抗除草剂基因工程与抗除草剂转基因小麦的研究进展1抗除草剂基因工程研究概况通过化学方法来控制杂草已成为现代化农业不可缺少的一部分,除草剂的年产量已居农药之首,据估计美国每年用在除草剂上的费用大约是50亿美元。由于除草剂作用机理是影响植物生理生化过程,如光合作用、氨基酸的合成等,因此除草剂在消灭杂草的同时也对作物具有伤害作用,这就限制了除草剂的应用。以往解决除草剂对作物伤害问题主要是:(1)应用对作物伤害小的除草剂和施用方法。(2)通过杂交育种,把和栽培作物亲缘关系近的野生植物对除草剂抗性的基因引入到栽培品种。由于作物栽培种和近缘种通常不具备有抗除草剂的特性,这种育种方法存在局限性。随着生物技术的发展,目前,用遗传工程方法来培育抗除草剂的作物品种已成为人们控制杂草的主要方法。近10余年来,随着对除草剂作用机制的深入了解以及基因分离转化技术的迅速发展,植物抗除草剂基因工程取得了较大的成功,已从链霉菌、突变的烟草等生物体分离出抗除草剂基因。1.1抗除草剂基因工程的技术策略目前,抗除草剂基因工程主要采取两种策略:(1)修饰除草剂作用的靶蛋白使其对除草剂不敏感或过量表达,作物吸收除草剂后仍能进行正常代谢作用。草甘膦(Glyphosate,商品名Dupound)是一种非选择性,广谱的高效、低毒有机膦除草剂。它特异性地抑制植物和微生物芳香族氨基酸(色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸)合成途径中52烯醇丙酮酸莽草酸232磷酸合酶(5-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphatesynthase,EPSPS)的活性,导致芳香族氨基酸缺乏,莽草酸积累,最终导致细胞死亡。1985年Camai等[1,2]首先从鼠伤寒沙门氏菌中筛选出了抗草甘膦的突变菌株,随后分离出突变基因(aroA基因)并将此突变的aroA基因转入烟草细胞获得第一个抗草甘膦转基因作物。后来Fillatti等[3]将此基因转入番茄,获得转基因番茄。1986年Shah等[4]培育并筛选出具有对草甘膦抗性的矮牵牛细胞系MP42G,能超量产生EPSPS合成酶,并分离出EPSPS合成酶基因,转入矮牵牛属的叶圆片获得转化愈伤组织,其EPSPS合成酶的活性提高了40倍。目前已获得抗草甘膦的烟草[2,5]、矮牵牛、番茄、大豆、小麦[7]等。磺酰脲类除草剂和咪唑酮类除草剂,都是通过抑制支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸)合成中乙酰乳酸合酶(acetolactatesynthase,ALS)来表现除草剂的作用。1988年,Haughn等[8]通过转基因手段已将拟南芥植株的ALS的突变基因引入烟草,这一转基因植物产生了对除草剂的抗性。对抗绿磺隆转基因作物研究也较多[9～11],我国学者李国圣等[12,13]将拟南芥的ALS基因导入玉米,已进入田间试验。(2)引入酶或酶系统,在除草剂发生作用前将其降解或解毒。草丁膦(Phosphinothricin)是非选择性的广谱除草剂Basta的活性成分。草丁膦除草作用机理是抑制植物的氨基酸生物合成酶—谷氨酰胺合成酶(GS),GS可以解除硝酸盐还原、氨基酸降解及呼吸中释放出的氨的毒性。虽然草丁膦抑制细菌、植物及哺乳动物的GS,但它不能进入哺乳动物的血液和脑组织,因此草丁膦对哺乳动物是安全的[14]。乙酰CoA转移酶(acetylCoAtransferase)催化草丁膦的自由氨基乙酰化,从而使除草剂草丁膦失活。1987年Thompson等[15]从链霉菌(Streptomyceshygroscopicius)分离出bar基因615bp,编码草丁膦乙酰CoA转移酶(PAT)。另外来自Streptomycesviridochromogenes的pat基因约113kb,编码PAT的基因在其中的BgË2SstÊ片段上[16]。两种基因产物有相似的催化能力,氨基酸序列86%同源。PAT表达量占总可溶性蛋白的010001%时足以使植物产生抗草丁膦抗性。目前已经将bar基因转入多种作物如烟草[17]、番茄[18]、马铃薯[19]、水稻[20～23]、小麦[24～27]等。溴苯腈(Bromoxyril)是除草剂Buctril的活性成分,抑制光系统Ê电子传递,它对于生长素2,42D不能控制的杂草特别有效。从土壤细菌臭鼻杆菌(Klebsiellaozaenae)中分离出溴苯腈降解基因bxn,编码腈水解酶,该酶把溴苯腈转变为无活性产物3,52二溴242羟基苯甲酸。另外,gox基因编码的草甘膦氧化还原酶,能把草甘膦降解成无毒成分。tfDA基因,编码2,4-D单氧化酶,能将2,4-D降解为非光和毒性的2,4-二氯苯,也在选育抗性作物中获得成功表达。一般认为,引入外源酶使除草剂失活的策...
