道法是我国科学家周光宇先生于
1978 年首创并推广的。 他首先应用花粉管通道法
在棉花基因转移上取得成功。杨利国等经过探索创
造出一套较好的操作方法并获得成功 ， 以外源总
DNA 为供体处理一批试材，其后代在株高、成熟度
和抗病性上均表现出不同程度的变异。 祁永红等 [9]
陆续报道了利用花粉管通道等技术成功地将外源
总 DNA（包括大豆 DNA 等）导入玉米自交系，不仅
建立了成熟的导入技术，同时获得了具有广泛变异
的不同类型的自交系，包括与玉米品质有关的氨基
酸含量的变化等。 但由于玉米花丝较长，一般操作
难以成功，而且受授粉时间的局限且不能转化大片
段的外源 DNA， 因此花粉通道法的应用也受到一
定局限。
2 转基因技术在玉米育种中的研究进展
由于生物工程技术的兴起和发展，特别是转基
因技术在改良玉米品质和提高玉米抗性中的广泛
应用，为玉米育种提供了新的手段，开辟了玉米育
种的新时代。
2.1 培育抗虫的转基因玉米
据不完全统计，全世界农作物每年因病虫害造
成的损失约占其总产量的 37%，其中 13%是由虫害
引起的 [10]。 中国是玉米螟的多发区和重发区，几乎
每两年就大发生一次，每年因玉米螟造成的玉米损
失达到玉米产量的 5%左右，年损失 380 万～680 万 t。
用传统的杂交育种方法培育抗螟品种周期长，很难
获得兼抗不同世代的玉米螟品种，而且玉米抗螟基
因与高产性状呈负相关。 所以，利用转基因技术培
育抗虫转基因玉米意义重大。
进入 20 世纪 90 年代，抗虫转基因玉米研究取
得突破性进展。主要是将苏云金杆菌杀虫结晶蛋白
基因（简称 Bt 基因）、昆虫蛋白酶抑制基因（广泛应
用的是豆胰蛋白酶抑制剂基因 CpTl）、 植物凝集素
基因等导入玉米基因组中，使其正确表达 ，获得兼
抗两个世代玉米螟的高抗转化体，将这种转化体直
接或间接用于玉米杂交种的选育，达到了既高产又
抗虫的目的 ，垂直抗性强，有效地控制了玉米螟的
危害。目前，转基因抗虫玉米研究最为成熟，已经在
许多国家投入商业化生产。
1990 年美国的孟山都公司和迪卡 （Delulb）公
司首次报道获得了正常结实的转 Bt 基因玉米 ，随
后美国一些大公司都纷纷开展抗虫转基因玉米的
研究。 Koziel 等 [11]用基因枪法将构建的 CryIA（b）基
因转入玉米幼胚，培育出抗虫玉米。 我国从 1989 年
开始转基因抗虫育种。中国农业大学玉米抗虫转基
因研究课题组将 Bt 毒蛋白基因转入玉米获得了有
张英等：转基因技术在玉米遗传育种中的应用 65
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 1期
抗虫性的转化体，并在后代中分离出了正常遗传的
家系 [12]。王国英等 [13]成功地利用基因枪法把 Bt 基因
转移到玉米幼胚中，再生植株中 CryIA（b）基因得到
表达。 王景雪 [14]等用花粉管通道法分别将几丁质酶
基因和 Bt 基因导入玉米。 王罡等 [15]利用花粉管通
道法将 Bt 毒蛋白基因导入优良玉米自交系获得成
功。 藤海涛等 [16]对抗虫转基因玉米转育世代的抗虫
性状进行观察，认为可以在转基因材料后代中选育
出高抗植株。 张红伟等 [17]以玉米幼胚和愈伤组织为
受体， 利用基因枪法将 Bt 基因 GFMCry1A 导入玉
米杂交种京玉 7 号的亲本自交系 501 中，从转基因
高世代材料中筛选出高抗玉米螟的转基因株系
T123，而 T123 及其与京 24 配制的杂交种表现出高
抗玉米螟。 张艳贞等 [18]用农杆菌介导法将 Bt 杀虫
基因导入优良玉米自交系，以丹 340、4112 为材料，
用带有质粒 PGBIL04 的根癌农杆菌 LBA4404 转化
幼胚及其初始愈伤组织，获得再生植株，经 PCR 检
测证明目的基因已经整合到再生植株的基因组中。
权瑞党等 [19]以农杆菌 AGL0 介导 ，将雪花莲凝集素
基因转入玉米骨干自交系齐 319 和掖 515 的胚性
愈伤组织细胞中，从筛选后的抗性愈伤组织中获得
抗蚜虫再生植株。
2.2 培育抗病的转基因玉米
抗病转基因玉米包括转抗细菌、真菌和病毒病
基因 3 类。 其中转抗病毒病的研究初见报道。 由于
细菌和真菌病害存在多变的生理小种问题，目前研
究较少。 Grimsly 等 [20]首次以玉米为材料，用胭脂碱
型根癌农杆菌 C58 将玉米条纹病毒的 cDNA 导入
玉米幼苗中，使植株表现出病毒感染的症状。 杨利国
等利用花粉管通道法将广谱无毒抗病基因 PYH157
转入玉米自交系。张志燕开展了玉米转化 2-5ARNase
Ⅲ水稻黑条矮缩病毒原核表达的初步研究。 Murry
等 [21]首次将玉米矮花叶病毒的外壳蛋白基因导入
玉米，获得了抗 MDMV 的转基因玉米。 刘小红等 [22]
利用基因枪法将玉米矮花叶病毒外壳蛋白基因
MDMVCP 导入玉米优良自交系， 后代对玉米矮花
叶病呈现不同程度的抗性。
2.3 培育抗除草剂的转基因玉米
除草剂的普遍使用是现代农业的一大特点，它
对节省劳动力、提高劳动效率、保护土壤结构等起
到了较好的作用。但除草剂在消除杂草的同时也不
同程度地伤害农作物 、污染环境，特别是玉米对除
草剂尤为敏感。 将抗除草剂基因转移到玉米中，成
功地培育出抗除草剂玉米，是高效、低成本、无公害
控制杂草的新手段，可有效地解决除草剂的安全性
问题。
1996 年美国孟山都公司最先注册了抗草甘膦
（农达）的玉米品种，1997 年美国孟山都公司已将 E
PSPS 转基因玉米应用于大田试验；BASF 公司开发
的抗除草剂玉米对于稀禾定具有高度耐受性，使其
可以在玉米发芽后喷施， 防止所有的禾本科杂草。
李国圣等 [23]用基因枪将来自拟南芥突变体中的抗
除草剂基因 als 导入玉米细胞， 经检测具有抗除草
剂特性。 朱常香等利用 PIG 基因枪，将 CryIA（b）基
因和 bar 基因，采用共转化法导入玉米自交系的幼
胚中，获得抗性愈伤组织并再生植株。 刘小红等 [24]以
bar 为外源目的基因， 利用基因枪法将其导入了玉
米优良自交系 18-599 红基因组中， 获得了抗除草
剂的优良玉米材料。
2.4 培育抗逆性的转基因玉米
利用转基因技术将自然界中多种适应性基因
转入玉米使其获得抗逆性基因，提高植株在逆境中
的适应能力，这是保证稳产的重要手段。 美国得克
萨斯大学试验站的 Prodi Gene 公司通过电激法把
抗冻蛋白 AFP 基因导入玉米原生质中并获得表
达。刘岩等 [25]将大肠杆菌 6-磷酸山梨醇脱氢酶基因
gutD 转入玉米， 使玉米植株的耐盐性明显高于对
照。 何锶洁等 [26]将甜菜碱醛脱氢酶基因转化到玉米
中，获得了抗盐性植株。
2.5 培育优良品质的转基因玉米
玉米虽然高产但品质相对较差 ，蛋白质 、赖氨
酸含量较低 ， 其中赖氨酸含量只占种子干重的
0.27%左右， 不论是作为粮食还是作为饲料， 都不
能满足高品质的要求。为此各国科学家在玉米品质
改良中做了大量卓有成效的工作。 Torrent 等 [27]将富
含赖氨酸基因转入玉米改良醇溶蛋白；张秀君等 [28]
将富含赖氨酸的马铃薯花粉特异水溶性蛋白的
cDNA 转入玉米， 使种子干重中赖氨酸含量提高到
10%以上。 Sun 等 [29]采用同样的方法使转基因玉米
种子中赖氨酸含量提高了 16%。丁明忠等 [30]利用花
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2009年第 1期
粉管通道法和减压渗透法将大豆总 DNA 导入玉米
自交系中，筛选出的高蛋白变异材料其蛋白质含量
比受体高 20%以上。
2.6 创造雄性不育植株
利用基因工程创造雄性不育的研究工作已取
得初步成效。Mariani 等 [31]将来自烟草花药绒毡层特
异启动子 TA29 与核酸酶 （Barnase）基因融合后转
化玉米，已成功获得雄性不育植株。 刘大文等 [32]利
用玉米花粉特异启动子 ZM13 启动核酸酶（Barnase）
基因在玉米花粉中表达，产生了部分不育植株。
3 转基因玉米的推广应用现状
全世界转基因玉米的发展历程可概括为 3 个
阶段 ：（1）1988 年以前是转化方法的探索阶段 ，科
学家试图利用基因工程技术，将外源或经体外修饰
后的内源基因 （统称转基因 Transgene）导入植物 ，
改良植物的性状，并获得了成功；（2）1989～1994 年
是直接遗传转化方法的研究与发展阶段，这一时期
转基因玉米的研究在许多方面取得了突破性进展；
（3）1995 年以后转基因玉米研究进入商品化阶段。
10 多年来， 利用转基因技术已经培育出一批抗虫
（玉米螟虫、根系害虫、仓储害虫）、抗除草剂、抗病、
耐盐、耐旱、雄性不育、优质等转基因玉米新种质或
新品种，而且其产业化发展速度很快。
1990 年美国的孟山都公司和迪卡公司开始研
究转基因玉米后，1995 年美国就开始构建 21 世纪
初的基因工程抗虫计划。 1997 年美国环保署（EPA）
正式批准 3 种转 Bt 毒蛋白基因的玉米杂交种上市
销售， 当时美国大多数农民只是抱着试试看的态
度。 1999 年美国转基因抗虫玉米的种植面积就发
展到 960 万 hm2，占玉米总面积的 1/3，2005 年美国
的转基因玉米播种面积占玉米总面积的一半，被美
国农民誉为继杂交种发明以来的最伟大的技术革
命 [33]。
我国在国家转基因专项、“863” 等高科技项目
计划的支持下，在短短的十几年里，转基因玉米研
究取得了重要进展。 在基地建设方面，我国建立了
两个转基因上游中心，分别由中科院遗传所李家洋
院士领导的北京中心和华中农业大学张启发院士
领导的湖北中心，同时建立了依托于吉林省农业科
学院的转基因植物中试与产业化基地。在遗传转化
方面，国内十几个重要的玉米研究单位和大型种子
企业正在联合攻关，研究水平已经跻身国际先进行
列 ，目前已经获得了一大批转基因玉米材料 ，正在
参加环境释放和中间试验，其中主要为抗虫和抗除
草剂玉米，这为我国转基因玉米产业化发展奠定了
基础。 在基因克隆方面，我国自主克隆了一批功效
较强的功能基因，如抗虫的 Bt 基因、抗病的抗菌肽基
因、抗除草剂基因、抗盐的山菠菜碱脱氢酶（BADH）
基因 、优质的高赖氨酸基因等，实现了传统育种方
法无法实现的基因重组，大大提高了育种水平。
2005 年全球转基因玉米种植面积已经达到
2 120 万 hm2，占全球玉米总面积 （1.47 亿 hm2）的
14%，平均增产玉米 5%~10%；转基因玉米市场价
值达到 19.1 亿美元。 种植转基因玉米的国家有 12
个，已经批准转基因玉米作为加工原料的国家有 8
个 [34]。 其中，在我国准予作为原料进口的转基因玉
米为孟山都研制的 2 个抗除草剂品种和 1 个抗虫
品种。 抗除草剂杂交种已经推广种植 360 万 hm2，
使草甘膦等广谱性除草剂在玉米上的使用获得成
功，更多的免除了田间除草作业，减轻了劳动强度，
促进了机械化程度的提高和免耕法在玉米上的进
一步推广。
总之，在玉米育种技术不断更新的今天 ，转基
因技术在玉米育种中做出了举世瞩目的贡献，并将
在玉米遗传育种中得到更深入的研究和应用，转基
因技术前景光明。 它为解决土地面积缩小、粮食需
求猛增的现实矛盾提供了有力的技术支持，为未来
农业的发展描绘了美好的蓝图。
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