轉(zhuǎn)基因小麥的研究進(jìn)展

1、轉(zhuǎn)基因小麥的研究進(jìn)展摘要:本文主要介紹了什么是轉(zhuǎn)基因,轉(zhuǎn)基因小麥的研究現(xiàn)狀,及轉(zhuǎn)基因小麥的轉(zhuǎn)化方法并通過對轉(zhuǎn)基因小麥的研究中存在的問題進(jìn)行總結(jié),并展望今后的研究重點(diǎn)與發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)基因小麥研究現(xiàn)狀轉(zhuǎn)化方法發(fā)展趨勢1.轉(zhuǎn)基因概述1.1什么是轉(zhuǎn)基因轉(zhuǎn)基因是大自然中每天都在發(fā)生的事情,例如,植物的花粉(含有雄配子通過不同的媒介由一個植物“跑”到另一種植物,或“跑”到同一種植物的另一個品種花朵里邊的雌蕊(含有雌配子上并與其雜交,這種雜交的過程就產(chǎn)生了基因的轉(zhuǎn)移。只不過在自然界中,基因轉(zhuǎn)移沒有目標(biāo)性,好的和壞的基因都可以一起轉(zhuǎn)移到不同的生物個體上。同時,通過自然雜交進(jìn)行的轉(zhuǎn)基因是嚴(yán)格控制在同一物種

2、內(nèi)( 特別是在動物中,或是親緣關(guān)系很近的植物種類之間。1.2轉(zhuǎn)基因的原理其實(shí),轉(zhuǎn)基因的基本原理也不難了解,它與常規(guī)雜交育種有相似之處。雜交是將整條的基因鏈(染色體轉(zhuǎn)移,而轉(zhuǎn)基因是選取最有用的一小段基因轉(zhuǎn)移。因此,轉(zhuǎn)基因比雜交具有更高的選擇性。也就是說,通過基因工程手段將一種或幾種外源性基因轉(zhuǎn)移至某種生物體(動、植物和微生物,并使其具有效表達(dá)出相應(yīng)的產(chǎn)物(多肽或蛋白質(zhì),這樣的生物體作為食品或以其為原料加工生產(chǎn)的食品。人類為了提高農(nóng)作物的產(chǎn)量,改善它的品質(zhì)和抗逆性,常常采用人工雜交、遠(yuǎn)緣雜交等方法來育種,希望將不同品種甚至是野生近緣種中間的有益基因轉(zhuǎn)移到推廣品種中間去。這種方法仍然不能在親緣關(guān)系較

3、遠(yuǎn)的物種之間轉(zhuǎn)移基因,已轉(zhuǎn)移的基因中仍有大量不需要甚至是有害的基因,并且存在轉(zhuǎn)基因效率較慢等問題。為了解決上述問題,科學(xué)家利用現(xiàn)代生物技術(shù)的方法,將我們所需要的基因進(jìn)行分離,再通過一定的技術(shù)手段轉(zhuǎn)移到我們的目標(biāo)生物品種中去。這個過程就是我們現(xiàn)在常常提到的、嚴(yán)格意義上的轉(zhuǎn)基因,也被叫做遺傳轉(zhuǎn)化。這種完全按照人的意愿,由重新組裝基因到新生物產(chǎn)生的生物科學(xué)技術(shù),被稱為“基因工程”,或者叫作“遺傳工程”。它與自然的和雜交育種轉(zhuǎn)移的基因沒有本質(zhì)上的區(qū)別,只是這種用生物技術(shù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)基因有很強(qiáng)的目的性只轉(zhuǎn)移需要的基因,也被叫做遺傳轉(zhuǎn)化。而將不需要和有害的基因統(tǒng)統(tǒng)拒之門外。同時,現(xiàn)代轉(zhuǎn)基因技術(shù)不受物種的限制,

4、可以跨越不同的種類,甚至屬、綱、門、界。也就是說,可以把動物的相關(guān)基因轉(zhuǎn)移到植物中去,也可以把微生物的基因轉(zhuǎn)移到農(nóng)作物中去。1.3轉(zhuǎn)基因食品為了提高農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)價值,更快、更高效地生產(chǎn)食品,科學(xué)家們應(yīng)用轉(zhuǎn)基因的方法,改變生物的遺傳信息,拼組新基因,使今后的農(nóng)作物具有高營養(yǎng)、耐貯藏、抗病蟲和抗除草劑的能力,不斷生產(chǎn)新的轉(zhuǎn)基因食品。植物性轉(zhuǎn)基因食品很多。例如,面包生產(chǎn)需要高蛋白質(zhì)含量的小麥,而目前的小麥品種含蛋白質(zhì)較低,將高效表達(dá)的蛋白基因轉(zhuǎn)入小麥,將會使做成的面包具有更好的焙烤性能。轉(zhuǎn)基因食品有較多的優(yōu)點(diǎn):可增加作物單位面積產(chǎn)量;可以降低生產(chǎn)成本;通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)可增強(qiáng)作物抗蟲害、抗病毒等的能力;提

5、高農(nóng)產(chǎn)品的耐貯性,延長保鮮期,滿足人民生轉(zhuǎn)活水平日益提高的需求;可使農(nóng)作物開發(fā)的時間大為縮短;可以擺脫季節(jié)、氣候的影響,四季低成本供應(yīng);打破物種界限,不斷培植新物種,生產(chǎn)出有利于人類健康的食品。轉(zhuǎn)基因食品也有缺點(diǎn):所謂的增產(chǎn)是不受環(huán)境影響的情況下得出的,如果遇到雨雪的自然災(zāi)害,也有可能減產(chǎn)更厲害。且多項(xiàng)研究表明,轉(zhuǎn)基因食品對哺乳動物的免疫功能有損害。更有研究表明,試驗(yàn)用倉鼠食用了轉(zhuǎn)基因食品后,到其第三代,就絕種了。2.轉(zhuǎn)基因小麥概述2.1小麥簡介小麥( Triticun aestivum L. 是世界上最重要的糧食作物之一,也是世界上種植面積最大、總產(chǎn)量最多的糧食作物,同時是人類重要的植物蛋白

6、質(zhì)來源(約占谷物蛋白質(zhì)的38.4% 。小麥?zhǔn)侨祟愒耘嗟淖钪匾募Z食作物之一, 主要用于食用。其種植面積和產(chǎn)量約占谷物種植面積的30%。小麥面粉約含70% 80%的淀粉、10% 15%的蛋白質(zhì)、1% 2%的脂類及其它成份,而蛋白質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量在面粉加工特性和氮素營養(yǎng)品質(zhì)方面起著決定作用。在植物學(xué)分類上, 小麥屬于禾本科中的小麥屬。小麥屬中有20多個種,現(xiàn)在世界上種植的小麥品種大多數(shù)都屬于普通小麥, 占小麥總面積的90%以上;硬粒小麥的種植面積約占8%左右; 圓錐小麥、密穗小麥、斯卑爾脫小麥等只有零星種植。由于不同生態(tài)區(qū)的環(huán)境氣象條件以及長期的自然選擇, 不同小麥種間形成明顯差異,特別是小麥的野生近

7、緣植物中具有多種多樣的特異性狀, 這不僅是改良栽培小麥、培育優(yōu)良品種的原始材料, 也是進(jìn)行小麥遺傳多樣性研究的重要素材。國內(nèi)外已經(jīng)從形態(tài)水平、細(xì)胞(染色體 水平、生化水平和DN A 分子水平研究了小麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性。2.2轉(zhuǎn)基因小麥研究自1992 年人類獲得第一株轉(zhuǎn)基因小麥以來, 轉(zhuǎn)基因小麥研究已獲得了許多重大進(jìn)展。目前國內(nèi)外已有近200例小麥轉(zhuǎn)基因的報道, 其中將抗除草劑基因轉(zhuǎn)入小麥的報道約80 例,轉(zhuǎn)抗病蟲基因的報道近50例, 轉(zhuǎn)改良品質(zhì)基因約有30例, 轉(zhuǎn)抗旱、耐鹽基因近20例, 轉(zhuǎn)其他基因的也有不少報道。這些報道中,通過基因槍法轉(zhuǎn)化的近120 例、花粉管通道法轉(zhuǎn)化的50例、農(nóng)桿菌

8、介導(dǎo)法轉(zhuǎn)化的近20 例。從轉(zhuǎn)單基因到進(jìn)行多基因組裝, 從改良生物脅迫和非生物脅迫的抗逆性, 到改良品質(zhì)、高產(chǎn)等生理和農(nóng)藝性狀, 是未來轉(zhuǎn)基因小麥的研究方向。與國外小麥相比, 我國小麥的蛋白質(zhì)總量不低, 但是在加工品質(zhì)上有較大差距, 主要原因是我國小麥貯藏蛋白缺少優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)亞基所以不論是從解決人類溫飽問題還是提高小麥貯藏蛋白中優(yōu)質(zhì)亞基的含量, 都迫切需要小麥品種改良。目前在小麥品質(zhì)改良領(lǐng)域中主要有兩個熱點(diǎn):一是通過特異地改變某些亞基的構(gòu)成與比例,增加小麥中蛋白質(zhì)及必需氨基酸含量來改良其營養(yǎng)品質(zhì),進(jìn)而提高烘烤品質(zhì)。二是調(diào)節(jié)淀粉生物合成途徑,以培育直鏈淀粉含量少甚至沒有蠟質(zhì)的小麥品種,提高其加工品質(zhì)

9、。近幾年來, 基因工程技術(shù)的發(fā)展和完善, 為小麥品種改良提供了一條新的途徑。雖然單子葉植物遺傳轉(zhuǎn)化起步較晚,但也取得了一些可喜的進(jìn)展?，F(xiàn)在水稻、玉米轉(zhuǎn)化體系已基本建成, 然而與水稻、玉米等單子葉植物相比, 小麥遺傳轉(zhuǎn)化研究一相對落后,是主要糧食作物中最晚進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化的。直到1992 年Vasil 等將GUS/ Bar 基因?qū)胄←溒贩NPavon, 并獲得了抗除草劑Bas ta 的再生植株,才宣告世界上首例轉(zhuǎn)基因小麥問世。在國內(nèi),小麥遺傳轉(zhuǎn)化發(fā)展也很迅速, Cheng 等在1997年成功獲得可育的轉(zhuǎn)基因植株, 1999 年Xia 等在中國首次報道獲得了穩(wěn)定胚性組織的轉(zhuǎn)基因小麥植株。實(shí)驗(yàn)的成功,表

10、明小麥育種已經(jīng)從傳統(tǒng)的育種方法過度到了“分子育種”的階段?！胺肿佑N”的廣泛應(yīng)用,將會更加加速小麥的育種進(jìn)程,抗病蟲、抗逆性等優(yōu)質(zhì)小麥品種也將隨之誕生。遺傳轉(zhuǎn)化方法被稱為最佳育種方法,因?yàn)樗稍试S有特點(diǎn)的基因轉(zhuǎn)移到目標(biāo)受體基因型中,同時不改變其遺傳背景然而目前來看不論使用哪一種轉(zhuǎn)化方法,小麥的轉(zhuǎn)化效率都很低。隨著世界生態(tài)環(huán)境的惡化,小麥在生長過程中需要面對各種各樣的脅迫:旱、寒、高溫、鹽等?？茖W(xué)家嘗試著把抗旱、寒、高溫、鹽等植物DNA上具有抗性功能的基因?qū)胄←?諸如:仙人掌抗旱基因,蘆葦草抗鹽基因,長穗冰草DNA,山菠菜甜菜堿醛脫氫酶等。在獲得了轉(zhuǎn)基因小麥植株的同時,發(fā)現(xiàn)植株對水分及鹽脅迫敏

11、感程度降低,小麥的抗逆性也隨之大大增強(qiáng)。同樣的道理,為了提高小麥抗病蟲能力,科學(xué)家還把幾丁質(zhì)酶、抗蚜蟲的雪花蓮凝集素等多種抗病蟲基因?qū)胄←?都得到了預(yù)期的效果。2.3小麥遺傳多樣性研究小麥的遺傳多樣性研究盡管已經(jīng)作了大量的工作,但與水稻、大豆等作物相比還有較大差距,應(yīng)綜合運(yùn)用多種遺傳標(biāo)記手段, 摸清現(xiàn)有種質(zhì)資源的整體遺傳結(jié)構(gòu)特別是深入進(jìn)行特殊種質(zhì)的研究,為核心種質(zhì)的構(gòu)建和資源有效利用提供指導(dǎo)。小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物之一,小麥品種的遺傳改良工作一直受到科學(xué)家的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)常規(guī)育種方法存在著周期長、改良進(jìn)程緩慢等缺點(diǎn), 利用轉(zhuǎn)基因手段將特定的外源基因?qū)胄←溨? 從而定向改良小麥品種,為

12、小麥遺傳育種提供了一條新途徑。隨著生物技術(shù)的發(fā)展,轉(zhuǎn)基因小麥的研究取得了一定進(jìn)展。雖然已建立了各種轉(zhuǎn)化小麥的方法,但目前仍存在一些問題。限制其發(fā)展的一個最主要因素是缺乏便捷、高效和穩(wěn)定的組織培養(yǎng)體系,植株再生頻率低。所以, 建立高效的再生體系已成為小麥遺傳轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在,外植體選擇是其重要環(huán)節(jié)。到目前為止,小麥組織培養(yǎng)成功的外植體包括幼胚、幼穗、花藥、成熟胚、幼葉、子葉中層、種子、懸浮細(xì)胞、子房、莖尖、根尖分生組織和原生質(zhì)體等。其中, 幼胚被認(rèn)為是最理想的外植體材料,愈傷組織誘導(dǎo)率和植株再生率都比較高,獲得轉(zhuǎn)基因小麥植株的報道基本以幼胚為受體。而小麥幼胚取材受時間、空間和季節(jié)的限制, 合適的取

13、材時期難以把握,所取材料生理狀態(tài)、發(fā)育階段的一致性也不能很好保障,在一定程度上制約了轉(zhuǎn)基因小麥的有效開展與應(yīng)用。小麥成熟胚取材方便, 不受季節(jié)、植株發(fā)育階段等因素限制, 能保證不同個體間生理狀態(tài)的一致性,是開展小麥遺傳轉(zhuǎn)化最為方便實(shí)用的受體。但是,小麥成熟胚植株再生率目前還非常低, 探索并優(yōu)化小麥成熟胚組織培養(yǎng)條件, 建立高頻率的植株再生體系, 對小麥轉(zhuǎn)基因工作的開展將有巨大的推動作用。遺傳轉(zhuǎn)化方法的恰當(dāng)選擇對于在農(nóng)作物中轉(zhuǎn)移新穎的基因十分重要,對于作為主要糧食作物之一的小麥而言, 恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化方法尤為重要.但小麥成功的轉(zhuǎn)化方法仍然需要花費(fèi)很長的時間并且由于它對基因型的依賴性, 這更增加了轉(zhuǎn)化難

14、度.鑒于小麥基因型在遺傳轉(zhuǎn)化方面起著至關(guān)重要的作用, 選擇再生能力強(qiáng)的、對生產(chǎn)有利的基因型作為受體,將會更好的提高轉(zhuǎn)化效果并可直接應(yīng)用于生產(chǎn)。3.小麥轉(zhuǎn)基因方法3.1基因槍法自20世紀(jì)80年代人類開始研究轉(zhuǎn)基因植物以來,小麥的轉(zhuǎn)基因遺傳改良就受到了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。在糧食作物中,小麥屬于遺傳轉(zhuǎn)化較為困難的植物,加上轉(zhuǎn)基因研究起步較晚,基因工程育種進(jìn)程明顯落后于其他作物。隨著基因槍的問世、新的選擇標(biāo)記基因和高效啟動子的運(yùn)用,1991年以后小麥轉(zhuǎn)基因研究開始增多?；驑層址Q微粒轟擊法,1984年由康奈爾大學(xué)的科學(xué)家研制成功。它是利用火藥、高壓放電或高壓氣體將吸附了外源DNA的金粉或鎢粉高速射人受體

15、細(xì)胞或組織而實(shí)現(xiàn)遺傳轉(zhuǎn)化。1992年,美國佛羅里達(dá)大學(xué)的專家利用基因槍法將抗除草劑的bar廠基因?qū)肆诵←?并建立了基因槍法轉(zhuǎn)化小麥的技術(shù)體系,獲得第一株轉(zhuǎn)基因小麥,成為小麥轉(zhuǎn)基因工作的里程碑。在隨后的幾年內(nèi),小麥轉(zhuǎn)基因研究基本上借助于基因槍法,目前90 %以上的轉(zhuǎn)基因小麥?zhǔn)峭ㄟ^基因槍法獲得的。3.2農(nóng)桿菌介導(dǎo)法相比之下,農(nóng)桿菌介導(dǎo)法一直是小麥遺傳轉(zhuǎn)化的一道難關(guān)。農(nóng)桿菌是普遍存 在于土壤中的一種革蘭氏陰性細(xì)菌,它通過侵染植物傷口進(jìn)入細(xì)胞后 ,將攜帶的 外源基因插人到植物基因組中。因此 ,農(nóng)桿菌是一種天然的植物遺傳轉(zhuǎn)化體系。 但是，由于小麥不是農(nóng)桿菌的天然宿主,利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法進(jìn)行小麥基因轉(zhuǎn)化存

16、 在一定的困難， 借助于乙酰香酮、煙草提取液等活性物質(zhì)后基因轉(zhuǎn)化效率有一定 的提高。 美國科學(xué)家首次利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將 gus 基因 （抗性標(biāo)記基因） npt 和 基因（新霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因）轉(zhuǎn)入了小麥，獲得了小麥轉(zhuǎn)基因植株。該方法由 于操作簡單、成本低，成為繼基因槍后應(yīng)用最廣泛的準(zhǔn)基因方法。 3.3 花粉管通道法 其原理是利用開花植物授粉后形成的花粉管通道,直接將外源 DNA 導(dǎo)入尚 不具備正常細(xì)胞壁的卵、合子或早期胚胎細(xì)胞,是一種直接、簡便和有效的轉(zhuǎn)基 因技術(shù)。同時由于進(jìn)入受體基因組的是部分 DNA 片段或目的基因,因此導(dǎo)入的 DNA 易于整合.轉(zhuǎn)移基因所控制的性狀在受體植株中易于穩(wěn)定,節(jié)

17、約了育種時 間。與其它方法相比, 花粉管通道法有許多優(yōu)點(diǎn)：1直接得到轉(zhuǎn)化種子,無須經(jīng)過 組培,減少了基因型的影響; 2 操作簡便經(jīng)濟(jì),無需昂貴的儀器和化學(xué)藥品, 育種 家可直接在大田工作; 3大量快捷， 性狀穩(wěn)定快; 4 轉(zhuǎn)化頻率高不僅可以導(dǎo)入供 體的總 DNA, 而且可以導(dǎo)入含目標(biāo)基因的質(zhì)粒， 甚至可將化學(xué)誘變劑導(dǎo)入胚囊。 但目前該方法并不成熟,花粉管通道法重復(fù)性差,對轉(zhuǎn)化時間、 轉(zhuǎn)化時溫度和濕度、 轉(zhuǎn)化載體的 DNA 濃度及受體植株花粉發(fā)育狀態(tài)有較嚴(yán)格的要求。 到目前為止,小麥轉(zhuǎn)基因最常用的方法仍集中為基因槍法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)法和 花粉管通道法。 4.問題與展望 小麥品質(zhì)研究是今后我國小麥品種

18、選育的一個主要方向,目前情況下我們迫 切需要培育出有特色、產(chǎn)量高,并且在國際貿(mào)易上有競爭力的含有優(yōu)質(zhì)亞基小麥 品種,因此建立健全小麥遺傳轉(zhuǎn)化體系非常必要.通過對轉(zhuǎn)化過程中的諸多因素進(jìn) 行研究, 從而提高小麥轉(zhuǎn)化效率及應(yīng)用價值.在小麥遺傳轉(zhuǎn)化的方法中,基因槍法 的受體類型廣泛, 報道的成功例子也很多, 但轉(zhuǎn)化質(zhì)量較差、轉(zhuǎn)化效率較低、容 易形成嵌合體、多基因拷貝整合、出現(xiàn)共抑制和基因沉默現(xiàn)象、外源基因在后代 中也容易丟失、實(shí)驗(yàn)成本高,一般實(shí)驗(yàn)室很難利用這種方法進(jìn)行小麥的遺傳轉(zhuǎn)化。 6 鑒于農(nóng)桿菌的許多優(yōu)點(diǎn),特別是實(shí)驗(yàn)成本低,并且是可以導(dǎo)入大片段 DNA,雖然目 前世界上僅有幾例成功的報道, 但農(nóng)桿

19、菌介導(dǎo)的小麥遺傳轉(zhuǎn)化已成為目前植物 基因工程的常用方法。 當(dāng)然影響其轉(zhuǎn)化的因素較多, 除了上述介紹的以外,微量元素在植物的生長 過程中起著必不可少的作用, 因此在組織培養(yǎng)的過程中, 要注意一些微量元素的 添加和一些化學(xué)藥劑的使用,比如作為許多酶的主要成分或輔助因子的銅離子的 使用可以來明顯提高轉(zhuǎn)化效率.化學(xué)藥劑如甘露糖、乙酰丁香酮、PAA 等的恰當(dāng) 使用也可以提高轉(zhuǎn)化效率, 它們的最適濃度需要我們經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)來確定。盡 管目前利用花粉管通道法介導(dǎo)的小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率還不高,但由于可避免組織培 養(yǎng)等諸多麻煩和摒棄基因槍等昂貴的儀器和試劑, 其應(yīng)用前景不容忽視,所以對 花粉管通道法介導(dǎo)的小麥遺傳轉(zhuǎn)化體系進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改善很有必要. 5.結(jié)束語 隨著分子生物學(xué)的發(fā)展, 我們可以從小麥的近緣種中克隆出一些新的基因, 通過基因工程的方法來改變小麥優(yōu)質(zhì)亞基的組成和含量,提高抗蟲、抗病性等,從 而培育出適合大面積推廣的小麥新品種。雖然說轉(zhuǎn)基因小麥會使人類收益良多， 但當(dāng)代基因工程的應(yīng)用與當(dāng)年人類開發(fā)核能相類似， 帶來巨大利用的同時也必然 蘊(yùn)涵著一定