第6章 延伸阅读 延伸阅读6-1转基因抗虫棉 中国于20世纪90年代初期开始进行抗虫基因的研制，通过遗传转化的方法使得棉花获得 抗虫基因，从而获得抗虫特性。这些抗虫基因主要包括三类：来源于苏云金芽孢杆菌的杀虫 蛋白(Bacillus thuringiensis,Bt)基因、从植物中分离的昆虫蛋白酶抑制剂(proteinase inhibkor, PI)基因和植物凝集素(lectin)基因。当前，大规模生产应用的国产转基因抗虫棉主要有 单价抗虫棉和双价抗虫棉，其遗传转化的抗虫基因主要是Bt杀虫基因、GFM Cry1A杀虫 基因和豇豆胰蛋白酶抑制剂基因Cpti。 苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis)是一种来源于土壤的微生物，因为其芽孢形成过程 中可产生一种杀虫结晶蛋白(insecticidal crystal protein,ICP),具有高度的杀虫活性，因 其来源于苏云金杆菌（拉丁名：Bacillus thuringiensis),故简称Bt毒蛋白。Bt毒蛋白对鳞翅 目昆虫有特异的毒性作用，它在昆虫消化道的碱性条件下，裂解成为活性多肽并造成昆虫消 化道损伤，最终使昆虫死亡，而对其他生物无害。当昆虫吞食了这些植物后，蛋白酶抑制剂 就抑制昆虫的消化酶，使其不能分解植物蛋白，从而影响昆虫对食物的消化吸收，导致食欲 不振，直至死亡。目前，获得转基因抗虫棉的方法主要是农杆菌介导法，其技术流程见图 E-6-1。 XXXX 抗虫基因 重组质粒 侵染离体棉花叶 导入农杆菌并培养含重组 片组织 带Kan的载体 质粒的农杆菌 导组织 检测 分化 转基因抗虫植株 再生植株 愈伤组织 图S6-1转基因抗虫棉获得的技术流程 首先必须从相应的有机体内分离和克隆抗虫基因，将该基因与Ti质粒(tumor inducing plasmid)进行连接，构建重组质粒并导入土壤农杆菌。然后在培养的过程，通过抗生素筛 选含重组质粒的土壤农杆菌侵染棉花叶片，诱导愈伤组织，获得转基因植株。 研制多基因共转化抗虫棉为中国进行后续抗虫基因的研制和应用研究开辟了新思路。可
第 6 章 延伸阅读 延伸阅读 6-1 转基因抗虫棉 中国于20世纪90年代初期开始进行抗虫基因的研制，通过遗传转化的方法使得棉花获得 抗虫基因，从而获得抗虫特性。这些抗虫基因主要包括三类：来源于苏云金芽孢杆菌的杀虫 蛋白（Bacillus thuringiensis，Bt）基因、从植物中分离的昆虫蛋白酶抑制剂（proteinase inhibkor， PI）基因和植物凝集素（1ectin）基因。当前，大规模生产应用的国产转基因抗虫棉主要有 单价抗虫棉和双价抗虫棉，其遗传转化的抗虫基因主要是 Bt 杀虫基因、GFM Cry1A杀虫 基因和豇豆胰蛋白酶抑制剂基因Cpti。 苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis）是一种来源于土壤的微生物，因为其芽孢形成过程 中可产生一种杀虫结晶蛋白（insecticidal crystal protein，ICP），具有高度的杀虫活性，因 其来源于苏云金杆菌（拉丁名：Bacillus thuringiensis），故简称Bt毒蛋白。Bt毒蛋白对鳞翅 目昆虫有特异的毒性作用，它在昆虫消化道的碱性条件下，裂解成为活性多肽并造成昆虫消 化道损伤，最终使昆虫死亡，而对其他生物无害。当昆虫吞食了这些植物后，蛋白酶抑制剂 就抑制昆虫的消化酶，使其不能分解植物蛋白，从而影响昆虫对食物的消化吸收，导致食欲 不振，直至死亡。目前，获得转基因抗虫棉的方法主要是农杆菌介导法，其技术流程见图 E-6-1。 抗虫基因 带Kan的载体 重组质粒 导入农杆菌并培养含重组 质粒的农杆菌 侵染离体棉花叶 片组织 诱 导 组 织 转基因抗虫植株 再生植株 愈伤组织 检测 分化 图 S6-图1 6转-b 基抗虫因植抗株虫的棉技获术得流程的技术流程 首先必须从相应的有机体内分离和克隆抗虫基因，将该基因与 Ti 质粒（tumor inducing plasmid）进行连接，构建重组质粒并导入土壤农杆菌。然后在培养的过程，通过抗生素筛 选含重组质粒的土壤农杆菌侵染棉花叶片，诱导愈伤组织，获得转基因植株。 研制多基因共转化抗虫棉为中国进行后续抗虫基因的研制和应用研究开辟了新思路。可
以通过构建多基因植物表达载体来共转化不同杀虫机制的抗虫基因，或者通过基因聚合技术 将多个抗虫基因聚合于一个转基因棉花内，筛选培育含有多个基因的转基因抗虫棉。这样， 不仅可以使受体棉花获得多种机制的抗虫性，利用基因互补加强转基因棉花的抗虫能力、延 缓害虫产生抗性，而且可以拓宽棉花抗虫谱，使其获得能够高效杀死主要害虫的广谱抗虫性。 有些植物在其进化过程中己形成了一种对付害虫的防御机能。它们能够产生蛋白酶抑制剂。 当昆虫吞食了这些植物后，蛋白酶抑制剂就抑制昆虫的消化酶，使其不能分解植物蛋白，从 而影响昆虫对食物的消化吸收，导致食欲不振，直至死亡。因此，分离这些植物的蛋白酶抑 制剂基因，用基因重组技术使其处于强启动子的控制之下，再转移到受体作物中，就能高效 表达，使作物免受虫害。植物蛋白酶抑制剂基因种类很多。现在应用较多、抗虫能力较好的 主要有马铃薯蛋白酶抑制剂基因、豇豆胰蛋白酶抑制剂基因及水稻巯基蛋白酶抑制剂基因等
以通过构建多基因植物表达载体来共转化不同杀虫机制的抗虫基因，或者通过基因聚合技术 将多个抗虫基因聚合于一个转基因棉花内，筛选培育含有多个基因的转基因抗虫棉。这样， 不仅可以使受体棉花获得多种机制的抗虫性，利用基因互补加强转基因棉花的抗虫能力、延 缓害虫产生抗性，而且可以拓宽棉花抗虫谱，使其获得能够高效杀死主要害虫的广谱抗虫性。 有些植物在其进化过程中已形成了一种对付害虫的防御机能。它们能够产生蛋白酶抑制剂。 当昆虫吞食了这些植物后，蛋白酶抑制剂就抑制昆虫的消化酶，使其不能分解植物蛋白，从 而影响昆虫对食物的消化吸收，导致食欲不振，直至死亡。因此，分离这些植物的蛋白酶抑 制剂基因，用基因重组技术使其处于强启动子的控制之下，再转移到受体作物中，就能高效 表达，使作物免受虫害。植物蛋白酶抑制剂基因种类很多。现在应用较多、抗虫能力较好的 主要有马铃薯蛋白酶抑制剂基因、豇豆胰蛋白酶抑制剂基因及水稻巯基蛋白酶抑制剂基因等
延伸阅读6-2抗除草剂基因工程 除草剂通过干扰植物重要的代谢过程如光合作用、氨基酸或蛋白质的合成、呼吸过程等 来损害或杀死植物。然而，除草剂在杀死杂草的同时也对作物产生不同程度的损害作用。因 此，培育抗除草剂的作物新品种对于扩大除草剂的应用以及农业操作具有重要的意义。 人们对制作抗除草剂的转基因作物的生物学操作有很多设想，如：抑制植物对除草剂的 吸收：降低对除草剂敏感的靶蛋白与除草剂的亲和力：赋予植物再新陈代谢过程种使除草剂 失活的能力。这些策略的指导下，已经培育出了各种抗除草剂的转基因作物。 草甘膦(glyphosate)是一种广谱除草剂，它具有无毒、易分解、无残留和不污染环境 等特点，因而得到广泛的使用。它的靶位是植物叶绿体中的一个重要酶一内丙酮莽草酸磷酸 合成酶(5-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate synthetase,.EPSP)。目前，已经从鼠伤寒沙门 菌中分离出一个突变体，它含有抗除草剂的EPSP合成酶突变基因。把抗草甘膦基因引入植 物，可使这种基因工程作物获得抗草甘膦的能力。此时若用草甘膦除草，则可选择性地除掉 杂草，作物因不受损害而继续生长。美国科学家己成功地将这种突变的抗草甘膦的EPSP基 因引入大豆、烟草中，转化植株获得了抗草甘膦的能力。 玉米片 豆浆 饼干 动物饲料 转基因 aby 婴儿食品 食用油 图S6-2转基因抗除草剂植株 膦丝菌素(phosphinothricin,PPT)是非选择性的除草剂，也是植物谷氨酰胺合成酶 (glutamine synthetase,GS)的抑制剂。GS在氨的同化作用和氨代谢过程中起关键的作用， 而且也是唯一的一种氨解毒酶(detoxifying enzyme).现已从链霉菌(Streptomyces hyrscopicu) 中分离到抗bialaphos(含有PPT的三肽)的bar基因，该基因编码膦丝菌素乙酰转移酶 (phosphinothricin acetyltransferase,PAT)。嵌合的bar基因在CaMV35s启动子的控制下，在
延伸阅读 6-2 抗除草剂基因工程 除草剂通过干扰植物重要的代谢过程如光合作用、氨基酸或蛋白质的合成、呼吸过程等 来损害或杀死植物。然而，除草剂在杀死杂草的同时也对作物产生不同程度的损害作用。因 此，培育抗除草剂的作物新品种对于扩大除草剂的应用以及农业操作具有重要的意义。 人们对制作抗除草剂的转基因作物的生物学操作有很多设想，如：抑制植物对除草剂的 吸收；降低对除草剂敏感的靶蛋白与除草剂的亲和力；赋予植物再新陈代谢过程种使除草剂 失活的能力。这些策略的指导下，已经培育出了各种抗除草剂的转基因作物。 草甘膦（glyphosate）是一种广谱除草剂，它具有无毒、易分解、无残留和不污染环境 等特点，因而得到广泛的使用。它的靶位是植物叶绿体中的一个重要酶—内丙酮莽草酸磷酸 合成酶（5-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate synthetase，EPSP）。目前，已经从鼠伤寒沙门 菌中分离出一个突变体，它含有抗除草剂的EPSP合成酶突变基因。把抗草甘膦基因引入植 物，可使这种基因工程作物获得抗草甘膦的能力。此时若用草甘膦除草，则可选择性地除掉 杂草，作物因不受损害而继续生长。美国科学家已成功地将这种突变的抗草甘膦的EPSP基 因引入大豆、烟草中，转化植株获得了抗草甘膦的能力。 图 S6-2 转基因抗除草剂植株 膦丝菌素（phosphinothricin，PPT）是非选择性的除草剂，也是植物谷氨酰胺合成酶 （glutamine synthetase，GS）的抑制剂。GS在氨的同化作用和氨代谢过程中起关键的作用， 而且也是唯一的一种氨解毒酶（detoxifying enzyme）。现已从链霉菌（Streptomyces hyrscopicu） 中分离到抗bialaphos（含有PPT的三肽）的bar基因，该基因编码膦丝菌素乙酰转移酶 ( phosphinothricin acetyltransferase，PAT )。嵌合的bar基因在CaMV35s启动子的控制下，在
烟草、马铃薯和番茄的细胞内得到表达，转基因植株对高剂量的PPT或bialaphos具有耐 受性。这是因为PAT通过对PPT或bialaphos进行乙酰化而使其失去制剂GS活性的作用， 并最终使转基因植株对除草剂PPT产生抗性。 从20世纪80年代初期开始研究转基因抗除草剂作物，第一个被农民接受并于1995年种 植的是抚溴苯腈棉花，1996~1998年转基因抗草甘膦大豆、棉花与玉米以及转基因抗草铵膦 油菜、玉米与棉花大面积种植，从而开创了抗除草剂作物发展的新局面。1996年至2003 年，全球耐除草剂的转基因植物种植面积一直名列首位，并保持着持续增长的态势。2003 年，耐除草剂的大豆、玉米、欧洲油菜和棉花达到4970万公顷，占全球转基因作物种植面 积的49.7%。其中，耐除草剂大豆的种植面积为4140万公顷，占全球大豆总种植面积的61%。 为了更好地解决杂草抗性问题，多抗性作物的创制是必要的，对除草剂具有多抗性作物 的创制可以通过传统育种或分子技术进行基因堆积来实现，多抗性育种是在含不同基因的两 种作物品系间进行杂交，然后选择同时含有两种抗性基因的品系。基因堆积可以结合转基因 或转基因与非转基因交互作用而实现，如抗草甘膦与抗磺酰脲大豆(sulfonylurea tolerant soybeans,.SsTS)。分子积累是结合在同一遗传成分中的不同除草剂抗性基因来选择多抗性。 随着对不同类型除草剂作用机制的深入了解、新除草剂抗性基因的发现及通过蛋白质工 程的改良和转化技术的发展，抗除草剂作物的开发己经成为作物基因工程研究最活跃的领域 之一
烟草、马铃薯和番茄的细胞内得到表达，转基因植株对高剂量的 PPT 或 bialaphos 具有耐 受性。这是因为 PAT 通过对 PPT 或 bialaphos 进行乙酰化而使其失去制剂GS活性的作用， 并最终使转基因植株对除草剂PPT产生抗性。 从20世纪80年代初期开始研究转基因抗除草剂作物，第一个被农民接受并于 1995 年种 植的是抚溴苯腈棉花，1996～1998年转基因抗草甘膦大豆、棉花与玉米以及转基因抗草铵膦 油菜、玉米与棉花大面积种植，从而开创了抗除草剂作物发展的新局面。1996 年至 2003 年，全球耐除草剂的转基因植物种植面积一直名列首位，并保持着持续增长的态势。2003 年，耐除草剂的大豆、玉米、欧洲油菜和棉花达到 4 970万公顷，占全球转基因作物种植面 积的49.7%。其中，耐除草剂大豆的种植面积为4 140万公顷，占全球大豆总种植面积的61%。 为了更好地解决杂草抗性问题，多抗性作物的创制是必要的，对除草剂具有多抗性作物 的创制可以通过传统育种或分子技术进行基因堆积来实现，多抗性育种是在含不同基因的两 种作物品系间进行杂交，然后选择同时含有两种抗性基因的品系。基因堆积可以结合转基因 或转基因与非转基因交互作用而实现，如抗草甘膦与抗磺酰脲大豆（sulfonylurea tolerant soybeans, STS）。分子积累是结合在同一遗传成分中的不同除草剂抗性基因来选择多抗性。 随着对不同类型除草剂作用机制的深入了解、新除草剂抗性基因的发现及通过蛋白质工 程的改良和转化技术的发展，抗除草剂作物的开发已经成为作物基因工程研究最活跃的领域 之一
延伸阅读6-3“黄金水稻” 一、黄金水稻的概念 水稻是最重要的粮食作物，是人类主要的食物来源之一，世界上三分之一人类以水稻为 主食。因为稻米的维生素A原(B-胡萝卜素)只存在于糊粉层中，但糊粉层在稻米加工过 程中被剥除。因此，在以稻米为主食的地区，维生素A缺乏已成为亟待解决的营养问题。 维生素A缺乏将影响儿童视力发育，导致视力下降、失明和免疫水平的低下。科学家们不 断地探索努力，企图以低成本、便捷的方式克服不同程度的维生素A缺乏症。黄金水稻就 此诞生。 黄金水稻(golden rice)其实就是黄金大米，又名“金色大米”，是一种转基因大米，由 美国先正达公司研发。其不同于普通大米的主要功能是含有胡萝卜素，胡萝卜素在人体内会 转化为维生素A,从而可以通过食用黄金大米来预防维生素A缺乏症。因为这种大米含有 胡萝卜素，外观为金黄色，就被形象地称为“黄金大米”。（图S6-3)。 Wild type Golden Rice 1 Golden Rice 2 图S6-3野生型(wild type)、第1代黄金稻(Golden Rice 1)、第2代黄金稻(Golden Rice2) 二、黄金水稻的发展 由世界银行资助的国际水稻研究所(International Rice Research Institute,IRRI)是目 前国际上黄金大米的主要研发单位。Golden Rice1在2000年问世，瑞士育种专家Ingo Potrykus和德国分子生物学家Peter Beyer使用了来自黄水仙的基因，其中胡萝卜素含量约为 l.6ugg.Golden Rice2于2005年问世，研究人员使用玉米中的对应基因而培育出来，Golden Rice2中胡萝卜素的含量是Golden Rice1的23倍，达到37ugg 从1992年提出引进生产线的想法到2000年完全引入成功，足足花了八年的时间。水稻 中的胡萝卜素的含量从零提升到了一点多毫克每千克，“黄金水稻”一代由此诞生了。go Potrykus的头像在闪亮的绿色稻秆的衬托下，以英雄的姿态登上了美国《时代》杂志的封面 上，旁注写道“This rice could save a million kids a year(这种水稻每年能拯救上百万的儿
延伸阅读 6-3 “黄金水稻” 一、黄金水稻的概念 水稻是最重要的粮食作物，是人类主要的食物来源之一，世界上三分之一人类以水稻为 主食。因为稻米的维生素 A 原（β-胡萝卜素）只存在于糊粉层中，但糊粉层在稻米加工过 程中被剥除。因此，在以稻米为主食的地区，维生素 A 缺乏已成为亟待解决的营养问题。 维生素 A 缺乏将影响儿童视力发育，导致视力下降、失明和免疫水平的低下。科学家们不 断地探索努力，企图以低成本、便捷的方式克服不同程度的维生素 A 缺乏症。黄金水稻就 此诞生。 黄金水稻（golden rice）其实就是黄金大米，又名“金色大米”，是一种转基因大米，由 美国先正达公司研发。其不同于普通大米的主要功能是含有胡萝卜素，胡萝卜素在人体内会 转化为维生素 A，从而可以通过食用黄金大米来预防维生素 A 缺乏症。因为这种大米含有 胡萝卜素，外观为金黄色，就被形象地称为“黄金大米”。（图 S6-3）。 图 S6-3 野生型（wild type）、第 1 代黄金稻（Golden Rice 1）、第 2 代黄金稻（Golden Rice 2） 二、黄金水稻的发展 由世界银行资助的国际水稻研究所（International Rice Research Institute，IRRI ）是目 前国际上黄金大米的主要研发单位。Golden Rice 1 在 2000 年问世，瑞士育种专家 Ingo Potrykus 和德国分子生物学家 Peter Beyer 使用了来自黄水仙的基因，其中胡萝卜素含量约为 1.6 µg/g。Golden Rice 2 于 2005 年问世，研究人员使用玉米中的对应基因而培育出来，Golden Rice 2 中胡萝卜素的含量是 Golden Rice 1 的 23 倍，达到 37µg/g。 从 1992 年提出引进生产线的想法到 2000 年完全引入成功，足足花了八年的时间。水稻 中的胡萝卜素的含量从零提升到了一点多毫克每千克，“黄金水稻”一代由此诞生了。Ingo Potrykus 的头像在闪亮的绿色稻秆的衬托下，以英雄的姿态登上了美国《时代》杂志的封面 上，旁注写道 “This rice could save a million kids a year ( 这种水稻每年能拯救上百万的儿