抗除草剂基因

用于小麦、水稻、玉米、大麦、油菜等作物基因

抗除草剂基因，bar基因是迄今为止用得最多的一个抗除草剂基因，已成功地用于小麦、水稻、玉米、大麦、油菜等作物基因。另外，作为选择标记基因，抗草甘膦的aroA基因、抗溴苯腈的bxn基因和抗绿磺隆的csrl基因等也成功地用于不同作物的遗传转化。

背景介绍

中国曹光诚等、傅荣昭等将抗除草剂基因bxn或bar与雄性不育基因TA29-barnase串联在一起构建到植物表达载体上，导入作物，实现了作物转基因雄性不育材料的保持。黄大年等也成功地将bar基因导入三系杂交水稻或二系杂交水稻的恢复系，用于生产具备抗除草剂特性的杂交水稻种子。

抗除草剂转基因作物的研究和推广一直处于领先位置。2004年，抗除草剂转基因大豆、玉米、油菜(canola)和棉花的种植面积为5860万hm2，占转基因作物种植面积的72%，培育抗除草剂作物的研究主要集中于美国各大农药公司或与有关的遗传单位合作研究开发。已商品化的有：抗草甘膦的大豆，玉米、棉花、油菜、向日葵、甜菜、水稻；抗咪唑啉酮的玉米、油菜、甜菜、水稻；抗磺酰腺类的大豆、棉花；抗溴苯腈的棉花、烟草等。中国已获得的抗除草剂转基因作物有抗Basta水稻、小麦、烟草。油菜、芝麻；抗阿特拉津大豆：抗溴苯腈油菜、小麦及抗草甘膦小麦等。

对除草剂的施用效果，人们追求的目标是既高效地除草又确保作物安然无恙。尽管由于作物与杂草的一些生理生态的差异以及某些栽培方式的辅助，除草剂致毒时对作物和杂草有所选择，如前面已论述的时差选择、位差选择及生理选择等，但作物的生长发育仍然或多或少地要受到一些影响。因此，如果作物本身具备了抗除草剂的特性，就如水稻对敌稗、玉米和高粱对阿特拉津具有不同的生化选择性而最终表现出抗性一样，除草剂的使用自然会更加方便有效。但遗憾的是自然界中能够抗除草剂的作物类型很少，能同时抗多种除草剂的作物就更是少见，对某种高效除草剂的抗性也往往仅限于少数几种作物。因此，如何运用基因工程技术解决上述问题，创造出更多抗除草剂的作物新品种，已成为当前植物基因工程研究的主要目标之一。

研究进展

经过科学工作者们的不懈努力，这已是一项比较成功的植物基因工程。至少已培育出分别抗敌稗、镇草宁等4种以上除草剂转基因植物。比较突出的有：

（1）1987年，比利时的德布劳克等使一种能够分解膦的基因在马铃薯、烟草和番茄植株中表达，由此产生的植株具有抗除草剂的能力，甚至当除草剂喷施量超过正常用量的10倍时，该转基因植株也不受影响。

（2）1987年，美国卡尔金公司的托普森等人从鼠伤寒沙门氏杆菌中分离出一种基因（aroA基因），它的产物能有效地分解甘草膦，利用此基因转化番茄，也获得抗性植株；同年，孟山都公司把抗甘草膦的另一基因（EPSP合成酶基因）转入大豆，也使大豆对甘草膦的抗性大大增加。

（3）美国农业部、农业研究局的南方杂草科学研究所，从能杀死杂草的真菌中分离出毒素，将此毒素喷施于大豆田中，可以杀死98%的杂草而不伤害作物。该研究室与米科金公司合作，使这种真菌毒素成为商业除草剂。

（4）日本的研究者与美国杜邦公司合作已获得抗除草剂的水稻。

预计在今后5年内将有抗除草剂的玉米、大豆、水稻、棉花、番茄、烟草及各种蔬菜进入大田试验。

关于植物抗除草剂的分子机理，迄今研究得最为透彻的是对除草剂阿特拉津的抗性机理。由叶绿体基因组中psbA基因编码的光系统Ⅱ反应中心蛋白质QB是阿特拉津的结合受体，即阿特拉津结合的靶目标。它与另一种同由叶绿体基因组编码的QA蛋白共同组成光系统Ⅱ的核心，对光合作用过程中电子传递起介导、调节作用。因此，当施用阿特拉津后，进入植物体内的阿特拉津就与QB蛋白结合，从而抑制了植物光系统Ⅱ电子传递链中电子的转运，进而抑制了光合过程。玉米、高粱等作物由于能够降解阿特拉津或通过叶片组织内特有的谷胱甘肽转移酶与之形成复合物而解除毒性，从而表现出抗性。但杂草却由于不具备这一防卫机制而遭灭杀。不过，有一些杂草（如苋菜）对阿特拉津却具有天然的抗性。经过psbA基因的克隆和DNA序列结构分析发现，抗性型苋菜的psbA基因同敏感型相比，仅仅是在编码第264位氨基酸的密码子上发生了突变（AGT→GGT），使原来编码的丝氨酸改变为甘氨酸（Ser→Cly），从而大大降低了该QB蛋白与阿特拉津的结合力，植物的光合过程也就不致于因为QB蛋白被阿特拉津结合而影响正常功能的发挥；另一方面，在高等植物中，这种单一氨基酸的取代反应，也不会使QB蛋白的功能发生改变，所以，植物光合作用仍能正常进行，对阿特拉津的抗性便由此产生。此外，在一些原生生物和蓝色细菌中，QB蛋白质第264位上也存在着单一氨基酸取代反应（Ser→Ala），它们也具有抗阿特拉津的能力。

对QB蛋白及其编码基因psbA都有了相当的了解，ps-bA基因及其产物QB蛋白都是相当保守，在不同植物间具有极高的同源性，其表达受光的调控。QB蛋白刚合成出来时分子量为33.5—35KD，经过在其羧基末端（C端）剪切、加工成为分子量为32KD的成熟蛋白。还不清楚QB蛋白与阿特拉津的真正结合位点。但使QB蛋白与阿特拉津的亲和性发生变化的可能原因有二个：其一，上述氨基酸改变的位点恰在QB蛋白结合位点内部；其二，上述氨基酸的改变使QB蛋白三维空间构象发生改变。

对抗性和敏感性植物中QB蛋白基因的核苷酸及相应的氨基酸序列进行分析，是通过重组DNA技术将抗性基因引入到一些主要农作物（如水稻、小麦、大豆等）中的第一步，如今迈出的这一步显然已为作物抗除草剂基因工程研究奠定了坚实的基础。

培育方法

培育抗除草剂作物新品种的方法已见报道的主要有：

（1）常规杂交育种阿恩茨（Arntzen）用敏感型蔓菁作父本，与抗性型油菜作母本进行多次回交，最终可以把母本抗性型油菜细胞质中抗阿特拉津的叶绿体引入杂交后代中。但这种常规育种方法只有在杂交亲和的品种中才能成功。

（2）原生质体融合技术已经成功地将马铃薯与龙葵两者的原生质体（去壁后的植物细胞）融合，并再生出植株。据报道，在龙葵的抗阿特拉津植物中，有一个原质体系突变子，这是一个核基因，可以使叶绿体基因突变频率增加100—1000倍。如果植物带有这个基因，则可能使植物抗性发生改变。但是，到止，只有几种融合的原生质体能再生成植株，况且新融合产生的杂种植株有可能因种种原因而导致雄性不育，以致难以繁殖后代，因此这种方法也有局限性。

（3）基因工程技术用基因工程技术培育抗除草剂作物有几种方法：其一，将某种酶的基因转移到作物中。要求这种酶能够分解除草剂，正如水稻植株体内芳基酰胺酶对敌稗的分解；其二，针对除草剂可通过识别和破坏光合作用及氨基酸合成所需要的酶来杀死植物的特点，可把除草剂所作用的这个酶的基因转入植物，使转基因植物中该酶量大幅度增加。这样，在除草剂浓度不足以破坏植物体内所有的这种酶时，植物就仍能维持光合作用及氨基酸代谢，其生命因此得以幸存；其三，改变除草剂识别酶的位点，即通过基因点突变的方法改变该酶蛋白的氨基酸序列，使除草剂无法识别这个酶的位点，从而无法对作物发生作用。当然，这要保证该酶的主要结构及功能不发生变化。

将对某些除草剂的主要成分——膦具有抗性的基因转化马铃薯、烟草、番茄、大豆等，成功地获得了具有抗性的转基因作物。已经知道了植物之所以对阿特拉津具有抗性的分子机理，尤其是对抗性植物psbA基因的核苷酸序列有了明确的了解，因此把克隆出来的抗性基因直接引入叶绿体内，是培育抗性品种最好的方法。如今，由Ti质粒的T-DNA携带着外源DNA片段整合到植物叶绿体基因组上已有成功的例子。由此相信，利用T-DNA作载体，将除草剂抗性基因（如抗性植物的psbA基因及上述原质体系突变子）进行有目的的转移是完全可能的。

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