《科技创新与品牌》杂志社学术交流

转基因棉花研究的进展与发展前景

      转基因棉花研究的进展与发展前景
                 
                 文/全国“五一”劳动奖章获得者、山东棉花研究中心研究员 李汝忠


        所谓转基因棉花,就是通过一定的生物技术手段,将某一个或几个外源目的基因导入棉花体内,使其在棉花体内表达且稳定遗传,自身合成一种或几种特定物质,从而改善棉花自身的某些特性,如增强抗逆性、提高产量、改进品质等。由于遗传转化技术的局限性,棉花是开展该项研究较晚的作物之一,但自20世纪90年代以后,随着棉花组培植株再生的成功及遗传转化途径的建立,该研究进展迅速,尤其是转Bt基因抗虫棉的培育成功,使棉花成为世界上转基因植物大规模商业化种植的主要作物之一。

                                  转基因抗虫棉

        在棉花转抗虫基因研究方面,研究最多、进展最快、成效最显著的当数转Bt抗虫基因研究。Bt是苏云金芽孢杆菌的缩写,苏云金芽孢杆菌是一种革兰氏阳性菌,其在形成芽孢过程中,能产生一种被称为δ-内毒素的伴胞晶体蛋白,主要对鳞翅目害虫有较强的毒杀作用。利用Bt生物制剂防治害虫已有30多年的历史,这也是世界上应用最广泛的生物杀虫剂。随着生物技术研究的进展,美国孟山都公司的科学家将控制合成这种杀虫晶体蛋白的基因,即Bt基因,从苏云金芽孢杆菌中分离克隆出来,导入棉花,并与岱子棉公司合作,于1995年首批发放了NuCOTN33B和NuCOTN35B两个转Bt基因抗虫棉新品种,从1996年开始在美国大面积商业化种植。此后美国又发放了多个转Bt基因抗虫棉新品种,同时美国岱字棉种子公司还在中国、澳大利亚、墨西哥、印度等10多个主产棉国家成立合资或独资公司,开发推广其转基因抗虫棉。鉴于转基因抗虫棉的巨大商业价值,除孟山都公司外,杜邦、拜耳、先正达、陶氏益农等国外生物公司都纷纷投巨资进行棉花转基因研究。李汝忠研究员在棉田
        我国转基因抗虫育种研究起步虽较晚,但进展迅速。中国农科院生物技术研究所1992年在国内首次人工合成了Bt杀虫基因,并与有关单位合作,将该基因导入中棉所12号、泗棉3号、晋棉7号等大面积推广品种中,获得了国产GK系列转Bt基因抗虫棉,成为世界上掌握该项技术的第二个国家,进而又将豇豆胰蛋白酶抑制剂基因(CpTI)和Bt基因重组,成功地导入棉花,育成了转双价基因(CpTI+Bt)SGK系列抗虫棉。2000年,我国转基因抗虫棉种植面积为200万公顷,2005年发展到330万公顷,2007年达到380万公顷,占棉田面积的70%以上。
        山东棉花研究中心与中国农科院生物技术研究所密切合作,将高新技术与常规育种技术相结合,先后选育出了抗虫杂交棉鲁棉研15、20、23、24、25、30、31、33、34、38号,常规抗虫棉鲁棉研16、17、18、21、22、27、28、29、32、36、37号和抗虫短季棉鲁棉研19、35号三大系列的24个具有我国自主知识产权的转基因抗虫棉新品种。目前,这些抗虫棉新品种正在生产上大面积推广应用,其中鲁棉研15号、21号、28号和19号分别被选为国家黄河流域棉区杂交棉、常规棉、麦套棉和夏棉组区域试验的对照品种,“鲁棉研”良种已成为我国黄淮流域棉区广大棉农心目中的第一品牌,其种植面积占山东棉田面积的80%以上。抗虫杂交棉鲁棉研15号是鲁棉研系列抗虫棉品种的突出代表。该品种在1997~2001年连续5年的山东省和全国区试中,产量均居首位,创我国抗虫杂交棉单产最高记录,先后有40多家企业参与该品种的产业化开发。至2005年该品种在山东及周边江苏、河南、安徽、湖北、江西、河北、天津等8省市累计推广157.7万公顷,增产皮棉4.1亿公斤,增加直接经济效益47.93亿元,被公认为是国内同类品种表现最突出、推广面积最大、取得经济效益最高的一个,极大地推动了我国抗虫杂交棉的发展,起到了里程碑的作用。该品种2006年获国家科技进步二等奖、山东省科技进步一等奖。常规抗虫棉鲁棉研21号丰产性突出,在山东和全国区试中产量不仅居常规抗虫棉品种首位,而且超过同时参试的绝大多数杂交棉品种,是常规抗虫棉育种的突破性进展。李汝忠研究员(左一)在国外考察
        如同害虫对化学农药产生抗性一样,靶标害虫也会对转基因抗虫棉产生抗性或称耐受性。尽管这种抗性的产生不像在转基因抗虫棉大面积种植之初人们所担心的那样快,但这种抗性的产生是不可避免的。另外,随着抗虫棉的大面积推广应用,棉田害虫种群的消长动态也发生了很大变化,象盲蝽象、烟飞虱等次要害虫渐变为主要害虫。通过利用特异启动子、转多基因、筛选更高效广谱的抗虫基因等方法,可延缓抗性目标害虫的产生和增加对多种害虫的抗性。美国孟山都公司推出的第二代双Bt基因抗虫棉,已在美国国内大面积推广应用。陶氏益农公司也培育成功结合了2个Bt 蛋白基因Cry1F 和 Cry1Ac的抗虫棉品种。而我国目前生产上大面积种植的仍是第一代单Bt基因抗虫棉,其对靶标害虫的抗性已有所减退,近年来山东东营、滨州等集中产棉区二代棉铃虫重为害地块就时有发生,但我国目前还没有成熟的替代技术储备,这方面在近期内须有重大突破,若第一代单Bt基因抗虫棉抗性一旦丧失,将会给我国棉产业带来严重后果,对此应引起高度重视。

                               转基因抗除草剂棉抗虫杂交棉鲁棉研15号

        通过化学方法控制棉田杂草,已成为现代棉花生产的重要手段,但高效除草剂往往同时对棉花造成损伤。利用基因工程方法培育抗除草剂的棉花品种是解决这一问题的有效途径。根据不同除草剂的作用原理,一是修饰除草剂作用的靶蛋白,使其对除草剂不敏感或促其过量表达,使转基因棉花在吸收除草剂后仍能进行正常的生长代谢;二是导入降解除草剂的基因,在除草剂发生作用前将其降解或解毒。美国培育出的转基因抗溴苯晴和草苷膦的棉花品种,已大面积用于商业化生产,而且多是把Bt基因与抗除草剂基因导入同一棉花品种中,使其既抗棉铃虫,又抗除草剂。我国这方面的研究还很少,目前生产上也基本没有种植转抗除草剂基因的棉花品种。

                            转基因改进棉花品质的研究

        棉纤维是棉花的主产品,利用转基因技术按照人们的意愿改进棉纤维性能,也是近来棉花基因工程研究的热点问题之一。目前世界上已有多个实验室正在从事棉纤维基因克隆、表达及遗传改良等方面的研究,并已取得了一定进展。棉纤维长度、强力、细度和吸热性能、保暖性能、颜色等都是棉纤维改良的目标性状。美国科学家John把从棉花中克隆出的过氧化物酶基因连接到棉纤维发育的专化启动子E6-3B、B8上,导入棉花后,转基因棉花的纤维强度显著改善,其中选出的1株转基因棉花的纤维强度比对照岱字棉50提高了62%。美国科学家还把从细菌中克隆出的两个基因导入棉花后得到表达,在棉纤维中产生一种类似聚丙烯的物质,可提高棉纤维的保暖性能。转基因彩色棉研究也倍受人们的关注,美国Calgene公司将黑色素基因与一个胚珠专化表达启动子PZ连接后导入棉花,转基因棉花产生了深褐色或黑色的纤维。
        另外,转抗旱、耐盐基因棉花也是近年来国内外棉花转基因研究的热点之一,国内已有多家研究单位获得了转抗旱、耐盐基因材料,但仍处在试验、研究阶段,距商业化应用尚有一定距离。
        总之,迄今,棉花转基因研究成效最为显著的还是转基因抗虫棉和抗除草剂棉,一方面是由于这些性状受单一基因控制,易于改良;另一方面是这些性状的改良效果较好。而其他一些重要的农艺和经济性状的转基因改良目前还处在试验研究阶段。随着科技的进步,利用转基因技术,按照人们的意愿有目的地改进这些性状是完全可能的。以棉纤维为主产品的棉花较之其他以食用为主的粮食作物,利用转基因技术有着更为广阔的前景。      责编/刘 亮
        鲁棉研21号大铃        鲁棉研21号絮期大田21号大铃