水稻转基因育种的研究进展与应用现状

刘志宏 田 媛 陈红娜 周志豪 郑 洁 杨晓怀

（1 深圳市农业科技促进中心，广东 深圳 518000；2 暨南大学食品科学与工程系，广东 广州 510632）

水稻（Oryza sativaL.）作为世界上重要的粮食作物之一，为世界超过1/3 的人口提供了主粮，全球种植面积约1.4 亿hm2[1]。“十二五”以来，我国水稻产量连续稳定在2 亿t 以上[2]。水稻作为我国的主要粮食作物，在我国粮食生产领域占据着十分重要的地位，水稻品种改良仍是保障种业持续发展和国家粮食安全的重点。党的十八大以来，习近平总书记高度关心我国种业安全与发展，强调要把民族种业搞上去[3]。如今，随着生物技术发展的不断深入，我国水稻种业迎来了全新的挑战和机遇。转基因技术相较于传统水稻育种技术，属于新兴生物育种技术，为水稻育种提供了新思路。转基因技术近年来发展迅速，国内外已成功商业化应用于多种农作物，如甜菜、大豆、玉米和棉花等[4]。本文重点概述转基因技术在水稻抗病虫相关育种领域的国内外研究进展和应用情况，同时探究转基因技术在我国水稻育种领域的发展前景。

1 转基因技术

1.1 国内外转基因作物发展现状转基因技术作为现代农业生物技术的核心组成部分，利用基因重组原理将一种生物的优良基因整合到另一种生物基因组中，使目标生物的基因得到优化并能进行表达和遗传，同时使目标生物获得优良性状，如抗虫性、抗逆性等[5]。

自1996 年首例转基因农作物商业化应用以来，发达国家纷纷把转基因技术作为国家战略重点以增强农业国际竞争力。截至2021 年，全球转基因作物产量已达1.9 亿hm2[6]，如表1 所示，各国之间的转基因作物种植情况差异较大。中美之间对于转基因作物研发应用及法规管理均有许多不同，美国在立法上对于转基因作物较为宽松，没有单独的转基因作物管理体制，在管理上禁止对转基因食品及种子进行强制标注。

表1 2019-2021 年主要国家转基因作物及种植面积[6]

表1 数据显示，我国转基因作物的种植面积较少，究其原因，主要是我国对转基因作物的相关管理十分严格，专门设有农业转基因相关法律法规。从2001 年实施《农业转基因生物安全管理条例》，到2022 年6 月新印发的《国家级转基因大豆品种审定标准（试行）》和《国家级转基因玉米品种审定标准（试行）》，一系列法律法规的印发，对中国转基因作物产业化的推进具有深远影响。

我国对农业转基因生物实行分阶段安全评价管理制度，按过程分为实验研究、中间试验、环境释放、生产性试验、申请安全证书等5 个阶段。这5 个阶段，缺一不可，在任何一个阶段发现任何一个对健康和环境不安全的问题，申请流程立即终止。依据《中华人民共和国种子法》《农业转基因生物安全管理条例》及《主要农作物品种审定办法》等法律法规的规定，转基因水稻品种获得安全证书后，还需通过品种审定，并获得种子生产经营许可证后，才可进入商业化生产应用。

自1997 年以来，我国仅对7 类农作物中的个别转基因作物品种发放了转基因生物安全证书（生产应用）。虽获得安全证书，但截至2022 年底，我国获批商业化种植的转基因作物仍仅有抗虫棉和抗病番木瓜，其余已发放安全证书的转基因植物均未大面积商业化生产应用。据农业农村部数据显示，2019 年我国转基因棉花和番木瓜种植面积达320万hm2，其中棉花占比约99%。除此之外，我国还批准了大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜、木瓜、甘蔗、苜蓿等国外研发的转基因作物产品作为加工原料进入市场。

1.2 水稻转基因技术水稻转基因技术方法主要是通过将外源基因转移到受体品种基因组中，经过筛选，从而获得含目标性状的水稻。常用的转化技术有PEG 介导法、电激法、农杆菌介导法、花粉管通道法及基因枪法等（表2），其中利用天然具有转化植物能力的革兰氏阴性菌根癌农杆菌进行介导是目前水稻转基因育种中最常用的方法[7]。

表2 主要水稻转基因技术方法

2 水稻转基因技术的应用

2.1 水稻抗虫性改良虫害是制约水稻生产的一个重要因素，常见的水稻害虫主要是鳞翅目类和同翅目。对于水稻抗虫性的改良，现有研究主要通过导入外源抗虫基因，使得水稻达到较好的抗虫效果，针对多种虫害进行共同抑制。外源抗虫基因主要有苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensisBerliner，简称Bt）杀虫蛋白基因（如晶体蛋白基因cry和营养期杀虫蛋白基因vip）、马铃薯蛋白酶抑制剂II 基因pinII、蛋白酶抑制剂基因（如豇豆胰蛋白酶抑制剂基因CpTI、修饰的豇豆胰蛋白酶抑制剂基因sck和大豆胰蛋白酶抑制剂基因SbTI）以及凝集素基因（如雪花莲凝集素基因GNA）[13]。

2.1.1 转基因苏云金芽孢杆菌（Bt）水稻育种我国在抗虫转基因水稻研究方面起步较早，处于世界领先地位，我国首例获农业部颁发安全证书批准商业化种植的转基因粮食作物就是转基因抗虫水稻[14]。苏云金芽孢杆菌（Bt）作为一种普遍存在的革兰氏阳性和孢子形成细菌，可产生各种杀虫蛋白。Bt转基因水稻是目前主流的抗鳞翅目害虫转基因水稻，其优点在于杀虫蛋白只与特定害虫体内的特异性受体结合才能激活杀虫活性，致使害虫死亡，对人体无害。并且，杀虫蛋白在人体胃肠道酸性条件下不宜存活[15]。1989 年Yang 等[16]首次研发出Bt水稻植物，1993 年Fujimoto 等[17]将Bt的截短δ-内毒素基因cry1A（b）导入抗虫水稻，转基因水稻在mRNA 和蛋白质水平上有效表达了修饰的cry1A（b）基因，从而有效抵抗卷叶螟和条纹螟害虫。转基因Bt水稻品系开始逐渐发展，我国自主研发的转cry1Ab/cry1Ac基因抗虫水稻华恢1 号于2009 年获得了我国的农业转基因生物安全证书，并且于2018年通过了美国食品和药品管理局的安全性审查程序[18-19]。不仅如此，我国还研发出了携带其他Bt杀虫基因（如cry2A、cry1Ac、cry9C等）的转基因水稻品系[20]。

近20 年的时间里，国际上Bt水稻作物的商业化为农民带来了巨大的利益，但与此同时，许多昆虫也对Bt毒性产生抗性。并且研究表明近10 年来，在国内棉铃虫和粉红棉铃虫对表达Cry1Ac 的转基因棉花也产生了抗性。对此，较好的解决方式就是通过基因堆叠策略，将两种或多种Bt毒素进行堆积，从而起到杀死害虫的作用。因为不同毒素的作用方式不同，毒素堆积方法不会引起交叉耐药性。Li 等[21]通过使用种内混合播种的方式研究转cry1Ab/cry1Ac基因抗虫水稻对螟虫、卷叶虫和飞虱的影响，研究发现将转基因Bt水稻与非转基因亲本系混合播种时，Bt水稻的混合比例越高，害虫抑制效率越高。陈耕等[22]通过转cry1Ab+cry1C双价抗虫水稻提高了水稻生长期全阶段对二化螟的抗性。Ling 等[23]利用农杆菌介导法将cry2A*及hpt基因导入籼稻后研究发现，就抗虫性角度来看，转基因水稻对条螟、黄螟和稻叶螟具有较高的抗性。Cui 等[24]研究发现将鳞翅目和同翅目两种危害水稻较为严重的抗虫基因同时导入水稻中，可以获得广谱性抗虫水稻。Xu 等[25]发现cry1Ab和Vip3A毒素融合蛋白转基因水稻对亚洲水稻螟的抗性提高。

2.1.2 其他外源抗虫基因水稻育种除Bt转基因水稻外，蛋白酶抑制剂基因、凝集素基因也能够有效防治害虫，但国内的相关研究较少。

蛋白酶抑制剂作为一类广泛存在于植物中的蛋白质，其中丝氨酸蛋白酶抑制剂主要影响鳞翅目害虫的蛋白酶，半胱氨酸蛋白酶抑制剂则通过抑制鞘翅目和半翅目昆虫消化蛋白酶影响植食性昆虫取食，达到防治害虫的目的[26]。蛋白酶抑制剂不易产生抗性，抗虫广谱性更强，能够弥补Bt杀虫谱窄的不足。自1993 年首次发现番茄中蛋白酶抑制剂能够有效降低烟草天蛾幼虫的生长速率以来[27]，蛋白酶抑制剂基因在农作物抗虫上的应用越发广泛。国内现有关于蛋白酶抑制剂基因转化水稻的研究，多是利用不同植物蛋白酶抑制剂基因实现抑制螟虫的目的[28]。

植物凝集素是一种碳水化合物结合蛋白，能够抑制甚至毒杀大部分昆虫。通过转基因技术将植物凝集素基因导入水稻中，使得水稻对同翅目害虫如蚜虫、稻飞虱等有明显抗虫作用。近年来，植物凝集素如半夏凝集素、天南星凝集素、雪花莲凝集素等基因已经成功导入水稻、小麦等农作物中[29-30]，获得了多种转基因抗虫植株。崔彦芹等[31]利用农杆菌介导法将半夏凝集素基因pta导入水稻恢复系辐恢838 中，获得抗虫效果较好的转基因水稻。

转基因抗虫水稻应用于农业生产，能够有效地降低劳动强度，节省大面积使用杀虫剂所需的成本，同时降低农药对益虫及农田生态的破坏，减少农药残留，对我国的水稻生产具有重要意义。我国转基因产品产业化遵循的是“非食用—间接食用—直接食用”原则，由于民众对转基因有疑虑和担心，社会上对转基因问题有争论，导致在国外市场通过商业化许可的华恢1 号未能通过水稻品种审定。民众对于转基因食品的安全及转基因生物的信心还有待加强。

2.2 水稻抗病性改良水稻病害作为影响水稻产量和质量的重要因素，通常根据其发病来源分为非侵染性和侵染性病害两种。非侵染性病害主要是由于水稻在生长过程中生长环境不适宜或存在有害物质。如水稻育秧期因覆土过深、蓄水等，使得稻秧缺氧导致生理性烂秧。侵染性病害则是由病原微生物侵染寄主所引起的，具有一定的传染性，常见的水稻病害有白叶枯病、稻瘟病、条纹叶枯病和纹枯病等，以上病害对我国的水稻产量均造成较大损失且后期补救费时费力。因此，转基因技术在抗病水稻育种具有重要意义。但抗病水稻的抗病性丧失、广谱性抗病水稻的研发、转基因水稻引起的土壤生态环境变化等仍是转基因抗病水稻科研需要解决的现实问题。

2.2.1 抗白叶枯病转基因水稻白叶枯病（Xanthomonas oryzaepv.oryzae）是一种由革兰氏阴性菌水稻黄单胞菌引起的细菌性病害，会造成水稻枯死，一般发生在热带和亚热带地区，近年来因为南繁制种的频繁调运，病害逐步蔓延[32]。早在1967年Xa-1基因就被发现可以抵抗白叶枯病[33]，1998年Tu 等[34]用基因枪法将Xa21转化优良籼稻品种IR72，转基因水稻获得了白叶枯病抗性，研究还发现转Xa21和Xa4两种基因的IR72 对白叶枯病的抗性更强。章琦等[35]对普通野生稻进行水稻白叶枯病抗性鉴定时发现1 个新的抗病基因Xa23（t）。目前，水稻中挖掘到的白叶枯病抗性基因有Xa21、Xa23（t）、Xa27、Xa4、Xa5等[36]，可以作为培育高抗白叶枯病转基因水稻的重要候选基因，从而培育出具有更高的水稻生长期全阶段抗病水稻。除了对水稻之外，从其他生物中也获得了抗白叶枯病基因，并应用于抗白叶枯病转基因水稻培育研究中。战园等[37]通过农杆菌介导法将苋色藜中抗白叶枯病的NDR1基因转化入水稻中，并接种白叶枯病菌进行抗病鉴定，发现转基因水稻的抗病性显著提高。Sadumpati 等[38]将芥菜BjNPR1导入籼稻中发现，与野生型相比，转基因水稻对白叶枯病的抗性增强。

2.2.2 抗稻瘟病转基因水稻稻瘟病（Rice blast）是由丝状真菌稻瘟病菌造成的真菌病害，也是我国南北稻田最严重的水稻病害之一。稻瘟病的初期症状虽不明显，但传播速度极快，防治费时费力[39]。转基因抗稻瘟病水稻相关研究涉及的基因有几丁质酶基因[40]（能够降解稻瘟病菌细胞壁，破坏其细胞结构、干扰新陈代谢）、β-1，3 葡聚糖酶基因、核糖体失活蛋白基因、溶菌酶基因及葡萄糖氧化酶基因等[33]，已发现的稻瘟病主效抗性基因有Pi9、Pi2、Piz-t、Pigm、Pi40、Pi5、Pi39、Pi57等[41]。在最近的研究中，唐喆等[42]利用Gateway 基因重组技术将稻瘟病SEC11基因的干扰片段构建到Pbdl03载体上获得HIGS 表达载体，并通过农杆菌介导转化法导入水稻中，获得了新的抗稻瘟病水稻，避免了抗病水稻的抗性易丧失的缺点。李娇等[43]利用稻瘟病菌株Guy11 分别侵染水稻野生型（ZH11）和OsGLO1基因过表达（OsGLO1-OE）以及沉默（cas9-glo1）的转基因水稻，研究发现OsGLO1提升了水稻稻瘟病抗性。Pokhrel 等[44]通过将大豆中获得的异黄酮合酶基因（GmlFS1）导入到两种不同品系的水稻中发现，60%以上植株表现出对稻瘟病抗性。

2.2.3 抗水稻纹枯病转基因水稻纹枯病（Sheath blight of rice）是由立枯丝核菌侵染引起的真菌性病害，可导致水稻产量损失10%～30%，严重时高达50%。防治水稻纹枯病对保证和提高水稻生产效益具有至关重要的作用[45]。纹枯病和稻瘟病同为真菌类病害，因此其转基因技术操作类似。将来自哈茨木霉P1 菌株的内切几丁质酶基因En导入水稻，可获得具有明显水稻纹枯病抗性的转基因植株[14]。水稻的纹枯病抗性主要是由多种基因共同作用控制的数量性状，相关主基因抗病的水稻种质较少[46]，野生近缘种开发出的ShB抗性基因[47]是如今研究纹枯病的表征分析非常重要的基因。近年来的研究中，Qi 等[48]通过从枯草芽孢杆菌中鉴定出的草酸脱羧酶基因OxDC，通过农杆菌介导导入水稻中，显著提高转基因水稻品系对稻瘟病和纹枯病的抗性，并且分析得出Glutaredoxin 和MADS box 编码基因可能参与了OxDC抗水稻真菌病害的可能机制；Li等[49]发现了水稻抗病相关基因Os2H16，转录因子OsASR2特异性结合GT-1 顺式元件并激活Os2H16的表达，显著提高了水稻的抗病性。Maeda 等[50]通过对番茄DC3000 和真菌病原体Colletotrichum higginsianum进行筛选，获得对纹枯病的抗病性基因BSR2，研究发现当水稻中导入BSR2基因后，水稻的抗病性显著提高。

2.3 水稻抗除草剂改良杂草作为影响水稻产量的重要因素，不仅会在水稻生长过程中与水稻竞争消耗各种营养物质，而且会带来更多虫害问题。传统的除草方式主要有人工除草、水旱轮作、合理灌溉以及化学除草等。应用除草剂对大部分杂草进行化学除草，抑制或杀灭杂草生长的效果明显，但无法防治杂草稻，因为杂草稻与种植水稻生理特征等十分相似，所以上述方法都只能减轻或降低杂草带来的危害，不能从根源上解决杂草问题[51]。近年来的研究热点在如何培育出抗除草剂的新稻种，使得除草剂在解决杂草稻的同时，不影响栽培稻的生长。抗除草剂新稻种的培育有两种方法，一种是将非转基因抗除草剂水稻与其相关的除草剂配合使用，从而有效防治稻田杂草；另一种就是培育抗除草剂转基因水稻。表3 总结了近年来抗除草剂转基因水稻的相关研究及其目标基因等，由表3 可知，抗除草剂转基因水稻的培育是直接将外源基因导入水稻中，如抗草铵膦、草甘膦、磺酰脲类等除草剂转基因水稻，通过基因枪法或农杆菌介导法将植物中的bar、pat、EPSPS除草基因以及人药物代谢酶细胞色素P450 基因导入水稻中获得抗除草剂水稻。在抗除草剂转基因水稻育种领域，我国的研究与国际水平还存在一定差距，应当在寻求技术创新的同时，大力推动转基因技术培育抗除草剂水稻，促进我国农业现代化发展。

表3 抗除草剂转基因水稻育种研究进展

3 总结

我国作为一个人口众多的农业大国，总体看粮食安全基础仍不稳固，粮食安全形势依然严峻，确保粮食安全十分重要。应用转基因水稻育种技术提高水稻产量，可为促进农业可持续发展；转基因抗虫、抗病、抗除草剂水稻的推广还将产生巨大的经济和社会效益。我国水稻种质资源多样性丰富、转基因水稻技术研究深入，抗虫、抗病及抗除草剂水稻转基因研究方面取得显著的进展。未来，转基因水稻的主要研究方向应在于广谱性抗病虫及抗除草剂转基因水稻的研发，做到多种病害、虫害及除草剂的共同抵抗，综合提高水稻产量及品质。但同时，我国转基因水稻产业化还面临着许多问题，如部分消费者对转基因食品的负面态度、转基因基础研究有待加强等。

为实现转基因水稻的产业化道路稳步前进，未来转基因水稻的发展应该着重关注以下几个方面：（1）在加强监管的前提下，对转基因作物制种源头有条件放开；（2）依法依规开展转基因作物品种审定，允许获得安全证书的转基因作物商业化种植；（3）将转基因技术和基因编辑技术进行协同监管；（4）各省市等农业行政主管部门，应加强提高农业执法队伍理论知识水平，充分利用好农业农村部农作物种子质量监督检验测试中心等技术力量，并加大快速检测产品的应用；（5）加强宣传，提高民众对转基因技术的认知水平，改变消费者对转基因的负面认知态度。