全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 21(2)：166— 172 2001年 5月
Bar基因和转 Bar基因作物的研究进展
段发平，粱承邺，黎垣庆
(中国科学院华南植物研究所 ，广东广州 510650)
摘 要：概述了草丁膦的毒害机理和Bar基因的抗性机理与表达情况。总结了转Bar基因作物的来源、抗性遗传
特点和其对环境安全性评价等方面的研究进展。展望了Bar基因和转Bar基因作物的应用前景。
关键词：Bar基因；转基因作物；草丁瞵
中国分类号：q813．6 文献标识码：A 文章编号：1000—3142(2001)02—0166—07
Research advances of Bar gene and its
transgenic crops
DUAN Fa—ping，LIANG Cheng ye，LI Yuan—qing
(South China Institute 0，Botany，the Chinese Academy of Scle~-es，Guangzhou 510650，China)
Abstract：Poisonous mechanism of glufosinate，resistant mechanism and expression of Bar gene were outlined．
Sources．resistant genetic characters and environment safety evaluation of Bar—transgenic crops were summed up．
Application prospects of Bar gene and its transgenie crops were put forward．
Key w0rds Ba r gene；transgenic crop gtufosiuate
抗广谱除草剂草丁膦(glufosinate)的 Bar基因
(bialaph08 resistance gene)已被克隆与测序 ，通过生物
技术已将该基因导A 20多种作物“ 。德国Aventis公
司(前身为艾格福公司-AgrEvo)拥有 Bar基因和相
应的除草剂草丁膦。该公司已剖制出的商品化抗草丁
瞵作 物 品种有 大 豆、玉米、油菜、甜 菜 、棉 花、水 稻
等。 。中国水稻所 1996年首次研究出了抗除草剂转
基因杂交稻；之后，又成功配制出抗除草剂转基因直
播水稻；1999年 3月它们与浙江钱江生物化学股份
有限公司联合组建了浙江金穗农业基因工程有限公
司，正式拉开了将转基因水稻推向产业化的序幕；现
已开始进行大田释放和试种示范 “ 华南植物研究
所已获得 3个生产上广泛应用的同型抗性恢复系 ，即
将进行水稻超纯杂种技术试验示范；同时在进行的有
30多个同型优良恢复系的转育 。目前，本所正拟与
美国严氏抗除草剂和杂种优势公司、湖北天发集团公
司、浙江农科院作物所、四川彭山冒泉科农股份有限
公司联合成立中国抗除草剂杂种优势利用高科技股
份有限公司。转Bar基因作物的获得，不仅可以提高
对施用作物的安全性 ，而且可以扩大其应用范围。Bar
基因的研究及其转 Bar基因作物的选育和应用越来
越受到人们的普遍重视。
1 Bar基 因和转 Bar基 因作物 的研
究现状
1．I草丁膦的毒害机理和 Bar基因的抗性机理
1_1．1 革丁膦的毒害机理 草丁膦属有机磷类除草
收葛日期 ：2000—03—27
作者茼介：段发平(1968一)，男，在读博士生 ，讲师，从事作物遗传育种研究工作。
基盒项目：国家自然科学基垒资助项目(39780034)
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2期 段发平等：Bar基因和转 Bar基因作物的研究进展 167
剂，是非选择性、广谱除草剂 Liberty(商业用名还有
Basra、Ignite、ChalLange及Finale等)的活性成份 在
一 些文献中常被称为Ph∞phin0thricin(PPT，膦丝菌
素)。Basta于 1984年首次在德国被 注册，目前已在
50多个国家被登记注册。Basta包含草丁膦的 2种同
分异构体，但其中 草丁膦并不具有除草剂活性。L一
草丁膦强烈抑制细菌和植物的氨基酸生物合成酶一
谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)“ 。双丙
氨瞵(h~aLaphos)是由链霉素属(Streptmmyces)的一些
小种产生的草丁膦的三肽前体，它由来自于这些小种
中的2个L一丙氨酸残基并与PPT相连组成。完整的
三肽不具离体抑制活性。通过植物体中的肽酶除去2
个 L一丙氨酸残基后，在细胞内释放出的PPT才有活
性。 。
GS在生物界中广泛存在，目前已从细菌、真菌、
植物和动物中分离获得。GS在植物氨同化及氨代谢
调节中起重要作用，它是植物中唯一的解毒酶，以解
除由硝酸还原作用、氨基酸降解及光呼吸中释放的氨
的毒性 草丁膦通过植物的叶片或其它绿色部分快速
吸收，它抑制 GS活性，导致细胞内氨的含量迅速积
累。而氨的积累直接抑制光系统 I和光系统 l反应，
减少跨膜pH梯度，使光合磷酸化解偶联，随之叶绿
体结构解体，最后整个植物体死亡 。
1．1．2 Bar基 因的抗性机理 (1)产生过量的靶标
酶或靶标蛋白质，降低除草剂毒性。GS有多种形式的
同工酶，只有细胞质形式 GS和PPT抗性有关。在紫
苜蓿(Medicago 5ativa L_)一细胞系中发现其 GS活
性提高了10倍；将该苜蓿细胞质 GS的DNA克隆并
导人烟草，烟草转基因植株对除草剂 PPT具有一定
抗性，但抗性较低，这也许由于存在多个 GS核基因
的缘故 。(2)产生能修饰除草剂的酶或酶系统，在除
草剂发生作用前将其降解或解毒 Glufosinate(或
bm~phos)抗性 Bar基因，克隆来 自土壤吸水链霉菌
(＆reptomyces hygroscopicus)。它编码膦丝菌素乙酰转
移酶 (phosphimhriein acetyltransferase，PAT)，PAT
使PPT的自由氨基乙酰化从而对 PPT解毒，使之不
能抑制GS的活性。含有该基因的植物具有对Libenv
的抗性“。
1．2基因工程创造的转 Bar基因作物品种
通过农杆菌介导法、基因枪法和电击法等基因转
移技术将除草剂抗性基因导人作物，便有可能获得抗
除草剂的作物品种，目前，对除草剂草丁膦的抗性
Bar基因，已导入水稻、玉米、小麦 大麦、烟草、马铃
薯、番茄、高粱、燕麦、甘蔗、番术瓜、菜豆、豌豆、棉花、
荞麦等作物(表 1)“ “ 。
1．3转Bar基因作物的抗性遗传特点
国内外研究者发现转 Bar基因作物的抗性遗传
特点一般为单个显性基因，转 Bar基因水稻。 ““ 、小
麦 ”、烟草 ”、高粱 等的抗性遗传属盂德尔遗传模
式 但也有研究表明Bar基因的遗传有的不符台3：
1的分离比 ““ ”。表明 Bar基因整台的拷贝数和整
合位置的多样性。
1．4 Bar基因的表达研究
1 4．1 Bar基因的沉默问题 随着植物基因工程研
究的发展，人们在得到了大量目的基因的遗传工程植
株的同时．也观察到外源基因的沉默是一个较为普遍
的现象。DNA甲基化、重复序列、反式失活和共抑制
均可导致基因沉默。Kumpatla等“”在转 Bat基因玉
米植株 自交后代中分离出了一些除草剂敏感株系，
．Southern blot检测发现 Bar基因的结构仍然是完整
的。但其启动子区甲基化程度要比抗性植株高。在转
Bar基因水稻中也观察到类似的现象“”。此外，有研
究表明，转基因水稻中，hpt(抗潮霉素)基因与 gus报
告基因共转化显著提高了gus基因的表达水平；华志
华等“ 据此认为共转化基因的相互作用可能对转基
因发生基因沉默也存在影响。
1．4．2 Bar基因对农艺性状的影响 遗传背景对转
Bar基因的表达有一定的影响“ 。转基因品种与原品
种相比，少数品系接近或达到原品种的产量水平，个
别品系甚至比原品种增产，但大部分品系与原品种相
比都有不同程度减产 。黎垣庆等。 指出，Bar基因
嵌入那条染色体，以及插入那条染色体那个区段叉是
随机发生。因而引起的效应不同，它的产量水平以及
对抗性的表达水平也不同。因此要注意选择那些对产
量性状或主要农艺性状没有或很少负效应而又能充
分表达抗除草剂特性舶工程株作为转育的供体。
1．5转 Bar基因作物对生态环境与食物安全性评价
编码 PAT蛋白的DNA本身对消费者并不会增
加危险性。PAT是一种新酶，在人体内无内源的这种
酶 PAT在植物中高表达时可达总可溶性蛋白的
0．1％。用模拟的胃及小肠液已研究了蛋白水解酶对
PAT的降解-发现几分钟内PAT即被降解，大或稳
定的肽段已不再存在，因此用实验动物进行急性毒
性试验并不能提供更多的安全性数据。PAT与已知
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Or~za sativa L
玉米
Z∞ w w L_
小麦
Tt4tlcum 4 ，‘肼 L．
大麦
册 m wdgareL
烟草
Nicotia瑚 tabacu~a L．
马转薯
Solam~m 删 m L．
番茄 ￡ 。pm 御t
~cudtntum M il1．
原生质体 protoplasts
悬浮培养细胞
suspension culture cells
原生质体 protoplasts
原生质体 p~otoplasts
幼胚 immature embryos
幼胚 immature embryos
幼苗分生组织
shoot meristem
悬浮细胞 幼 肛
suspension culture cels，
immature embryos
原生质体 protoplasts
成熟胚盾片组织
lnatufe embryos
胚性愈伤组织
emhryogenic eali
Ubi 1
Act1
uidA
uidA
uidA
CerovinB
Ubi l
N【FAD3
胚性悬浮细胞 uidA
： 器
胚性悬浮细胞 apt1
：
悬浮培养细胞
suspe nsion culture cells
原生质体 protoplasts
幼胚盾片
scutellar tissue of
immsture embryos
幼胚 immatHre embryos
幼胚 immature embryc~
幼胚
immature embryos
悬浮培养细胞
suspension cuhure cels
幼肛 immature embryos
小 孢子 mJeYospores
幼胚 immature embryos
叶 片 leaf
叶 片 leaf
叶 片 leaf
叶 片 lear
gor
Luc
uidA
TA29一bn
uidA
uidA
uidA
W trxh
protop／asts c0 transfected
电穿孔法 electroporation
微粒子发射技术
microprojectile bombardment
原生质体共培养转化法
protoplasts cD—tFaDsfected
原生质体共培养转化法
protoplasts cc~transfected
电穿孔法 electroporation
粒子轰击法 particle bombardmeat
农杆菌介导法
transformed using Agrobactrlum
粒子轰击法
particle bombardmeat
屯穿孔法eleetroporation
粒子轰击法
particle b0mbardment
粒子轰击法
particle bombardment
微粒子发射技术
microprojeetile bombardment
Tok1，et at．(1 992)
Cao．et al 11 992)
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Bhattaeharijee． al
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W akita， at．(1 998)
Xu． (1g99)
Spencer．eg (1992
粒子轰击法 Register，“a／(1994)
particle bo mba rdment
粒子轰击法
particle bomhardment
原生质体共培养转化法
protoplasts c0一transfected
粒子轰击法
particle bornbardment
粒子轰击法 particle bomb~rdmem
粒子轰击法 particle bombardment
微粒子发射技术
mieroprojectile bombardment
生物发射技术
hiolistic particle bombardment
粒子轰击法particle b。mbardment
高速微粒子发射技术
high velocity mieroprojeetiles
粒子轰击法 particle bombardment
Ir盘转化法
leaf dish tr sfo mati0n
微粒子发射技术
microprojectile bornhardment
叶盘转化法
leaf dish transformation
Palmer． a1．(1999)
yang，“ a／ (1 993)
Becket， ．(1994)
K~rHnaratne，eg a1．
(1996)
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Y∞ ，et a1．(19g7)
Padegimas．eg at，
(1 994)
Padegima s，“ a／
(1994)
农杆菌介导法 Ki~pps， at．(1994)
transformed using Agroba~terium
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2期 段发平等：Bar基因和转 Bar基因作物的研究进展 1 69
“hph一潮霉索磷酸转移酶基因(hyg~omycin phosphotransfera~gene)；u 1玉米泛索基因(ublquitin Kene~Actl一肌动蛋白基因(acdn 1 gene)lui—
dA一葡萄糖苷酸醇基因(glucuronidase gene)；CeroplnPr抗苗肚 B基因*NtFAD3一烟草脂肪酸脱氢醇基因(faty acid desaturase genefromtobacco)；
crylA(b)一苏云盒杆菌(B．t)杀虫晶体蛋白基因( c tharingiensis insecticidal crystal proteins gene)|npt l一新醇索磷醴转移酶基因(neomycin
phosphot㈣ [eTa gene)罐or一各腱甘赋还睬酶基因(glutatkion Tducta弛gene)；1 -萤光素酶基因(Iu 盯掀 gene)；cp一外壳蛋白基因(c。 protein
gene)~TA29 一雄性不育基因(TA29一barnase geae)~Wtrx h-小麦硫氧还蛋白H基因(wheatthioreloxin h gene)。
的120多种人体过敏蛋白无同源性。该蛋白在植物中
是否糖基化尚不清楚 ”
FDA 已经证实 Liberty Link谷物用于动物饲料
和人类消费没有安全性的问题。日本已同意进口A
grEvo公司的 Liberty Link玉米用于人类和动物消
费。此外，Liberty除草剂在土壤中易被土壤微生物快
速分解，残留期短，半衰期只有2～3 d。其活性成份不
能或极少由根从土壤中吸收，在植物术质部与韧皮部
移动也是很有限的，并依物种不同而有差异。它是在
美国环保局食品质量保护法实行后注册的第一种新
产品。Liberty的活性成份 PPT虽然抑制细菌、植物
及哺乳动物中的GS，但因它不能通过血脑屏障，并在
肾中很快被清除，因此对哺乳动物无毒性。IAberty在
注册以前进行了严格的测定，确保遗传工程种子对人
类和动物消费安全，其营养与非转基因同类具有等同
性 。
2 Bar基因在作物遗传育种上的应
用和展望
2．1 Bar基因可作为遗传标记基因
以往基因转化中一般采用抗生素作为筛选标记
系统。由于转化细胞对抗生素的解毒作用导致的交叉
保护，高频率的未转化植株和嵌台体也通过了抗生素
筛选。Bar基因是常用的选择标记基因之一，将它与
其它目的基因构建到同一载体上，选择培养基中加入
一 定量的除草剂就能筛选到含目的基因的转化细胞。
它克服了抗生素筛选的局限性，细胞产生的假转化体
很少。Xu Deplng等 。将转化后的水稻愈伤组织，放
在加有 6 mg／LPPT的选择培养基上选择培养 6周，
验证了60多株再生植株中无一假阳性出现
2．2转 Bar基 因作物解决直播 (或抛秧)田的草荒问
题
Bar基因除作为选择标记外，还能给作物带来抗
除草剂的特性。使用与抗除草剂基因相配的除草剂，
能有效除去杂草，大大减少劳动力，且能解决直播(或
抛秧)田的草荒问题。于志华等 采用基因枪法获得
了抗性转 Bar基因早稻植株，有望解决早直播稻的田
间杂草问题。1996年在美国进行抗除草剂Liberty转
基因水稻田问鉴定试验，转基因水稻充分表达抗除草
剂的特性，能经济有效地控制包括红稻在内的一切田
问杂草“
2．3 Bar基因有望解决作物杂交种子的纯度
严文贵 1 996年首次产生了将抗除草剂性状应用
于作物杂种优势利用中的设想，并申请了专利“WG．
Y一98” 。肖国樱(1997)也提出利用抗除草剂基因解
决两系杂交稻在制种过程出现的纯度问题“ 。黄大
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170 广 西 植 物 21卷
年(1998)也提出了类似的设想 ”。将转Bar基因恢复
系与不育系组配杂交组合，秧苗喷草丁膦药剂可有效
清除伪杂种，从而保证大田生产纯度“ ” 。
2．4简化作物杂交种子纯度鉴定方法
以往异地种植花费时问过长，遗传分析(如酯酶
法)耗赘太多。而采用抗除草剂恢复系生产的杂交种
子，只需一个简单发芽试验，在苗期喷药，花费仅几元
钱就能区别出真假杂种．有效地防止假冒伪劣种子坑
农害农。
2．S有利于选配强优势杂交组合
主要是因为该项技术的应用可放松不育系育性
的要求，将育种精力集中在农艺性状的改良上，可以
重新启用曾经被掘弃的一些配合力好但育性有欠缺
的不育系，利于杂交组合的自由选配和提高杂交水稻
的产量；同时可防止生产上的遗传脆弱性和流行病的
发生。
2．6开拓了作物杂种优势的利用途径
目前，作物杂种优势的利用途径基本上是采用不
育系与恢复系配制优良杂交组合用于农业生产。但有
些母本不育系往往含有微效恢复基因(如水稻不育系
I一32A，龙特甫A等)或不育性状不够稳定(如农垦
58S等)，用它们配制的杂交种子中常常混有一定量
的母本自交种子，这对作物产量有一定的负效应。况
且，有些作物(如大麦、燕麦等)至今未能找到不育系，
难以在生产中大面积利用其杂种优势。若采用以下措
施有望解决上述问题。(1)在转 Bar作物恢复系组配
的杂交种子上涂上草丁瞵作为种衣剂或在其苗期喷
施该除草剂，可以保证杂种纯度 i00 。(2)对常规品
种实施化学杀雄，再与转 Bar基因恢复系杂交，有望
获得大量真杂交种。此外，以往用于优势预测的材料
也多为不育系配制的杂交种，而化杀可研究正常品种
之间的杂种优势情况，拓宽了优势预测的选材范
围 ”。
当然，在发展抗除草剂基因工程的同时，必须密
切注意抗性农作物与杂草可能发生自然杂交的问题，
抗性农作物的生长势、品质和产量问题，抗性作物本
身成为后茬作物的田问杂草的问题，抗性基因功能持
续多九和转基因作物中的病毒基因重组问题，除草剂
和抗性作物的费用以及环境对选用除草剂可接受的
程度等有关农业生态平衡的问题
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