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国内外转基因生物研发新进展与未来展望

点击: 时间:2015-04-29 17:12 作者:汤姆的声音  来源:未知 

  1 国内外重大研发进展
  随着科学技术的日新月异,以转基因技术为核心的农业生物技术发展尤为迅猛。截至2014年,转基因作物全球种植面积达到1.81亿hm2,转基因作物育种技术及其产业在经历了技术成熟期和产业发展期之后,目前已进入以抢占技术制高点与经济增长点为目标的战略机遇期。与此同时,转基因技术在改善动物生产性能、抗病能力、开发乳腺生物反应器等领域不断发展。转基因物种涉及了猪、、鸡、鱼、家蚕、果蝇等,涉及的性状囊括了生长、繁殖、抗病、饲料转化率、肉质、人源化器官、新型药物等,转基因动物所表现出的优异表型,展示了其广阔的应用前景。我国虽然研究开发的整体实力同发达国家还具有一定的差距,但现在已经初步建成了包括功能基因克隆、大规模遗传转化、品种选育、安全评价、产品开发、应用推广等各环节在内的转基因育种科技创新和产业发展体系,拥有抗病虫、抗逆、品质改良、营养健康等重要基因的自主知识产权与核心技术,并在棉花、水稻、玉米、猪、牛、羊等转基因生物的基础研究和应用研究方面取得了重大突破。
  1.1转基因植物领域取得的进展
  1.1.1抗生物逆境
  2011年,美国专利商标局公开了有关转基因植物及其生产方法的专利申请共571件,其中抗病虫等生物逆境的专利120件。过表达抗性基因提高植物抗病虫能力作为经典转基因育种手段在抗病、抗虫等领域不断得以更新和优化。广泛挖掘并应用Bt资源成为植物基因工程领域的热点。此外,科学家还从不同生物来源中鉴定出多种对蚜虫、夜蛾、甲虫等具有抗虫活性的抗生物素等蛋白,有望发掘更多有应用价值的抗虫基因资源,提高转基因作物的广谱抗虫性。近年来兴起的RNAi技术在培育转基因抗病毒作物上表现出良好的应用前景,利用该技术已获得了小麦、甜菜、水稻、木薯、香蕉和柑橘等抗病毒转基因新品种。复合性状转基因作物的市场需求与研发态势也日趋加速,2010年先正达公司研发的抗秋粘虫、甘蔗食心虫、玉米穗蛾等多种害虫的转基因抗虫玉米,已在美国、加拿大、巴西、阿根廷获得种植批准。抗虫棉的研究开发是我国独立发展转基因育种,打破跨国公司垄断,抢占国际生物技术制高点的范例。转基因抗虫水稻获批生产应用安全证书,转基因抗虫玉米也已进入到环境释放阶段,蓄势待发。基础研究方面,克隆了一批具有自主知识产权的重要性状基因,并进行了育种价值评估,为转基因作物新品种培育储备了重要功能基因资源。在我国多家科研单位已分别利用鉴定的Bt基因转化水稻、玉米、马铃薯等作物,获得了农艺性状良好的抗水稻螟虫、玉米螟、马铃薯甲虫的转基因植株。利用RNAi技术研发转基因抗虫、抗病毒作物也取得了重要进展。抗虫转基因玉米现已完成生产性试验,对玉米螟表现高抗,已具备了产业化条件。
  1.1.2抗非生物逆境
  围绕功能基因、转录因子、信号因子等方面开展抗旱、耐盐碱、抗高温、冷害研究,以期获得性状优良的作物新品种是转基因作物研发的重点之一。目前研究工作集中在作物的渗透调节类基因、抗氧化保护类基因、分子伴侣类基因等功能基因的挖掘与鉴定、抗逆相关转录因子及其调控机制研究,以及信号因子在胁迫条件下信号传导途径研究等。孟山都公司开发的转耐旱基因(cspB,蛋白调节基因)玉米DroughtGard(MON87460)在干旱胁迫下产量显著增加,2010年12月获美国食品药品管理局批准用于食品和饲料,2012年美国农业部对其解除管制,2013年我国批准进入转基因玉米进口名单。该公司针对非洲的水资源现状,计划于2017年在非洲撒哈拉沙漠以南地区推进抗旱性转基因玉米的商业化种植。我国在作物生产中,除了受到病虫害的侵袭外,干旱、盐碱、低温等非生物胁迫也是导致作物减产的重要原因。开展非生物逆境胁迫相关功能基因的研究也是我国科学家的重要任务之一。目前,已从水稻、小麦、玉米及特殊生境生物中克隆了许多非生物逆境相关功能基因,包括转录因子和信号传导相关基因,如SNAC1、CBF3、DREB1、WIN1、OsWR1和CIPK等;渗透调节基因,如adc、TPSP、P5CS等;脱水保护蛋白基因,如HVA1和LEA3-1,以及离子泵和离子转运蛋白RWC3基因等。将这些基因转到植物中,能显著提高转基因植物的抗非生物逆境能力。在诸多抗逆作物的研发中,转基因耐旱小麦、玉米是目前处于研发阶段较领先的耐旱作物,由中国农业科学院培育的转基因小麦新品系水分利用效率提高15%以上、产量提高10%以上,具有较大的生产应用潜力。另一类抗非生物胁迫的转基因研究主要是抗除草剂转基因作物创制,转基因大豆新品系呼交06-698等大田表现高抗草甘膦,转基因抗草甘膦玉米已于2012年获得农业部批准进入生产性试验阶段,转基因抗草甘膦作物实现商品化生产将有利于打破跨国公司在该产业上的垄断。2008年,由华中农业大学培育的转基因Bt抗虫水稻“华恢1号”和“Bt汕优63”已获得在湖北省的生产应用安全证书,对整个亚洲乃至世界转基因水稻的应用起到了积极的推动作用。
  1.1.3产量提高
  通过转基因技术实现作物增产主要从库容(穗粒数、粒重)、株型(赤霉素、芸苔素内酯)、光合产物分配(蔗糖转运子、细胞壁转化酶、淀粉合成)、来源强度(CO2吸收、卡尔文循环、光敏色素、叶片衰老)、氮和水利用效率、转录因子调控等多方面加强。全基因组关联分析技术、大规模基因组测序技术等新技术、新方法的发展,为规模化、高通量基因筛选提供了快捷手段,极大地提升了基因资源发掘与利用的效率,越来越多的产量相关基因被分离鉴定。如异戊烯基转移酶(ZmIPT2)控制玉米籽粒发育过程中细胞分裂素的合成,水稻细胞壁转化酶GIF1调控蔗糖在籽粒中卸载,促进籽粒灌浆;CCT结构域的核蛋白(Ghd7)控制株高、抽穗期和每穗粒数。孟山都公司的抗农达高产大豆已进入高级开发期,在世界各地不同环境条件下不同的种植季进行了测试,均表现出抗性稳定,产量提高的特性。近几年来,我国围绕水稻、玉米、大豆等主要农作物开展了大量工作,在产量相关功能基因挖掘方面的研究有了较出色的进展。随着基因组测序与基因功能鉴定方法、设备的进步,越来越多的控制作物农艺性状的功能基因被克隆出来,这些基因的克隆在分子水平上加深了我们对作物生长发育和产量形成的理解。如分蘖是决定产量的一个重要农艺性状,中国科学院李家洋院士团队等围绕水稻分蘖开展十多年研究,发现了重要调控新机制,建立了调控水稻株型建成的基本工作模型,对于水稻产量研究具有重要意义。利用理想株型基因IPA1选育的新株型水稻新品系川农1A/Y665-2-4、津科稻533等高产量性状特征显著。
  1.1.4品质改良
  现代分子生物技术的进展为改良植物营养品质提供了有效的技术支撑,在水稻、玉米、大豆、油菜等主要农作物中的应用取得了较好的成绩。目前已发展了包括内源蛋白质序列的修饰、同源优质蛋白基因的过量表达、异源优质蛋白基因的转移和表达、人工合成新蛋白基因、以及增加游离的必需氨基酸的含量等改良作物蛋白质营养价值的方法。目前已获得富含叶酸的西红柿、高蛋白含量的土豆、高维生素C含量的西红柿、草莓和马铃薯、高油酸大豆、高Ω-3脂肪酸油用大豆、高花青素西红柿等。水稻作为人类的主粮之一,目前已发展到第二代,研发重点主要放在稻米品质改良,营养强化,以及后期的医疗保健等方面,如富含维生素A的金米稻、高赖氨酸、高铁及富含叶酸的转基因水稻等。国内营养品质改良还处于起步阶段,主要集中在蛋白质与氨基酸改良方面,在作物、蔬菜、瓜果等各个领域中都有阶段性的创新。例如我国的转基因耐贮番茄“华番1号”,能降低番茄在运输、储藏时的经济损失,早在1997年经农业部批准进入商品化生产;马铃薯花粉特异水溶性蛋白的编码序列转入玉米可以使种子干重中赖氨酸含量提高10%以上;如在小麦中引入高赖氨酸蛋白基因能使种子中蛋白质和其中赖氨酸的比例都得到10%以上的提高;通过转基因技术能使水稻籽粒中直链淀粉含量大比例下降;拟南芥和烟草中引入利什曼原虫的蝶呤还原酶(PRT1)已经证实能使植物叶酸含量得到一定程度的提高。中国农业科学院完成了高表达植酸酶的玉米新种质创制,并于2009年获得了生产应用安全证书,并已选育出LY16、LY35等多个品种。
  1.1.5养分高效利用
  通过转基因技术应用,改造作物营养调控通路,从而提高作物对土壤固有养分资源和肥料高效利用已成为当前转基因作物研发的重点之一。随着水稻等植物全基因序列被完全破译后,大量与养分吸收、运输和利用相关的基因即将被迅速鉴定出来。创制的磷高效积累、锰高效积累、酸性磷酸酶缺失和硅吸收弱等突变材料,对深入研究植物高效吸收土壤固有养分肥料和对养分高效利用养分分子机制,进而培育养分吸收利用高效性转基因植物有重要作用。如孟山都研发的氮高效玉米可在正常氮含量的条件下增产,在较低氮含量的条件下稳产,这将为农民提供一种既节约成本又利于稳产高产的重要选择。国内目前研究主要围绕在在养分高效植物基因型的筛选及表型分析上。有较大进展的研发主要集中在水稻上,浙江大学成功克隆了在植物中具有明确提高磷效率功能的转录因子OsPTF1和对磷高亲和转运体Pht1家族成员OsPht1;2和OsPht1;6;南京农业大学对水稻中氮高效转运蛋白NRT2家族成员功能及其相互作用进行深入研究,探明了OsNRT2.3a的表达模式并应用于水稻转基因研究。对上述基因的表达方式及其作用逐步了解,有助于理解植物在氮磷养分缺乏条件下做出的适应性反应,并为利用基因工程改良植物性状,提高其对土壤氮磷的利用效率拓宽基因资源。
  1.1.6植物生物反应器
  通过转基因技术,以植物为表达系统生产药用抗体、酶、结构蛋白、抗原(疫苗)、生物质(生物塑料)和药物等已成为国际生物技术研究的前沿领域。目前用于表达工业用/药用蛋白的植物种类已达到20多种,表达的目标蛋白达上百种。国际上已有以孟山都等为首的20余家公司专门从事植物生物反应器生产生物医药产品的研究。ProdiGene公司已用玉米商品化生产了两种研究和诊断用酶;PlanetBiotechnology公司用烟草生产的抗体治疗牙齿腐朽和流行性感冒的药物在美国已进入临床实验。我国在利用植物生产药用蛋白领域也取得了可喜的进展,利用水稻胚乳细胞生产的人血清白蛋白产品已注册并在国内及欧美等国销售。目前我国的抗体、疫苗和药用蛋白已达24种,包括人源抗狂犬病毒单克隆抗体、膀胱癌单链抗体、新城疫病毒融合蛋白、轮状病毒衣壳糖蛋白VP7、人凝血IX因子、鸡α-干扰素、降钙素、人血清白蛋白和乳铁蛋白等。所用到的植物种类包括番茄、烟草、樱桃、马铃薯、紫花苜蓿、水稻及生菜等7种。如陈超和张铁刚利用烟草表达了人源抗狂犬病毒单克隆抗体,申慧峰等在烟草叶绿体中表达了肠致病性大肠杆菌的编码F4ac菌毛亚单位蛋白。目前,高表达人血清蛋白水稻新品系已进入到生产性试验。
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