摘要 基因工程是20世纪末迅速发展起来的新兴生物技术，在促进农业生产方面发挥了巨大作用，尤其在植物的抗病、抗虫、抗除草剂、抗逆及品种改良等方面提供了更为广阔的应用前景。笔者详细阐述了基
因工程在农业中的应用，通过对基因工程技术的特征分析及在农业上应用效果的总结，论述了基因工程给我国目前农业发展带来的机遇与挑战及应采取的对策。
关键词 基因工程技术；植物保护；防治应用；发展前景
中图分类号 S77文献标识码 A文章编号 1004-8421（2007）11-056-03
基因工程和细胞工程、酶工程、发酵工程均属于现代生物工程。诞生于20世纪70年代的基因工程技术，作为生物工程的重要领域，自20世纪80年代中后期以来取得了迅速发展。基因工程是采用类似工程设计的方法，人为地转移和重组生物遗传物质中的基因，从而达到改变生物的性状和功能，创造出更加适合于人类需要的、而大自然未能赐给的新生物，因而基因工程也称遗传工程、遗传操作或重组DNA技术等。由于与病虫害防治有关的各类基因的发现及植物转基因和微生物重组技术的一系列突破，用于植物保护的基因工程产品首先得到开发并在农业上实现商业化应用。基因工程技术为现代植物保护工作开辟了广阔的前景。
1 植物基因工程技术概况
植物基因工程技术是利用生物或物理、化学的手段将目的基因导入植物细胞，以获得人们需要的转基因植物的一项基因工程技术。植物的遗传转化目前可分为间接转移和直接转移2类，通过染色体DNA的Southern分析、多聚酶链式反应技术等方法可检测基因转移是否成功。
1.1 间接转移法 以某种菌或植物病毒为载体，把目的基因插入载体，通过菌或病毒感染植物，使目的基因整合到受体植物的DNA上复制和高效表达。
1.2 直接转移法 利用植物细胞的生物学特性，通过基因枪法、脂质体介导法、多聚物介导法等物理和化学技术将目的基因直接转移到受体植物细胞内。
2 基因工程技术在植物保护中的应用
2.1 国内外发展概况
2.1.1 转基因植物。1983年，转基因植物（烟草和马铃薯）首次诞生。1986年，转基因抗虫和抗除草剂植物开始进入田间试验。1994年，首批转基因植物产品——延熟保鲜的番茄和抗除草剂棉花在美国获准进入市场销售。截至1998年6月，国外批准商业化应用的各类转基因植物产品已近90种，仅美国和加拿大就超过了50种。其中，大部分都与病虫草害防治有关，如抗虫（玉米螟）玉米，抗虫（棉铃虫、红铃虫）棉花，抗虫（甲虫）马铃薯，抗病毒西葫芦、番木瓜，抗除草剂（草甘磷、草铵磷、溴苯腈、磺酰脲、咪唑啉酮）的玉米、大豆、棉花、油菜、亚麻等。另据统计，1996年世界种植的转基因农作物面积约为200万hm2，1997年猛增至1 280万hm2，1998年又上升至2 600 hm2。在美国，转基因玉米、大豆和棉花的种植面积已分别占各种作物总种植面积的25%～33.3%。
我国在转基因植物方面的研究也获得了很大地发展，据1996年统计，国内正在研究和开发的转基因植物约47种，涉及各类基因103种。其中与病虫草防治有关的基因约62种，即抗病毒病基因33种、抗细菌病害8种、抗真菌病害7种、抗虫11种、抗除草剂3种。近几年研究的基因数量和转基因植物的种类又有增加，目前国内已有10余种转基因植物进入了田间试验或试种示范阶段。我国自行研究培育的5个转基因产品已获准商业化应用，其中同抗病虫有关的有3个，即抗棉铃虫的棉花、抗病毒病的番茄和甜椒。近年来，转苏云金芽孢杆菌（Bt）杀虫晶体蛋白基因的棉花最为引人瞩目。我国现已育成10多个杀虫效果显著、丰产性好、纤维品质优良、适于不同生态条件种植的品种或品系，这些材料已在国内9个省、市（区）大面积试种、示范和应用。新一代双价抗虫棉（含Bt杀虫蛋白酶抑制剂2种基因）品系已进入了大面积示范。我国已成为在世界上独立研究成功转基因抗虫棉，并拥有自主知识产权的第2个国家。
2.1.2 重组微生物。过去采用传统选育方法，得到的自然菌株防治对象窄，稳定、持久性差。基因工程则为这些菌株的遗传改良提供了有效的手段，新一代杀虫防病重组微生物的研究开发已取得显著的进展。1991年以来，国外已有一些新型微生物农药产品投入市场，其中以微生物杀虫剂居多，如采用质粒修饰与交换技术开发的新型Bt杀虫剂Foil、Condor和Cutlass；利用基因体外重组技术开发的新型Bt杀虫剂Raven OF和Crymax WDG；利用基因转移与生物微囊技术开发的杀虫荧光假单胞菌菌剂MVP、MTrak和MPeril等。重组微生物杀菌剂的研究开发也有突破。如对多种植物根癌病有效的放射土壤杆菌K84菌株经基因缺失重组后，防病效果更为稳定持久，1992年该菌已定名为Nogall并获准进入国际市场。
我国重组微生物的研究开发起步稍晚，但近年来也取得了良好进展。如已从我国Bt资源中鉴定出Cry1 Ac10 和Cry1 Fb3等新型杀虫蛋白基因，通过基因重组和转移，分别获得了杀虫毒力较高或兼有杀虫与防病作用的苏云金芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌菌株。微生物杀菌剂的研究开发也具有一定的特色。如通过转座子诱变和接合转移技术获得了防病增产作用良好的荧光假单胞菌，该菌对小麦金蚀病田间防治效果（降低白穗率）可达65%，增产约20%以上。通过致病基因hrp缺失构建的工程菌株，可降低水稻白叶枯病病情指数近50%，与增效剂混用，田间防治效果可达60%以上。
2.2 基因工程技术在植物病害防治方面的应用
近年来，利用基因工程技术防治植物病害方面已取得了一定的进展。如黄瓜、马铃薯、番茄、烟草、苜蓿等植物，经常出现花叶病害而枯死，这些都是病毒引起的病害。人们在研究此病害过程中，发现了交叉保护现象，即先用弱病毒感染植物，再用强病毒感染植物，结果后者感染不上，达到了免疫防病作用。目前，抗病毒基因工程有以下几个方面：
2.2.1 转病毒外壳蛋白基因工程。烟草花叶病毒（TMV）是1种RNA病毒，由单链RNA和外壳蛋白组成。将单链RNA编码外壳蛋白的片段反转录成cDNA，然后放入载体，转化到烟草中表达，结果在烟草中有病毒的外壳蛋白。当再感染相同病毒时，体内的外壳蛋白能阻断新入侵病毒的复制和传递，达到防病效果。利用相同原理，马铃薯、番茄、苜蓿等花叶病毒转外壳蛋白基因的植物已获得成功。
2.2.2 病毒卫星RNA基因工程。将病毒卫星RNA反转录成cDNA放入载体，转化到植物中。外界侵入病毒的卫星RNA序列和转化植物中的cDNA序列配对重组，结果阻止卫星RNA复制。这种方法已在马铃薯、黄瓜上应用。
2.2.3 病毒反义RNA基因工程。将病毒RNA反转录成cDNA，反方向接到启动子后面，构成载体，转化植物。入侵病毒RNA与植物中转录的反义RNA配对互补，阻断入侵病毒的复制。除上述以外，近来发展到利用病毒基因组的其他片段介导的抗性作用，都取得了较大进步。
2.2.4 抗细菌和真菌病害的基因工程。目前，抗细菌和真菌病害的基因工程也有了很大的进展。如鸟氨酸氨甲酰转移酶基因和乙酰转移酶基因用于抗细菌病害；核糖失活蛋白、几丁质酶和葡聚糖酶、解毒酶等基因用于抗真菌病害。我国科学家从丝瓜根部分离得到芽孢杆菌TG 26菌株，可抑制因细菌或真菌性病原菌引起的作物萎蔫病，亦可抑制小麦赤霉病菌、棉花枯萎病菌、西瓜枯萎病菌等。
2.2.5 防治病害基因工程在生产中的应用。我国和澳大利亚科学家联合育成的抗大麦黄矮病毒小麦，北京大学陈章良教授等培育的抗烟草花叶病毒（TMV）烟草，中国科学院微生物研究所莽克强、田波教授等培育的抗TMV烟草和番茄，该所方荣祥教授等培育的抗TMV和抗黄瓜花叶病毒的双抗转基因烟草，中国科学院上海生化与细胞所周光宇教授等培育的抗枯萎病棉花等。国外利用转移病毒卫星RNA得到了抗花叶病毒黄瓜。
2.3 基因工程技术在植物虫害防治方面的应用
2.3.1 通过基因转移提高植物的抗虫性。云金杆菌是昆虫病源微生物中用来进行害虫防治最广谱的1种，可防治80多种农林害虫，杀虫效果达80%以上的有20多种。利用基因工程技术将苏云杆菌病毒素中杀虫活性最高的δ内毒素基因转移到烟草、番茄、棉花等作物上，使δ内毒素基因在这些作物上表现出来，鳞翅目昆虫的幼虫取食这些作物就会中毒死亡。从而培育出了抗虫烟草、抗虫番茄和抗虫棉等新品系。在植物中有很多蛋白酶抑制剂，昆虫吃了这种抑制剂，消化道中的胃蛋白酶或胰蛋白酶受抑制而消化不良，从而死亡。如从豇豆叶中分离到的豇豆胰蛋白酶抑制剂基因，导入烟草后，转基因烟草具有良好的抗棉铃虫和烟青虫的特征；英国和秘鲁科学家用此方法获得了甘薯抗虫新品种。现已从豌豆、豇豆、慈菇中分离到蛋白酶抑制剂及其基因，也得到了抗虫基因工程植株。国外把抗虫基因导入欧洲黑梅，得到的转基因欧洲黑梅可使取食的舞毒蛾和杨尺蠖死亡率高达100%。
植物抗虫基因工程在烟草、番茄、马铃薯、玉米、水稻、油菜等20多种植物中都取得了重大成果，能抗烟青虫、杨尺蠖、舞毒蛾、玉米螟等昆虫。
2.3.2 利用基因工程技术改善微生物杀虫剂。苏云金杆菌的毒素中以δ内毒素的杀虫活性最高，但其在野外条件下易失活，而有人应用基因工程在大肠杆菌中同时产生多种δ内毒素，这对选择杀虫活性更强的δ内毒素，用于培育转基因抗虫作物提供了更为广阔的范围。
2.3.3 使用和研究的主要抗虫基因。①来源于微生物的抗虫基因：Bt毒蛋白基因、来源于其他微生物的抗虫基因（异戊烯基因转移酶ipt、胆固醇氧化酶CO、营养杀虫蛋白Vipl、ViP2和ViP3A）；②来源于植物的抗虫基因：蛋白酶抑制基因、淀粉酶抑制基因、植物凝集毒素基因、来源于高等植物的其他抗虫基因（几丁质酶、烟草阴离子过氧化物酶、色氨酸脱羟酶、核糖体灭活基因、豌豆脂肪氧化酶）；③来源于动物的抗虫基因：昆虫特异性神经毒素基因（蝎毒素、蜘蛛毒素）、其他来源于动物的抗虫基因（Set蛋白酶抑制基因、胰蛋白酶抑制剂BPTI、胰蛋白酶抑制剂alA T、脾抑制剂SI）。
2.3.4 虫害防治基因工程在生产中的应用。我国已成功研发并进入大田的是携有能杀鳞翅目害虫的苏云金杆菌毒蛋白基因的转基因玉米、棉花、烟草、番茄、蓝藻、欧洲黑梅等。此外，已将能影响昆虫胰蛋白酶或丝氨酸蛋白酶活性的抑制剂基因引入到棉花、烟草和马铃薯中，使棉铃虫等昆虫咬食其叶片后肠消化功能受到干扰而最终死亡，同时降低了其总食物摄取量和存活率。其他如中国农业科学院范云六教授等培育的抗螟虫水稻，英国培育的能杀死吸汁类昆虫蚜虫、蝗虫、白蝇等转雪花植物凝集素烟草、莴苣等。
2.4 基因工程技术在减轻田间杂草危害方面的应用
人工去除田间杂草费时、费力，用化学除草剂又会损害作物。如使作物获得抗除草剂的特性，就可放心和扩大使用除草剂。目前，使作物具有抗除草剂特性的方法主要有3种：①把除草剂作用的酶或蛋白基因转入植物，使其拷贝数增加；②通过转移1种降解除草剂的酶的基因；③改变作物中除草剂的作用位点。
2.4.1 抗除草剂。玉米与30多种杂草可以抗阿特拉津除草剂。现在人们已经了解抗该除草剂的原理，即阿特拉津除草剂作用在叶绿体，与光合作用的电子载体——醌竞争电子，从而阻断了传递电子的作用，破坏光合作用。醌在叶绿体膜上，与1种32 kD蛋白相结合。抗性植物和无抗性植物的差别，在于这种蛋白结合，所以不能取代醌中断光合作用。对这种蛋白质的基因顺序分析，发现抗性和不抗性植物间只有1个核苷酸差别，导致只有1个氨基酸差别，抗性植物为丝氨酸，无抗性植物为甘氨酸。目前已得到这种蛋白的基因，但需要有叶绿体基因组的载体，才能成功。利用从吸水链霉菌中分离的bar基因，它编码PAT酶，能抗PPT和Bialaphos除草剂。其作用原理是破坏植物氮代谢中要的谷酰胺合酶，使其不能同化植物吸收的NH4+，从而导致氨中毒死亡。PAT酶是这2种除草剂的抑制剂，将其基因转入作物就能达到抗除草剂的目的。
2.4.2 抗除草剂基因在生产中的应用。我国已成功地获得抗草甘膦烟草、抗溴苄腈棉花、抗磷基麦黄酮甜菜、抗三氯苯类番茄、大豆和抗镇草宁大豆，以及中国科学院遗传研究所朱立煌教授等培育的抗阿特拉津大豆、水稻等。此外，德国已将氨基氰水化酶基因导入烟草并获得转基因植株。他们发现存在于烟草根系和叶片中（特别是叶片中）的氨基氰水化酶，可以把残留在植株上和田间里的除草剂氨基氰水解为尿素，尿素再由叶片和土壤里存在的脲酶分解为可供植株吸收利用的碳酸铵或碳酸氢铵。所以，这种转基因烟草能将残留的植物毒素（除草剂氨基氰）转变成植物所需要的有效氮源，由此变害为利。
3 存在的问题
基因工程技术在植物抗病、抗虫、除草等方面的应用，取得了可喜的成果，对提高农业商品生产力发挥着重要的作用。但在保护环境和人类健康等方面存在着不少问题。
（1）对于棉花、水稻、马铃薯、燕麦等植物，其原本即有很近缘的杂草植物，当其插入某个抗病或抗虫基因时，遗传上的改变很可能使这些作物变为杂草，失去经济价值。
（2）整合到植物基因中的病毒外壳蛋白基因，可以和再接种的其他病毒发生重组，存在着产生超病毒的潜在危险。
（3）利用病毒外壳蛋白基因或把病毒卫星RNA的DNA导入植物本身存在一定危险。因为向作物植株中引入病毒顺序，无论是为提供非常规抗性，还是作为其他基因的媒介，都将增加新病害产生的可能性。病毒外壳蛋白通常能为1种病毒提供传染特性，在病毒外壳蛋白转基因植物中有产生转壳体化的危险性。这便改变了病毒的传染性，使植物对其不能产生抵抗作用而遭到其危害。
目前，培育的抗虫作物产量不高及被用于抗虫转基因的资源较单一等问题，都是需要解决的问题。
4 应用前景
随着抗病虫基因资源的不断发掘利用、植物与病菌相互作用分子机理研究的继续深入，以及生物技术本身的不断发展，基因工程与传统技术的结合将会推动病虫草害的综合防治步入一个新的发展阶段。英国爱丁堡大学将水母发光基因导入烟草、芹菜、马铃薯等作物，获得发光作物，当害虫侵害时就发光驱赶害虫。这种转基因作物能减少杀虫剂和农药的用量，降低杀虫剂和农药及其残留物对食物链、水体、土壤造成的污染，有利于保护生态环境。
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