1、轉基因小麥的研究進展摘要:本文主要介紹了什么是轉基因,轉基因小麥的研究現狀,及轉基因小麥的轉化方法并通過對轉基因小麥的研究中存在的問題進行總結,并展望今后的研究重點與發展趨勢。關鍵詞:轉基因小麥研究現狀轉化方法發展趨勢1.轉基因概述1.1什么是轉基因轉基因是大自然中每天都在發生的事情,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生了基因的轉移。只不過在自然界中,基因轉移沒有目標性,好的和壞的基因都可以一起轉移到不同的生物個體上。同時,通過自然雜交進行的轉基因是嚴格控制在同一物種

2、內( 特別是在動物中,或是親緣關系很近的植物種類之間。1.2轉基因的原理其實,轉基因的基本原理也不難了解,它與常規雜交育種有相似之處。雜交是將整條的基因鏈(染色體轉移,而轉基因是選取最有用的一小段基因轉移。因此,轉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移至某種生物體(動、植物和微生物,并使其具有效表達出相應的產物(多肽或蛋白質,這樣的生物體作為食品或以其為原料加工生產的食品。人類為了提高農作物的產量,改善它的品質和抗逆性,常常采用人工雜交、遠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移到推廣品種中間去。這種方法仍然不能在親緣關系較

3、遠的物種之間轉移基因,已轉移的基因中仍有大量不需要甚至是有害的基因,并且存在轉基因效率較慢等問題。為了解決上述問題,科學家利用現代生物技術的方法,將我們所需要的基因進行分離,再通過一定的技術手段轉移到我們的目標生物品種中去。這個過程就是我們現在常常提到的、嚴格意義上的轉基因,也被叫做遺傳轉化。這種完全按照人的意愿,由重新組裝基因到新生物產生的生物科學技術,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移的基因沒有本質上的區別,只是這種用生物技術來進行轉基因有很強的目的性只轉移需要的基因,也被叫做遺傳轉化。而將不需要和有害的基因統統拒之門外。同時,現代轉基因技術不受物種的限制,

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

5、高農產品的耐貯性,延長保鮮期,滿足人民生轉活水平日益提高的需求;可使農作物開發的時間大為縮短;可以擺脫季節、氣候的影響,四季低成本供應;打破物種界限,不斷培植新物種,生產出有利于人類健康的食品。轉基因食品也有缺點:所謂的增產是不受環境影響的情況下得出的,如果遇到雨雪的自然災害,也有可能減產更厲害。且多項研究表明,轉基因食品對哺乳動物的免疫功能有損害。更有研究表明,試驗用倉鼠食用了轉基因食品后,到其第三代,就絕種了。2.轉基因小麥概述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、總產量最多的糧食作物,同時是人類重要的植物蛋白

6、質來源(約占谷物蛋白質的38.4% 。小麥是人類栽培的最重要的糧食作物之一, 主要用于食用。其種植面積和產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、1% 2%的脂類及其它成份,而蛋白質數量和質量在面粉加工特性和氮素營養品質方面起著決定作用。在植物學分類上, 小麥屬于禾本科中的小麥屬。小麥屬中有20多個種,現在世界上種植的小麥品種大多數都屬于普通小麥, 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。由于不同生態區的環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、培育優良品種的原始材料, 也是進行小麥遺傳多樣性研究的重要素材。國內外已經從形態水平、細胞(染色體 水平、生化水平和DN A 分子水平研究了小麥種質資源的遺傳多樣性。2.2轉基因小麥研究自1992 年人類獲得第一株轉基因小麥以來, 轉基因小麥研究已獲得了許多重大進展。目前國內外已有近200例小麥轉基因的報道, 其中將抗除草劑基因轉入小麥的報道約80 例,轉抗病蟲基因的報道近50例, 轉改良品質基因約有30例, 轉抗旱、耐鹽基因近20例, 轉其他基因的也有不少報道。這些報道中,通過基因槍法轉化的近120 例、花粉管通道法轉化的50例、農桿菌

8、介導法轉化的近20 例。從轉單基因到進行多基因組裝, 從改良生物脅迫和非生物脅迫的抗逆性, 到改良品質、高產等生理和農藝性狀, 是未來轉基因小麥的研究方向。與國外小麥相比, 我國小麥的蛋白質總量不低, 但是在加工品質上有較大差距, 主要原因是我國小麥貯藏蛋白缺少優質蛋白質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質亞基的含量, 都迫切需要小麥品種改良。目前在小麥品質改良領域中主要有兩個熱點:一是通過特異地改變某些亞基的構成與比例,增加小麥中蛋白質及必需氨基酸含量來改良其營養品質,進而提高烘烤品質。二是調節淀粉生物合成途徑,以培育直鏈淀粉含量少甚至沒有蠟質的小麥品種,提高其加工品質

9、。近幾年來, 基因工程技術的發展和完善, 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化起步較晚,但也取得了一些可喜的進展。現在水稻、玉米轉化體系已基本建成, 然而與水稻、玉米等單子葉植物相比, 小麥遺傳轉化研究一相對落后,是主要糧食作物中最晚進行遺傳轉化的。直到1992 年Vasil 等將GUS/ Bar 基因導入小麥品種Pavon, 并獲得了抗除草劑Bas ta 的再生植株,才宣告世界上首例轉基因小麥問世。在國內,小麥遺傳轉化發展也很迅速, Cheng 等在1997年成功獲得可育的轉基因植株, 1999 年Xia 等在中國首次報道獲得了穩定胚性組織的轉基因小麥植株。實驗的成功,表

10、明小麥育種已經從傳統的育種方法過度到了“分子育種”的階段。“分子育種”的廣泛應用,將會更加加速小麥的育種進程,抗病蟲、抗逆性等優質小麥品種也將隨之誕生。遺傳轉化方法被稱為最佳育種方法,因為它可允許有特點的基因轉移到目標受體基因型中,同時不改變其遺傳背景然而目前來看不論使用哪一種轉化方法,小麥的轉化效率都很低。隨著世界生態環境的惡化,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。科學家嘗試著把抗旱、寒、高溫、鹽等植物DNA上具有抗性功能的基因導入小麥,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。在獲得了轉基因小麥植株的同時,發現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。同樣的道理,為了提高小麥抗病蟲能力,科學家還把幾丁質酶、抗蚜蟲的雪花蓮凝集素等多種抗病蟲基因導入小麥,都得到了預期的效果。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,應綜合運用多種遺傳標記手段, 摸清現有種質資源的整體遺傳結構特別是深入進行特殊種質的研究,為核心種質的構建和資源有效利用提供指導。小麥是世界上最重要的糧食作物之一,小麥品種的遺傳改良工作一直受到科學家的廣泛關注。傳統常規育種方法存在著周期長、改良進程緩慢等缺點, 利用轉基因手段將特定的外源基因導入小麥中, 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。隨著生物技術的發展,轉基因小麥的研究取得了一定進展。雖然已建立了各種轉化小麥的方法,但目前仍存在一些問題。限制其發展的一個最主要因素是缺乏便捷、高效和穩定的組織培養體系,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化的關鍵所在,外植體選擇是其重要環節。到目前為止,小麥組織培養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、懸浮細胞、子房、莖尖、根尖分生組織和原生質體等。其中, 幼胚被認為是最理想的外植體材料,愈傷組織誘導率和植株再生率都比較高,獲得轉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、空間和季節的限制, 合適的取

13、材時期難以把握,所取材料生理狀態、發育階段的一致性也不能很好保障,在一定程度上制約了轉基因小麥的有效開展與應用。小麥成熟胚取材方便, 不受季節、植株發育階段等因素限制, 能保證不同個體間生理狀態的一致性,是開展小麥遺傳轉化最為方便實用的受體。但是,小麥成熟胚植株再生率目前還非常低, 探索并優化小麥成熟胚組織培養條件, 建立高頻率的植株再生體系, 對小麥轉基因工作的開展將有巨大的推動作用。遺傳轉化方法的恰當選擇對于在農作物中轉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, 恰當的轉化方法尤為重要.但小麥成功的轉化方法仍然需要花費很長的時間并且由于它對基因型的依賴性, 這更增加了轉化難

14、度.鑒于小麥基因型在遺傳轉化方面起著至關重要的作用, 選擇再生能力強的、對生產有利的基因型作為受體,將會更好的提高轉化效果并可直接應用于生產。3.小麥轉基因方法3.1基因槍法自20世紀80年代人類開始研究轉基因植物以來,小麥的轉基因遺傳改良就受到了科學家的廣泛關注。在糧食作物中,小麥屬于遺傳轉化較為困難的植物,加上轉基因研究起步較晚,基因工程育種進程明顯落后于其他作物。隨著基因槍的問世、新的選擇標記基因和高效啟動子的運用,1991年以后小麥轉基因研究開始增多。基因槍又稱微粒轟擊法,1984年由康奈爾大學的科學家研制成功。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、細胞或組織而實現遺傳轉化。1992年,美國佛羅里達大學的專家利用基因槍法將抗除草劑的bar廠基因導人了小麥,并建立了基因槍法轉化小麥的技術體系,獲得第一株轉基因小麥,成為小麥轉基因工作的里程碑。在隨后的幾年內,小麥轉基因研究基本上借助于基因槍法,目前90 %以上的轉基因小麥是通過基因槍法獲得的。3.2農桿菌介導法相比之下,農桿菌介導法一直是小麥遺傳轉化的一道難關。農桿菌是普遍存 在于土壤中的一種革蘭氏陰性細菌,它通過侵染植物傷口進入細胞后 ,將攜帶的 外源基因插人到植物基因組中。因此 ,農桿菌是一種天然的植物遺傳轉化體系。 但是，由于小麥不是農桿菌的天然宿主,利用農桿菌介導法進行小麥基因轉化存

16、 在一定的困難， 借助于乙酰香酮、煙草提取液等活性物質后基因轉化效率有一定 的提高。 美國科學家首次利用農桿菌介導法將 gus 基因 （抗性標記基因） npt 和 基因（新霉素磷酸轉移酶基因）轉入了小麥，獲得了小麥轉基因植株。該方法由 于操作簡單、成本低，成為繼基因槍后應用最廣泛的準基因方法。 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 導入尚 不具備正常細胞壁的卵、合子或早期胚胎細胞,是一種直接、簡便和有效的轉基 因技術。同時由于進入受體基因組的是部分 DNA 片段或目的基因,因此導入的 DNA 易于整合.轉移基因所控制的性狀在受體植株中易于穩定,節

17、約了育種時 間。與其它方法相比, 花粉管通道法有許多優點：1直接得到轉化種子,無須經過 組培,減少了基因型的影響; 2 操作簡便經濟,無需昂貴的儀器和化學藥品, 育種 家可直接在大田工作; 3大量快捷， 性狀穩定快; 4 轉化頻率高不僅可以導入供 體的總 DNA, 而且可以導入含目標基因的質粒， 甚至可將化學誘變劑導入胚囊。 但目前該方法并不成熟,花粉管通道法重復性差,對轉化時間、 轉化時溫度和濕度、 轉化載體的 DNA 濃度及受體植株花粉發育狀態有較嚴格的要求。 到目前為止,小麥轉基因最常用的方法仍集中為基因槍法、農桿菌介導法和 花粉管通道法。 4.問題與展望 小麥品質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、產量高,并且在國際貿易上有競爭力的含有優質亞基小麥 品種,因此建立健全小麥遺傳轉化體系非常必要.通過對轉化過程中的諸多因素進 行研究, 從而提高小麥轉化效率及應用價值.在小麥遺傳轉化的方法中,基因槍法 的受體類型廣泛, 報道的成功例子也很多, 但轉化質量較差、轉化效率較低、容 易形成嵌合體、多基因拷貝整合、出現共抑制和基因沉默現象、外源基因在后代 中也容易丟失、實驗成本高,一般實驗室很難利用這種方法進行小麥的遺傳轉化。 6 鑒于農桿菌的許多優點,特別是實驗成本低,并且是可以導入大片段 DNA,雖然目 前世界上僅有幾例成功的報道, 但農桿

19、菌介導的小麥遺傳轉化已成為目前植物 基因工程的常用方法。 當然影響其轉化的因素較多, 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, 因此在組織培養的過程中, 要注意一些微量元素的 添加和一些化學藥劑的使用,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化效率.化學藥劑如甘露糖、乙酰丁香酮、PAA 等的恰當 使用也可以提高轉化效率, 它們的最適濃度需要我們經過大量的實驗來確定。盡 管目前利用花粉管通道法介導的小麥遺傳轉化效率還不高,但由于可避免組織培 養等諸多麻煩和摒棄基因槍等昂貴的儀器和試劑, 其應用前景不容忽視,所以對 花粉管通道法介導的小麥遺傳轉化體系進行進一步優化和改善很有必要. 5.結束語 隨著分子生物學的發展, 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質亞基的組成和含量,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。雖然說轉基因小麥會使人類收益良多， 但當代基因工程的應用與當年人類開發核能相類似， 帶來巨大利用的同時也必然 蘊涵著一定