植物育种

现代遗传学研究始于孟德尔的豌豆杂交试验，是从植物开始的，并从此一步步深入，最终建成了分子生物学的大厦。而从分子生物学衍生出来的现代生物工程学，作为新技术革命的一个重要方面，现在又回到植物这个给了人类最丰富的营养、食品资源和工业原料的材料上来了。的确，植物与我们生活的关系是最密切的，但同时，它又称得上是基因工程研究和开发中最难啃的一块骨头。

这块难啃的骨头——运用基因工程改造农作物，一旦成功，无疑会给农业带来巨大的变化。

最近，这方面已经有了较大的进展：已完成了多种高等植物基因的分离，如大豆、玉米、小麦、大麦、水稻、菜豆储藏蛋白、玉米光敏色素等，使决定这些植物的重要性状的目的基因分离，为改进它们的性能提供了可能。Ti 质粒是引起植物肿瘤的质粒，存在于根瘤土壤杆菌的细胞中，它使植物发生肿瘤，肿瘤细胞有非常强的自主性繁殖能力。植物基因工程师们于是就利用这些农作物的病菌作为研究材料，对它们进行一些基因操作，赋予这些病菌一些新的有益的特性，例如固氮、抗病虫害、抗农药、抗除莠剂等，同时又消除它们固有的形成肿瘤的有害特性。Ti 质粒成为植物基因工程操作真正的传递遗传信息的载体。目前对它的改造已经有了突破性进展，很有希望成为双子叶植物的基因载体。而用人工构建的小染色体为媒介，实现基因转移，将有可能成为单子叶植物的基因载体。共生菌是生长在动植物体内且与人与己都有利的一类细菌，目前利用它的这一性质先使我们的目的基因重组质粒进入细菌，再让细菌在植物体内发挥目的基因的功能，这样植物的功能就得到了改进，目前这一工作已颇有希望实现。另外科学家们把病毒和类病毒作为载体的研究也取得了不同程度的进展，可谓前景光明。植物细胞染色体中镶嵌了 Ti 质粒的一段 DNA 叫做 T—DNA，它除了有致瘤作用外，还有合成胭脂碱类物质等多种功能。如果把 T—DNA 经过实验操作，解除它的生瘤因素，再把真核或原核生物的一些有益基因插入到这种 T—DNA 上，再移入植物细胞里，这样就可以最终传递到下一代植株的种籽中。用这样的方法，健康的烟草植株就合成出了胭脂碱类的物质，它还同时具有后插入的那些有益基因的功能：如提高固氮能力、光合效率高、抗农药等。

植物细胞培养技术得到不断发展。因为植物细胞有“全息性”，即使一个细胞、一个原生质体也能发育成为完整的植物体。它对于细胞融合、导入外源 DNA 以及基因工程来说，是必不可少的重要基础。到目前，已有七十多种植物能用原生质体培养再生成植株，它不仅有实用价值，同时也是一个理想的受体。1972 年，烟草的体细胞杂种首次问世，到现在，不仅植物种内、种间、属间实现了杂交，甚至动、植物间、动物和人之间也实现了杂交。

在植物育种方面，已培育出了多种性状优良的新作物：1981 年 4 月，美国威斯康星大学成功地把一种植物来源的基因（储存菜豆蛋白质的基因）经过根瘤土壤杆菌转移到向日葵植物细胞里，再生的向日葵就具有了菜豆蛋白的特征，而且还能遗传给子代，这就是被称为具有菜豆特色的向日葵——“向日豆”。它与口蹄疫基因工程疫苗一起，被美国农业部列为当年美国基因工程的两大突破，预示着植物基因工程的美好未来。

1982 年，美国孟山度公司和比利时的根特大学又成功地把细菌的抗卡那霉素的基因，用 Ti 质粒转入向日葵、烟草、胡萝卜等植物细胞里，它们就在那里表达，长成了植株，而且也能传给它们的“儿孙”。这些植物免遭抗生素伤害的能力，要比同类其他植物强八倍多。这是细菌基因在高等植物体内表达的第一批例子。

1983 年 10 月，美国明尼苏达大学的鲁本斯坦教授宣称，他们将玉米醇溶蛋白基因和 Ti 质粒重组后转入向日葵根部细胞已获成功。

另一项植物基因工程—一抗盐抗旱的植物基因工程，作为美国这一领域的重点项目，也取得了可喜成就。遗传学家们先把某一作物的耐旱耐盐基因移植到细菌细胞内繁殖，然后再将这种基因转移到植物细胞内，可以促进植物体内脯氨酸的产生和代谢。因为脯氨酸能抑制植物细胞向外渗透水分，植

物经过遗传学家们这样的操作后，也就增强了抗旱抗盐的能力了。

前联邦德国和美国堪萨斯州立大学的科学家得到了种间植物杂交的著名例证：把蕃茄和马铃薯的细胞融合在一起，再生成植株，就成了“蕃茄薯” 和“薯蕃茄”，创造了自然界本不存在的植物。

苏其金芽孢杆菌能产生一种专门杀灭有害于农作物的鳞翅目昆虫的蛋白。1985 年有报告说，将这种细菌细胞内生产此蛋白的基因传递给农作物的细胞，并在新的寄主那里表达，形成的烟草新植株使一些花蕾虫、甬虫、卷心菜烟草尺蠖等有害昆虫退避三舍，不敢造次了。

在植物育种方面较有成效的还有花药培养、染色体工程和细胞突变等细胞工程技术。二十多种植物的花粉植株已培养成功；三倍体甜菜、四倍体橡胶草、八倍体小黑麦、多倍体蕃茄等已应用于生产；美国应用细胞培养结合突变处理的方法，获得的水稻新品种赖氨酸含量比普通品种要高十分之一。

还有许多正处在探索中的细胞工程：

抗除草剂的植物是我们的理想目标之一，现在已知道有些酶有抗除草剂的作用，如谷胱甘肽转胺酶。有的实验室正在利用这种酶基因的重组技术，进行农作物抗除草剂基因工程的研究。

人们还在进行耐高温植物的研究，利用一种抗高温蛋白的调控 DNA 与抗高温蛋白基因的基因工程正在进行。

抗小麦锈病、玉米大小叶斑病，蕃茄、土豆以及棉花的枯、黄萎病等的基因工程也尚处于柳暗花明的探索中。

近年，又诞生了许多实用性成果，很多植物新品种都进入了商品化阶段。美国孟山度公司培养的能产生杀虫剂的转基因土豆获准上市，日本科学家利用基因重组技术培育出了抗病能力强、味美高产的西红柿和西瓜。

在这里，要格外提一笔的是植物的固氮研究。大家知道，蛋白质是人体必需的营养成分，而且也是最重要的营养标志。植物来源的蛋白质在我们摄取的蛋白质中占很大比重，比如像我国这样一个以谷物为主食的国家，蛋白质来源有一半要取自粮食。人类社会面临着需要更多更优质食品的问题，而增加蛋白的供给显得格外重要。由于传统的增产方式已经快到了“黔驴技穷” 的地步，土地面积不可能再大量增加，使用化肥使粮食产量大幅度增长的时代已经过去，而且化肥不仅需要大量的投资，成本高，更主要的是造成环境污染日趋严重。出路在哪里呢？植物基因工程的运用给我们指明了方向。

大家知道，植物中的蛋白质是植物从土壤中吸收氮素而形成的。但是，自身就具备这种本领的植物只有豆科植物中的几种，如豌豆、大豆等。如何使其他的植物都具备这种本领呢？这就是植物基因工程要解决的问题了。

土壤里的氮素是从哪里来的？是从空气中来的。我们的地球表面覆盖着空气，其中约有 80％都是氮气，一亩土地的上空，至少会含有 5000 吨的氮素！这么多的氮素，为什么植物还需要氮肥呢？当然是因为它们没有固氮能力了。那么豆科植物又是怎样固氮的呢？原来，在土壤里有一种能固氮的细菌，可以与豆科植物联合起来，通过体内的固氮酶把空气中的氮素转化成为作物可以利用的以氨的形态存在的氮。这样，每个固氮细菌细胞不就是一座超小型的氮肥工厂吗？这样一个小工厂一年下来能固定 50～500 公斤的氮素，正所谓“体小能干大事”。成万上亿的固氮细菌如果都被其他非豆科植物联合起来的话，不就可以代替世界上正运行着的千千万万的化肥工厂了吗？

植物基因工程的概念正是由怎样使大多数非豆料植物也能固氮这个问题引出来的。而研究植物基因工程，前面讲的根瘤土壤杆菌倒是很有可能成为理想的天然植物遗传工程师。根瘤土壤杆菌在这里有着双重的身份：一方面，它是植物基因工程的受体；另一方面，它又充当传递遗传信息的载体。前面提到的根瘤土壤细菌细胞中的 Ti 质粒，已被证实可以作为载体，将一定的基因带到植物细胞里。如果给解除了生瘤武装的 Ti 质粒插入一些基因如根瘤细菌的固氮基因，再让它把这些基因运送到非豆科植物的细胞里，最后传递到下一代植株的种籽中，或许就可以实现我们的目标。

只是，目前在这项工程的实际工作困难重重，如遗传操作禾本科作物要比操作双子叶植物困难得多，而遗传操作根瘤细菌也比其他细菌难度大，遗传工程学家们正在迂回曲折地探索一些可行途径。随着科学技术的进步，特别是植物分子遗传学的强化研究，有朝一日在一些非豆科作物和固氮菌之间建立起共生固氮体系，是有可能实现的。利用 Ti 质粒作为运载体的研究也一定会获得许多新的成就。