转基因技术在玉米育种的作用

   玉米是人类重要食物之一，在过去的几十年里，传统杂交育种为人类粮食生产作出了巨大贡献。但随着人口数量的剧增，传统育种技术已不能满足人类对食物、能源等的需求。转基因技术是现在生物技术的核心技术之一，它因能在较短时间内生产人们所需的生物性状而迅速发展。目前，玉米转基因在抗除草剂、抗虫、抗病、抗盐碱等方面取得一定的成果，这为我国利用转基因技术进行玉米分子育种研究提供参考。

   一、常用转基因技术

   目前，在玉米上应用广泛的转基因方法主要采用农杆菌介导法和基因枪法。指将目的基因插入到经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合，然后通过细胞和组织培养技术，再生出转基因植株的技术。农杆菌是普遍存在于土壤中的一种革兰氏阴性细菌，能在自然条件下趋化性地感染大多数双子叶植物的受伤部位，并可诱导植物产生冠瘿瘤或发状根。农杆菌的细胞中含有一种特殊的质粒，分别为Ti质粒或Ri质粒。当农杆菌侵染植物的伤口时，这种质粒可以把其中的一段包含多个基因的DNA转入植物细胞并插入到植物基因组中，我们称之为“T-DNA”，即转移（Transfer）DNA的缩写。这些基因在植物细胞中表达，就诱导植物产生了冠瘿瘤或发状根。之后，科学家对农杆菌及其所含的Ti质粒或Ri质粒进行改造，去除了T-DNA中的致瘤基因，而将有用的外源基因插入，使其不能对植物产生有害的症状，而仅仅能将人们所希望的基因转入到植物基因组中。近年来在一些单子叶植物，如玉米中也得到了广泛应用，在转化时加入乙酰丁香酮是成功的关键。另外一种是基因枪法。该方法通过一种被称为基因枪的设备，利用火药爆炸或高压气体加速，将包裹了带外源目的基因的高速微弹直接送入完整植物细胞中。外源目的基因会随机地插入到植物基因组中，从而实现转基因操作。

   二、转基因技术在玉米育种上的应用

   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。转基因技术在玉米育种中有广泛生物应用，用于培育转基因抗虫和抗除草剂玉米之外，还能够用于培育提高产量、改善品质、增强抗性等的优良品种。

   1、培育抗除草剂的转基因玉米

   除草剂的食用能够节省劳动力、提高劳动效率、保护土壤结构等，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。20世纪80年代，美国已经培育出抗除草剂转基因玉米。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 年美国孟山都公司将 EPSPS 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，能防止所有的禾本科杂草。

   2、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。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 380万-680万吨。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。 随着基因工程技术的快速发展，利用转基因技术培育抗螟品种（系）已成为控制玉米螟危害的重要手段。自1992年Mnoasnto获得了试验条件下抗玉米螟转基因植株，和1996年美国首次批准抗虫转基因玉米的商业化种植，次年批准了Bt176、Bt11和Mon810这三个转基因抗玉米螟玉米杂交种。据ISAAA统计，目前抗虫的玉米转化事件已经超过200个。美国种植抗虫转基因玉米面积超过100千万公顷。目前抗虫基因家族主要集中在B他蛋白以及其重组蛋白，Bt基因编码Crystal toxins（Cry）和cytolytic toxins（Cyt）毒性蛋白。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。

   3、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，目前研究较少但也有研究发现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。另外有研究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。也有研究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。

   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。刘岩等将大肠杆菌 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。何锶洁等将甜菜碱醛脱氢酶基因转化到玉米中，获得了抗盐性植株。

   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，优质蛋白质、赖氨酸含量较低，维生素E含量低等 ，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。为此国内外科学家在玉米品质改良中做了大量工作。Torrent 等将富含赖氨酸基因转入玉米改良醇溶蛋白；中国农业科学院生物技术研究所采用基因枪技术将玉米γ-生育酚甲基转移酶、大豆γ-生育酚甲基转移酶、大豆尿黑酸植基转移酶转入到玉米中，培育出能够稳定遗传的富维生素E转基因，得到富含维生素E的玉米品种。

   三、我国转基因技术发展情况

   自20世纪80年代以来，我国政府一直把转基因生物技术作为支撑发展、引领未来的战略抉择。从邓小平到习近平，党和国家主要领导人都对发展基因工程和转基因有专门的论述，多年的中央一号文件均对推进转基因生物新品种培育和产业化有明确部署。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。已经从最初的主要针对抗虫和抗除草剂的研究，转向更广阔的研究，比如转基因专项的立项中包括抗逆转基因玉米新品种专项、养分高效利用转基因新品种。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。总体而言，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。