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1、转基因技术在小麦遗传改良中的研究应用进展简述几大转基因法及在抗病虫转基因小麦的应用姓名：张立 学号：S20135416 专业：作物摘要: 概述了自第一株转基因小麦问世以后转基因小麦研究取得的巨大进展，简要地介绍了基因枪、农杆菌介导法和花粉管通道法等基因转化方法。对转基因技术在抗病虫转基因小麦植株方面的应用情况进行了简单介绍，阐述了目前转基因小麦在抗病虫研究应用的进展，展望了转基因小麦前景。关键词：转基因小麦；转基因；遗传；改良；抗病虫 小麦是当今世界上最重要的粮食作物，就世界粮食安全这个方面来说，转基因技术应用于小麦遗传改良具有重要意义。自 1992 年来第一株转基因小麦问世，转基因技术在小麦
2、遗传改良方面取得了长足的发展，多种目的基因已成 1功地导入小麦植株并得到表达。截止目前，由美国研制成功的世界第一例抗草甘磷除草剂转基因小麦已经通过安全性检测试验；抗草胺膦转基因小麦、抗咪唑啉酮转基因小麦、高蛋白转基因小麦、耐镇草宁除草剂和抗虫转基因小麦、抗蚜虫转基因小麦、抗小麦黄花叶病毒转基因小麦，以及抗白粉病、黄矮病和赤霉病的转基因小麦也已经在田间释放 1,2；高分子量谷蛋白亚基转 3基因小麦、转 Trx-S 基因抗穗发芽小麦新品系业已进入中试阶段 4。1 小麦的转基因技术小麦转基因技术即用人工方法将外源基因或 DNA 导入小麦细胞，使之稳定地整合、表达并遗传的综合性技术。小麦转基因技术可根
3、据转化目的基因对通过组织培养再生植株的需要与否分为两大类，第一类需要通过组织培养，常用的方法为农杆菌介导法、基因枪介导法、花粉管通道法等；第二类则是不需要通过组织培养的方法，如 PEG 法、电激法等。在小麦遗传改良中应用最广泛的是第一大类方法。1.1 基因枪法基因枪法别称微粒轰击法，它是利用火药、高压放电或高压气体将吸附了外源 DNA 的钨粉或金粉高速射入受体组织或细胞从而实现遗传转化。该法由美国 Cornell 大学 Sanford 提出，Sanford 等最早研制出火药式基因枪，随后Sanford 等又设计了气动式基因枪。1992 年，Vasil 等以胚性愈伤组织作为外植体，利用该法获得了
4、用 Gus 和 Bar 基因转化的转基因小麦，成为了 5 转基因小麦研究的先例。接下来，该研究组以未成熟胚及其生成的初生愈伤组织作为外植体，极大地缩短了获得转基因植株所花费的时间，同时将基因型扩充到了 3 个。Weeks、Becker 等分别以未成熟胚和幼胚盾片为外植体，通过基因枪法获得了转基因抗除草剂小麦，后者建立了较完整的转化体系 6。Nahra 等用分离的盾片为转化受体，用基因枪法成功将外源基因导入小麦 7。肖兴国等用小麦幼胚与花药愈伤组织为受体 8，利用基因枪法完成了小麦转化实验研究。徐琼芳等以未成熟胚诱导的愈伤组织为材料，通过基因枪法获得 Bar 基因导入扬麦 1589，达到了 0.
5、99%的转化率。基因枪法的转化受体广泛，可以是胚性悬浮细胞 10,11、愈伤组织、未成熟胚等，但以幼胚组织为最好。用“手持式” 基因枪轰击小麦胚顶端分生组织、花序分生组织和营养体顶端分生组织，均可获得外源基因的瞬时表达 12和转基因植株。另外，基因枪法可以实现多基因转化 13。目前，90%多的转基因小麦是通过基因枪法获得的 9。与此同时，基因枪法也存在转化率较低，转化成本较高及嵌合体不易排除等缺点。进一步优化基因枪转化小麦的体系，选择和应用最佳参数是继续提高基因枪法转化频率的重中之重。1.2 农杆菌介导自 1983 年第一株以农杆菌介导的转基因烟草问世后，农杆菌介导法很快的成为了双子叶植物基因
6、转导的主要方法。至 20 世纪 90 年代初，业界一直认为禾谷类作物不在农杆菌的宿主范围之内，利用农杆菌介导转化单子叶植物实现的可能性不大，小麦更是不大可能。Moony 等最早尝试根癌农杆菌对小麦的转化，但是没有转基因植株再生 14。随后，Chen Ming 等用未成熟胚、预培养未成熟胚和胚性愈伤组织材料，建立了农 15杆菌介导的小麦快速转化体系。接着，夏光敏、叶兴国等利用农杆菌介导法获得转基因植株，经分子检测和遗传分析证明外源基因能稳定表达和遗传 16,17，王永勤等对影响小麦农杆菌转化因素作了系统研究，为该方法的进一步应用奠定了基础 18，黄益洪等利用含有基因 Gus 和 Bar 因的 M
7、ini-Ti 对 6 种农杆菌介导小麦转化进行研究，部分植株实现外源基因成功转化 19，叶兴国等利用农杆菌介导法得到导入几丁质酶和 -1,3- 葡萄糖酶双价基因的 20转基因植株。农杆菌介导法操作简易，成本低，能够转移较大的 DNA 片段，其基因插入的低拷贝性，更有利于克服基因失活。农杆菌介导法不用经过原生质体培养再生的过程，不同组织均能作为其转化受体。另外，基因枪法和农杆菌法结合的“Agrolistic”法，碳化硅纤维辅助农杆菌法，超声波辅助农杆菌法，以及农杆菌法与病毒相结合的“ Agroinfection”法等都不同程度提高了农杆菌介导转化率。1.3 花粉管通道法中国学者周光宇 1974
8、年提出了 DNA 片段杂交假说，这是花粉管通道法的理论基础，于 1983 年其建立了花粉管通道法，该技术即利用植物授粉后花粉萌发形成的花粉管将外源 DNA 送入胚囊中尚不具备正常细胞壁的合子。应用该法进行基因转移的工作主要集中在我国。1992 年，周文麟等通过花粉管法将C4 作物的 DNA 导入小麦，获得了具有 C4 作物若干性状的转 “基因”后代 21。随后，曾君祉等应用该法将带有 GUS 基因的 pBI121 质粒导入小山 3 号，获得5 株转基因植株，转化率 4.7%22。阎新甫等将抗白粉病大麦的 DNA 导入花 76，既获得了符合遗传规律稳定抗病的后代，还明确了抗白粉病基因是由一对显性
9、基因控制 23。Ziberstein A 等将质粒 DNA 涂于授粉柱头 24，提高了转化频率，并完成分子鉴定和后代分析。成卓敏等把大麦黄矮病毒 GPV 株系外壳蛋白基因导入小麦品种，获得抗黄矮病毒 GPV 的转基因小麦株系 25。曾君祉等对应用花粉管通道法获得的转基因小麦植株后代遗传表现及转化机理进行了探讨，证明导入外源基因可以在小麦转基因植株后代中连续遗传，其遗传规律同农杆菌、基因枪法等所得结果相似 26，其转化机理相似于原生质体转化。于洪欣等把抗虫基因 CPTI 导入小麦，获得了 5 株转基因植株，发现去柱头滴加法转化效果较好 27；牟红梅等将慈菇蛋白酶抑制剂 API 基因导入小麦，获得
10、 0.29%转化率 28，并对转化后代进行遗传学分析。张茂银等将新疆大赖草 DNA 导入花培 761，获得不同于原受体特性的新个体 29；刘志方等将带有 NPT-、GUS、AFP基因的 pGV 质粒应用花粉管途径转化小麦，得到 T1 和 T 代转基因植株，并指出授粉后形成花粉管通道的 40min4h 内，是滴加外源质粒最佳时期 29。刘学春等将蔟毛麦、中间偃麦草、栽培一粒等 DNA 导入小麦 30，引起了 D2 代性状广泛变异。花粉管通道法免去了组织培养与植株再生过程，减少了基因型影响，不需要昂贵的仪器设备，转化成本较低，操作简易，是转化小麦外源基因的一种简便方法。但花粉管通道法的转化率较低，
11、随机性很强，转化后获得的群体大，后期检测困难。此外，业界对花粉管通道法整合外源基因的机理还不清楚，还需要对后代中出现的碱基甲基化、基因沉默以及拷贝数量对表达水平的影响等问题开展深入的研究。PEG 法、电激法等其它转化方法在小麦遗传改良中也有一定应用 29，但小麦原生质体或单细胞植株再生的困难及基因型强烈制约使得电激法、PEG法等转化方法应用受到很大的限制。2 抗病虫转基因小麦研究1994 年，阎新甫等获得来源于大麦 DHA 抗白粉病转基因的小麦后代 23。成卓敏等（1996 ）把人工构建的抗大麦黄矮病毒外壳蛋白基因成功导入小麦，获得世界上第一株抗病毒转基因小麦 25。其后，孙震晓等将大麦黄矮病
12、毒外壳蛋白基因导入济南 177 31。梁辉、徐琼芳等把雪花莲凝集素 GNA 导入小麦品种，成功获得抗蚜虫转基因植株 9,32。倪建福等将高粱 DNA33导入小麦，获得抗条锈病转基因小麦品系。Bliffied 等将大麦几丁质酶基因导入小麦，获得抗禾白粉菌的转基因植株 34。吴茂森等将 BYDV-GPV 株系 3端缺失的复制酶基因导入晋麦 47，获得了抗黄矮病转基因植株 35。于晓红等、董槿等分别将小麦黄花叶病毒外壳蛋白基因和豇豆胰蛋白酶抑制剂基因导入小麦，获得抗病虫转基因植株 36,37。刘生祥等获得了将芦苇草 DNA 导入中的抗黄矮病毒株系 38。侯文胜等将苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白基因导入了
13、扬麦 15839，获得抗虫转基因小麦植株。魏松红等将携带 pti52vp16 基因的 pJZ170 附着微弹导入 3 个小麦品种 40，获得抗白粉病转基因植株。吴丽芳等、郝建国等将水稻几丁质酶基因导入小麦，获得了抗白粉病的转基因植株 41,42。近期，康乐等将黑曲霉中的葡萄糖氧化酶基因导入进扬麦 10 号、鲁麦 22 和鲁麦 23，获得了抗白粉病转基因植株 43。3 转基因小麦的前景小麦是世界上多数居民的主食，随着人口和耕地矛盾的日益突出，粮食安全形势也更加严峻。同时，水资源短缺、土壤和环境污染及病虫草害加剧使创育集高产、抗病虫、水肥高效利用于一体的小麦新品种已是当务之急，转基因技术为利用丰富
14、多样的基因库对小麦进行遗传改良开辟了一条有效途径。随着新的有益基因和切接酶的继续发现、小麦遗传转化技术和转化体系日臻完善，转基因小麦安全评估体系更进一步的科学和客观，及更多国家政府和广大民众对转基因小麦认识的转变。未来，集高产、优质、多抗等特性于一体的小麦新品种将被成功培育并应用于大田作物生产。参考文献1 Anderson O D, Blechl A E. Transgenic wheat-challenges and opportunitiesM.USA: Transgenic Cereals American Association of Cereal Chemists. Paul , M
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16、plant obtained by microprojectile bombardment of regenerable embryogenic callus J. Bio/Technology,1992,10(6):6676746 Becker D, Brettschneider R, Lorz H. Fertile transgenic wheat from micro-projectile bombardment of scutellar tissue J. The Plant Journal,1994,5(2):299307 7 Nehra N S, Chibbar N, Leung K, et al. Self-fertile transformation of wheat mediated b
