棉花规模化转基因技术体系构建及其应用

文中综述了国内外转基因技术在棉花中的应用概况,主要介绍了近年来中国棉花规模化转基因技术体系的建立及应用研究进展,并对棉花转基因技术中存在的主要问题和未来发展趋势做了相关陈述。对棉花科研工作者了解棉花转基因研究进展并有效利用转基因技术开展工作具有重要意义。转基因技术在克服棉铃虫危害上取得了巨大成功,并将逐步在棉花抗病、抗逆等方面取得重要进展。世界上,棉花转基因初期主要建立了以珂字棉为受体的转基因体系,随着雷蒙德氏棉、亚洲棉、海岛棉、陆地棉等其他棉种组织培养体系的建立,农杆菌介导法、基因枪轰击法、花粉管通道法及其他转基因方法的应用,使得棉花转基因技术研究取得长足的进步。中国棉花规模化转基因技术体系主要是依托中国农业科学院棉花研究所及其他科研单位建立起来的,通过高效转化载体的筛选、主要棉花品种（系）的转基因技术体系的建立、组织培养条件的优化等措施,重点对农杆菌介导法转化棉花技术进行了改良,同时优化了基因枪轰击法及花粉管通道法转化技术,形成了三位一体的棉花规模化转基因技术体系。该体系建立了以中棉所24等材料为转基因受体的农杆菌介导体系,并利用叶柄组织培养筛选获得了组织培养分化率达100%的新材料W12等,使转化率提高到原有效率的2.88倍,同时建立了基因枪胚性愈伤组织轰击转化体系,并提高了花粉管通道的转化效率。该体系为棉花育种提供了大量材料,中国农业科学院棉花研究所已培育多个棉花抗虫新品种,并为国内41家科研单位转化基因200多个,验证了多个功能基因作用获得大量育种价值新材料。笔者认为基因型依赖性仍然是限制棉花规模化转基因技术发展的瓶颈,扩大棉花转基因受体材料基因型范围、提高转化效率、扩大转化规模是棉花转基因技术体系的长久主题。同时,为提高效率和降低安全性的公众焦虑,探索和发现新的更为安全和有效的转化体系,如多基因共转化、质体遗传转化、定点转化或基因叠加、开发安全型转化技术等研究引起人们的普遍关注,是未来棉花转基因技术的发展趋势。大量新基因处于材料阶段,同时安全性评价要求提高也需要转基因材料深入的研究。随着棉花基因组序列的公布,棉花自身基因的克隆将会成为棉花基础研究和应用研究的新方向,对于促进转基因棉花新品种培育和功能基因转化研究具有重要参考价值。     

玉米规模化转基因技术体系构建及其应用

玉米是世界种植范围最广、产量最高的粮食作物,为保证世界粮食安全做出了重要贡献。但是病虫害、杂草、干旱、盐碱等生物或非生物胁迫严重影响了玉米生产。培育具有抗虫、抗除草剂、抗病等性状的转基因玉米品种并应用到实际生产中,能够减少玉米产量损失,减少农药化肥使用量。玉米规模化转基因技术体系研究发展迅速,获得的抗虫、抗除草剂转基因玉米已在国外商业化种植18年,带来巨大的经济、社会和生态效益。全球转基因作物种植面积从1996年的170万公顷增加到2013年的1.75亿公顷。转基因玉米新品种培育需要较成熟的玉米规模化转基因技术体系。目前,商业化种植的转基因玉米都是从大量转基因玉米中选择的,具有外源基因单拷贝插入、遗传稳定、无载体骨架插入、目的基因表达合适、对玉米自身性状无影响等特点。国外大公司及部分公立研究机构建立了相对成熟的玉米转基因技术体系。中国玉米转基因技术体系研究起步较晚,目前初步建立了玉米规模化转基因技术体系,有必要进一步提高玉米遗传转化效率及规模化程度。玉米规模化转基因技术体系采用的主要方法是基因枪法和农杆菌介导法。文章详细介绍了2种方法的原理、发展过程及其应用。农杆菌介导法是目前最主流的植物遗传转化方法,具有成本低、外源基因拷贝数低、外源基因能稳定遗传表达等特点,更适用于规模化转基因技术体系。中国在玉米转基因技术体系研究及应用方面有很好的进展,在转基因受体材料选择、农杆菌侵染方法优化等方面对农杆菌介导的玉米遗传转化方法进行了系统优化,以国际上常用的玉米杂交种HiII及中国玉米优良自交系综31等为转化受体,建立了基于幼胚的玉米规模化转基因技术体系,并很好地应用于转基因玉米新品种的创制,获得大量具有生产应用价值的抗虫、抗除草剂转基因玉米。文章展望了玉米转基因技术体系的发展趋势,认为商业自交系作为外植体的筛选、转化事件单拷贝率的提高、无载体骨架序列转基因的提升、多基因转化技术、基因打靶技术、基因编辑技术及安全转化技术等方面是玉米转基因技术发展的趋势。中国应紧跟玉米转基因技术发展趋势,大力发展多基因转化技术、基因打靶技术及安全转化技术,使转基因玉米技术体系更好地服务于基因功能研究、转基因玉米产品研发等。中国通过玉米规模化转基因技术体系获得的转基因玉米将来进入产业化应用,将带来巨大的经济效益、社会效益和环境效益,并将推动玉米转基因技术体系的进一步发展。文章为玉米转基因技术体系优化和转基因玉米新材料获得等方面的研究提供一定的参考。     

大豆规模化转基因技术体系的构建及其应用

大豆是最早进行转基因品种大面积商业化种植的作物,也是目前转基因品种种植面积最大的作物,在食品、营养、工业和医药领域发挥着重要作用。1996-2012年的17年间,全球共累计种植转基因大豆76 310万公顷,给种植户带来了约370亿美元的收益。2013年,共有11个国家种植了8 450万公顷转基因大豆,约占全球转基因作物种植面积的48%,大豆种植面积的79%。尽管抗除草剂转基因大豆已在全球市场占据了主导地位,但长期以来大豆的转基因技术体系一直未能实现重大突破,高效、稳定的转基因技术体系仍是开展转基因品种选育和基因功能研究的瓶颈因素。根癌农杆菌介导的子叶节转化系统和基因枪介导的体细胞胚转化系统是目前最为常用的大豆转基因技术体系。自1988年采用这两种方法几乎同时获得了首批可育转基因大豆植株以来,大量的研究工作者对其开展了改良和优化研究,实现了转化效率的提升和再生方式向胚性悬浮细胞等的拓展,在大豆农艺性状改良和基因功能研究中发挥了作用。文章综述了大豆转基因技术的主要研究进展和问题,比较了大豆不定芽器官发生再生途径、体细胞胚再生途径和原生质体再生途径的特点;归纳了根癌农杆菌和基因枪介导的大豆转基因体系构建研究的典型案例,总结了其在大豆基因型选用、外植体选材、再生方式、筛选策略等技术参数和转化效率。分析认为：尽管通过多年努力,目前,可用于大豆转化的基因型、外植体类型等均有了很大拓展,转化效率也得到了显著提高,在多个报道中获得了超过10%的转化效率,甚至出现了转化效率高达30%以上的研究报道。但这些转化效率数据多数是在样本量较小的试验中获得的,而且在同一研究报道中,不同转化操作重复间的转化效率差异往往很大;在单因素对比试验中获得的高转化效率,往往在多因素整合试验中并没有得到很好的重演。这说明试验中尚有很多难以控制的未知因素对转化效率产生着影响,不同转化操作技术人员的技术熟练程度、操作习惯等人为因素,不同实验室设施设备条件的差别等环境因素,也都会对转化效率产生很大影响,这就造成了同一转化流程在不同实验室间的重演性不佳、不同操作人员间的转化效率差别较大、同一实验室的转化效率稳定性较差等问题,在很大程度上限制了大豆规模化转基因技术体系的形成。文章还概述了中国大豆转基因技术体系构建和转基因材料创制研究工作的发展历程,总结了近年来中国在农艺性状改良转基因大豆材料创制工作中取得的主要进展,并对基因组编辑技术、定点整合技术等新兴转基因技术在大豆中的应用前景进行了展望。     

水稻规模化转基因技术体系构建与应用

水稻作为重要的粮食作物和遗传转化的模式植物,其遗传转化一直受到广泛重视。自世界首例转基因水稻于1988年获得成功以来,水稻遗传转化技术体系迅猛发展,尤其是1994年首次通过农杆菌介导实现对粳稻的高频转化,经过近20年的发展,水稻遗传转化技术体系已经比较完善。目前,应用于水稻中的转基因技术主要包括基因枪介导法和农杆菌介导法,一些实验室也采用花粉管通道法、电击法、PEG转化法等。其中,农杆菌介导的转基因方法以其低成本、易操作、转化效率高、单位点插入比例高、后代表达稳定等特点已经成为水稻转化的主流方法,约占水稻转基因报道总数的80%以上。虽然国内外刊物时有转基因方法改进的报道,但是由于种种原因,水稻的转化还受一些因素的限制,例如部分粳稻品种和籼稻受基因型的限制十分明显,转基因效率普遍较低,严重制约了转基因技术在水稻生产中的应用;某些转基因程序过于繁琐,耗时长,成本高,不但导致效率低,而且长时间的组织培养诱发逆转座子转座引起无性系变异干扰了功能研究和育种工作。因此,迫切需要建立高效、安全、规模化和标准化的水稻转基因技术体系。文章综述了国内外水稻转化技术的发展历程,重点回顾了近5年中国水稻规模化转基因技术研究进展,包括围绕不同水稻基因型高效转化体系优化及建立,对影响农杆菌转化效率及植株分化频率等诸多因素如水稻基因型、外植体类型、农杆菌菌株和质粒载体、培养基组分、共培养时间、侵染方式等方面的研究和探索。整合国内外已有研究结果进行技术集成创新,分别以粳稻和籼稻成熟胚、幼胚为外植体,采用农杆菌转化方法,通过优化受体材料和愈伤状态、农杆菌侵染浓度和分化温湿度、工艺流程标准化等多种组分,突破了成熟胚分化难的技术瓶颈,整合了无选择标记等安全转基因技术,实现了粳稻和部分籼稻转化技术的标准化和工厂化,初步建立了安全、高效、规模化水稻转基因技术体系。但与国际先进水平相比,尤其与一些跨国生物技术公司相比,在转化规模和转化效率方面仍然存在较大差距。认为安全、高效、规模化是转基因水稻新品种培育和产业化的重大技术瓶颈。建立水稻主栽品种快速、高效、稳定的转化系统,开发安全型转化技术,开展多基因、大片段基因转化,实现转基因的定点整合和时空控制表达等是水稻转基因技术的发展趋势,针对水稻规模化转基因技术体系存在的问题,提出了相应的对策,对于促进转基因水稻新品种培育和功能基因组学研究具有一定参考价值。     

牛规模化转基因技术体系构建轨迹和展望

随着生命科学研究的不断发展和产业应用需求的扩大,转基因技术从探索生命科学基本规律的重要技术手段之一,正在向生命产业应用的相关领域扩展,其中包括大的家养动物转基因技术产业化应用的探索。论文综述了转基因技术在牛育种上的应用与发展,结合转基因牛在国际上的发展历史,着重介绍了中国在牛的转基因技术体系构建方面的历程和成果。通过引进、整合和创新,将现代动物生物技术融合在一起,建立了安全、高效及规模化的牛规模化转基因技术体系,进而实现了在牛的生产和繁育实践中更为广泛的应用。通过转基因技术对牛进行选育是为了增强抗病能力、改善乳品质、提高乳肉的产量、质量以及作为高效的生物活体反应器生产功能蛋白。目前,中国牛的规模化转基因技术体系基本构建完成,更多深入的工作将集中在目的基因表达量调控和导入的基因安全性控制等方面。所以未来的牛转基因育种工作以 “安全、高效、规模化”为主导,围绕组织特异启动子,优化密码子,调整基因修饰,定点插入基因以及去除筛选标记等工作展开。奶牛的抗病高产是其畜牧产业发展的重要方向,同时作为大型哺乳动物,是动物机体生产活性功能蛋白的重要反应器之一。因此,完善和发展牛转基因动物技术,建立完善的牛规模化转基因技术体系是未来的重要发展方向。     

小麦转基因技术研究及其应用

近年来植物转基因技术研究迅速发展,大豆、玉米、油菜和棉花等转基因品种已大面积推广应用,取得巨大的经济和社会效益。小麦是世界上主要的粮食作物,自1992年第一株转基因小麦诞生以来,小麦转基因技术发展较快,为开展小麦分子育种奠定了基础。目前,小麦遗传转化主要采用基因枪法和农杆菌介导法,分别占68.8%和15.9%。研究涉及抗病、抗虫、抗逆、品质改良、提高产量等方面,其中研究较多的为抗病(39.7%)和品质改良(25.6%),部分转基因小麦品系已进行环境释放及生产性试验。本文综述了小麦转基因技术的发展和应用现状,讨论了小麦转基因研究存在的主要问题和今后的发展方向。     

小麦转基因技术研究及其应用

小麦的转基因技术能够提升小麦的抗病性、抗虫性,对提升小麦的产量具有重要的意义。我国是一个农业大国,小麦的产量不仅能够解决粮食问题,还能提升耕地的使用效率。本文介绍了两种常见的转基因技术,并且介绍了技术的应用现状,为小麦转基因技术的研究提出一些参考意见。     

小麦转基因技术的应用

小麦作为世界上重要的粮食作物,对其进行基因工程改良已成为人们研究的热点。文章综述了自第一株转基因小麦报道以来,小麦转基因技术在小麦品种、品质改良方面的研究进展。     

绵羊转基因技术体系构建及研究进展

转基因技术能够突破种间隔离、实现多基因聚合、按照人类需要改造生物基因组,因而具有广阔的应用发展前景。自从1982年首例转基因动物诞生以来,已先后报道了10余种转基因动物。转基因方法也由早期单一的原核显微注射发展到核移植转基因、病毒载体转基因和基因组编辑技术。转基因目标已由建立动物转基因方法,发展到改良动物生产性能或产品品质、作为生物反应器生产高附加值药用蛋白和培育转基因新品种。文章综述了国内外绵羊转基因技术的研究现状、存在问题和发展趋势,回顾了通过转基因技术培育绵羊新品种或建立动物模型的研究进展,分析了不同转基因方法的技术特点,提出了转基因技术面临的技术障碍和瓶颈问题,尤其对近两年发展起来的基因组编辑技术的特点、发展趋势和应用前景进行了深入探讨。同时,结合中国绵羊转基因技术体系构建工作,分析了构建绵羊转基因技术体系的必要性,总结了中国绵羊转基因技术体系构建的研究现状、技术水平、取得的创新与突破,以及今后的重点发展方向。同时对将来绵羊转基因生物新品种培育潜在的经济、生态和社会效益进行了分析和展望。     

基因枪介导小麦基因转化体系的建立

以豫麦18幼胚为受体，建立高效基因枪介导转化体系，经除草剂抗性和对目的基因的PCR、PCR—Southern检测，获得了20株转基因植株，转化率高达3．7％，为基因枪高效介导提供了成功的证据。     

穗分枝小麦与普通小麦的杂种优势研究

对普通小麦和穗分枝小麦杂交种的田间杂种优势表现进行了系统研究,以期为明确穗分枝小麦在小麦杂种优势中的利用价值提供参考。2年度(2008—2009年和2009—2010年)的田间试验结果显示,穗分枝小麦与普通小麦之间存在着明显的杂种优势,其中,单株粒质量的杂种优势在-3.83%～65.43%之间,平均为20.66%,且比对照京411高5.11%,说明利用穗分枝小麦可以大幅度提高小麦杂种优势潜力。     

Application of Synthetic Hexaploid Wheat Derived from T.Durum,Ae,Taushii in Common Wheat Breeding for FHB Resistance

The F1 and F4 plants of ‘synthetic hexaploid wheat/common wheat’ crosses and part of their parents were inoculated with Fusarium graminearum to evaluate FHB resistance.The results showed tht the scab resistance in the F1 varied with the synthetic wheat accessions used as crossing parents.In the F4,some resistant head lines were generated from the crosses,although their parents had different scab resistance levels.It indicated that synthetic hexaploid wheat are useful in wheat breeding for scab resistance.     

过量表达蔗糖转运蛋白基因增强转基因小麦的耐旱性

【目的】创制过量表达TaSUT1A的转基因小麦,分析TaSUT1A在转基因小麦中的遗传及其对干旱胁迫的应答反应,选育抗旱的转基因小麦新种质。【方法】采用基因重组技术构建了TaSUT1A表达载体,利用基因枪介导法将该载体转入小麦品种科农199,通过Bialaphos筛选、转化植株基因组DNA PCR验证获得转基因T₀植株;利用RT-PCR检测TaSUT1A在转基因T₃植株中的表达情况,在此基础上,对3个转基因系的T₄转基因植株进行抗旱性鉴定和抗旱相关生理指标分析,验证其抗旱能力。【结果】经PCR检测和RT-PCR验证,获得了转TaSUT1A小麦阳性植株,与非转基因对照相比,20%PEG胁迫处理显著诱导了转基因株系根叶组织中目标基因TaSUT1A的上调表达。抗旱鉴定和抗性生理分析显示,在20%PEG胁迫处理下,转基因株系的萌发率比非转基因对照平均提高了32.8%,显著高于非转基因对照,并促进初生根的萌发和生长,初生根长和胚芽鞘长比非转基因对照平均增加了81.72%和170.77%;在20%PEG胁迫处理下,转基因植株叶组织中的蔗糖和可溶性糖平均提高了42.95%和36.56%,根中蔗糖和可溶性糖平均提高了58.01%和43.01%,均显著高于非转基因对照植株;与未胁迫处理相比,20%PEG胁迫处理后非转基因植株叶中的SOD活性由105.4 U·g^-1FW升高到139.1 U·g^-1FW,而转基因植株的活性由107.7-115.3 U·g^-1FW提高到168.2-211.6 U·g^-1FW,显著高于非转基因对照,同时,转基因小麦株系的MDA的产生较非转基因对照平均降低了37.47%,显著减少了MDA的产生。【结论】TaSUT1A在参与植物的逆境应答反应机制中具有重要作用,促进逆境胁迫中小麦的萌发和生长,超量表达TaSUT1A可显著提高转基因小麦的耐旱能力。