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1、转基因技术在棉花育种上的应用,主要内容,抗虫基因工程抗病基因工程抗除草剂基因工程抗逆境基因工程纤维品质改良基因工程,转基因技术,转基因技术在棉花遗传改良中的应用,包括棉花抗病、抗虫、抗除草剂、抗逆以及品质改良等方面。,常规杂交育种技术在提高棉花产量、抗病和纤维品质等方面取得了一些进展,并获得了可观的经济效益,但由于棉花产量与品质之间为遗传负相关,单纯依靠常规育种技术在较短时间内大幅度同步改良棉花纤维品质与产量相当困难。,基因工程的发展为打破这类不良连锁提供了机遇,它可以有目的、有计划地向棉花引入优良性状而无需改变它原有的其它特性,使棉花品种改良具有定向性和预见性,从而实现品质与产量同步改良。,
2、自从1987年Umbeck等人首次报道了利用农杆菌介导法将nptII基因和CAT基因导入陆地棉品种珂字312、310中以来,棉花基因工程研究进展迅速,并取得了一系列重要研究成果。其中以抗虫和抗除草剂为主要目标的转基因棉花已经在生产上大面积推广和应用,并取得了显著的经济效益和社会效益。,1 抗虫基因工程,目前应用于棉花的抗虫基因主要有苏云金芽孢杆菌的内毒素蛋白(Bt基因)、从植物中分离的昆虫蛋白酶抑制剂(PI基因)和植物凝集素基因(lectin)。,1.1 转苏云金芽孢杆菌的内毒素蛋白基因,Bt基因是抗虫棉中研究最多、进展最快、应用最广泛的一类基因,它对鳞翅目昆虫有专一杀伤作用。Bt基因的种类很
3、多,但获得转基因抗虫棉的Bt基因仅有Cry1A(b)、Cry1A(c)、Cry1A等少数几种。,Bt抗虫棉对棉铃虫、红铃虫、玉米螟等害虫有较高的抗性,在减少农药施用、降低生产成本、减轻劳力投入以及增加农民收入等方面都起到显著的作用。转Bt基因抗虫棉的成功研制与大面积推广和应用,促进了高科技生产商品化趋势,降低了棉农和政府的投资风险,取得了显著的生态、社会和经济效益。,1.2蛋白酶抑制剂基因的转化,蛋白酶抑制剂(PI)是自然界最为丰富的蛋白之一,是一种天然的杀虫物质,与Bt基因相比,由于其具有抗虫谱广,安全性高和害虫不易产生抗性等优点而广泛用于抗虫基因工程。目前应用于棉花的PI基因主要是豇豆胰蛋
4、白酶抑制剂(Cp-Ti基因)和慈菇蛋白质酶抑制剂(API基因)。,转蛋白酶抑制剂基因棉花的获得,使棉花的抗虫范围和抗虫能力有了新的扩展。但由于PI基因往往需要大量表达才能产生明显的抗虫效果,因而转PI基因棉还没有在生产中得到推广和应用。,1.3 转双价抗虫基因,Bt杀虫蛋白和PI具有协同增强作用,将二者同时转入棉花中,可成倍提高抗虫效果。,我国转双价抗虫棉棉花的研究已开展多年,并获得双价转基因棉花。试验表明,双价抗虫转基因棉抗虫效果显著,现已开始大面积试种示范。转双价抗虫棉的研制成功,对减少农药施用,保护人类赖以生存的环境,实现农业可持续发展,将产生巨大而深远的影响。,1.4 植物凝集素基因的
5、转化,棉蚜是棉花的另一个主要害虫,随着抗棉铃虫转基因棉花的普遍种植,棉蚜的危害逐渐加重。因此,利用转基因技术获得抗蚜棉花品种已成为棉花抗虫育种的新课题。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;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。菊芋凝集素基因对棉蚜也具有一定的抗性,用菊芋凝集素HTA基因和尾穗苋凝集素ACA基因转化棉花,获得的转化植株对蚜虫有明显抗性。,2 抗除草剂基因工程,棉田杂草种类繁多,给棉花生产
6、造成严重干扰,而由于棉花不含抗除草剂基因,所以把外源抗除草剂基因转入棉花,使棉株对某种除草剂具有抗性,对棉花生产意义重大。棉花中成功应用的抗除草剂基因是:抗草甘膦(glyphosate)基因、抗溴苯腈(bromoxyril)基因和2,4-D单氧化酶基因(tfdA)。,2.1 抗草甘膦基因的转化,草甘膦是目前应用最广泛的一种非选择性广谱除草剂,它特异性地抑制植物和细菌中草莽酸羟基乙烯转移酶(EPSPs)的活性。,2.2 转2,4-D单氧化酶基因,2,4-D是一种激素型除草剂,通过干扰植物细胞分裂的速率达到除草目的。2,4-D是一种非常稳定的化合物,但它能被微生物中的2,4-D单氧化酶(tfdA)
7、所降解。棉花对2,4-D非常敏感,将微生物中分离出的tfdA基因转入棉花后,可大大提高棉花对2,4-D的抗性。,2.3 转溴苯腈水解酶基因,溴苯腈是除草剂Buctril的活性成分,通过抑制植物的光合作用中的电子传递发挥除草效能。抗溴苯腈的转基因棉是第一个在美国大面积种植的转基因作物。,抗除草剂棉花的选育成功并在生产上大面积应用,给棉花生产带来一场新的变革,育成一系列转抗除草剂基因棉花新品种,并在生产上大面积应用,可取得良好的生态和经济效益。,3 抗病基因工程,棉花病害严重,尤其是黄萎病和枯萎病两土传真菌性病害,根治非常困难,是棉花生产的要障碍。目前,应用在棉花抗病基因工程中的因主要有几丁质酶(
8、Chi)、-1,3-葡聚糖酶(Glu)葡萄糖氧化酶(GO)等外源抗病基因。,3.1几丁质酶基因和-1,3-葡聚糖酶基因,几丁质酶(Chi)和-1,3-葡聚糖酶(Glu)是植物防御体系中的两种防卫因子,两者之间存在协同增效作用。为了提高棉花的抗枯黄萎病的能力,刘桂珍等和程红梅等先后将构建的Chi和Glu嵌合双价基因导入棉花,已选出对枯黄萎病抗性提高的转基因棉花株系。吴家和等将维管束特异启动子启动的Chi和CaMV 35S启动的Glu嵌合基因导入陆地棉品种,获得3个高抗黄萎病的转基因纯合系。,3.2 葡萄糖氧化酶基因的应用,葡萄糖氧化酶(GO)用于防治土传性病害的主要机制是通过该酶催化-D-葡萄糖
9、氧化成葡萄糖酸和过氧化氢。生成的过氧化氢可直接诱发植物的抗病反应或作为抗菌剂。,刘慧君等将GO基因导入感病品种新陆早7号,获得的转GO基因棉对立枯病和枯萎病等苗期病害,以及炭疽病、黑果病、疫病等铃期病害的抗性有明显提高,并且转GO基因棉株型变矮、果柄变长、单株成铃数多和纤维品质明显提高等农艺性状变化。这表明GO基因是一种具有良好应用前景的广谱性基因,对棉花黄萎病育种有着非常重要的意义。,4 抗逆境基因工程,近年来,国内外围绕棉花抗盐性、抗早衰等方面开展了一些研究,并取得了一定进展。研究发现,抗氧化酶如谷胱甘肽还原酶和超氧化物歧化酶的活性与逆境胁迫关系密切。,虽然棉花抗逆基因工程获得了一些进展,
10、然而由于缺乏高抗的陆地棉种质,再加上受诸多外界因素的影响,其进展比较缓慢,还不能满足生产的需求。,5 纤维品质改良基因工程,5.1 增加纤维强度和长度在棉花纤维中表达Endoxyoglucan转移酶、过氧化氢酶和过氧化物酶基因,可以提高棉花纤维初生壁的交联度和棉花纤维的强度,同时也可提高纤维的长度和整齐度,并且转基因棉花纤维品质明显优于对照。,动物毛发由角蛋白组成,利用转基因技术将动物角质蛋白基因导入棉花,是培育优良纤维棉花品种的一种快速高效的方法。此外还有蚕丝芯蛋白、兔角蛋白和蛛丝蛋白等基因棉，这些不仅为棉花纤维品质的基因工程改良奠定了理论基础，还为棉花纤维品质育种提供新的材料,具有重要的理
11、论和实践意义。,5.2 增强纤维的保暖性,聚-羟基丁酸(PHAs)是一种脂肪族热塑聚酯,具有热塑性好、可被微生物完全降解的特性,被认为是最好的无污染性塑料原料。,John将纤维特异启动子E6驱动的phaB基因和phaC基因导入陆地中,phaB3和haC基因在棉花纤维中特异表达, 改善了棉花纤维的保暖性能。热学性质分析表明,转基因纤维的吸收热率比对照纤维高11.6%,导电性比对照低6.7%,隔热性也因PHB基因的存在而明显提高。研究显示转PHB基因棉纤维在制作地毯和冬衣方面潜力很大,同时展示了利用转基因技术改良棉纤维品质的良好前景。,5.3 改变纤维颜色的重组棉花,转基因彩色棉的出现可以免去漂白
12、、染色过程,既对人体健康有利,也减轻了纺织过程的环境污染,并不同程度地满足了人们对彩色棉的需求。有色纤维性状受不完全显性单基因的控制,目前还没有克隆出棉花自身调控颜色的基因,棉花纤维颜色的改良主要依赖棉花以外的外源基因。,Calgene公司将番茄胚珠特异表达启动子pZ调控的合成黑色素melanin基因导入到棉花中,获得了产生深褐色或黑色纤维的转基因棉花。McBride等将纤维特异启动子调控的抗生链霉素菌TyrA和ORF438基因导入棉花基因组中,获得了色泽深度不同的棉花纤维。同样,他们将来源于大肠杆菌的Tna和来源于红球菌的Pig基因导入棉花中,获得了浅蓝色棉纤维。,尽管转基因棉花育种已取得很
13、大的成就, 仍存在着一些问题。主要表现在:1)周期长。2)转化效率低。3)缺乏有重要应用价值的目的基因4)抗黄萎病育种进展缓。5)转基棉的安全性。,总 结,目前,科学工作者正在努力开发各种切实可行的安全性转基因途径,主要内容包括不使用标记基因的转基因体系、标记基因的敲除、外源目的基因的组织特异性表达和诱导性表达、转基因漂移的防止等。此外,也应重视棉花抗逆(如抗寒、抗旱、抗盐等)基因工程的研究。,讨 论：1.转基因棉花的未来的研究应注重哪几个方面？2.转基因作物的利与弊？,1.未来的研究应着重在以下几个方面： （1）完善棉花的转化体系,提高转化效率。 （2）努力拓宽目的基因范围,全方位对棉花进行改良。 （3）重点开展抗黄萎病棉花新品种的培育工作。 （4）制定合理的育种策略。,谢谢大家,
