實(shí)現(xiàn)水稻育種新飛躍的基因工程

程正海　劉憲虎

我國(guó)水稻蟲害日益猖獗，但因水稻缺乏抗蟲基因而只好依賴于化學(xué)殺蟲劑來防治，這樣就增加了稻作成本并污染了生態(tài)環(huán)境，因此，水稻抗蟲基因工程育種備受重視。目前，水稻抗蟲基因主要利用的是蛋白酶抑制劑基因、Bt毒蛋白基因和外源凝集素基因等。蛋白酶抑制劑可與昆蟲消化道內(nèi)的蛋白消化酶相互作用，形成酶-抑制劑復(fù)合物（EI），從而抑制蛋白消化酶的活性，同時(shí)，因復(fù)合物還能刺激消化酶的過量分泌，通過神經(jīng)系統(tǒng)的反饋抑制，使昆蟲產(chǎn)生厭食反應(yīng)，最終因氨基酸饑餓導(dǎo)致昆蟲不正常發(fā)育或死亡。蛋白酶抑制劑殺蟲譜廣，它作用于昆蟲消化酶的活性中心，這是酶的最保守部位，基本可以排除通過突變產(chǎn)生耐受性的可能，因此，蛋白酶抑制劑基因在植物抗蟲基因工程中占據(jù)突出地位。迄今，已有多種蛋白酶抑制劑基因被克隆，其中使用較廣泛的有胰蛋白酶抑制劑基因等。

Bt毒蛋白基因是目前應(yīng)用得最為廣泛的抗蟲基因，主要特點(diǎn)是特異性強(qiáng)、殺蟲譜窄。Bt毒蛋白基因種類很多，其中CryI抗鱗翅目害蟲、CryII抗鱗翅目和雙翅目害蟲、CryIII抗鞘翅目害蟲、CryIV抗雙翅目害蟲。

外源凝集素可與昆蟲腸道上皮細(xì)胞的糖蛋白相結(jié)合，影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的正常吸收，同時(shí)，還可促進(jìn)昆蟲消化道內(nèi)細(xì)菌的繁殖，對(duì)消化道造成損傷，從而達(dá)到殺蟲的目的。研究表明，轉(zhuǎn)外源凝集素基因水稻對(duì)稻飛虱有抗殺作用。

白葉枯病是水稻三大病害之一。迄今，國(guó)際上已鑒定出25個(gè)抗白葉枯病基因，其中由國(guó)際水稻研究所Khush從印度長(zhǎng)雄蕊野生稻中發(fā)現(xiàn)的抗白葉枯病基因—Xa-21，對(duì)印度、菲律賓和中國(guó)的所有白葉枯病小種均表現(xiàn)高抗。國(guó)內(nèi)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院章琦等也發(fā)現(xiàn)并定位了廣譜高抗白葉枯病基因Xa-23。1995年Song等克隆了Xa-21基因，研究表明，轉(zhuǎn)Xa-21基因水稻表現(xiàn)對(duì)白葉枯病的高度抗性和廣譜抗性。目前，我國(guó)雜交水稻大多數(shù)組合不抗白葉枯病，大力開展Xa-21抗白葉枯病基因工程育種具有重要意義。

稻瘟病是水稻三大病害之首。國(guó)內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)30多個(gè)抗稻瘟病基因，其中Pi-b和Pi-ta已被克隆。國(guó)內(nèi)已有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行抗稻瘟病基因的分離克隆，預(yù)計(jì)不久將會(huì)有克隆的基因用于我國(guó)水稻抗稻瘟病基因工程育種。

除此之外，抗病基因的轉(zhuǎn)化研究已經(jīng)逐步向綜合性、多元性、廣譜性和間抗性的方向擴(kuò)展，即同時(shí)轉(zhuǎn)化多個(gè)抗性基因以獲得對(duì)多種病原菌的抗性，如將Bt、Cptl、Chi 基因相連接一起轉(zhuǎn)化受體作物品種，或者轉(zhuǎn)化具有水平抗性的基因以獲得對(duì)多種病源菌的廣譜抗性，例如，轉(zhuǎn)化RIPs 基因可以同時(shí)獲得抗病毒、抗真菌、抗蟲的轉(zhuǎn)化體材料。

水稻分子育種研究主要包括基因工程育種和分子標(biāo)記輔助選擇，利用這一技術(shù)在超高產(chǎn)育種中主要進(jìn)行以下研究：

株型改良：利用這一技術(shù)，進(jìn)行株型改良育種，如利用水稻分蘗控制基因MOCl，通過構(gòu)建載體將正義、反義MOCl基因轉(zhuǎn)入到一些當(dāng)家品種中，改良水稻株型，增加有效分蘗，形成理想株型的“分蘗梯度”。

提高水稻光合效率：為進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量潛力，科學(xué)家們正在試圖用現(xiàn)代植物基因工程技術(shù)，提高光合效率。其途徑主要包括調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉、提高Rubisco的效率和引入C4基因等。

調(diào)控延緩葉片衰老系統(tǒng)：細(xì)胞激動(dòng)素是一種重要的延緩葉片衰老的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子，其生物合成的第一步是異戊烯基側(cè)鏈轉(zhuǎn)移至5ˊ-AMP上。在農(nóng)桿菌中，這一反應(yīng)由tmr基因編碼的異戊烯基轉(zhuǎn)移酶所催化，并且這一反應(yīng)是細(xì)胞激動(dòng)素生物合成的限速步驟。Cao等通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的遺傳轉(zhuǎn)化方法獲得了 PSAG12-IPT轉(zhuǎn)基因水稻植株，考察了自我調(diào)控延緩葉片衰老系統(tǒng)在水稻中的表現(xiàn)，結(jié)果表明具有早衰現(xiàn)象的水稻品種延緩葉片衰老后，能促進(jìn)灌漿，增加籽粒的充實(shí)度，從而提高結(jié)實(shí)率和千粒重，并最終增加單株產(chǎn)量。

遠(yuǎn)緣有利基因利用：應(yīng)用分子育種手段，挖掘和利用野生種的遠(yuǎn)緣優(yōu)勢(shì)基因。野生稻中存在一些合乎人類需要的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗性基因，但因這些有利性狀可能與一些不利性狀緊密連鎖，應(yīng)用常規(guī)育種方法可能難以利用。應(yīng)用胚胎拯救和分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)尋找和利用野生稻中的優(yōu)勢(shì)基因還大有潛力可挖。轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)緣有利基因到水稻也是實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)育種的有效手段。

抗除草劑基因是植物基因工程最早涉及的研究領(lǐng)域之一，也是比較成功的植物基因工程。抗除草劑基因轉(zhuǎn)水稻的目的之一是獲得抗除草劑水稻品種，應(yīng)用于直播稻田，可以省時(shí)、省工地去除稻田雜草和雜稻。目的之二是抗除草劑基因作為一個(gè)遺傳標(biāo)記導(dǎo)入兩系或三系雜交稻中的恢復(fù)系品種，使恢復(fù)系品種獲得抗除草特性，用以配制雜交稻組合。至今廣泛應(yīng)用的抗除草劑基因有Bar基因和EPSPS基因。Bar基因從潮濕霉菌中分離克隆，它編碼草丁膦乙酰轉(zhuǎn)移酶，對(duì)除草劑草丁膦有高度的專一性，能解除草丁膦的毒性。EPSPS基因編碼5-烯醇丙酮酰草酸-3-磷酸合成酶，對(duì)除草劑草甘膦有專一性解除對(duì)綠色植物的毒害作用。國(guó)內(nèi)外有許多研究已將上面兩個(gè)基因?qū)攵鄠€(gè)水稻品種和雜交稻組合，選育出抗草丁膦或草甘膦的轉(zhuǎn)基因水稻，并配制和選育出抗除草劑轉(zhuǎn)基因雜交稻組合，已進(jìn)入大田試種達(dá)到生產(chǎn)上推廣應(yīng)用要求。（作者單位分別為：延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)系；延邊州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院水稻所）