水稻轉(zhuǎn)基因育種研究進(jìn)展

劉凱，唐紅生，嚴(yán)國(guó)紅，王愛(ài)民，孫明法*

(江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇鹽城224002)

摘要:通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)在水稻抗蟲(chóng)、抗病、抗逆、米質(zhì)改良及水稻株型等方面的研究進(jìn)展所作的綜述,指出了目前轉(zhuǎn)基因水稻研究中存在的有關(guān)問(wèn)題及今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：水稻；轉(zhuǎn)基因；育種；研究進(jìn)展

收稿日期：2015-05-21

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金。

作者簡(jiǎn)介：劉凱(1984-)，男，助理研究員，主要從事水稻分子育種工作；E-mail：liukai11121@163.com。

通訊作者：*孫明法(1966-)，男，研究員，主要從事水稻遺傳育種工作。

20世紀(jì)下半葉以來(lái)，隨著分子生物學(xué)研究的不斷發(fā)展，以此為核心的生物技術(shù)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略抉擇，其中基因工程作為一門(mén)綜合性的高新技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到水稻育種中。利用植物基因工程原理和技術(shù)，克隆出目的基因，然后轉(zhuǎn)化到水稻外植體中，從而實(shí)現(xiàn)水稻品種的改良。該技術(shù)相對(duì)于常規(guī)水稻育種來(lái)說(shuō)，既省時(shí)，又能夠有效地達(dá)到既定目標(biāo)。水稻作為世界上最重要的糧食作物之一，自1988年首次獲得可育的轉(zhuǎn)基因水稻以來(lái)，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)可以將一些抗病、抗蟲(chóng)、抗除草劑、抗旱及耐鹽等基因轉(zhuǎn)入水稻，因而水稻轉(zhuǎn)基因育種研究取得了一定的進(jìn)展。

1水稻基因工程育種

1.1　水稻品質(zhì)轉(zhuǎn)基因研究

Zheng等[1]將菜豆種子蛋白質(zhì)基因?qū)胨局斜磉_(dá)，轉(zhuǎn)基因水稻種子中蛋白質(zhì)含量增加4%。胡昌泉等[2]采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將可溶性淀粉合成酶基因(SSS)和淀粉分支酶基因(SBE)導(dǎo)入秈稻恢復(fù)系明恢86中，導(dǎo)致稻谷直鏈淀粉含量大幅度降低。葉紅霞等[3]將豌豆鐵蛋白基因(Fer)轉(zhuǎn)入水稻品種“秀水11”中，獲得Fer34和Fer65兩份富含鐵元素的轉(zhuǎn)基因種質(zhì)材料，其精米鐵含量分別為野生型的4.82倍和3.46倍，并且對(duì)植株重要農(nóng)藝性狀、其他礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、精米外觀和食用品質(zhì)等均無(wú)明顯的負(fù)作用。

1.2　抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因水稻研究

目前水稻抗蟲(chóng)性改良的外源基因主要有蘇云金桿菌殺蟲(chóng)結(jié)晶蛋白基因(Bt基因)、昆蟲(chóng)蛋白酶抑制劑(PI基因)和植物凝集素基因3種。其中Bt基因是水稻上應(yīng)用最成功的抗蟲(chóng)基因,它可以有效控制水稻鱗翅目昆蟲(chóng)的危害。Ye等人[4]采用根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)將綠色組織特異性表達(dá)的rbcS基因啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)下的cry1C基因?qū)刖酒贩N“中花11”，獲得了高效抗蟲(chóng)且Bt蛋白僅在綠色組織中高效表達(dá)的轉(zhuǎn)基因株系。在轉(zhuǎn)基因植株中，Bt蛋白僅在害蟲(chóng)攻擊的綠色組織部位如莖稈和葉片中高效表達(dá)，保護(hù)水稻不受害蟲(chóng)傷害；而在水稻的食用部位胚乳中幾乎不表達(dá)。Chen和Tang等[5-6]分別培育了轉(zhuǎn)人工合成的cry2A和cry1C基因的水稻。田間實(shí)驗(yàn)表明,轉(zhuǎn)cry2A和cry1C基因的水稻表現(xiàn)出了對(duì)螟蟲(chóng)的高度抗性。同時(shí)，轉(zhuǎn)cry2A和cry1C基因的水稻還為發(fā)展雙價(jià)Bt水稻提供了新的種質(zhì)資源材料。孫小芬等[7]通過(guò)基因槍轉(zhuǎn)化的方法將GNA基因轉(zhuǎn)入到水稻中，并獲得了純合的轉(zhuǎn)基因水稻家系，轉(zhuǎn)基因株系中抗蟲(chóng)蛋白GNA高度表達(dá)，經(jīng)褐飛虱接種鑒定,可顯著降低褐飛虱存活率和繁殖力，減少褐飛虱的進(jìn)食量、延緩其發(fā)育進(jìn)度。相對(duì)我國(guó)水稻育種抗蟲(chóng)資源較為貧乏來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)基因技術(shù)為抗蟲(chóng)育種提供了一條新的途徑。

1.3　抗病轉(zhuǎn)基因水稻研究

抗病轉(zhuǎn)基因水稻包括轉(zhuǎn)抗病毒基因、抗真菌病害基因和抗細(xì)菌病害基因。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在這幾個(gè)領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展。轉(zhuǎn)基因抗真菌病害通常采用的策略是在水稻中過(guò)量表達(dá)病程相關(guān)蛋白，馮道榮等[8]將水稻堿性幾丁質(zhì)酶基因RC24、RCH10，水稻酸性幾丁質(zhì)酶基因RAC22和苜蓿β-1，3-葡萄糖酶基因利用基因槍法轉(zhuǎn)化水稻，獲得了高抗稻瘟病和紋枯病的轉(zhuǎn)基因株系，其中“中大一號(hào)”對(duì)廣東地區(qū)最具代表性的40個(gè)菌株的抗性達(dá)到100%；彭昊等[9]將具有廣譜抗病作用的葡萄糖氧化酶基因(GO)轉(zhuǎn)入粳稻品種“日本晴”，抗病性鑒定表明，所得轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)稻瘟菌具有良好的抗性。翟文學(xué)等[10]采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將Xa21基因轉(zhuǎn)入水稻，獲得了對(duì)白葉枯病具有抗性的水稻株系明恢63和珍汕97B等雜交稻恢復(fù)系和保持系，結(jié)果表明這2個(gè)轉(zhuǎn)基因雜交稻具有優(yōu)良的廣譜抗性，抗譜與Xa21基因供體IRBB相同。

1.4　抗非生物逆境轉(zhuǎn)基因水稻研究

吳亮其等[11]將擬南芥的δ-OAT基因轉(zhuǎn)入水稻品種中，得到δ-OAT基因過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)基因水稻株系，與對(duì)照相比，轉(zhuǎn)基因水稻的耐鹽能力明顯提高。Jang等[12]研究了大腸桿菌海藻糖合成基因在轉(zhuǎn)基因水稻中的作用，他們把編碼雙功能融合蛋白的基因TPSP轉(zhuǎn)入水稻后發(fā)現(xiàn)，由于海藻糖的積累使轉(zhuǎn)基因水稻提高了對(duì)干旱、鹽和寒冷脅迫的抗性。Hou等[13]在水稻中超量表達(dá)OsSKIPa使轉(zhuǎn)基因植株在成株期對(duì)干旱脅迫的耐受性比對(duì)照增強(qiáng)2～4倍，通過(guò)對(duì)超氧化物歧化酶(SOD)比活力和丙二醛含量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)OsSKIPa超量表達(dá)可以提高轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)活性氧的清除能力，干旱脅迫后OsSKIPa超量表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株中一些抗逆相關(guān)基因的表達(dá)量顯著高于相同處理?xiàng)l件下的野生型對(duì)照。

除上述外，轉(zhuǎn)其它基因的水稻研究也較多，包括轉(zhuǎn)抗除草劑基因，轉(zhuǎn)C4合成關(guān)鍵酶基因，轉(zhuǎn)葉片衰老延遲基因等；如Ku等[14]發(fā)現(xiàn)將玉米PEPC基因轉(zhuǎn)入水稻，降低了轉(zhuǎn)基因水稻光合作用的光氧化抑制，提高了光合效率。此外利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育出可減少血清膽固醇含量和防止動(dòng)脈硬化等水稻保健新品種。

2轉(zhuǎn)基因水稻存在的問(wèn)題

2.1　轉(zhuǎn)基因水稻研究處于實(shí)驗(yàn)室階段，離生產(chǎn)需求還有很大距離

目前由于水稻轉(zhuǎn)基因研究還主要停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，可以直接利用的基因依舊很少，有關(guān)品質(zhì)、抗逆、抗病、生育期、產(chǎn)量等基因還有待進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)研究。此外，將外源基因轉(zhuǎn)入到水稻品種，由于基因沉默或者目的基因在受體中的低效表達(dá)，難以獲得穩(wěn)定高效的轉(zhuǎn)基因植株，阻礙了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在水稻研究上的推廣應(yīng)用。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)作為一種育種手段，僅僅只是育種工作中的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍然離不開(kāi)常規(guī)育種技術(shù)手段的支持。在水稻的轉(zhuǎn)基因育種中，分子生物學(xué)家只有很好地與水稻常規(guī)育種家相結(jié)合，才能培育出真正能應(yīng)用于大田生產(chǎn)的水稻新品種。

2.2　轉(zhuǎn)基因水稻安全性問(wèn)題

雖然轉(zhuǎn)基因大豆、棉花、玉米等主要農(nóng)作物在10多年前就實(shí)現(xiàn)了商品化，但是轉(zhuǎn)基因水稻的商品化目前依然進(jìn)展緩慢，主要原因是人們對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻的安全性仍存在較大顧慮，轉(zhuǎn)基因漂移、抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因作物對(duì)非靶標(biāo)生物的傷害[15]及對(duì)土壤生物群落的影響、轉(zhuǎn)基因作物自身雜草化和轉(zhuǎn)基因作物是否有害于消費(fèi)者的健康等問(wèn)題阻礙了轉(zhuǎn)基因水稻的商品化生產(chǎn)[16]。

3展望

雖然轉(zhuǎn)基因水稻遺傳改良已取得較大進(jìn)展，但是針對(duì)以上問(wèn)題，我們通過(guò)建立或健全科學(xué)、合理、公正的安全性問(wèn)題評(píng)價(jià)體系，對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻進(jìn)行受體植物安全性、外源基因的擴(kuò)散以及轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品釋放地點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，加大對(duì)轉(zhuǎn)基因食品安全的科學(xué)報(bào)道，引導(dǎo)人們對(duì)轉(zhuǎn)基因安全理性的認(rèn)識(shí)[17]，將消除人們?cè)谵D(zhuǎn)基因作物安全性問(wèn)題上的顧慮。同時(shí)我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，人口密集，生產(chǎn)技術(shù)落后，資源能耗過(guò)高，因此國(guó)家對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻生物安全研究的大力投入及技術(shù)革新，勢(shì)必會(huì)加快相關(guān)方面的研究，從而使轉(zhuǎn)基因水稻朝著有利于人類生存與發(fā)展的方向前進(jìn)。

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Research Progress in Transgenic Rice Breeding

LIU kai, TANG Hong-sheng, YAN Guo-hong, WANG Ai-min, SUN Ming-fa

(Agricultural Science Research Institute of Jiangsu Coastal Areas, Yancheng 224002, China)

Abstract：This paper summarized recent research progress in using transgenic technology to enhance rice resistance to insects, diseases, and stresses; and to improve rice quality and plant types, and so on. Furthermore, it pointed out the problems occurring in current research of transgenic rice and stated clearly the developmental direction of this research in the future.

Key words: Rice; Transgenic; Breeding; Research progress

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