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转基因玉米的技术发展综述

更新时间:2009-03-28

21世纪被称为生物科学与生物技术的新时代,转基因技术是生物技术的核心技术也是生物技术中是目前应用最为广泛,发展最为迅速的作物技术[1]。转基因技术是将人为有目的性的分离和修饰过的基因片段导入到所需要的生物体基因组中,引起生物体基因性状的改变,并且能稳定遗传的一项技术。

品牌经济在21世纪已经成为衡量地区市场经济发达程度的重要标志,农产品区域品牌也是一个地区农业经济和农业产业化发展程度的重要体现。农产品区域品牌竞争力是农产品区域品牌参与市场竞争的能力及品牌自身资产价值的体现,是区域农业经济发展、农业竞争力提升、农民增收乃至新型农业经营主体培育的重要抓手。新疆地域辽阔,农业资源丰富,农业生产基础条件较好,是国家的粮食、棉花、林果、畜牧四大农产品生产基地。提升新疆农产品区域品牌竞争力,有利于新疆农业优势资源转化,有利于提高新疆农产品市场份额,对于促进农业产业化、区域经济持续发展,促进农民持续增收具有重要而现实的意义。

1.转基因玉米简介

具有“高产之王”、“饲料之王”、“工业原料之王”的玉米常被粮、经、果、饲综合开发利用。由于玉米种植需水量较少,所以玉米也是扩大半干旱地区不可替代的主要作物。中国是发展中的农业大国,也是世界上仅次于美国的第二玉米生产大国和消费大国,玉米既在中国是仅次于水稻的第二大粮食作物又是中国粮食增产的主力军。所以对玉米生产的研究与发展是一项义不容缓的任务。1986年Fromm等首次成功将转基因技术利用在玉米上,将目的基因转入了玉米原生质体中[2],1988年Rhodes CA等首次利用转基因技术的电击法转化玉米获得转基因玉米植株 [3]。1990年Gordon-Kamm W J等[4]利用转基因技术首次成功培育出能稳定遗传可育的转基因玉米植株。1995年转基因玉米在美国获得商业化生产许可。转基因玉米开始研究进程大致就为以上3个阶段:转化方法的摸索阶段→直接遗传转化方法的探究与发展阶段→1995年美国商业化种植发展阶段。从1996年到2011年美国不断的批准转基因玉米商业化发展,从开始大规模种植Bt抗虫玉米到耐寒转基因玉米等[5]。近年来,玉米转基因技术的得到了快速发展,全世界转基因玉米种植面积在不断增长。

教学是双向过程,要使学生主动参与到课堂上来,除了从制度上约束学生之外,根源上要对教师的教学评价机制的合理化进行构建。从经济学的角度分析,教师是提供教学产品的供给方,这种供给必须是有效的,才能满足学生的学习需求。教师的教学评价机制应是360度全方位的,包括上级、同事、学生的多角度评价。其中,最直接的是学生的评价。因此,要构建上级、同事、学生多角度的全面教学评价系统,并合理赋予不同角度评价权重,突出学生评价的重要性,促进教师改进教学,提升教学效果。通过教学评价系统的反馈,教师要针对评价反馈做出反思,并进行教学的改进。

目前商业种植化的转基因作物主要为玉米、大豆、棉花、油菜,转基因玉米作为4大转基因作物之一,自从1996年商业化种植以来转基因玉米迅速在全球范围内种植,到2010年全球种植商业化转基因玉米的共有16个国家,转基因玉米的种植面积已达到4680万hm2

2.基因玉米的转化路程和方法

2.1 玉米转基因受体系统

开展玉米基因转化的首要任务就是要建立良好的受体系统,所谓植物基因转化受体系统是指用于转化的外植体通过组织培养途径或其它非组织培养途径,能高效、稳定地再生无性系,并能接受外源DNA整合,对转化选择抗生素敏感的再生系统。它必须具备条件①分化及再生能力高效稳定③遗传稳定性较高②外植体或植物组织来源稳定④对于外源基因的导入易于操作⑤对选择性筛选剂敏感。目前转基因玉米主要有5中遗传转化受体,包括愈伤组织、原生质体、种质、直接分化、未成熟的幼胚。

转化方法指也称转基因技术,通过人工操作的方式将外源目的基因导入受体并且在之后的繁殖中能将此基因稳定的遗传给后代的一种技术手段。转基因玉米的转化方法千差万别,所以在挑选转化方法时要考虑到转化效率、简便性及植株再生能力和植株的可育性。

  

愈伤组织原生质体受体类型 受 体 的 优 缺 点优点:取材广泛,不受生长周期的限制;操作较为简单,较高的转化效率,适应性较强。缺点:玉米愈伤组织再生植株受基因型的控制。优点:体外易操作,易发生细胞融合;能直接高效捕获外源基因;转化频率比愈伤组织受体转化频率高,嵌合体少。缺点:是遗传稳定性差;原生质体分离困难;技术繁杂;培养周期长;植株再生频率低等。优点:周期短,操作过程相对简单,较易获得转化种子,不用进行组培过程。缺点:取材受天气、季节等限制;转化效率较低;转化后代群体较大需进行较为繁杂的后期种质直接分化未成熟的幼胚筛选工作。优点:取材方便、不受季节影响;周期短;容易开展操作等;缺点:茎尖培养困难,嵌合体多,后期需要进行大量的自交选育工作等。优点:分化能力强,易获得再生植株;较易获得转化体等。缺点:取材范围小;受季节影响;转化频率低等。

2.1.1 愈伤组织受体

在本系统中,用户可以即时查询获取文件的电子数据。根据电子数据用户隐私需求,电子数据仅该用户自己可见(在默认情况)。当用户需要查看其他用户的电子数据时,先给出需要查看文件的序号,系统根据文件序号查询区块链上文件序号对应用户的用户名。当文件属于查看用户的用户名时,则可以查看用户数据;如果文件不属于该用户名类,则文件不能被查看,具体如图6所示。

2.2.1 农杆菌介导转化法农杆菌是一种天然的植物遗传转化体系是植物特有的转基因方法,它的质粒中含有一段TDNA,农杆菌可以通过侵染及注射的方法进入植物的分生组织或生殖器官后将其本身的T-DNA转移到植物基因组中,因此,可将目的基因插入到经过改造的T-DNA区,借用农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移和整合,然后利用细胞及组织培养的方法培育出转基因植株,并通过抗生素筛选和分子检测鉴定转基因植株后代。其优点是转化受体材料广泛,操作简单;成本低;效率高,转育周期短;重复性好,稳定性好;基因沉默现象少;一次转化能产生较大可能的单拷贝基因插入,有利于外源基因的表达等。缺点是TDNA可以在有染色体的任何区域插入有可能导致目的基因的插入失活。

1987年Grimsly等[25]以玉米为材料,首次证明了农杆菌能侵染玉米,此后农杆菌介导法在玉米遗传转化受到关注。1991年Could等[26]应用农杆菌介导转化法首次成功地培育出转基因玉米植株,但转化效率不高。Ishida等[27]从1996年至2003年不断的通过内外因素优化后,用玉米幼胚与根癌农杆菌共培养获得了高效转基因植株,转化效率最高达到30%,并且证明了外源基因能够稳定表达和遗传。在农杆菌转化玉米体系中,由Ishidad 等[28]、王国英等[29]、等 Mythili P K[30]等相关报道中可知菌株类型、菌液浓度、受体的品种、外植体、Vir区的活化,共培养培养基的组成成分、共培养的光照、共培养时间、共培养温度和筛选方式等都会影响玉米的转化效率。而张莹莹等表明农杆菌侵染继代3次的愈伤组织效果最好[31],伍晓丽等报道农杆菌侵染前愈伤组织进行预培养可使转化率增高[32]

2.1.2 原生质体

自1986年Fromm等[13]首次通过制备了玉米原生质体并采用电击法将目的基因导入原生质体受体细胞中实现整合与表达,Rhodes等[14]运用原生质体作为受体获得了转基因植株,但不可育,随后1989年 Prioli等[15]和 Shilito[16]等分别利用此受体获得可育的再生植株。从此后该受体系统就被用于玉米的遗传转化,并成为目前最常用的受体之一。

原生质体转化受体系统的优点是原生质体具有体外易操作、易发生细胞融合、能直接高效捕获外源基因、转化频率比愈伤组织受体转化频率高和嵌合体少的特点。其缺点是遗传稳定性差、原生质体分离困难获得原生质体的难度大、技术繁杂、培养周期长、植株再生频率低等缺点,同时由于原生质体的制备是从悬浮细胞或胚性愈伤组织等,所以该受体系统依然受基因型的限制[17],应用范围有局限。

实验教学是统计软件SPSS课程的重要组成部分,也是对课堂教学的有益补充和完善,必须在以下几点上下足功夫:

2.1.3 种质

指玉米自身的生殖系统也称生殖细胞的受体系统,它包括如花粉粒、卵细胞、子房等。运用合适的遗传转化方法(如花粉管道法和子房注射法)将外源基因导入后,通过花粉与卵细胞之间的受精过程进行基因转化或转基因操作。1993年,国内学者丁群星[18]采用玉米果穗的子房,将目的基因导入子房,通过双受精后直接获得转基因玉米种子,2002年王罡[19]等、2008年王秀君等[20]也运用此受体获得Bt转基因玉米。

优点。周期短,操作过程相对简单,较易得到转化种子,同时避开了细胞及组织培养的繁琐过成,也因此战胜了由于长期的组织培养过程使转化体变异造成不育、不孕株,或转化体早期夭亡、影响转化效率等弊端。缺点是材料的获得受季节,天气等限制,转化效率较低,转化后代群体较大需要进行较长时间繁杂的后期筛选工作。

2.1.4 直接分化

直接分化指叶片、幼茎、牙尖等植体器官、细胞在体或离体状态下越过脱分化不产生愈伤组织而直接分化出不定芽生成再生植株。由于茎尖在立体状态下分裂能力旺盛分化程度低,且几乎不含有病毒,更容易、更高效获得再生植株,由李学红等 [21]报道称茎尖是较好地直接分化再生系统。1995年Lowe K等[22]证实了通过该受体获得再生玉米植株并且可以稳定遗传,其系统的优点是取材方便、不收季节影响;相比于愈伤组织受体系统及原生质体受体系统获得再生植株的周期短,特别容易开展转基因操作,对于一些受基因限制小的玉米,通过其丛生芽离体培养及转基因受体系统能快速有效地获得大批转基因植株。缺点茎尖培养困难,并且后代存在大量的嵌合体,需要进行大量的自交选育工作才能得到纯合而稳定的转基因品系。

2.1.5 未成熟的幼胚

此系统相关研究比较少,与愈伤组织受体不同的是,此受体直接针对的是未成熟的幼胚而非经幼胚诱导获得的愈伤组织。此系统主要采用农杆菌侵染法或基因枪法得到转化体,在经过组织培养的方式获得再生植物。1996年国内学者王国英等[23]用未成熟的幼胚作为受体,进行转化获得再生植株。用农杆菌直接侵染幼胚获得转化体的相关方法已申报专利[24]。此系统优点是它们在分化和再生上要占优势,比较容易获得转化体,而且避免了愈伤组织受体由于组织块大、结构疏松易松散等缺点带来的操作不便。缺点是转化频率低,尽管幼胚直接进行转化,在转化频率上仍然低于胚性愈伤组织和胚性悬浮细胞系。

首先通过外植体诱导出愈伤组织,再利用愈伤组织作为受体与外源基因融合最终分化培养获得再生植株。其转化受体的优点是具有取材广泛且不受生长周期的限制、操作较为简单,具有较高的转化效率,适应性较强等特点,缺点是玉米愈伤组织再生植株受基因型的限制[6],但尽管如此,在玉米的转基因育种研究中还是有大量的学者选用愈伤组织作为受体,并且已经由愈伤组织得到了完整的转化植株[7]

2.2 转化方法

下面对五种转化受体的特性进行比较,如下表:

女孩低头一望,立时惊呼一声,下意识地抬手臂护住要害。她一边背过身整理毛羽,一边大声喝骂:“流氓!下流!不许看!”

常用的转化主要方法按其是否需要进行组织培养重新获得再生植株又可分成两大类。一类为最终需要通过组织培养获得再生植株,包括病毒介导法、农杆菌介导法、聚乙二醇法、基因枪法。另一类方法不需要通过组织培养法,直接按其自然生长发育成为带转基因的新个体,包括花粉管通道法、子房注射法。下面来介绍目前玉米转基因育种中常见几种方法—农杆菌介导法、基因枪、花粉管通道法。

现阶段教学质量预警系统普遍是一种阶段性的成绩记载平台,预警对象也较为单一,要么是教师教学业务、要么是学生成绩,忽略了教学这一由多元素整合成的复杂整体,及时的、常态的、螺旋上升的教学过程预警功能并未实现,同时预警的反馈方式还较为原始,大多是预警通知书或成绩分析表,说服力、针对性、指导性都不够。在教学工作诊断与改进的背景下,课堂教学质量预警系统也应该融入学校内部质量保证体系。而“五纵五横一平台”的构建,是内部质量保证体系诊断与改进的基础性工作,其中信息化平台的建设是一切工作的基础,课堂教学质量预警指标的设计也应该主动对接数据平台的技术要求。

在国外,一家名为Blackboard网络学习平台创新性地提供了“学生预警中心”,根据教师提前设置的数据分析阈值对学生的学习状况向课程教师实时预警,以方便教师及时发现问题,避免问题的进一步恶化[2]。在国内,运用大数据分析评价学生的学习发展潜能的技术还不够成熟,目前只有少数机构能够利用大数据技术实现学生的个性化教学[3-4]。

用于诱导愈伤组织的外植体有未成熟胚、成熟胚、花药、幼穗、分裂的玉米种子、芽尖等,1974Green等利用成熟胚诱导愈伤组织,但并没有获得再生植株。1987Wang等人虽然利用成熟胚诱导愈伤组织成功获得了再生植株,但再生频率十分低,仅为4%[8]。从GreenCE和PhillipsR L首次利用幼胚诱导愈伤组织并获得再生植株。国内付凤玲等[9]先通过优良自交系幼胚获得胚性愈伤组织受体,再通过基因枪法成功获得转基因玉米再生植株。这与从杜文平等[10]、郭新梅等[11]许多研究者表明用以幼胚作外植体诱导产生胚性愈伤组织才是最好论证相符,幼胚作外植体易于产生胚性愈伤组织,且易于分化再生植株,利于开展遗传操作。窦茜等[12]用5个基因型的幼胚进行相同的试处理验,实验表明5个不同基因型的幼胚均可诱导出愈伤组织,但胚性愈伤组织的诱导率存在较大的差异。如何才能提高愈伤组织的诱导率获得更高的再生率是研究学者们不断在探究的问题。

该方法也是在玉米遗传转化中研究最多、技术最成熟的方法。

2.2.2 基因枪法

学校应重视自编教材建设。自编教材需要要注意以下几点,组织有专业教师和审计专家共同组成的开发团队,审计专家具有丰富的实操经验,教师熟悉教学规律和教材编写方法,这样编写的教材既贴近实战,又可教可学;教学内容要对实际工作进行提炼和加工,内容也不能过于复杂,要遵循循序渐进的规律,从而更好地实现模拟试训的教学目标。有条件的学校可以建立多媒体审计实训室,充分利用多媒体文字、图形、动画、声音等创设审计实践的仿真环境。运用审计电子模拟实训软件来开展实训项目,它具有信息量大,仿真性强,背景资料全、学生实训效率高、教师考核方便的优点,有利于提高审计实训的效益。

又称为粒子轰击法、微弹轰击法,此方法是物理方法,用外力将携带外源基因的微小金属颗粒给予很高的初速度轰击受体细胞,使它穿透植物组织将目的基因整合到受体细胞核基因组中,达到遗传转换。此方法动植物通用,由1987年Sanford等[33]首次研究提出,1989年Klein等[34]首次用基因枪法获得转基因玉米植株,但没有证明外源基因可以稳定遗传。直到1990年Gordon-Ka-mm等[35]用此方法获得可育的转基因玉米植株;由 Hagio(1998 年)等[36]、Rafiqc(2006 年)等[37]相关报道可知,通过对基因枪法的不断完善与优化,转化率明显得到很大的提高。

此方法的优点是:技术简单,便于操作,能迅速转移DNA;可用于多种受体材料的转化,不受基因型的限制,且载体质粒的构建也相对简单;对转移基因的大小要求不严格;安全性高;可以进行多基因共转换。缺点是设备昂贵无法达到普遍使用,转化率低,重复性低,由于外力太大容易使DNA断裂也使得大量非目的基因可随机插入与整合导致嵌合体多,后期需要大量筛选工作。

尽管如此,该方法也是在玉米遗传转化中最广泛使用的方法。牟禹用基因枪法将海藻糖合成酶基因转如玉米中,并获得再生植株和种子[38]。岳同卿用基因枪法将Bt cry1Ah基因成功转入玉米胚性愈伤组织中,获得可育的Bt cry1Ah基因抗虫玉米植株[39]。杜光运用同样的方法将抗蚜虫基因转入玉米中并获得再生植株[40]

2.2.3 花粉管通道法

花粉管贯通柱头与胚囊,在植物自花授粉适当的时期将外源基因通过花粉管外部腔隙导入到胚囊,转化还不具备正常细胞壁的卵细胞、合子或早期胚胎,随着生殖细胞的发育成为带外源基因的新个体。此方法的创立于20世纪80年代由中国学者周光宇提出[41],1986年,由Ohta等[42]首次应用于玉米转基因,证实可以通过授粉得到基因转移。直到1993年,由中国学者丁群星首次获得可育的转基因玉米植株[43]。此后,该方法被常用与转基因玉米的研究中,刘欣芳[44]、楚海娇[45]采用花粉管通道法成功将植酸酶基因整合到玉米中,并得到有效的表达,庠玉等[46]用同样的方法将抗病hrpZPsg12基因导入玉米优良自交系综31,获得再生植株,转化率为7.83%。

花粉管通道法也是作为一种颇具特色的植物转基因技术,优点是操作简便,普通得育种工作者易于掌握,不需要装备精良的实验室,不需要建立组织培养体系获得再生植株,无基因型限制可实现大规模转化等,更因为玉米是穗状花序,花多即有性繁殖系统发达,花粉易于采集,使得花粉管通道法在玉米转基因工作中具有优势,缺点是在田间操作,受生长季限制。玉米花粉雌蕊花柱长,从花粉管进入到合子还有细胞壁、细胞膜的选择透性等重重屏障,外源DNA不易导入,玉米开花时会释放核酸酶,核酸酶易分解破坏外源DNA。目的基因导入成功率低。相对这些缺点,有学者提出可以通过切短花柱,使DNA导入路径变短更有利于DNA分子进入生殖细胞,从而使转化率提高,同时还可以通过导入单细胞受体细胞、选取外源DNA导入的适宜时间等途径将花粉管通道法转化率提高[47]。而外源基因进入胚囊的动力,如何获得生殖细胞的感受态将是今后优化花粉管道法的研究方向之一。

(6)在F区,气测值基值降低,但甲烷相对含量比E区陡然升高且保持比D区稍低的高值;电阻率曲线也较E区电阻率高,但低于D区电阻率。

2.3 标记基因及相关筛选剂的选取

无论使用哪种转基因方法,转化体都只占少数,而且与非转化体相比竞争能力更弱,因此,必须选择合适的筛选剂,筛选出转化体以便进行后续培养。根据初始玉米转化使用的标记基因选取相应的筛选方法。植物转基因载体常采用选择标记基因有两类,一类为抗性基因,另一类为显色或发光的报告基因,目前玉米遗传转化多数使用为抗性基因,如抗生素(hpt、nphⅡ、dhfr)或除草剂抗性基因(bar),当抗性基因成功导入受体后,转化体就会抵抗相关抗生素或除草剂能力,于是非转化体用在添加了抗生素或除草剂的选择培养基上便会被杀死或者生长受到抑制。而转化体就能顺利被保存下来。

由于植物种类、外植体的类型、转化方法不同,选用的筛选剂种类及浓度以及筛选剂的加入时机也有差异,普遍选择浓度较低的筛选剂更有利。因为筛选剂浓度过高可能会对分化产生影响,也有可能迅速杀死植物细胞,而死细胞对邻近活细胞往往有很强的抑制作用,不利于转化细胞生长。而筛选剂的加入时机过早,抗性基因尚未表达,就被筛选机筛死,过迟加入筛选剂为转化的细胞则有可能逃避筛选,导致出现大量的嵌合体或假转换体。一般来讲,在用农杆菌介导遗传转化时,当外植体与菌体共培养1d~5d时加入筛选剂最合适,而基因枪、电击穿孔等直接转化法,最合适加入的时间为转化后的5~15d[48]

Hap赋予植物抗潮霉素,bar赋予植物抗除草剂,nphⅡNPTò赋予植物以抗卡那霉素性,但许多单子叶植物天然具有抵抗高卡那霉素的能力,玉米对卡那霉素不敏感。所以hpt和bar基因是目前最好的选择,Bar,Hpt都已经成功运用于培育转基因玉米[49]。而抗除草剂如草丁膦、草甘膦[50]等被广泛用于筛选转基因玉米。

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《和田师范专科学校学报》2018年第02期文献

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