全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期:2008-04-28
作者简介:张文银(1970-),男,在读研究生,主要从事水稻生物技术育种研究;E-mail:wenyin-zhang@sohu.com
主要转基因作物研究现状及其产业化进展
张文银 安永平 王彩芬 马静
(宁夏农林科学院农作物研究所,永宁 750105)
摘 要: 经过12年的产业化发展,转基因作物研究取得了较大进展。相关外源基因的转入使抗虫、抗病、抗除草
剂、抗逆、品质改良和功能性等作物相继问世。转基因大豆、玉米、棉花和油菜已经大面积种植,产生了极大的经济效益。
2007年全球转基因作物的种植面积达到 1.143亿hm2。综述了主要转基因作物研究现状及其产业化进展,并对我国转基
因作物产业化应解决的问题进行了论述。
关键词: 主要作物 转基因研究 产业化
ReviewofDevelopmentofGeneticalyModifiedCrops
onResearchandCommercialUse
ZhangWenyin AnYongping WangCaifen Majing
(InstituteofCrop,NingxiaAcademyofAgriculturalandForestrySciences,Yongning750105)
Abstract: Forover12years,agreatofprogreshasbeenachievedontransgeniccrops.Someexogenousgenes
havebeendeliveredtotheseplants,thus,cropscanbeabletobenefitintheseaspeces,includinginsectresistance,disease
resistance,herbicideresistance,stres tolerance,qualitymodification,andexpresionfunction.Transgenicsoybean,maize,
coton,andrapeseedhavebeenplantedwidelyaroundtheworld,andboosteconomySignificantly.In2007,geneticaly
modifiedcropscovered114.3milionhm2intheworld.Theresearchandcommercializationontransgeniccropswere
summarized,andsomedomesticcommercializationsproblemswerediscused.
Keywords: MaincropsTransgenicresearch Commercialization
·综述与专论·
通过转基因技术进行作物改良是一种快捷、行
之有效的方法。转基因作物是把从植物、微生物及
动物中分离到的目的基因,通过各种方法转移到作
物基因组中,使之稳定遗传并赋予作物新的遗传性
状,如抗虫、抗病、抗逆、高产、优质等。转基因作物
从 1996年实现商业化到 2007年的 12年中,在
2005年有 21个国家的 850万农户种上了转基因
作物;2006年全球转基因作物种植面积已高达 10
200万 hm2;2007年,全球转基因作物种植面积增长
率达 12%,即增加 1230万 hm2,达到 1143亿 hm2。
转基因作物综合其性状表现为抗虫、抗除草剂、抗
逆境等,其品质得到改良、生长发育得到调控、产量
潜力大副度提高,产生了巨大的经济、社会和环境
效益。全球的强劲增长态势为未来的转基因作物种
植提供非常广阔而又稳定的基础。随着转基因作物
商品化速度的加快,社会公众对转基因作物及其产
品的安全性高度关注,在转基因生物安全性方面也
进行了深入的研究与评价。
1 国外主要转基因作物及其产业化
截止 2007年,种植转基因作物的国家增加到
23个,其中包括 12个发展中国家和 11个工业化
国家,按照种植面积顺序前 8位的是:美国、阿根
廷、巴西、加拿大、印度、中国、巴拉圭和南非,前 8
个国家的种植面积都超过 100万 hm2[1]。美国以 5
770万 hm2位居世界第一,占全球转基因作物种植
面积的 50%,其主要转基因作物有大豆、玉米、棉
花、油菜、南瓜、番木瓜和紫苜蓿。为了满足不断增
长的酒精用转基因玉米的市场需求,转基因玉米种
2008年第5期
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
植面积实际增加了 40%,而转基因大豆和棉花的种
植面积有少量减少。其中复合性状转基因玉米、棉
花占有一定的比例,复合性状转基因是一个非常重
要的特性,也是将来的发展趋势,可以满足农民和
消费者的多重需要。阿根廷是 6个“转基因作物创
始国家”之一,1996年就开始“抗农达”(RR)耐除草
剂大豆和抗虫 Bt棉花的商品化。阿根廷为世界转
基因作物第二大种植国,2007年种植 1910万 hm2,
占全球转基因作物总面积的 19%。2007年阿根廷
种植的 1910万 hm2转基因作物中,有 1600万 hm2
转基因大豆,280万 hm2转基因棉花,约 40万 hm2
转基因玉米。2007年,巴西保持了世界第三大转基
因作物种植国的地位,总种植面积约为 1500万
hm2,其中种植了“抗农达”耐除草剂大豆 1450万
hm2,单基因 Bt棉花 50万 hm2。目前巴西是世界上
仅次于美国的大豆生产国,还是世界上第三大玉米
生产国。第一个转基因玉米品种已经得到最初许
可,并预计在 2008或 2009年获得最终的商业化种
植批准,巴西也是世界上第六大棉花生产国。2007
年,加拿大种植转基因作物为 700万 hm2,主要为
油菜、玉米和大豆。2007年,印度 Bt棉花种植面积
已经增加到 620万 hm2。曾经是世界上棉花产量最
低的国家之一的印度,如今已经成为棉花出口国。
巴拉圭主要种植转基因大豆,面积为 260万 hm2。
南非是唯一一个位于非洲大陆的商业化种植转基
因作物的国家。2007年,南非转基因作物种植面积
总计 180万 hm2,主要为玉米、大豆和棉花,在世界
上排名第八。2007年转基因玉米种植面积增长较
快,其中白玉米的种植面积占了总种植面积(170
万 hm2)的三分之二。目前,转基因大豆主要集中在
美国、巴西和阿根廷;转基因棉花主要集中在中国
和印度;转基因油菜主要集中在加拿大。
2 国内主要转基因作物及其产业化
2007年,我国种植转基因作物面积达到 380万
hm2,主要有保铃棉、抗虫棉、白杨、抗病毒木瓜、抗
病毒番茄、耐储藏番茄、抗病毒甜椒、抗病毒辣椒和
观赏矮牵牛等作物进行商业化种植生产。我国已种
植了大约 25万棵转基因抗虫杨树。在 2006年批准
抗木瓜环斑病毒转基因番木瓜的商品化,种植了大
约 3500hm2。现已批准进行生产性试验的作物有转
基因水稻、棉花、玉米、油菜、马铃薯、大豆和小麦等
30种作物。
2.1 产业化的转基因棉花
从 20世纪 90年代起,中国开始了转基因抗虫
棉的研究,在转基因抗虫棉研究方面,研究最多、取
得最大进展的为转 Bt基因抗虫棉的研究。Bt即苏
云金芽孢杆菌(Baalusthuringensis),它是一种革兰
氏阳性土壤芽孢杆菌,在形成芽孢过程中,能产生
一种对鳞翅目昆虫有毒杀作用的杀虫晶体蛋白
(BtCry)[2,3]。中国农科院生物技术中心自 20世纪
80年代末即开始进行 Bt基因的克隆研究,于 1996
年,分离出胰蛋白酶抑制因子 (Cowpeatrypsin
inibitor,简称 CP-TI)。CPTI能抑制昆虫消化食物所
必需的胰白酶的活性,干扰昆虫的消化作用,导致
害虫幼虫死亡[4]。中国农科院生物技术研究所将人
工合成的 Bt基因与改造后的 CPTI基因重组构成
双价抗虫基因导入棉花中,从而获得双价基因抗虫
棉植株[5]。该研究所通过多年的努力研究,开发出
一系列的转基因抗虫棉品种,如早期的国抗 2号、
国抗 12号和双价抗虫棉 sGK321等。目前,大面积
推广的双价转基因品种有中棉所 41和转 Bt基因
品种中棉所 47、中棉所 48等。
转基因棉花新品种具有抗棉铃虫、红铃虫、玉
米螟等棉花害虫,棉铃虫危害得到有效控制,农药
用量,人畜中毒和环境污染大大减少,害虫天敌和
其它有益生物的种类与数量明显增加,产生了显著
的社会、经济和生态效益,深受棉农欢迎。2007年,
中国农户种植 Bt棉花达 380万 hm2,相当于中国的
全部 550万 hm2棉花中的 69%。
在植物凝集素基因的转化方面研究表明:植物
凝集素是一类具有特异糖结合的活性蛋白,具有抗
虫性,特别是对蚜虫等同翅目害虫有极强的抗杀作
用。将来源于小麦胚芽凝集素基因导入陆地棉后,
转基因 T2代能显著抑制棉铃幼虫和棉蚜的生长发
育[6];而将 Bt+GNA双价基因导入棉花后,获得的转
基因株系对棉铃虫和棉蚜有较好的抑制效果[7]。
2.2 转基因水稻
水稻基因组大规模测序的完成获得的大量序
列数据,为揭示和开发功能基因开辟了广阔的前
景,为在基因组水平上深入研究其生长、发育、抗病
2
2008年第5期
和高产等遗传机理提供了便利。目前的研究重心由
建立高分辨率的遗传、物理和转录图谱为主的结构
基因组学转向基因功能的研究[8]。利用图位克隆和
电子克隆等方法已成功分离了多个水稻抗病、抗
虫、抗逆境、抗倒伏、高产、优质等重要农艺性状相
关的基因,对培育水稻新品种,促进农业的可持续
发展意义重大。
我国对水稻的基因工程研究起步较早,转基因
育种工作始于 1989年,杨虹等用原生质体融合技
术将 Bt基因导入水稻“台梗 209”。Pi-b、Pi-ta是已
克隆的抗稻瘟病基因。Pi-b基因是首个在水稻中被
克隆的抗稻瘟病基因,它是 Wang等[9]利用图位策
略克隆出来的,其表达产物含有一个核苷酸结合位
点(nucleotidebindingsite,NBS)和亮氨酸重复序列
(leucine-richrepeat,LRR)。在水稻中克隆到的抗白
叶枯病基因有 Xa-1、Xa-21和 Xa-21D等。经过 10
多年发展已建立起以基因枪法和农杆菌介导法为
主的 10多种遗传转化技术体系,并培育出了一批
对稻瘟病和白叶枯病具有抗性的材料和品系。
除了转基因抗病育种外,科学家们利用现代的
基因工程技术在水稻抗寒、抗旱、耐盐和抗衰老等
领域也进行了深入的研究。向殿军等[23]用农杆菌介
导的转 ICE1基因提高了水稻的耐寒性。利用农杆
菌介导的转基因技术,成功地将通过 RT-PCR克隆
的拟南芥 ICE1基因导入垦鉴稻 10号中。潮霉素抗
性测定结果表明,与未转基因水稻相比,T1代表现
出对潮霉素较高的抗性和孟德尔式的单位点遗传。
抗寒能力检测结果表明,在同等低温胁迫条件下
T1代转基因株系的死亡率明显低于未转基因对
照。脯氨酸含量增幅明显高于未转基因对照。段永
波等[22]人通过转 ipt-bar双价基因对水稻植株抗衰
老特性进行了研究,结果表明,转基因植株对除草
剂草胺磷表现出良好抗性,分蘖数增加,植株矮化,
生育后期叶片叶绿素含量及过氧化物酶活性高于
对照,转基因植株茎叶衰老延缓,植株抗冷性提高,
并稳定遗传至 T4代。
近年来水稻 QTL定位的研究有较大进展,水
稻 QTL定位已涉及到各种重要的农艺性状,数量
性状受控于相对较少的 QTL,大多数表型变异主要
由少数效应较大的主效 QTL控制[16]。徐建龙等[17]利
用图示基因型重叠方法对抗稻曲病数量性状位点
(QTL)进行了初步定位,在第 10和第 12两条染色
体上定位到 2个抗稻曲病 QTL(QFsr10和 QFsr12),
其增强抗性的等位基因均来自亲本 Lemont,加性效
应分别为 3.38级和 3.34级。徐建龙等[18]通过回交
导入后代水稻种质有利基因的鉴定与筛选研究表
明,通过大规模回交导入和回交后代性状的严格鉴
定是发掘种质资源有利基因的有效途径,同时通过
对目标性状的标记定位,鉴定与各种有利基因紧密
连锁的分子标记,结合标记辅助选择,进行同一性
状的不同供体来源的有利基因累加,或不同性状有
利基因的聚合,完全有可能培育出高产、广适性强
的优良品种。
株高和分蘖是水稻的重要农艺性状,直接影响
水稻耐肥水力和成穗能力,从而影响水稻单位面积
的产量。因此,发掘、鉴定和利用新的矮秆和强分蘖
资源已日益为水稻育种界所重视。利用基因沉默技
术,通过图位克隆确定了半矮秆 Sdg和强分蘖 MT2
的候选基因。
国内外在保健型、辅助疗效型及其它特种功能
等类型的功能型水稻品种选育、开发和推广利用方
面也取得了一些进展,针对不同需求培育了富含
β-胡萝卜素、铁蛋白以及低谷蛋白等水稻新品种。
如预防维生素 A缺乏症而培育富含 β-胡萝卜素的
“黄金米”,预防高血压而富含 GABAHaiminori活
性物质的中国糯 167等。
虽然转基因水稻还未进入商品化生产,但只要
在理论、技术和材料上做好充分的准备,转基因水
稻终将进入产业化生产。目前,抗病虫转基因水稻
商业化生产所需要的各种安全评价程序和试验环
节也已经完成。
2.3 转基因油菜
油菜是近年来转基因研究最为活跃的作物之
一,遗传转化研究日趋成熟,用于转化的目的基因
趋于多样化。罗红蓉等[10]研究了基因型,外植体,侵
染菌液的浓度这 3个因素对根癌农杆菌转化油菜
(Brassicanapus)的影响,建立了油菜转化体系。通
过根癌农杆菌 LBA4404介导,将带有过量表达启
动子 35SCaMV的几丁质酶基因导入甘蓝型油菜
双低品系 93-496中。对转基因 T1和 T2代群体进
张文银等:主要转基因作物研究现状及其产业化进展 3
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第5期
(下转第9页)
行了菌核病田间接种抗性鉴定,转基因品系 93-496
比对照受体延缓了发病,且病斑的数目和大小均降
低,从而获得了抗菌核病的育种材料。同时,通过对
转基因油菜受体的类型进行整理,发现油菜的下胚
轴、叶柄、子叶等均是良好的转化外植体。油菜转化
技术涉及到农杆菌介导法、基因枪轰击法、激光微
束穿刺法、显微注射法等等均应用于油菜遗传转
化,各有其优缺点。油菜转基因的外源靶标基因包
括抗除草剂、抗虫、抗病、品质改良和工程油的表达
等等。湖南农业大学将 Bt毒蛋白基因转化甘蓝型
油菜育成抗虫新品系。浙江省农科院利用反义 PEP
基因转化甘蓝型油菜提高了种子含油量。这些转基
因油菜正在进行生产性试验,为产业化做积极准
备。
2.4 转基因玉米
我国转基因玉米在产业化方面滞后于国外,特
别是美国和巴西等国家。虽未进入产业化,但目前
已被批准进行生产性试验。为使我国转基因玉米走
向产业化,科研人员也进行了转基因的多方面研
究。丁群星等[11]利用微玻璃针注射授粉后 10～20h
的玉米子房,将苏云金芽孢杆菌(Bt)杀虫蛋白基因
转入玉米,获得了可育的转基因植株。王国英等[12]
利用基因枪轰击玉米悬浮细胞系、未成熟胚和胚性
愈伤组织,将 Bt基因和 bar基因转入了玉米。张宏
等[13]利用超声波法转化玉米,获得了转基因植株。
张荣等[14]将农杆菌转化玉米的基因型拓宽到常规
自交系综 3、综 31。他们用根癌农杆菌菌株 LAB44
04(Ptok233)转化多种基因型的玉米幼胚。幼胚与
农杆菌共培养 3d后,检测到了 GUS基因的瞬时表
达。利用 GUS基因的瞬时表达对农杆菌转化玉米
的条件进行了优化。共培养后的幼胚经含潮霉素的
培养基筛选培养两个月后,获得了多种基因型的抗
性愈伤组织。P9-10、综 3自交系 R0结实得到后代。
Southern杂交分析证实了潮霉素基因在玉米自交系
P9-10基因组中的整合。张艳贞等[15]用根癌农杆菌
介导法将携带有苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白基因
(Bt)和 PPT乙酰转移酶基因(bar)的质粒 pGBIL04
导入优良玉米自交系 340和 4112经预培养的幼胚
初始愈伤组织,经检测证明外源基因 Bt已稳定整
合到玉米基因组中,平均转化率为 2.35%。Basta抗
性检测 bar基因也同时转移进再生植株中,部分转
化植株已经结实。
转基因高植酸酶玉米,植酸酶可以降解植酸,
释放出无机磷,不仅能提高动物对磷的利用,而且
可以提高对铁、锌的吸收效率。已获得高效表达植
酸酶的转基因玉米,植酸酶活性达 2000IU/kg种
子,完全能够满足饲料生产的需要。与第一代植酸
酶饲料添加剂相比,降低饲料成本 2/3以上。此外,
转基因玉米还有抗旱玉米、高赖氨酸玉米、高蛋白
玉米和高油玉米等。
3 产业化应解决的问题
转基因作物在进行商品化生产之前,必须进行
转基因生物安全性评价,各种安全评价程序和试验
环节必须完成。研发单位在申请安全性评价时提交
该转基因作物详尽的分子生物学资料,并通过国家
指定的具有资质的机构进行食品安全性评价;同时
还要通过中间试验、环境释放、生产性试验等一系
列田间实验,获得生态环境安全性的资料。全过程
一般需要 6～8年。全部项目通过安全委员会综合评
价以后须经农业部批准商品化生产,确保转基因作
物的食品和生态环境安全。
农作物生物技术在解决“三农”问题,实现传统
农业向现代农业的跨越中将发挥重大作用,而且将
成为解决 21世纪食物安全、人民健康、环境保护、
能源短缺等重大社会与经济问题的有效手段。要理
性认识转基因生物安全,应当对“转基因安全性”进
行客观的、全面的、理性的分析,避免进入认识的误
区。使公众对转基因技术有一个科学的认识,让转
基因技术造福于人类。
参考 文献
1 CliveJames.中国生物工程杂志,2008,28(2):1～10.
2 ResearchCenterforRuralEconomy,MOA.TheDevelopmentand
AdoptionofBiotechnologyinCoton:theChalengeAhead(BRIAN
MOIR,SHANGNANSHUI)[M].2001ChinaInternationalCoton
Conference.GuilinChina,2001,16～25.
3 张宝红,丰嵘.棉花的抗虫性与抗虫棉[M].北京:中国农业科技
出版社,2000,216～220,314～345.
4 王武刚,姜永章,杨雪梅,等.中国农业科学,1997,30(1):7～
12.
5 熊格生,唐海明,陈金湘.中国农学通报,2006,22(5):193~196.
6 RajguruSN,StewartJMcD,WilkinTA.Assessmentofresistanceof
4
2008年第5期
cotontransformedwithlectingenestotobaccobudworm(Heliothis
virescens)[C]Proccotonresearchmeetingandsummariesofcoton
researchinprogress,UnivArkAgricExptStaSpecialReport,188,
Oosterhuis(ed),1998,95~98.
7 刘志,郭旺珍,朱协飞,等.农业生物技术学报,2003,11(4):
388~393.
8 刘庆坡,薛庆中.遗传学报,2006,33(8):677.
9 WangZX,YanoM,YamanouchiU,etal.ThePlantJournal,1999,
19(1):55～64.
10 罗红蓉,等.甘蓝型油菜转基因植株的获得及抗菌核病研究.
第十二届国际油菜大会论文集,2007年.
11 丁群星,谢友菊,戴景瑞.中国科学(B辑),1993,3(7):707～
713.
12 王国英,张宏,丁群星,等.生物工程学报,1996,12(1):45～
49.
13 张宏,王国英,谢友菊,等.中国科学(C),1997,27(2):162～
167.
14 张荣,王国英,张晓红,等.农业生物技术学报,2001,9(1):
45～48.
15 张艳贞,王罡,魏松红,等.上海交通大学学报(农业科学版),
2004,22(1):31～36.
16 徐建龙,等.浙江农业学报,2001,13(5):315～321.
17 徐建龙,等.浙江农业学报,2002,14(1):14～19.
18 徐建龙,等.分子植物育种,2005,3(5):619～628.
19 官春云.中国工程科学,2002,(08):34～39.
20 陈光尧,王国槐,等.作物研究,2006,(05):442～445,452.
21 付亚萍,刘文真,胡国成,斯华敏,孙宗修.中国农业科学,
2007,(12):2659～2666.
22 段永波,赵德刚.分子植物育种,2007,(06):751～757.
23 向殿军,张瑜,殷奎德.中国水稻科学,2007,(05):482～486.
24 林良斌,官春云,周小云,何业华,杨志新.作物学报,2002,
(02):175～178.
10 MiIlarAA,WaterhousePM.FunctIntegrGenomics,2005,5:129~
135.
11 ChenX.FEBSLet,2005,579:5923~5931.
12 LlaveC,KasschauKD,RectorMA,etal.PlantCel,2002,14:
1605~16l9.
13 Jones-RhoadesMW,BartelDP,BartelB.AnnuRevPlantBiol,
2006,57:19~53.
14 ReinhartBJ,WeinsteinEG,RhoadesMW,etal.GenesDev,2002,
16:1616~1626.
15 BorsaniO,ZhuJK,VersluesPE,etal.Cel,2005,123:1279~
1291.
16 ChapmanEJ,ProkhnevskyAI,GopinathK,etal.GenesDev,2004,
18:1179~1186.
17 KasschauKD,XieZ,AlenE,etal.DevCel,2003,4:205~217.
18 LuS,SunYH,ShiR,etal.PlantCel,2005,17:2186~2203.
19 QuJ,YeJ,FangR.JVirol,2007,81:6690~6699.
20 NavaroL,DunoyerP,JayF,etal.Science,2006,312:436~439.
21 SunkarR,KapoorA,ZhuJK.PlantCel,2006,18:2051~2065.
22 Jones-RhoadesMW,BartelDP.MolCel,2004,14:787~799.
23 ZhaoB,LiangR,GeL,etal.BiochemBiophysResCommun,2007,
354:585~590.
24 JungHJ,KangH.PlantPhysiolBiochem,2007,45:805~811.
25 LeeBH,HendersonDA,ZhuJK.PlantCel,2005,17:3155~3175.
26 ZimmermannP,Hirsch-HofmannM,HennigL,etal.PlantPhysiol,
2004,136:2621~2632.
27 SunkarR,ChinnusamvV,ZhuJ,etal.TrendsPlantSci,2007,
12:301~309.
28 WangJW,WangLJ,MaoYB,etal.PlantCel,2005,17:2204~
2216.
29 GuoHS,XieQ,FeiJF,etal.Plantcel,2005,17:1376~1386.
(上接第4页)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
徐涛等:植物miRNA抗胁迫机理研究进展 9