生物技术与农业

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1、7 生物技术与农业生物技术与农业 学习目的学习目的： 了解现代生物技术在农业生产中的广泛运用。 认识生物技术在培育高产、 抗病、抗逆植物新品系以及在培育优良生产性能动物新品系、动物快速繁殖、生物反应器等 领域的应用。 农业是世界上规模最大和最重要的产业， 在发达国家如美国， 其农业总产值占国民生产 总值的 20以上，而发达的农业经济在很大程度上依赖于科学技术的进步以达到高产和高 效的目的。现代生物技术越来越多地运用于农业中，在世界的许多地方，农业是调节生产和 最终平衡消费的主要手段。现代生物技术，特别是基因工程正在引起一场革命，它将使动植 物的种类不断地增加。现代农业生物技术将使人们在减少成本

2、的情况下获得更高质量的产 品。 人类对农业的依赖以及世界人口的持续增长，要求农业必须不断保持高效增长；但农 业又是一个政策敏感性的行业，受许多贸易保护制度的影响。在许多欧洲国家和美国，农业 是一种高效的产业并能保持产量的持续增长。 相反， 由于多种原因如缺乏好的农业生产经验， 不适宜的气候条件， 或政治不稳定等， 还有许多国家非常贫困并缺乏运用新生物技术的能力。 这些国家在食品生产方面也仍然不能自给自足。要解决当前世界所面临的粮食、人口、污染 等重大问题，发展以新兴现代生物技术为基础的农业是一条必由之路。 71 生物技术与种植业生物技术与种植业 植物通过光合作用所形成的产物是人类及其他生物直接

3、或间接的食物来源， 植物所创造 的产品及用途与人密不可分。长期以来人们不断地寻求提高重要作物的质量和产量的方法， 传统的育种过程是一个缓慢而艰辛的过程，但它取得了重大的成功。现在高质量的水稻、玉 米、小麦、土豆等就是从它们早先的种演变而来的。传统的育种方式，包括生殖杂交，将继 续作为提高谷物农学性状的主要方式，但一些新技术如组织培养、单倍体育种、细胞质融合 和基因工程等现代生物技术方法将发挥越来越重要的作用。 711 植物雄性不育及杂种优势利用植物雄性不育及杂种优势利用 植物雄性不育是自然界的普遍现象，早在 1763 年德国学者 Kuehter 就观察到植物雄性 不育的现象， 1890 年达尔

4、文对植物雄性不育现象作了报道， 以后 kaose(1904)、 Bellson(1908)， Rozi(1931，1933)、Owen(1940)、SteMs(1954)、木原均(1951)、袁隆乎(1964)等分别在欧洲 夏季薄荷、甜菜、烟草、玉米、高梁、小麦、水稻等作物发现雄性不育并开展系统研究。 Kaul(1988)在“高等植物雄性不育”专著中，概括了在植物 43 个科 162 个属 617 个种中发 现了雄性不育现象，并进行了研究。其中单子叶植物禾本科、双子叶植物茄科、豆科和十字 花科中的雄性不育现象最引起人们的重视， 因为这些植物具有重要的经济价值。 对于自花授 粉的植物利用雄性不育

5、可以培育不育系， 利用不育系生产杂交种子， 为农作物增加产量和改 善品质提供优良种源。 植物雄性不育从基因控制水平可分为细胞质雄性不育(cytoplasmicmalesterili- tY，CMS) 和核雄性不育(genomicmalesterility，GMS)。细胞质雄性不育性状既有核基因控制又有核外 细胞质基因控制， 表现为核质相互作用的遗传现象。 植物细胞质雄性不育是研究植物的线粒 体遗传、叶绿体遗传和核遗传的极好材料，可以结合性状遗传、细胞遗传、分子遗传进行研 究。因此，植物细胞质雄性不育的研究，成为近年来植物遗传学研究十分活跃的领域。 在农业生产中以此理论为基础， 建立了三系育种体

6、系： 在这个体系中包括不育系 其雄蕊中的花药是不育的，无法实现传粉受精作用，而其雌蕊是可育的；保持系其作 用是给不育系授粉，杂交后代仍然保持雄性不育性状；恢复系该品系含恢复基因，给不育系授粉后其后代是可育的，并且能够形成杂种优势，从而提高农作物产量与品质。三系 中不育系的寻找和培育是关键。20 世纪 70 年代中期，我国首先在水稻中发现野败型雄性不 育系，并实现了三系配套，大面积用于农业生产从而大大提高了粮食产量，也使我国杂交水 稻的研究和运用处于世界领先水平。随后在小麦、棉花、油菜、萝卜、马铃薯等经济作物的 生产中也相继发现了不育系并得到了广泛的运用。 植物核雄性不育性状是由细胞核内基因所控

7、制的， 目前的研究认为多数是由核内一对等 位基因调控。有的核雄性不育基因往往受到外界光照或温度等因素的影响。1973 年我国首 次发现具有光周期敏感不育的水稻品系农垦 58S，并正式命名为光敏感核不育水稻 (photoperiodsensitivegenomicmalesterilerice，PGMR)。该不育系的不育性状受到光照时间长 短的控制，在夏季长日照条件下，它表现雄性不育性，可作为制种用的母本；而在秋季，日 照时间缩短，育性恢复正常，并可自交结籽用于保种，起到保持系的作用；再配上恢复系， 这就是目前杂交水稻生产运用中的二系法。 由于它省去三系杂交体系中的保持系， 大大降低 了制种成本

8、。并且其恢复系容易获得，从而也就容易获得优势组合，可避免不育细胞的负效 应和细胞质单一化的潜在威胁，因而受到农业生产及育种界的重视。 随着雄性不育研究的不断深入， 研究技术也不断改进， 产生可遗传的不育性状的技术方 法很多，主要有：基因工程技术、远缘杂交核置换、辐射诱变、体细胞诱变、组织培养、原 生质体融合和体细胞杂交等。远缘杂交核置换仍然是目前培育植物 雄性不育的主要方法，如 1972 年育成的红莲型不育系就是利用海南红芒野生稻与莲塘早远 缘杂交育成的。 中国水稻所利用巴斯马提品种进行胚根组织培养， 然后将愈伤组织进行辐射， 从而选育出巴斯马提雄性不育系。 19841988 年间凌定厚以 I

9、R24、 IR36、 IR54 等 9 个品种， 通过种子、 幼穗离体培养， 筛选到不育突变体 48 个。 匈牙利国家自然科学院 Menczel 等(1982) 以链霉素抗性基因作标记在烟草品种间进行原生质体融合， 实现了细胞质雄性不育基因的转 移。 目前利用植物基因工程的原理和方法， 已人工创造了一批不育系， 并在生产上得以运用， 同时获得了可喜的成果。 其中最典型的例子是在油菜和烟草上的应用。 人们从一种芽孢杆菌 中分离出一种 RNA 酶(bamase)基因，该基因编码的酶可降解高等植物细胞内的 RNA，从而 阻止蛋白质的生物合成，破坏细胞的生理功能。同时也分离得到一种 bastar 基因

10、，其表达产 物能抑制 bamase 酶的活性从而能保护植物细胞内的 RNA 免受降解。TA29 启动子是一个只 在花粉发育过程中， 在花粉绒粘层中特定打开的启动子， 而在植物其他组织和其他发育时期 处于关闭状态。将 TA29 启动子与 bamase 基因连接构建成的重组子，通过 Ti 质粒和根癌农 杆菌的方法转入油菜和烟草形成转基因植株。该植株在花粉发育过程中绒粘层时期，TA29 启动子打开，barnase 基因表达，其产物降解花粉中的 RNA，从而阻断了花粉正常的发育而 造成败育。用 TA29 启动子和 bastar 基因构成的重组子，转化植株中 bastar 基因的产物可遏 制 bamas

11、e 酶的活性，从而起到了恢复系的作用，形成二系配套。 基因工程方法人工创造雄性不育植株的另一个重要方法是反义技术(见 94 12)。 在植物体生殖生长阶段花粉的正常发育同多种因素相关，其中包括一些必不可少的蛋白质。 而其基础是建立在编码这些蛋白质的基因能正常表达。 例如微管蛋白， 如果其表达受到抑制， 微管及细胞骨架就形成不了，就会导致细胞无法行使正常功能，从而导致败育。目前我们可 根据编码的正常蛋白质的基因序列，设计与之相对应的能转录出反义 RNA 链的反义 DNA， 转基因后所产生的反义 RNA 链根据碱基互补配对原理就会与 mRNA 链结合成双链， 从而使 正常的 mRNA 无法和核糖体

12、结合，导致蛋白质翻译终止，而最终造成雄性不育。目前国内 外已在拟南芥、玉米、油菜等植物上创造出相应的不育系。 植物雄性不育及杂种优势利用，已成为现代粮食作物和经济作物提高产量、改良品质 的一条重要途径，无论其理论研究或实践应用，都日益受到各国科学界和政府的广泛重视。我国作为一个人口大国， 这方面的工作显得更加重要， 杂交水稻的大面积推广和杂种优势的 理论研究均被列入国家的 863 计划和攀登计划等重大研究计划中， 并已取得令世人瞩目的巨 大成就。 712 植物抗逆性研究植物抗逆性研究 自然界中的植物与环境间有着密不可分的关系。环境提供了植物体生长、发育、繁殖所 必不可少的物质基础如阳光、水分、

13、土壤、空气等；但环境又会给予植物很大的选择压力， 如气候寒冷、土壤或水分含盐量过高、病虫害等。面对这些不利的环境条件，许多种植物消 亡了。但同时也有许多品系发生遗传变异，以适应恶劣条件的影响，表现出一种抗逆性如抗 寒、抗冻、抗盐、抗虫害、抗病毒、抗真菌等。在自然条件下，植物体的这种自发遗传变异 以达到抗逆性的过程，是一个漫长且效率较低的过程；而逆性环境的出现，特别是病虫害的 发生是频繁的，例如水稻的稻瘟病、白叶枯病、棉花的棉铃虫病等都会造成农业上大面积的 减产。这就需要人们利用现代生物技术的方法来培育抗逆性植物。 传统的方法，是在一定逆性环境选择压力下，采用随机筛选或通过诱变、组织培养、原 生

14、质体融合、体细胞杂交等方法定向筛选。这些方法盲目性较大，同时由于植株遗传变异频 率较低导致筛选效率不高； 另一方面由于植物体间的种届界限明显， 在一种植物体上的优良 抗逆性状出现后， 很难顺利地将这种遗传性状转入到其他种的植物体中去。 目前发展起来的 植物基因工程技术，可以有效地解决这些问题。其基本过程见第二章基因工程部分。 这种方法一方面由于它是特定抗性基因的定向转移，因而频率较高，比自发突变高出 102104 倍，从而大大提高选择效率，极大地避免了盲目性；另一方面其基因来源打破了 种属的界限，不仅植物来源的基因可用，动物、细菌、真菌，甚至病毒来源的基因都可以使 用。 因而植物基因工程技术目

15、前已成为一种广泛且有效的培育植株抗逆性的手段。 通过基因 工程技术获得的植物称为转基因植物(transgenic plant)。 下面我们通过一些已成功用于农业生 产的具体例子来说明转基因植物的应用。 7121 抗除草剂作物 草甘膦(glyphosate)是一种广谱除草剂，它具有无毒、易分解，无残留和不污染环境等特 点， 因而得到广泛的应用。 它的靶位是植物叶绿体中的一个重要醅内丙酮莽草酸磷酸合 成酶(5-enolpyruvylshikimate-3-phosphatesynthetase，EPSP)。草甘膦通过抑制 EPSP 活性而阻 断了芳香族氨基酸的合成，最终导致受试植株的死亡。目前已从

16、细菌中分离出一个突变株， 它含有抗草甘膦的 EPSP 合成酶突变基因。把抗草甘膦基因引入植物，可使这种基因工程作 物获得抗草甘膦的能力。此时若用草甘膦除草，则可选择性地除掉杂草，而这种作物因不受 损害而生长。美国科学家已成功地将这种突变了的抗草甘膦的 EPSP 基因引入烟草中，转化 植株获得了抗草甘磷的能力。 膦丝菌素(phosphinothricin，PPT)用作非选择性的除草剂，是植物谷氨酰胺合成酶 (slutamine synthetase，CS)的抑制剂。CS 在氨的同化作用和氨代谢过程中起关键的作用，而 且也是惟一的一种氨解毒酶(detoxifying enzyme)。CS 在植物细胞中的代谢过程中也非常重 要。 抑制CS的酶活性将导致植物体内氨的迅速积累， 并最终引起其死亡。 现已从Streptomyces hyrscopicu(一种链霉菌)中分离得到抗二丙膦 (bialaphos)(含有 PPT 的三肽)的 bar 基因，该基因编码的产物称 PAT，嵌合的 bar 基因