基因工程技術在農作物中的應用

1基因的編碼與基因基因（gene）這個詞由丹麥植物學家和遺傳學家約翰遜首次提出，這是指基因因素。孟德爾在五次實驗中發現的遺跡。美國實驗胚胎學家、遺傳學家摩爾根和他的學生在果蠅研究中發現各個基因以一定的線狀秩序排列在染色體上,從而建立了遺傳的染色體學說。基因的主要功能是編碼蛋白質,也就是說決定特定蛋白質的一級結構。一個基因是核酸或核蛋白的某一片段。生物的一切性狀幾乎都是由許多基因以及周圍環境相互作用的結果。基因首先在真核生物中發現,而真核生物的染色體都在細胞核中,所以基因是核基因或染色體基因的同義詞。線粒體、葉綠體等細胞器中也存在著編碼某些蛋白質的遺傳因子。為了區別于核基因,這些基因稱為“線粒體基因”“葉綠體基因”,或統稱為“細胞質基因”。“基因工程”(geneengineering)亦稱“遺傳工程”,是指不同生物體的DNA在體外經過酶切、連接,構成重組DNA分子,然后轉入受體細胞,使外源基因在受體細胞中表達。常用的轉移脫氧核糖核酸載體有質粒、噬菌體和病毒等。2般的遺傳密碼將一個雞蛋放到普通顯微鏡下觀察,不過是由一些蛋白質、維生素A、硒元素等簡單物質構成。但它竟能變成一只有鼻有眼、五臟俱全、有皮有毛、有密如蛛網的毛細血管和神經網絡的活生生的小雞!這是什么因素具有如此大的功能。現代科學實驗已經查明是蛋白具有的遺傳密碼———基因。基因工程是當代最復雜、最尖端的科學技術之一,其應用范圍十分廣闊。2.1基因重組技術由于世界人口迅速增加,土地不斷減少和沙化,人類生存面臨威脅,為此人們便把目光投向科學技術。而從20世紀50年代以來興起的現代生物技術,使人類看到了解決這一緊迫問題的曙光,因為生產實踐已經證實,運用基因工程的基因重組高新技術,能使農作物的品種不斷更新,提高品質,增加產量。如德國生命科學工作者利用該技術培育出的土豆西紅柿雜種作物便是其中一個例子,該生物工程新種是地下結塊莖,上部長番茄;美國生物學界霍爾主持的課題組已運用現代生物技術把菜豆的基因轉導到向日葵細胞中后,育成了全新的向日葵豆新作物。這些已成功的基因工程事例還可舉出很多,這足以表明,人類運用科學技術在改造農作物,為提高產量和改善品質是可以大有作為的。2.2功能基因開發的成功應用由于基因工程的出現,自20世紀80年代以來,在這方面取得的成果很多。如遺傳學家利用轉基因技術,在功能基因開發取得成果的基礎上,將一種外源基因———大鼠生長素基因導入小鼠卵細胞后,成功表達,結果小鼠長成了巨鼠。在這種突破性試驗成果的啟發下,目前,科學工作者在著手試驗將大象基因轉導到豬身上,使豬的個體變大。隨著生物技術的快速發展,基因轉導獲表達的水平不斷提高,“養豬長成象”將不再是一句戲言。2.3苗等令人鼓舞的新品種僅舉小試牛刀一例,現已通過生物工程技術開發成功了人血球蛋白、干擾素、乙肝疫苗等令人鼓舞的新藥。目前,隨著人們對生物高新技術的掌握,已把目標集中在研究病毒以及抗癌特效藥方面。學者們根據當代基因工程的發展速度,紛紛預測,在21世紀初葉或中葉,人們將有望征服癌癥,全世界數千萬癌癥患者正翹首相望,靜候佳音。2.4基因能解決人類的生存危機現在,地球環境遭到曠日持久的破壞,動物和植物的種類每日都在減少。人們擔心,這樣下去地球上的生物種類會逐漸減少,這種發展趨勢對人類的生存是極為不利的或者說是有威脅的。事實上確實存在這種危機。人們一直在尋找解決這一問題的方法,今天,人們可以明確回答,基因工程可以解決這一難題。它不但能人為地制造出大量新的生物種,甚至還能使滅絕多年的動物或植物被重新復制出來。有科學家是這樣預言的:“曾稱雄于世的久遠的恐龍雄姿,有可能在不遠的將來再現于世。”只要我們能采取到恐龍的完整的DNA,恐龍就有可能被復制出來。2.5抗炎與抗菌藥的使用植物在長期的進化工程中之所以能最低限度地避免傷害,是因為植物體內有一種“抗性基因”,它能識別一種特殊的傳染病。如煙草具有一種能夠識別煙草花葉病病毒蛋白質的抗性基因,它一旦識別出病毒蛋白質便立即作出反應,即指揮臨近細胞自殺、使病毒失去食源,死亡區以外的細胞則立即產生諸如聚合木素和碳氫愈傷葡聚糖(胼胝質)的化合物,以加厚細胞壁,隔離病毒,防止繼續侵染健康組織和細胞。同時在病毒侵染部位附近產生大量的抗生素,專一性地直接抑制病毒的生長。目前的檢測已經證實,在17種植物中有抗毒素的積累,并且同一科植物所具有的抗生素有明顯的相似性。為此,用能激活“抗性基因”的化合物注射或噴灑植物,成了當今使植物獲得免疫力的一種新方法。現在,一種與阿司匹林相似的化合物———水楊酸是已被公認的能激活植物抗性基因的有效物質。實驗表明,當給植物噴灑水楊酸后,其抗性基因被激活,從而對病蟲害產生廣泛的抗性。研究發現,植物受害蟲損傷后能產生報警信號,以此可激活植物體內的“防御基因”,從而提高植物的抗性及免疫能力,這在番茄的研究中最為顯著。害蟲損傷番茄葉子后,葉上細胞會釋放出一種類激素因子(PIIF),該物質通過細胞組織擴散到莖和其他葉片,啟動蛋白酶抑制劑基因,開始高效合成并在莖葉中迅速積累,以對付害蟲的再次侵襲。這種蛋白酶抑制劑不僅對害蟲產生的消化酶有抑制作用,而且對病毒產生的蛋白酶也有抑制作用。在此方面,眼下存在的不足是,發現類似自身具有較強免疫能力的植物并不多。然而,利用基因工程技術則可使更多的植物具有這一絕妙的招數。如1987年英國科學工作者將豇豆的胰蛋白酶抑制劑基因導入煙草,以賦予其較強的免疫能力取得了成功。1992年美國pyan實驗室分別將番茄蛋白酶抑制劑和馬鈴薯蛋白酶抑制劑基因導入煙草,也取得了明顯的成效,即育成了免疫力較強的轉基因煙草,害蟲只要取食就會有來無回。目前,轉蛋白酶抑制劑基因植物研究空前活躍,為世界各大生物技術公司矚目。美國Biot-echnica公司計劃將豇豆胰蛋白酶抑制基因導入玉米,以對付異常猖獗的歐洲玉米螟,并將其應用于大豆、苜蓿和小麥。可以預測,日新月異的基因工程技術可以使得更多的免疫植物進入田間,而曠日持久的人蟲之戰進入冷戰時期的日子也為期不遠了。2.6基因療法的根本機理在于克服細胞缺陷而產生的疾病在過去的20多年里出現了“基因工程療法”,即通過直接處理缺陷本身的位點——突變基因。到20世紀70年代早期,由于對腫瘤病毒轉化細胞機制的了解,使基因治療得到早期的理論支持。DNA和RNA腫瘤病毒的分類使其對基因治療至關重要的那些功能得以精確的闡明,這就是將具有功能的新的遺傳信息穩定地導入,以糾正由于細胞缺陷而引起的疾病。缺陷基因被替換,進入的是正常功能基因,這便是基因療法治病的根本機理所在。新近,基因工程治療又出現了一種比較理想的方式,這就是突變基因修正,即對突變基因序列特異的修正,而不引起靶基因組任何額外的改變。雖然基因修正至今還有不少困難,但外序列的基因組定位導入(導致特異基因序列的修正),現已在若干哺乳動物中的實驗得到證實。在這些成功試驗的基礎上,現已為人類疾病建立了動物模型。應當特別指出的是,在最近的若干年里,人類已經掌握了好幾個基因增添的技術,那就是通過導入外源正常遺傳信息,修飾缺陷細胞內突變基因內容及表達方法。據《新英格蘭醫學雜志》報道,作為具有里程碑意義的實驗是20世紀80年代末的在人體內進行基因工程療法臨床工作實踐。研究人員將腫瘤殺傷細胞輸入人病體內。許多科學家認為,通過在患者體內植入具有療效的功能基因去醫治一些遺傳病,這項技術不僅使根治癌癥成為可能,而且對危害極大的鐮狀紅細胞貧血、膀胱纖維變性等遺傳病得到根治也成為可能。3發展結構的變革,需要生物的多樣性自從1973年Jackson等人在一次分子生物學學會上首次提出基因可以人工重組,并能在細菌中復制。從此以后,基因工程成為一項新興的研究領域得到了迅速的發展,無論是基礎研究,還是應用研究均取得了喜人的成果。這是生命科學發展的一次飛躍,生命科學已經進入了一個定向、快速改造生物性狀的新時代,受到了國內外廣泛的重視。開展基因工程研究幾十年來,建立了多種分別適用于微生物、動植物轉基因的載體受體系統,克隆出了一批有用的目的基因,研制出了數十種昂貴的基因工程藥物,培育出了一批具有特殊性狀的轉基因動植物。當今,國際上一項合作性的基因組測序計劃正在大規模的實施之中,我國已成為這項國際上合作研究開發的少數幾