轉(zhuǎn)基因棉花研究的進(jìn)展與發(fā)展前景
                 
                 文/全國(guó)“五一”勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)芦@得者、山東棉花研究中心研究員 李汝忠

        所謂轉(zhuǎn)基因棉花，就是通過(guò)一定的生物技術(shù)手段，將某一個(gè)或幾個(gè)外源目的基因?qū)朊藁w內(nèi)，使其在棉花體內(nèi)表達(dá)且穩(wěn)定遺傳，自身合成一種或幾種特定物質(zhì)，從而改善棉花自身的某些特性，如增強(qiáng)抗逆性、提高產(chǎn)量、改進(jìn)品質(zhì)等。由于遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)的局限性，棉花是開(kāi)展該項(xiàng)研究較晚的作物之一，但自20世紀(jì)90年代以后，隨著棉花組培植株再生的成功及遺傳轉(zhuǎn)化途徑的建立，該研究進(jìn)展迅速，尤其是轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲(chóng)棉的培育成功，使棉花成為世界上轉(zhuǎn)基因植物大規(guī)模商業(yè)化種植的主要作物之一。

                                  轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉

        在棉花轉(zhuǎn)抗蟲(chóng)基因研究方面，研究最多、進(jìn)展最快、成效最顯著的當(dāng)數(shù)轉(zhuǎn)Bt抗蟲(chóng)基因研究。Bt是蘇云金芽孢桿菌的縮寫(xiě)，蘇云金芽孢桿菌是一種革蘭氏陽(yáng)性菌，其在形成芽孢過(guò)程中，能產(chǎn)生一種被稱為δ-內(nèi)毒素的伴胞晶體蛋白，主要對(duì)鱗翅目害蟲(chóng)有較強(qiáng)的毒殺作用。利用Bt生物制劑防治害蟲(chóng)已有30多年的歷史，這也是世界上應(yīng)用最廣泛的生物殺蟲(chóng)劑。隨著生物技術(shù)研究的進(jìn)展，美國(guó)孟山都公司的科學(xué)家將控制合成這種殺蟲(chóng)晶體蛋白的基因，即Bt基因，從蘇云金芽孢桿菌中分離克隆出來(lái)，導(dǎo)入棉花，并與岱子棉公司合作，于1995年首批發(fā)放了NuCOTN33B和NuCOTN35B兩個(gè)轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲(chóng)棉新品種，從1996年開(kāi)始在美國(guó)大面積商業(yè)化種植。此后美國(guó)又發(fā)放了多個(gè)轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲(chóng)棉新品種，同時(shí)美國(guó)岱字棉種子公司還在中國(guó)、澳大利亞、墨西哥、印度等10多個(gè)主產(chǎn)棉國(guó)家成立合資或獨(dú)資公司，開(kāi)發(fā)推廣其轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉。鑒于轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉的巨大商業(yè)價(jià)值，除孟山都公司外，杜邦、拜耳、先正達(dá)、陶氏益農(nóng)等國(guó)外生物公司都紛紛投巨資進(jìn)行棉花轉(zhuǎn)基因研究。
        我國(guó)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)育種研究起步雖較晚，但進(jìn)展迅速。中國(guó)農(nóng)科院生物技術(shù)研究所1992年在國(guó)內(nèi)首次人工合成了Bt殺蟲(chóng)基因，并與有關(guān)單位合作，將該基因?qū)胫忻匏?2號(hào)、泗棉3號(hào)、晉棉7號(hào)等大面積推廣品種中，獲得了國(guó)產(chǎn)GK系列轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲(chóng)棉，成為世界上掌握該項(xiàng)技術(shù)的第二個(gè)國(guó)家，進(jìn)而又將豇豆胰蛋白酶抑制劑基因（CpTI）和Bt基因重組，成功地導(dǎo)入棉花，育成了轉(zhuǎn)雙價(jià)基因（CpTI+Bt）SGK系列抗蟲(chóng)棉。2000年，我國(guó)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉種植面積為200萬(wàn)公頃，2005年發(fā)展到330萬(wàn)公頃，2007年達(dá)到380萬(wàn)公頃，占棉田面積的70%以上。
        山東棉花研究中心與中國(guó)農(nóng)科院生物技術(shù)研究所密切合作，將高新技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，先后選育出了抗蟲(chóng)雜交棉魯棉研15、20、23、24、25、30、31、33、34、38號(hào)，常規(guī)抗蟲(chóng)棉魯棉研16、17、18、21、22、27、28、29、32、36、37號(hào)和抗蟲(chóng)短季棉魯棉研19、35號(hào)三大系列的24個(gè)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉新品種。目前，這些抗蟲(chóng)棉新品種正在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用，其中魯棉研15號(hào)、21號(hào)、28號(hào)和19號(hào)分別被選為國(guó)家黃河流域棉區(qū)雜交棉、常規(guī)棉、麥套棉和夏棉組區(qū)域試驗(yàn)的對(duì)照品種，“魯棉研”良種已成為我國(guó)黃淮流域棉區(qū)廣大棉農(nóng)心目中的第一品牌，其種植面積占山東棉田面積的80%以上?？瓜x(chóng)雜交棉魯棉研15號(hào)是魯棉研系列抗蟲(chóng)棉品種的突出代表。該品種在1997～2001年連續(xù)5年的山東省和全國(guó)區(qū)試中，產(chǎn)量均居首位，創(chuàng)我國(guó)抗蟲(chóng)雜交棉單產(chǎn)最高記錄，先后有40多家企業(yè)參與該品種的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。至2005年該品種在山東及周邊江蘇、河南、安徽、湖北、江西、河北、天津等8省市累計(jì)推廣157.7萬(wàn)公頃，增產(chǎn)皮棉4.1億公斤，增加直接經(jīng)濟(jì)效益47.93億元，被公認(rèn)為是國(guó)內(nèi)同類品種表現(xiàn)最突出、推廣面積最大、取得經(jīng)濟(jì)效益最高的一個(gè)，極大地推動(dòng)了我國(guó)抗蟲(chóng)雜交棉的發(fā)展，起到了里程碑的作用。該品種2006年獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、山東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。常規(guī)抗蟲(chóng)棉魯棉研21號(hào)豐產(chǎn)性突出，在山東和全國(guó)區(qū)試中產(chǎn)量不僅居常規(guī)抗蟲(chóng)棉品種首位，而且超過(guò)同時(shí)參試的絕大多數(shù)雜交棉品種，是常規(guī)抗蟲(chóng)棉育種的突破性進(jìn)展。
        如同害蟲(chóng)對(duì)化學(xué)農(nóng)藥產(chǎn)生抗性一樣，靶標(biāo)害蟲(chóng)也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉產(chǎn)生抗性或稱耐受性。盡管這種抗性的產(chǎn)生不像在轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉大面積種植之初人們所擔(dān)心的那樣快，但這種抗性的產(chǎn)生是不可避免的。另外，隨著抗蟲(chóng)棉的大面積推廣應(yīng)用，棉田害蟲(chóng)種群的消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)也發(fā)生了很大變化，象盲蝽象、煙飛虱等次要害蟲(chóng)漸變?yōu)橹饕οx(chóng)。通過(guò)利用特異啟動(dòng)子、轉(zhuǎn)多基因、篩選更高效廣譜的抗蟲(chóng)基因等方法，可延緩抗性目標(biāo)害蟲(chóng)的產(chǎn)生和增加對(duì)多種害蟲(chóng)的抗性。美國(guó)孟山都公司推出的第二代雙Bt基因抗蟲(chóng)棉，已在美國(guó)國(guó)內(nèi)大面積推廣應(yīng)用。陶氏益農(nóng)公司也培育成功結(jié)合了2個(gè)Bt 蛋白基因Cry1F 和 Cry1Ac的抗蟲(chóng)棉品種。而我國(guó)目前生產(chǎn)上大面積種植的仍是第一代單Bt基因抗蟲(chóng)棉，其對(duì)靶標(biāo)害蟲(chóng)的抗性已有所減退，近年來(lái)山東東營(yíng)、濱州等集中產(chǎn)棉區(qū)二代棉鈴蟲(chóng)重為害地塊就時(shí)有發(fā)生，但我國(guó)目前還沒(méi)有成熟的替代技術(shù)儲(chǔ)備，這方面在近期內(nèi)須有重大突破，若第一代單Bt基因抗蟲(chóng)棉抗性一旦喪失，將會(huì)給我國(guó)棉產(chǎn)業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重后果，對(duì)此應(yīng)引起高度重視。

                               轉(zhuǎn)基因抗除草劑棉

        通過(guò)化學(xué)方法控制棉田雜草，已成為現(xiàn)代棉花生產(chǎn)的重要手段，但高效除草劑往往同時(shí)對(duì)棉花造成損傷。利用基因工程方法培育抗除草劑的棉花品種是解決這一問(wèn)題的有效途徑。根據(jù)不同除草劑的作用原理，一是修飾除草劑作用的靶蛋白，使其對(duì)除草劑不敏感或促其過(guò)量表達(dá)，使轉(zhuǎn)基因棉花在吸收除草劑后仍能進(jìn)行正常的生長(zhǎng)代謝；二是導(dǎo)入降解除草劑的基因，在除草劑發(fā)生作用前將其降解或解毒。美國(guó)培育出的轉(zhuǎn)基因抗溴苯晴和草苷膦的棉花品種，已大面積用于商業(yè)化生產(chǎn)，而且多是把Bt基因與抗除草劑基因?qū)胪幻藁ㄆ贩N中，使其既抗棉鈴蟲(chóng)，又抗除草劑。我國(guó)這方面的研究還很少，目前生產(chǎn)上也基本沒(méi)有種植轉(zhuǎn)抗除草劑基因的棉花品種。

                            轉(zhuǎn)基因改進(jìn)棉花品質(zhì)的研究

        棉纖維是棉花的主產(chǎn)品，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)按照人們的意愿改進(jìn)棉纖維性能，也是近來(lái)棉花基因工程研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。目前世界上已有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在從事棉纖維基因克隆、表達(dá)及遺傳改良等方面的研究，并已取得了一定進(jìn)展。棉纖維長(zhǎng)度、強(qiáng)力、細(xì)度和吸熱性能、保暖性能、顏色等都是棉纖維改良的目標(biāo)性狀。美國(guó)科學(xué)家John把從棉花中克隆出的過(guò)氧化物酶基因連接到棉纖維發(fā)育的專化啟動(dòng)子E6-3B、B8上，導(dǎo)入棉花后，轉(zhuǎn)基因棉花的纖維強(qiáng)度顯著改善，其中選出的1株轉(zhuǎn)基因棉花的纖維強(qiáng)度比對(duì)照岱字棉50提高了62%。美國(guó)科學(xué)家還把從細(xì)菌中克隆出的兩個(gè)基因?qū)朊藁ê蟮玫奖磉_(dá)，在棉纖維中產(chǎn)生一種類似聚丙烯的物質(zhì)，可提高棉纖維的保暖性能。轉(zhuǎn)基因彩色棉研究也倍受人們的關(guān)注，美國(guó)Calgene公司將黑色素基因與一個(gè)胚珠?；磉_(dá)啟動(dòng)子PZ連接后導(dǎo)入棉花，轉(zhuǎn)基因棉花產(chǎn)生了深褐色或黑色的纖維。
        另外，轉(zhuǎn)抗旱、耐鹽基因棉花也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外棉花轉(zhuǎn)基因研究的熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)已有多家研究單位獲得了轉(zhuǎn)抗旱、耐鹽基因材料，但仍處在試驗(yàn)、研究階段，距商業(yè)化應(yīng)用尚有一定距離。
        總之，迄今，棉花轉(zhuǎn)基因研究成效最為顯著的還是轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉和抗除草劑棉，一方面是由于這些性狀受單一基因控制，易于改良；另一方面是這些性狀的改良效果較好。而其他一些重要的農(nóng)藝和經(jīng)濟(jì)性狀的轉(zhuǎn)基因改良目前還處在試驗(yàn)研究階段。隨著科技的進(jìn)步，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，按照人們的意愿有目的地改進(jìn)這些性狀是完全可能的。以棉纖維為主產(chǎn)品的棉花較之其他以食用為主的糧食作物，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)有著更為廣闊的前景。      責(zé)編/劉 亮