基因工程技術(shù)在農(nóng)作物中的應(yīng)用

1基因的編碼與基因基因（gene）這個(gè)詞由丹麥植物學(xué)家和遺傳學(xué)家約翰遜首次提出，這是指基因因素。孟德?tīng)栐谖宕螌?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的遺跡。美國(guó)實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)家、遺傳學(xué)家摩爾根和他的學(xué)生在果蠅研究中發(fā)現(xiàn)各個(gè)基因以一定的線(xiàn)狀秩序排列在染色體上,從而建立了遺傳的染色體學(xué)說(shuō)。基因的主要功能是編碼蛋白質(zhì),也就是說(shuō)決定特定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。一個(gè)基因是核酸或核蛋白的某一片段。生物的一切性狀幾乎都是由許多基因以及周?chē)h(huán)境相互作用的結(jié)果?；蚴紫仍谡婧松镏邪l(fā)現(xiàn),而真核生物的染色體都在細(xì)胞核中,所以基因是核基因或染色體基因的同義詞。線(xiàn)粒體、葉綠體等細(xì)胞器中也存在著編碼某些蛋白質(zhì)的遺傳因子。為了區(qū)別于核基因,這些基因稱(chēng)為“線(xiàn)粒體基因”“葉綠體基因”,或統(tǒng)稱(chēng)為“細(xì)胞質(zhì)基因”?！盎蚬こ獭?geneengineering)亦稱(chēng)“遺傳工程”,是指不同生物體的DNA在體外經(jīng)過(guò)酶切、連接,構(gòu)成重組DNA分子,然后轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞,使外源基因在受體細(xì)胞中表達(dá)。常用的轉(zhuǎn)移脫氧核糖核酸載體有質(zhì)粒、噬菌體和病毒等。2般的遺傳密碼將一個(gè)雞蛋放到普通顯微鏡下觀察,不過(guò)是由一些蛋白質(zhì)、維生素A、硒元素等簡(jiǎn)單物質(zhì)構(gòu)成。但它竟能變成一只有鼻有眼、五臟俱全、有皮有毛、有密如蛛網(wǎng)的毛細(xì)血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活生生的小雞!這是什么因素具有如此大的功能?，F(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)查明是蛋白具有的遺傳密碼———基因。基因工程是當(dāng)代最復(fù)雜、最尖端的科學(xué)技術(shù)之一,其應(yīng)用范圍十分廣闊。2.1基因重組技術(shù)由于世界人口迅速增加,土地不斷減少和沙化,人類(lèi)生存面臨威脅,為此人們便把目光投向科學(xué)技術(shù)。而從20世紀(jì)50年代以來(lái)興起的現(xiàn)代生物技術(shù),使人類(lèi)看到了解決這一緊迫問(wèn)題的曙光,因?yàn)樯a(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證實(shí),運(yùn)用基因工程的基因重組高新技術(shù),能使農(nóng)作物的品種不斷更新,提高品質(zhì),增加產(chǎn)量。如德國(guó)生命科學(xué)工作者利用該技術(shù)培育出的土豆西紅柿雜種作物便是其中一個(gè)例子,該生物工程新種是地下結(jié)塊莖,上部長(zhǎng)番茄;美國(guó)生物學(xué)界霍爾主持的課題組已運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)把菜豆的基因轉(zhuǎn)導(dǎo)到向日葵細(xì)胞中后,育成了全新的向日葵豆新作物。這些已成功的基因工程事例還可舉出很多,這足以表明,人類(lèi)運(yùn)用科學(xué)技術(shù)在改造農(nóng)作物,為提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)是可以大有作為的。2.2功能基因開(kāi)發(fā)的成功應(yīng)用由于基因工程的出現(xiàn),自20世紀(jì)80年代以來(lái),在這方面取得的成果很多。如遺傳學(xué)家利用轉(zhuǎn)基因技術(shù),在功能基因開(kāi)發(fā)取得成果的基礎(chǔ)上,將一種外源基因———大鼠生長(zhǎng)素基因?qū)胄∈舐鸭?xì)胞后,成功表達(dá),結(jié)果小鼠長(zhǎng)成了巨鼠。在這種突破性試驗(yàn)成果的啟發(fā)下,目前,科學(xué)工作者在著手試驗(yàn)將大象基因轉(zhuǎn)導(dǎo)到豬身上,使豬的個(gè)體變大。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展,基因轉(zhuǎn)導(dǎo)獲表達(dá)的水平不斷提高,“養(yǎng)豬長(zhǎng)成象”將不再是一句戲言。2.3苗等令人鼓舞的新品種僅舉小試牛刀一例,現(xiàn)已通過(guò)生物工程技術(shù)開(kāi)發(fā)成功了人血球蛋白、干擾素、乙肝疫苗等令人鼓舞的新藥。目前,隨著人們對(duì)生物高新技術(shù)的掌握,已把目標(biāo)集中在研究病毒以及抗癌特效藥方面。學(xué)者們根據(jù)當(dāng)代基因工程的發(fā)展速度,紛紛預(yù)測(cè),在21世紀(jì)初葉或中葉,人們將有望征服癌癥,全世界數(shù)千萬(wàn)癌癥患者正翹首相望,靜候佳音。2.4基因能解決人類(lèi)的生存危機(jī)現(xiàn)在,地球環(huán)境遭到曠日持久的破壞,動(dòng)物和植物的種類(lèi)每日都在減少。人們擔(dān)心,這樣下去地球上的生物種類(lèi)會(huì)逐漸減少,這種發(fā)展趨勢(shì)對(duì)人類(lèi)的生存是極為不利的或者說(shuō)是有威脅的。事實(shí)上確實(shí)存在這種危機(jī)。人們一直在尋找解決這一問(wèn)題的方法,今天,人們可以明確回答,基因工程可以解決這一難題。它不但能人為地制造出大量新的生物種,甚至還能使滅絕多年的動(dòng)物或植物被重新復(fù)制出來(lái)。有科學(xué)家是這樣預(yù)言的:“曾稱(chēng)雄于世的久遠(yuǎn)的恐龍雄姿,有可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)再現(xiàn)于世?！敝灰覀兡懿扇〉娇铸埖耐暾腄NA,恐龍就有可能被復(fù)制出來(lái)。2.5抗炎與抗菌藥的使用植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化工程中之所以能最低限度地避免傷害,是因?yàn)橹参矬w內(nèi)有一種“抗性基因”,它能識(shí)別一種特殊的傳染病。如煙草具有一種能夠識(shí)別煙草花葉病病毒蛋白質(zhì)的抗性基因,它一旦識(shí)別出病毒蛋白質(zhì)便立即作出反應(yīng),即指揮臨近細(xì)胞自殺、使病毒失去食源,死亡區(qū)以外的細(xì)胞則立即產(chǎn)生諸如聚合木素和碳?xì)溆鷤暇厶?胼胝質(zhì))的化合物,以加厚細(xì)胞壁,隔離病毒,防止繼續(xù)侵染健康組織和細(xì)胞。同時(shí)在病毒侵染部位附近產(chǎn)生大量的抗生素,專(zhuān)一性地直接抑制病毒的生長(zhǎng)。目前的檢測(cè)已經(jīng)證實(shí),在17種植物中有抗毒素的積累,并且同一科植物所具有的抗生素有明顯的相似性。為此,用能激活“抗性基因”的化合物注射或噴灑植物,成了當(dāng)今使植物獲得免疫力的一種新方法。現(xiàn)在,一種與阿司匹林相似的化合物———水楊酸是已被公認(rèn)的能激活植物抗性基因的有效物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)給植物噴灑水楊酸后,其抗性基因被激活,從而對(duì)病蟲(chóng)害產(chǎn)生廣泛的抗性。研究發(fā)現(xiàn),植物受害蟲(chóng)損傷后能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),以此可激活植物體內(nèi)的“防御基因”,從而提高植物的抗性及免疫能力,這在番茄的研究中最為顯著。害蟲(chóng)損傷番茄葉子后,葉上細(xì)胞會(huì)釋放出一種類(lèi)激素因子(PIIF),該物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞組織擴(kuò)散到莖和其他葉片,啟動(dòng)蛋白酶抑制劑基因,開(kāi)始高效合成并在莖葉中迅速積累,以對(duì)付害蟲(chóng)的再次侵襲。這種蛋白酶抑制劑不僅對(duì)害蟲(chóng)產(chǎn)生的消化酶有抑制作用,而且對(duì)病毒產(chǎn)生的蛋白酶也有抑制作用。在此方面,眼下存在的不足是,發(fā)現(xiàn)類(lèi)似自身具有較強(qiáng)免疫能力的植物并不多。然而,利用基因工程技術(shù)則可使更多的植物具有這一絕妙的招數(shù)。如1987年英國(guó)科學(xué)工作者將豇豆的胰蛋白酶抑制劑基因?qū)霟煵?以賦予其較強(qiáng)的免疫能力取得了成功。1992年美國(guó)pyan實(shí)驗(yàn)室分別將番茄蛋白酶抑制劑和馬鈴薯蛋白酶抑制劑基因?qū)霟煵?也取得了明顯的成效,即育成了免疫力較強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因煙草,害蟲(chóng)只要取食就會(huì)有來(lái)無(wú)回。目前,轉(zhuǎn)蛋白酶抑制劑基因植物研究空前活躍,為世界各大生物技術(shù)公司矚目。美國(guó)Biot-echnica公司計(jì)劃將豇豆胰蛋白酶抑制基因?qū)胗衩?以對(duì)付異常猖獗的歐洲玉米螟,并將其應(yīng)用于大豆、苜蓿和小麥?？梢灶A(yù)測(cè),日新月異的基因工程技術(shù)可以使得更多的免疫植物進(jìn)入田間,而曠日持久的人蟲(chóng)之戰(zhàn)進(jìn)入冷戰(zhàn)時(shí)期的日子也為期不遠(yuǎn)了。2.6基因療法的根本機(jī)理在于克服細(xì)胞缺陷而產(chǎn)生的疾病在過(guò)去的20多年里出現(xiàn)了“基因工程療法”,即通過(guò)直接處理缺陷本身的位點(diǎn)——突變基因。到20世紀(jì)70年代早期,由于對(duì)腫瘤病毒轉(zhuǎn)化細(xì)胞機(jī)制的了解,使基因治療得到早期的理論支持。DNA和RNA腫瘤病毒的分類(lèi)使其對(duì)基因治療至關(guān)重要的那些功能得以精確的闡明,這就是將具有功能的新的遺傳信息穩(wěn)定地導(dǎo)入,以糾正由于細(xì)胞缺陷而引起的疾病。缺陷基因被替換,進(jìn)入的是正常功能基因,這便是基因療法治病的根本機(jī)理所在。新近,基因工程治療又出現(xiàn)了一種比較理想的方式,這就是突變基因修正,即對(duì)突變基因序列特異的修正,而不引起靶基因組任何額外的改變。雖然基因修正至今還有不少困難,但外序列的基因組定位導(dǎo)入(導(dǎo)致特異基因序列的修正),現(xiàn)已在若干哺乳動(dòng)物中的實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。在這些成功試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,現(xiàn)已為人類(lèi)疾病建立了動(dòng)物模型。應(yīng)當(dāng)特別指出的是,在最近的若干年里,人類(lèi)已經(jīng)掌握了好幾個(gè)基因增添的技術(shù),那就是通過(guò)導(dǎo)入外源正常遺傳信息,修飾缺陷細(xì)胞內(nèi)突變基因內(nèi)容及表達(dá)方法。據(jù)《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》報(bào)道,作為具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)80年代末的在人體內(nèi)進(jìn)行基因工程療法臨床工作實(shí)踐。研究人員將腫瘤殺傷細(xì)胞輸入人病體內(nèi)。許多科學(xué)家認(rèn)為,通過(guò)在患者體內(nèi)植入具有療效的功能基因去醫(yī)治一些遺傳病,這項(xiàng)技術(shù)不僅使根治癌癥成為可能,而且對(duì)危害極大的鐮狀紅細(xì)胞貧血、膀胱纖維變性等遺傳病得到根治也成為可能。3發(fā)展結(jié)構(gòu)的變革,需要生物的多樣性自從1973年Jackson等人在一次分子生物學(xué)學(xué)會(huì)上首次提出基因可以人工重組,并能在細(xì)菌中復(fù)制。從此以后,基因工程成為一項(xiàng)新興的研究領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展,無(wú)論是基礎(chǔ)研究,還是應(yīng)用研究均取得了喜人的成果。這是生命科學(xué)發(fā)展的一次飛躍,生命科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)定向、快速改造生物性狀的新時(shí)代,受到了國(guó)內(nèi)外廣泛的重視。開(kāi)展基因工程研究幾十年來(lái),建立了多種分別適用于微生物、動(dòng)植物轉(zhuǎn)基因的載體受體系統(tǒng),克隆出了一批有用的目的基因,研制出了數(shù)十種昂貴的基因工程藥物,培育出了一批具有特殊性狀的轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物。當(dāng)今,國(guó)際上一項(xiàng)合作性的基因組測(cè)序計(jì)劃正在大規(guī)模的實(shí)施之中,我國(guó)已成為這項(xiàng)國(guó)際上合作研究開(kāi)發(fā)的少數(shù)幾