一個轉(zhuǎn)基因作物的誕生

多數(shù)人并不了解轉(zhuǎn)基因是如何操作的。這個聽起來神秘的技術(shù)到底是什么？人們又是怎樣把來自不同物種的基因插入目標(biāo)生物中？轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品都轉(zhuǎn)入了什么基因？

什么是轉(zhuǎn)基因

基因是染色體上的DNA片段。DNA又稱脫氧核糖核酸，形狀像兩股螺旋的樓梯，它是生物體遺傳信息的載體，決定著生物體的性狀，并把遺傳信息傳遞給下一代。

基因轉(zhuǎn)移在自然界中廣泛存在，植物界的異花授粉是物種內(nèi)基因轉(zhuǎn)移的典型現(xiàn)象。這種種內(nèi)基因交流現(xiàn)象便是雜交育種的生物學(xué)基礎(chǔ)，人們通過干預(yù)植物的授粉活動，將需要的性狀的基因組合到一起，并通過一代代的人工選擇，使雜交得到的性狀組合得以穩(wěn)定遺傳，形成新的品種。

除了種內(nèi)的基因轉(zhuǎn)移外，自然界還存在一種特殊的物種間的基因轉(zhuǎn)移。這種基因轉(zhuǎn)移多由病毒或者細(xì)菌感染產(chǎn)生。病毒可以插入宿主細(xì)胞的DNA鏈中，并正常表達(dá)，一些細(xì)菌的質(zhì)粒也具有類似病毒的功能。農(nóng)桿菌侵染植物傷口的過程就是物種間基因轉(zhuǎn)移的典型案例。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)便模仿這種自然界的物種間基因轉(zhuǎn)移，利用基因工程的手段，人為的把外源基因（可以是同種不同植株中的基因，也可以是種外基因）整合到目標(biāo)生物體中，使后者獲得新的性狀，并能把這些性狀遺傳下去。例如，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉，是把微生物體內(nèi)的抗蟲基因轉(zhuǎn)移到普通棉花中，使棉花可以產(chǎn)生一種針對棉鈴蟲的蛋白質(zhì)，避免植株葉片被蟲子啃噬，從而達(dá)到抗蟲的效果。

與常規(guī)育種技術(shù)相比，轉(zhuǎn)基因育種在技術(shù)上較為復(fù)雜，要求也很高，但是具有常規(guī)育種所不具備的優(yōu)勢：拓寬可利用的基因資源，為培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗優(yōu)良品種提供了嶄新的育種途徑，可以對植物的目標(biāo)性狀進(jìn)行定向變異和定向選擇，可以大大提高選擇效率，加快育種進(jìn)程，此外，還可將植物作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥物等生物制品。

如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因

一個轉(zhuǎn)基因作物的誕生一般要經(jīng)過以下流程：

首先要選擇需要的性狀，并找到相關(guān)性狀的基因編碼。然后將需要的基因分離出來，建構(gòu)到合適的載體上。然后通過中間介質(zhì)或物理方式導(dǎo)入目標(biāo)體，進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成轉(zhuǎn)化體。再通過用作標(biāo)記的抗性性狀篩選，選出成功表達(dá)外源基因的植株。

載體介導(dǎo)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)是最常見的轉(zhuǎn)基因方法：將外源基因重組到合適的載體系統(tǒng)，通過載體將攜帶的外源基因?qū)胫参锛?xì)胞，整合在核染色體組中并隨核染色體復(fù)制和表達(dá)。農(nóng)桿菌Ti質(zhì)粒或Ri質(zhì)粒介導(dǎo)法是迄今為止植物基因工程中應(yīng)用最多、機(jī)理最清晰、最理想的載體轉(zhuǎn)移方法。農(nóng)桿菌細(xì)胞Ti質(zhì)粒上有段T-DNA，農(nóng)桿菌侵染植物傷口進(jìn)入細(xì)胞后，可將T-DNA插入植物基因中。人們將目的基因放入經(jīng)過改造的T-DNA區(qū)，借助農(nóng)桿菌的感染實(shí)現(xiàn)外源基因向植物細(xì)胞的轉(zhuǎn)移與整合。除了使用中介外，外源基因還可以通過物理方法直接進(jìn)入植物細(xì)胞。基因槍是通過動力系統(tǒng)將帶有基因的金屬顆粒（金粒或鎢粒）射進(jìn)植物細(xì)胞，獲得轉(zhuǎn)基因植株。

利用植物開花、授精過程中形成的花粉管通道，在授粉后向子房注射目的基因的DNA溶液，也可將外源DNA導(dǎo)入受精卵細(xì)胞。

在將外源基因?qū)肽繕?biāo)植物細(xì)胞后，還需要確定細(xì)胞是否能正確表達(dá)外源基因并將其穩(wěn)定遺傳。只有少部分細(xì)胞能將外源基因整合到核基因組，而整合后能夠成功表達(dá)的細(xì)胞更是少數(shù)。因此在轉(zhuǎn)基因操作中，常使用特異性選擇標(biāo)記基因進(jìn)行標(biāo)記，以便有效地選擇出真正的轉(zhuǎn)化體。抗生素抗性基因與除草劑抗性基因常用作選擇標(biāo)記基因，與目標(biāo)基因在同一載體上標(biāo)記轉(zhuǎn)化體。標(biāo)記基因在受體細(xì)胞表達(dá)，使轉(zhuǎn)化細(xì)胞具有抵抗相應(yīng)抗生素或除草劑的能力而存活下來，非轉(zhuǎn)化細(xì)胞則被抑制，殺死。

有了合適的轉(zhuǎn)化體，就可以進(jìn)入安全性評估和育種試驗(yàn)。通過轉(zhuǎn)基因的方法往往難以直接獲得理想的品種，轉(zhuǎn)基因個體面臨著外源基因失活、純合致死、花粉致死、其他性狀變化等問題。因此人們往往結(jié)合雜交等常規(guī)育種手段進(jìn)一步篩選，最終選出綜合性狀優(yōu)良的轉(zhuǎn)基因品種。

轉(zhuǎn)入的外源基因有何功能

2000年，已獲得轉(zhuǎn)基因植株的物種達(dá)上百種，其中包括重要的糧食作物如水稻、小麥、玉米、大豆和馬鈴薯等；經(jīng)濟(jì)作物如棉花、油菜、向日葵和亞麻等；另外還有重要的蔬菜、牧草、花卉和部分木本植物（2000年數(shù)據(jù)）。在建立轉(zhuǎn)化體系的基礎(chǔ)上，人們已將許多具有重要價值的目的基因轉(zhuǎn)入植物。以下是轉(zhuǎn)基因植物育種的幾個主要方面。

抗病毒基因工程：抗病毒是植物基因工程早期比較成功的研究領(lǐng)域之一。20世紀(jì)90年代末起，轉(zhuǎn)基因抗病毒產(chǎn)品西葫蘆和番木瓜等多種作物被培育出來，并獲得商品化生產(chǎn)許可，其中抗病毒型番木瓜在美國廣泛種植。

抗蟲性基因工程：1996年，轉(zhuǎn)Bt基因（一種源自蘇云桿菌，被廣泛使用的生物殺蟲劑）的棉花、玉米和馬鈴薯已在美國獲得批準(zhǔn)進(jìn)行商品化生產(chǎn)，抗蟲玉米和抗蟲棉是推廣面積僅次于抗除草劑大豆的兩種轉(zhuǎn)基因作物。

抗除草劑基因工程：抗除草劑轉(zhuǎn)基因植物的研究在北美很受重視。在新大陸的幾個農(nóng)業(yè)大國中，抗除草劑作物被大面積種植。抗除草劑作物的出現(xiàn)是為了適應(yīng)大規(guī)模機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使生產(chǎn)者能以簡單、高效的方式進(jìn)行除草作業(yè)，并減少除草劑的使用種類和使用量。抗除草劑植物中轉(zhuǎn)入了抗特定除草劑的基因，理想狀態(tài)，生產(chǎn)者在除草作業(yè)時只需要用相應(yīng)的除草劑即可完成除草作業(yè)，不需要多種除草劑混合使用，或人工除草，節(jié)省了大量的人力。代表性作物為抗除草劑大豆、玉米和油菜。

抗真菌、細(xì)菌病害：研究者把抗菌肽基因轉(zhuǎn)入煙草和馬鈴薯，轉(zhuǎn)基因植株對細(xì)菌性病害——青枯病產(chǎn)生抗性，抗性比原品種提高1-3級。從20世紀(jì)末開始，人們陸續(xù)從植物材料中克隆出越來越多的優(yōu)良抗病基因，比如玉米抗圓斑病、番茄抗葉霉病、水稻抗白葉枯病等抗病基因。其中野生水稻抗白葉枯病的基因Xa21已被成功地轉(zhuǎn)入水稻栽培品種中，轉(zhuǎn)基因抗病水稻已進(jìn)入大田試驗(yàn)。

其他特殊要求：轉(zhuǎn)基因還應(yīng)用在一些要求特定目標(biāo)的育種領(lǐng)域。比如培育高抗逆性（抗旱、抗寒、抗鹽）、創(chuàng)造雄性不育、作物品質(zhì)改良（比較典型的是金黃大米，轉(zhuǎn)入了一種胡蘿卜素基因，改善大米營養(yǎng)），制造生物反應(yīng)器生產(chǎn)外源物質(zhì)（研究者試驗(yàn)開發(fā)一種轉(zhuǎn)基因西紅柿用來生產(chǎn)乙肝疫苗）等方面。