玉米转基因技术研究现状及发展趋势

张彦琴

(山西省农业科学院旱地农业研究中心，山西太原030031)

玉米作为世界上三大粮食作物之一，又是重要的粮食、饲料作物，同时也是现代工业的重要原料，其在农业生产中占有非常重要的地位。随着世界人口的不断增长和畜牧业、工业的发展，玉米的总需求量将不断攀升，其生产面临巨大挑战。一直以来，玉米育种学家已经采用常规育种方法，培育出了很多优良杂交种，并且对农业生产作出重大贡献。但玉米的常规遗传改良育种方法存在优良亲本自交系当选率低、育种周期长、遗传连锁难以打破、优良组合预见性差等缺点。而转基因技术在植物育种中的应用，取得了常规育种方法难以达到的效果和效益，随着转基因技术的快速发展，它已经成为作物育种的重要辅助手段，成为农业生物技术的核心领域。近年来，玉米作为转基因技术的主要研究对象，已经受到各国科学家的广泛关注。1990年Gordon-Kamm等［1］首次获得可育的转基因玉米后，相继又有许多实验室成功应用基因枪、电击、农杆菌介导等技术将外源基因导入到玉米细胞中，获得了可育的转基因玉米植株。

1 玉米转基因技术研究现状

玉米的基因导入方法主要包括两大类:根癌农杆菌介导转化和DNA直接导入转化。DNA直接导入转化方法包括基因枪法、电击法、花粉管通道法、聚乙二醇导入法、阳离子转化法、子房注射法等。其中，基因枪法是玉米遗传转化中应用最多且效果最好的方法。

1．1 农杆菌介导转化法 农杆菌介导转入法是目前转基因技术最常用的一种方法。根癌农杆菌属根瘤菌科，是一种能够侵染双子叶植物及部分单子叶植物根或茎部伤口使之形成冠瘿瘤的革兰氏阴性杆菌［2］。根癌农杆菌通过其含有的Ti质粒DNA直接转到植物基因组上而使植物得到转化，因此，农杆菌是一种天然的植物基因转化系统。农杆菌在双子叶植株中的转化已经非常成功，但由于玉米等单子叶植物不是农杆菌的天然寄主，单子叶植株转化研究落后于双子叶植株。1987年Bytebier等［3］利用农杆菌Ti质粒转化成功首株单子叶植物石刁柏。1990年Gould等［4］用农杆菌成功转化玉米茎尖组织，并且能够遗传到R1代。

1．2 基因枪法 基因枪法又叫微弹轰击法，其原理是携带了外源基因的金属微弹在高压所产生的推力下高速穿透植物组织或受体细胞，从而使外源基因导入到受体细胞核并整合到植物基因组中实现遗传转化的过程［5］。该技术也是植物转基因技术中常使用的方法之一。基因枪法受体类型广泛，凡是能被基因枪微弹穿透的组织都可以作为其转化的受体，但是具有潜在分化能力的受体细胞更容易接受外源DNA，且转化率更高。该方法的优点不受基因型的限制，缺点是由外源基因整合的拷贝数多、稳定性差。

1987年美国康奈尔大学Sanford等［6］最先建立了基因导入的方法。1989年Klein等［7］第一次将基因枪法应用到玉米转化中并获得了成功。1994年赵天永等［8］利用基因枪法将GUS基因导入到玉米茎尖组织。Wan等［9］利用基因枪法将pat和GUS基因转入玉米I型愈伤组织。

1．3 花粉管通道法 花粉管通道法原理是植物授粉后，将外源DNA沿花粉管渗入、经珠心通道进入胚囊，从而转化尚不具备正常细胞壁的卵、合子或早期胚胎细胞［10］。花粉管通道法是针对玉米的开花习性、花器结构和受精过程采用的一种全新的外源基因导入方法。该方法不受植株基因型限制，可以将任何品种的外源基因导入，直接运用到常规育种中;操作简便，无需建立愈伤组织诱导，易于实现规模化转化;经济适用，省时省力，成本低。

花粉管通道法最初是由周光宇等［11］提出并发展起来的，他首先在棉花的基因转化上获得成功。祁永红等［12］利用花粉管技术将外源总DNA成功导入到玉米自交系，获得了广泛变异不同类型的自交系。

1．4 其他方法 除上述3种导入方法外，还有聚乙二醇导入法、电击法、超声波介导法、阳离子转化法、子房注射法等，都是转基因玉米研究中使用过的导入方法，且都有成功的报道。

2 转基因技术在玉米中的应用

2．1 抗除草剂转基因玉米 除草剂是现代农业育种中不可缺少的一部分，其对节省劳动力、提高劳动效率、保护土壤结构等方面起到了较好的作用，但除草剂也会不同程度地对农作物造成一定的伤害，且玉米对除草剂极为敏感。因此，筛选出对各种除草剂有超强抗性的基因整合到玉米中，培育出新型的抗除草剂转基因玉米是控制杂草的高效、低成本、无公害新手段。

目前，就世界范围看，抗除草剂转基因玉米已经进入了商业性生产，国外一些转基因育种公司都推出了抗除草剂转基因玉米品种，包括美国孟山都公司的抗草甘膦玉米、艾格罗公司的抗草铵膦玉米、氢氨公司的抗咪唑啉酮玉米等。

2．2 抗虫转基因玉米 虫害是导致玉米减产的一个重要因素，目前，化学杀虫剂是控制玉米虫害的主要方法，但化学杀虫剂不仅杀死害虫，也杀死了害虫的天敌，长此以往，环境污染日益严重，生态平衡遭到破坏。其次，化学杀虫剂还会导致玉米中有农药残留、害虫产生抗药性等负面问题。抗虫转基因玉米是解决杀虫剂负面影响的有效方法。目前，Bar基因在抗除草剂基因中应用最广泛。

Schnepf等［13］首次从苏云金芽孢杆菌成功地克隆了一个编码杀虫晶体蛋白的毒蛋白Bt基因。1996年，Bt基因玉米正式进入商品化生产，截止目前，已商业化种植了很多抗虫转基因玉米。2003年，美国孟山都公司引入了防治鳞翅目害虫的抗虫基因cry1Fa2和抗根叶甲虫防治基因cry3Bb1。中国农业大学刘桂玲等［14］将Bt基因转入玉米获得抗虫转化体，且在后代分离出了能正常遗传的家系。王国英等［15］利用基因工程法成功把Bt基因导入到玉米幼胚中，Cry1A(b)基因在再生植株中得到表达，育成了稳定的抗虫转基因玉米。王景雪等［16］利用花粉管通道法分别将Bt毒蛋白基因和几丁质酶基因导入玉米。

2．3 抗病转基因玉米 影响玉米生长的病害主要可分为三大类:病毒性病害(玉米粗缩病、矮花叶病等)、真菌性病害(玉米纹枯病)和细菌性病害［17］。这些病害也是导致玉米品质和产量下降的重要因素之一。研究发现，玉米抗矮花叶病毒能力与矮花叶病毒外壳蛋白基因互补的hpRNA发夹结构的长度有关［18］;大肠杆菌的核糖核酸内切酶基因能有效增强玉米对粗缩病的抗性［19］;沉默胱抑素基因(CC9)对玉米黑粉病有一定的抗性［20］;兔防御素基因(NP－1)转入玉米可有效防治玉米大斑病［21］。

2．4 抗旱、耐盐转基因玉米 我国水资源紧缺，多数为干旱和半干旱土地，甚至有大片盐渍土壤，因此，提高玉米抗逆性，培育抗旱、耐盐转基因玉米是保证玉米稳产的一个重要手段。何锶洁等［22］将甜菜碱醛脱氢酶基因导入玉米中，获得耐盐植株;刘岩等［23］将大肠杆菌6-磷酸山梨醇脱氢酶基因导入玉米，转化体可在2%盐浓度中生长;任晓燕等［24］将山菠菜胆碱单加氧酶(AhCMO)导入玉米自交系，玉米耐盐性明显提高;Amara等［25］在玉米中大量表达的LEA Rab28蛋白，Wang等［26］转入玉米的编码磷脂酰肌醇磷脂酶ZmPLC1基因，玉米的抗旱性增强。

2．5 改良玉米品质 转基因玉米还可改良玉米品质，Bicar等［27］利用基因枪法在玉米自交系中导入a-lactalbumin基因，提高了玉米胚乳中醇溶蛋白的含量;关淑艳等［28］利用花粉通道法导入sbe2a基因，提高了玉米胚乳中直链淀粉的含量;丁明忠等［29］将大豆总DNA导入玉米，提高了玉米种子中的蛋白质含量;张秀君等［30］将马铃薯花粉特异水溶性蛋白的cDNA导入玉米，提高了玉米种子干重中的赖氨酸含量。

利用基因工程技术对玉米进行分子育种，除在抗除草剂、抗虫、抗病、抗旱、改良玉米品质等方面进行探索，获得预期效果外，还在获得高蛋白基因、雄性不育基因、抗寒基因等方面作了研究。

3 玉米转基因技术研究发展趋势

3．1 发展多基因转化和基因聚合的技术 发展玉米多基因转化和基因聚合技术，使其具有复合性状是未来玉米转基因技术研究的明显特点。孙越等［31］将 cry1AcM、epsps、GAT、ZmPIS基因同时导入玉米，获得了兼抗虫、抗除草剂、抗干旱优良复合性状的转基因玉米新材料。

3．2 发展基因打靶或基因定点重组技术 由于转基因技术插入位点和插入拷贝数的不确定性，基因表达效果不可预知。基因打靶技术可使外源基因定点整合到核基因组上，避免基因随机插入导致的表达不确定性和对原基因组的损害，该技术避免了传统育种步骤的繁琐，可快速精确培育出新品种。但该技术打靶效率低，目前，可利用嵌合寡核苷酸介导单碱基置换、利用高效正负筛选同源重组子或利用ZFNs在染色体DNA上引入定点断裂，促进同源重组介导的基因定点整合和置换。

3．3 发展安全的转化系统 转基因玉米的安全问题涉及目的基因及整合基因，整合基因的安全性主要是筛选标记的安全性。近年来，人们越来越重视这些筛选标记基因对生态系统和人类的影响。因此，培育无选择标记的转基因玉米将是未来发展的方向。

4 小结

转基因育种是一项复杂的工程，还需要不断完善转基因技术，从扩大群体、淘汰选择最终向着精确插入、稳定表达的方向研究。相信，随着更多高价值基因的发现、育种转化技术的发展以及政府政策和监督管理制度的完善，转基因玉米将会更好地服务于农业生产。

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