农作物抗除草剂草丁膦基因的发展进程

何少海 郑叶平 严景城 吴必波 沈巩彦

1.浙江农林大学农业与食品科学学院; 2.浙江海洋学院经济与管理学院

在当前科学技术高速发展和转基因技术不断成熟的情形下，为解决劳动力成本高，农业产值相对较低的现实问题。为适应农业技术的革新和农业现代化进程提供了技术依托。如何防治杂草以及提高农业生产效率和产值已经成为亟待解决的问题，农作物抗除草剂基因的转化受到越来越多科学家的青睐。草丁膦作为转基因筛选具有简便、高效、快速、适应性强等优点。目前已经被广泛应用于转基因科学研究中。 李国圣等利用基因枪法将als 基因导入了玉米丛生芽组织块，朱常香等利用基因枪将bar 基因导入了玉米自交系的幼胚， 均获得了抗除草剂基因玉米自交系[1,2]。吴爱忠等[3]以含Bar 基因的pAHC20 为供体DNA，利用花粉管导入法培育抗除草剂的转基因水稻。本文主要通过分析抗草丁膦除草剂的技术应用和当前抗草丁膦转基因技术发展现状，这对当前抗除草剂转基因技术的发展有着抛砖引玉的作用。

一、草丁膦毒害机理及抗草丁膦基因表达

草丁膦（PPT）是低毒、广谱的有机磷类除草剂。除草剂草丁膦的有效成分为膦丝菌素（PPT），是谷氨酰胺合成酶的一种强力抑制剂。谷氨酰胺合成酶是植物体内唯一能解氨毒的酶，它能够去除植物体内硝酸还原反应、氨解反应和光呼吸过程中所释放的氨。 草丁膦通过抑制谷氨酰胺合成酶活性，使植物体内氨代谢混乱，细胞体内氨的含量过高而中毒，叶绿素解体，最终引起植物死亡[4]。 草丁膦的抗性bar 基因来自土壤吸水链霉菌， 它编码膦丝菌素乙酰转移酶（PAT），PAT 使PPT 发生自由氨基乙酰化从而对其进行解毒，使之不能抑制谷氨酰胺合成酶的活性，因而含有bar 基因的植物对草丁膦具有抗性。 草丁膦使得杂草氨基酸合成途径受影响而死亡，而具有抗草丁膦基因的目标作物可以存活。

二、草丁膦基因的研究进程与总结

1986 年转基因农作物首次获准进入田间试验和1994 年第一个转基因的植物产品在美国获准上市。研究表明， 抗除草剂农作物在转基因作物中应用最广。 水稻的转基因研究开始于20 世纪80 年代末期， 由于耕地的不断减少以及人口的持续增加，化肥和农药的不合理使用，从而依靠传统农业技术获得水稻高产很难，因此转基因技术受到了很多的关注与研究。

基因枪法、农杆菌介导法是目前研究较多、应用较广的基因转化法[5]。 转基因科学研究主要以农杆菌介导法和基因枪法为主。转基因水稻主要向由我国学者们提出的培育绿色超级稻的方向发展。油菜作为主要的油料作物，抗草丁膦基因油菜是在油菜转基因研究中研究最多、应用最广的技术，主要是由于其具有广普、高效、低毒、低残留和环境友好等优点。 因此抗草丁膦油菜已经成为商业化和研究的热点。抗草丁膦（Glyphosate） 转基因大豆是由美国Monsanto 公司研制，并得到了迅速发展。 中国市场上的大豆基本以转基因大豆为主，这与中国加入世界贸易组织后美国大豆入侵中国市场有着密切关系。转基因抗虫棉是目前转基因产品在市场上最受欢迎的。主要农作物转基因研究进展相当快，但转基因食品尤其是转基因水稻对人类安全性的论证还需要很多的科学研究和科学依据。

三、草丁膦基因的优缺点与展望

对于农业生产而言，抗除草剂草丁膦转基因作物的栽培会大大减少劳动成本，解放劳动力，为农业现代化建设提供技术支撑，这将促使现代农业生产技术的重大变革。 从科学技术方面，日渐成熟的基因转化体系与技术， 专家学者们获得了一大批转基因材料，很多重要的基因被发现和定位，这有力地推动了基因科学的发展与完善。

然而抗除草剂转基因作物虽然可以抵抗杂草，但是长期使用可能会使杂草产生抗性， 成为超级杂草，这对生态的平衡可能产生毁灭性打击；转基因技术是人为的将外源基因导入目标作物上，可能会产生基因污染问题， 这对自然发展和自然基因库的影响很大，有可能给自然带来毁灭性灾难；对转基因毒性问题还有待深入研究。 但巴西豆过敏事件、转基因马铃薯引起大鼠器官生长异常等健康问题对转基因作物的推广有着很大的阻力。 最为之可怕的食用转基因食品，有可能使被转基因DNA 侵入人体细胞， 产生病原病毒。

当前，转基因技术是当前科学技术发展的热点和重点。如何更好的利用这一新兴技术造福人类是所有专家学者的共同目的。 2014 年9 月28 日，国家主席习近平对转基因技术提到自己的看法。 一是确保安全，二是要自主创新。 也就是说，在研究上要大胆，在推广上要慎重。转基因农作物产业化、商业化推广，要严格按照国家制定的技术规程规范进行， 稳扎稳打，确保不出闪失，涉及安全的因素都要考虑到。 要大胆创新研究，占领转基因技术制高点，不能把转基因市场都让外国大公司占领了。这对当前转基因技术的发展可能会起到重大推动作用。 作为一个新兴事物，未来转基因技术的发展方向必定是朝着健康的方向发展。抗草丁膦除草剂转基因技术在农业生产方面会越来越广泛，极大的提高了农业产值和生产效率，将会推动农业的技术性革命。 商业化的推广种植，对解决环境恶化、资源匮乏、效益衰减、缓解粮食短缺压力有重大的作用。 利用转基因技术定向改造植物，打破物种界限，加快了良种选育的过程，充分利用了自然遗传资源，这对提高作物抗性和产量以及品质有着重大影响。

抗除草剂转基因的技术发展日渐成熟，但是还需要一套严谨的检测与监督程序测定转基因作物的安全性，才能确保转基因作物的推广与长久发展。 现今抗草丁膦基因已经导入在大豆、水稻、棉花等主要农作物。 在建立起一套完善的检测技术后，抗草丁膦除草剂转基因技术将给农业技术带来巨大的效益。抗草丁膦除草剂基因有望在主要农作物防治杂草中大放异彩，也将会大大减少杂草危害以及农药化肥污染浪费，对美化生态环境起到了重要的作用。

[1]李国圣，张卿伟，张举仁等.玉米丛生芽体系的建立及抗除草剂转基因植株再生[J]. 中国科学 （C 辑）,2001,31（5）：385-391.

[2]朱常香，宋云枝，张杰道等.抗虫、抗除草剂转基因玉米的获得及遗传研究[J].山东农业大学学报：自然科学版,2002,33（2）：120-125.

[3]吴爱忠，蔡润，潘俊松等. 花粉管导入法培育抗除草剂的转基因水稻[J]. 上海农学院学报,1999,17(4):237-241.

[4]张宏军，刘学，张佳等. 草铵膦的作用机理及其应用[J].农药与科学管理，2004, 25(4): 23-27.

[5]王玉林，方宏筠. 植物基因工程原理与技术[M].北京:科学出版社，1998:194-33.