水稻转基因育种研究进展

水稻转基因育种研究进展

刘凯，唐红生，严国红，王爱民，孙明法*

(江苏沿海地区农业科学研究所，江苏盐城224002)

摘要:通过对转基因技术在水稻抗虫、抗病、抗逆、米质改良及水稻株型等方面的研究进展所作的综述,指出了目前转基因水稻研究中存在的有关问题及今后的发展方向。

关键词：水稻；转基因；育种；研究进展

收稿日期：2015-05-21

基金项目：江苏省农业科技自主创新基金。

作者简介：刘凯(1984-)，男，助理研究员，主要从事水稻分子育种工作；E-mail：liukai11121@163.com。

通讯作者：*孙明法(1966-)，男，研究员，主要从事水稻遗传育种工作。

20世纪下半叶以来，随着分子生物学研究的不断发展，以此为核心的生物技术已成为我国农业发展的战略抉择，其中基因工程作为一门综合性的高新技术，已经被广泛应用到水稻育种中。利用植物基因工程原理和技术，克隆出目的基因，然后转化到水稻外植体中，从而实现水稻品种的改良。该技术相对于常规水稻育种来说，既省时，又能够有效地达到既定目标。水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，自1988年首次获得可育的转基因水稻以来，通过转基因技术已经可以将一些抗病、抗虫、抗除草剂、抗旱及耐盐等基因转入水稻，因而水稻转基因育种研究取得了一定的进展。

1水稻基因工程育种

1.1　水稻品质转基因研究

Zheng等[1]将菜豆种子蛋白质基因导入水稻中表达，转基因水稻种子中蛋白质含量增加4%。胡昌泉等[2]采用农杆菌介导法将可溶性淀粉合成酶基因(SSS)和淀粉分支酶基因(SBE)导入籼稻恢复系明恢86中，导致稻谷直链淀粉含量大幅度降低。叶红霞等[3]将豌豆铁蛋白基因(Fer)转入水稻品种“秀水11”中，获得Fer34和Fer65两份富含铁元素的转基因种质材料，其精米铁含量分别为野生型的4.82倍和3.46倍，并且对植株重要农艺性状、其他矿质营养、精米外观和食用品质等均无明显的负作用。

1.2　抗虫转基因水稻研究

目前水稻抗虫性改良的外源基因主要有苏云金杆菌杀虫结晶蛋白基因(Bt基因)、昆虫蛋白酶抑制剂(PI基因)和植物凝集素基因3种。其中Bt基因是水稻上应用最成功的抗虫基因,它可以有效控制水稻鳞翅目昆虫的危害。Ye等人[4]采用根癌农杆菌介导将绿色组织特异性表达的rbcS基因启动子驱动下的cry1C基因导入粳稻品种“中花11”，获得了高效抗虫且Bt蛋白仅在绿色组织中高效表达的转基因株系。在转基因植株中，Bt蛋白仅在害虫攻击的绿色组织部位如茎秆和叶片中高效表达，保护水稻不受害虫伤害；而在水稻的食用部位胚乳中几乎不表达。Chen和Tang等[5-6]分别培育了转人工合成的cry2A和cry1C基因的水稻。田间实验表明,转cry2A和cry1C基因的水稻表现出了对螟虫的高度抗性。同时，转cry2A和cry1C基因的水稻还为发展双价Bt水稻提供了新的种质资源材料。孙小芬等[7]通过基因枪转化的方法将GNA基因转入到水稻中，并获得了纯合的转基因水稻家系，转基因株系中抗虫蛋白GNA高度表达，经褐飞虱接种鉴定,可显著降低褐飞虱存活率和繁殖力，减少褐飞虱的进食量、延缓其发育进度。相对我国水稻育种抗虫资源较为贫乏来说，转基因技术为抗虫育种提供了一条新的途径。

1.3　抗病转基因水稻研究

抗病转基因水稻包括转抗病毒基因、抗真菌病害基因和抗细菌病害基因。目前国内外学者已经在这几个领域取得了一定进展。转基因抗真菌病害通常采用的策略是在水稻中过量表达病程相关蛋白，冯道荣等[8]将水稻碱性几丁质酶基因RC24、RCH10，水稻酸性几丁质酶基因RAC22和苜蓿β-1，3-葡萄糖酶基因利用基因枪法转化水稻，获得了高抗稻瘟病和纹枯病的转基因株系，其中“中大一号”对广东地区最具代表性的40个菌株的抗性达到100%；彭昊等[9]将具有广谱抗病作用的葡萄糖氧化酶基因(GO)转入粳稻品种“日本晴”，抗病性鉴定表明，所得转基因水稻对稻瘟菌具有良好的抗性。翟文学等[10]采用农杆菌介导法将Xa21基因转入水稻，获得了对白叶枯病具有抗性的水稻株系明恢63和珍汕97B等杂交稻恢复系和保持系，结果表明这2个转基因杂交稻具有优良的广谱抗性，抗谱与Xa21基因供体IRBB相同。

1.4　抗非生物逆境转基因水稻研究

吴亮其等[11]将拟南芥的δ-OAT基因转入水稻品种中，得到δ-OAT基因过表达的转基因水稻株系，与对照相比，转基因水稻的耐盐能力明显提高。Jang等[12]研究了大肠杆菌海藻糖合成基因在转基因水稻中的作用，他们把编码双功能融合蛋白的基因TPSP转入水稻后发现，由于海藻糖的积累使转基因水稻提高了对干旱、盐和寒冷胁迫的抗性。Hou等[13]在水稻中超量表达OsSKIPa使转基因植株在成株期对干旱胁迫的耐受性比对照增强2～4倍，通过对超氧化物歧化酶(SOD)比活力和丙二醛含量的测定，发现OsSKIPa超量表达可以提高转基因水稻对活性氧的清除能力，干旱胁迫后OsSKIPa超量表达转基因植株中一些抗逆相关基因的表达量显著高于相同处理条件下的野生型对照。

除上述外，转其它基因的水稻研究也较多，包括转抗除草剂基因，转C4合成关键酶基因，转叶片衰老延迟基因等；如Ku等[14]发现将玉米PEPC基因转入水稻，降低了转基因水稻光合作用的光氧化抑制，提高了光合效率。此外利用转基因技术培育出可减少血清胆固醇含量和防止动脉硬化等水稻保健新品种。

2转基因水稻存在的问题

2.1　转基因水稻研究处于实验室阶段，离生产需求还有很大距离

目前由于水稻转基因研究还主要停留在实验室研究阶段，可以直接利用的基因依旧很少，有关品质、抗逆、抗病、生育期、产量等基因还有待进一步的开发研究。此外，将外源基因转入到水稻品种，由于基因沉默或者目的基因在受体中的低效表达，难以获得稳定高效的转基因植株，阻碍了转基因技术在水稻研究上的推广应用。

转基因技术作为一种育种手段，仅仅只是育种工作中的一个环节，仍然离不开常规育种技术手段的支持。在水稻的转基因育种中，分子生物学家只有很好地与水稻常规育种家相结合，才能培育出真正能应用于大田生产的水稻新品种。

2.2　转基因水稻安全性问题

虽然转基因大豆、棉花、玉米等主要农作物在10多年前就实现了商品化，但是转基因水稻的商品化目前依然进展缓慢，主要原因是人们对转基因水稻的安全性仍存在较大顾虑，转基因漂移、抗虫转基因作物对非靶标生物的伤害[15]及对土壤生物群落的影响、转基因作物自身杂草化和转基因作物是否有害于消费者的健康等问题阻碍了转基因水稻的商品化生产[16]。

3展望

虽然转基因水稻遗传改良已取得较大进展，但是针对以上问题，我们通过建立或健全科学、合理、公正的安全性问题评价体系，对转基因水稻进行受体植物安全性、外源基因的扩散以及转基因产品释放地点的风险评估，加大对转基因食品安全的科学报道，引导人们对转基因安全理性的认识[17]，将消除人们在转基因作物安全性问题上的顾虑。同时我国是农业大国，人口密集，生产技术落后，资源能耗过高，因此国家对转基因水稻生物安全研究的大力投入及技术革新，势必会加快相关方面的研究，从而使转基因水稻朝着有利于人类生存与发展的方向前进。

参考文献：

[1]Zheng Z, Kazuhiko S, Kuniduke T. The bean seed storage protein B-Phaseolin is synfheized, processed, and accumulated in the vacuolar type-II protein bodies of transgenic rice endosperm [J].Plant Physiology, 1995,109 (3):777-786.

[2]胡昌泉, 徐军望, 苏军, 等.农杆菌介导法获得转可溶性淀粉合成酶基因籼稻[J]．福建农业学报,2003,18(2):65-68.

[3]叶红霞, 郭泽建, 舒庆尧, 等.两份转Fer基因富铁水稻特异种质应用价值的初步评价[J].中国水稻科学,2007,21(3): 270-274.

[4]Ye R, Huang H, Zhou Y, et al. Development of insect-resistant transgenic rice withcry1Cfree endosperm [J]. Pest Management Science, 2009,65(9):1015-1020.

[5]Chen H, Tang W, Xu C G, et al. Transgenic indica rice plants harboring a syntheticcry2Agene of Bacillus thuringiensis exhibiten-hanced resistance against lepidopteran rice pests [J].Theoretical and Applied Genetics, 2005, 111 (7):1330-1337.

[6]Tang W, Chen H, Xu C G, et al. Development of insect-resistant transgenic indica rice with a syntheticcry1Cgene [J]. Molecular Breeding, 2006,18(1):1-10.

[7]孙小芬, 唐克轩, 万丙良, 等.表达雪花莲凝集素(GNA)的转基因水稻纯系抗褐飞虱[J].科学通报,2001,46(13):1108-1113

[8]冯道荣, 许新萍, 李宝健, 等.使用双抗真菌蛋白基因提高水稻抗病性的研究[J].植物学报,1999,41(11):1184-1191.

[9]彭昊, 王志兴, 窦道龙, 等.由根癌农杆菌介导将葡萄糖氧化酶基因转入水稻[J].农业生物技术学报，2003,11(1):16-19.

[10]翟文学, 李晓冰, 朱立煌,等.由农杆菌介导将白叶枯病抗性基因Xa21转入我国的5个水稻品种[J].中国科学(C辑),2000,30(2):200-206.

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[12]Jang I C, Oh S J,Seo J S,et al.Expression of a bifunctional fusion of the Escherichia coligenes for trehalose-6-phosphate synthase andtrehalose-6-phosphate phosphatase in transgenic rice plants increases trehalose accumulation and abiotic stress tolerance without stunting growth[J]. Plant Physiology, 2003,131(2): 516-524.

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[15]刘利丹, 于磊, 赵明杰. 扑朔迷离的转基因安全之争[J].医学与哲学,2014(11A)：13-17.

[16]马丽莲, 郭龙彪, 钱前.转基因水稻安全性评价的内容[J].中国稻米,2004(5):48-49.

[17]王磊，李晓兰. 我国转基因食品安全的伦理问题[J].安徽农业科学,2014,42(33)：11854-11856.

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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