以轉(zhuǎn)基因植物研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為標(biāo)志的新農(nóng)業(yè)技術(shù)革命正轟轟烈烈地在全球展開(kāi)。轉(zhuǎn)基因 大豆、玉米、棉花和油菜已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段。1999年，這四種轉(zhuǎn)基因作物的面積分別為2160萬(wàn)、1110萬(wàn)、370萬(wàn)、340萬(wàn)hm2。以轉(zhuǎn)基因，性狀而言，面積最大的是抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物，其次是抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因作物。
到目前為止，抗蟲(chóng)、抗除草劑等轉(zhuǎn)基因作物的主要受益者是種植者。但越來(lái)越多的事例證明，轉(zhuǎn)基因植物也可用于生產(chǎn)有益于人們身體健康的食品、藥品和有益于環(huán)境保護(hù)的化工原料及產(chǎn)品。
1.轉(zhuǎn)基因水稻
玉米等c4植物的光合作用效率較水稻、小麥等c3植物的高。磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(pepc)在其中起了很大的作用。c4植物光合系統(tǒng)的濃縮co2，增加局部co2濃度的機(jī)制，使其即使在低co2濃度時(shí)也能使光合作用幾近飽和，從而大大提高其光合作用效率。因此，如何將c4植物的這一機(jī)制轉(zhuǎn)移到水稻等c3植物上一直是植物生物學(xué)家的研究問(wèn)題之一，但實(shí)踐證明，常規(guī)雜交育種手段很難如愿以?xún)?。最近，ku等(1999)利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法，將完整的玉米pepc基因?qū)氲搅薱3植物水稻的基因組中。分析結(jié)果表明，多數(shù)轉(zhuǎn)基因水稻植株均高水平地表達(dá)玉米的pepc基因，一些轉(zhuǎn)基因植株葉片中的pepc酶蛋白含量占葉片總可溶性蛋白的12%以上，其活性甚至比玉米本身的還高2-3倍。northern和southern分析結(jié)果表明，pepc基因在轉(zhuǎn)基因水稻植株中不存在基因沉默現(xiàn)象。這為利用基因工程技術(shù)快速改良水稻等c3作物的光合作用效率，提高糧食作物產(chǎn)量開(kāi)辟了新路子。
目前，轉(zhuǎn)基因植物研究多針對(duì)單基因控制性狀，但眾所周知，植物的多數(shù)性狀，尤其是農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)性狀，受多基因控制。要改良這些數(shù)量性狀，僅靠改變其中的某個(gè)或少數(shù)基因是很難奏效的，而必須同時(shí)對(duì)控制性狀的多個(gè)編碼基因，甚至調(diào)控基因進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，并使它們?cè)谵D(zhuǎn)基因植株及其后代中穩(wěn)定地表達(dá)和遺傳才能達(dá)到預(yù)期的目的。顯然，用同樣的方法逐個(gè)地導(dǎo)入多個(gè)編碼基因及調(diào)控基因的做法是不可取的，也是不切實(shí)際的。前不久，chen等(1998)利用基因槍法對(duì)14個(gè)分別整合在不同質(zhì)粒中的外源基因進(jìn)行的共轉(zhuǎn)化研究結(jié)果表明，85%的r。轉(zhuǎn)基因水稻植株含有兩個(gè)以上的外源基因，17%的r。轉(zhuǎn)基因株含有9個(gè)以上的外源基因，最多的轉(zhuǎn)基因株含有13個(gè)外源基因。多數(shù)轉(zhuǎn)基因株的形態(tài)正常，其中63%的轉(zhuǎn)基因株表現(xiàn)可育。不同外源基因的整機(jī)率基本相等，而且均整口在1-2個(gè)位點(diǎn)上。該研究為通過(guò)基因工程改良農(nóng)作物數(shù)量性狀奠定了理論基礎(chǔ)。
ye等利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法成功地將來(lái)自其他物種的psy、crtl和lcy基因整合到水稻基因組中，并使它們?cè)谂呷橹蟹€(wěn)定地表達(dá)而生成維生素a生物合成所必需的酶，從而解決了水稻胚乳不能合成維生素a的難題。為以水稻為主食的人們?cè)缛战鉀Q維生素a缺乏問(wèn)題展示了希望。該研究還進(jìn)一步表明，只要明確了解某一物質(zhì)的代謝過(guò)程，就有可能利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)來(lái)加以改良，從而為育成營(yíng)養(yǎng)全面的糧食作物新品種提供了技術(shù)支持。與維生素不同，人體必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素主要來(lái)自植物從土壤中吸收的礦物質(zhì)，因此，利用基因工程技術(shù)解決人類(lèi)礦質(zhì)元素不足的關(guān)鍵是深入了解植物吸收和貯藏礦質(zhì)養(yǎng)分的機(jī)理。事實(shí)上，利用大豆鐵蛋白基因和相應(yīng)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，已獲得了胚乳高水平表達(dá)貯藏鐵蛋白的轉(zhuǎn)基因水稻植株(goto等，1999)。目前需明確的問(wèn)題是這種轉(zhuǎn)基因水稻中的貯藏鐵蛋白是否為人體所吸收(guerinot，2000)。
2.轉(zhuǎn)基因大豆
美國(guó)杜邦公司已育成了抗?fàn)I養(yǎng)因子(如寡糖、水蘇糖、棉子糖和半乳糖等)水平較低的大豆新品系。在大豆油品質(zhì)改良方面，他們也取得若干新進(jìn)展。
豆油的主要成分是熱不穩(wěn)定的多不飽和脂肪酸。為了提高豆油的熱穩(wěn)定性，過(guò)去的做法是對(duì)豆油進(jìn)行工業(yè)區(qū)化氫化作用，使多不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)變成單不飽和脂肪酸。但其后果是要產(chǎn)生一些對(duì)人體有不良影響的有害物質(zhì)。理想的途徑是通過(guò)改變植物的遺傳組成，使其能直接生產(chǎn)單不飽和脂肪酸。mazur等(1999)通過(guò)長(zhǎng)期的不懈努力，獲得了種子油酸相對(duì)含量高達(dá)85%的大豆新品系，比原來(lái)提高了3.4倍，而且農(nóng)藝性狀優(yōu)良。目前這種新品系已開(kāi)始大規(guī)模種植。他們的下一個(gè)目標(biāo)是利用斑鳩菊和蓖麻的相應(yīng)基因開(kāi)發(fā)高斑鳩菊酸(12，13-環(huán)氧油酸)和蓖麻油酸含量的大豆新品系，為生產(chǎn)新型化工產(chǎn)品(如新型油漆固化劑、潤(rùn)滑油和可降解塑料等)提供原料。目前他們已將修飾后的目的基因?qū)氲酱蠖够蚪M中，并使其在種子中得以表達(dá)。
3.轉(zhuǎn)基因馬鈴薯
病害是馬鈴薯生產(chǎn)的主要制約因子。布宜諾斯艾利斯遺傳工程與分子生物學(xué)研究所的專(zhuān)家們利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法已創(chuàng)建了16個(gè)轉(zhuǎn)基因馬鈴薯新品系，每個(gè)新品系均具有2個(gè)不同的抗病毒、抗真菌或抗細(xì)菌病基因，其中抗erwinia細(xì)菌病的轉(zhuǎn)基因新品系已在智利和巴西進(jìn)行田間試驗(yàn)。另外，一個(gè)由13個(gè)南美洲和歐洲國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同組成的研究小組正致力于將6個(gè)抗病毒、抗真菌、抗細(xì)菌、抗除草劑和bt基因轉(zhuǎn)育到同一個(gè)馬鈴薯品種中去。
轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的另一研究重點(diǎn)是生產(chǎn)可食疫苗。arakawa等(1997)報(bào)道，霍亂毒素b亞基(ct-b)可在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯得到高效表達(dá)，而且可以折疊成該抗原天然狀態(tài)的、能與gnl神經(jīng)節(jié)苷酯相結(jié)合的具有完全免疫原性的五聚體形式。最近，tacket等(1998)利用表達(dá)腸產(chǎn)毒性大腸桿菌熱不穩(wěn)定性毒素(lt)的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯進(jìn)行了人體免疫試驗(yàn)，結(jié)果表明這種轉(zhuǎn)基因馬鈴薯在人體中也具有預(yù)期的免疫作用。
4.轉(zhuǎn)基因木薯
木薯是世界上繼水稻和玉米之后的第三大熱量來(lái)源植物，是非洲國(guó)家的主食之一。目前，木薯產(chǎn)量因真菌、細(xì)菌和病毒病的危害而徘徊不前。10年前，國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(iltab)、國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)研究中心(cita)和木薯生物技術(shù)網(wǎng)絡(luò)共同發(fā)起了木薯基因組計(jì)劃，旨在利用分子生物學(xué)手段加速木薯的品種改良。至今，該計(jì)劃已定位了300多個(gè)分子標(biāo)記，而且已利用iltab創(chuàng)立的農(nóng)桿菌介導(dǎo)體系將抗木薯花葉病毒基因和另一種表達(dá)復(fù)制酶的抗病基因?qū)氲侥臼砘蚪M中，并得到了轉(zhuǎn)基因植株。如果能將這些新品系應(yīng)用于大田生產(chǎn)的話，預(yù)計(jì)木薯可增產(chǎn)10倍，達(dá)80-l00t/hm2。目前的問(wèn)題是從事這方面研究的科學(xué)家較少，進(jìn)展沒(méi)有預(yù)期的那樣大。
5.轉(zhuǎn)基因甘薯
在1998年舉行的第二屆國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)大會(huì)上，美國(guó)科學(xué)家prakash博士報(bào)告了利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良甘薯蛋白含量及品質(zhì)方面的進(jìn)展。他們將人工合成的富含人體必需氨基酸的貯藏蛋白基因整合到甘薯基因組后，兩個(gè)轉(zhuǎn)基因品系的貯藏蛋白含量比對(duì)照增加2.5-5倍，而且產(chǎn)量也略有增加。
6.轉(zhuǎn)基因棕櫚
油棕櫚主要分布于馬來(lái)西亞、印度尼西亞和中非地區(qū)，是世界的主要油料植物之一，其產(chǎn)油量比大豆、油菜等高8-10倍。兩年前，馬來(lái)西亞棕?cái)R研究所(porim)已成功地利用基因槍法將抗除草劑基因?qū)氲阶貦爸?，并獲得了轉(zhuǎn)基因幼苗。1999年5月，porim又啟動(dòng)了一個(gè)投資巨大的研究項(xiàng)目，旨在利用遺傳工程方法改良棕櫚油品質(zhì)和使其能生產(chǎn)包括生物可降解塑料在內(nèi)的特殊產(chǎn)品。目前的研究重點(diǎn)是提高油酸(用作食用油)或硬脂酸(用作可可黃油的替代品或生產(chǎn)肥皂的原料)含量，以此來(lái)擴(kuò)大棕櫚油的市場(chǎng)。但棕櫚作為多年生植物，其轉(zhuǎn)基因研究周期較長(zhǎng)。
7.轉(zhuǎn)基因香蕉
目前，香蕉的轉(zhuǎn)基因研究主要集中于提高抗病性和可食疫苗上。最近，比利時(shí)科學(xué)家在前人的研究基礎(chǔ)上，已將編碼抗mycosphaerella fijiensis(香蕉最嚴(yán)重的真菌病害)的基因整合到香蕉的基因組中，預(yù)計(jì)不久即可育成首例抗病轉(zhuǎn)基因香蕉品系(moffat，1999)。
在可食疫苗研究方面，開(kāi)始的目的植物是馬鈴薯和煙草，這主要是由于這兩種茄科植物已有較為成熟的轉(zhuǎn)基因體系。但煙草中表達(dá)的抗原必須經(jīng)提煉后才能使用，馬鈴薯塊莖必須煮熟才能食用。無(wú)論是提煉還是煮烤，都會(huì)破壞抗原。因此，它們不是理想的可食疫苗的目的植物?？甚r食的水果和蔬菜是理想的目的植物，其中香蕉是首選目標(biāo)，因?yàn)樗坏菋胗變合矚g的水果，而且還是許多發(fā)展中國(guó)家的主食。目前，位于紐約的boyce thompson植物研究所正致力于利用香蕉生產(chǎn)腹瀉和nowalk病毒病疫苗的研究。