一个转基因作物的诞生

多数人并不了解转基因是如何操作的。这个听起来神秘的技术到底是什么？人们又是怎样把来自不同物种的基因插入目标生物中？转基因产品都转入了什么基因？

什么是转基因

基因是染色体上的DN段。DNA又称脱氧核糖核酸，形状像两股螺旋的楼梯，它是生物体遗传信息的载体，决定着生物体的性状，并把遗传信息传递给下一代。

基因转移在自然界中广泛存在，植物界的异花授粉是物种内基因转移的典型现象。这种种内基因交流现象便是杂交育种的生物学基础，人们通过干预植物的授粉活动，将需要的性状的基因组合到一起，并通过一代代的人工选择，使杂交得到的性状组合得以稳定遗传，形成新的品种。

除了种内的基因转移外，自然界还存在一种特殊的物种间的基因转移。这种基因转移多由病毒或者细菌感染产生。病毒可以插入宿主细胞的DNA链中，并正常表达，一些细菌的质粒也具有类似病毒的功能。农杆菌侵染植物伤口的过程就是物种间基因转移的典型案例。

转基因技术便模仿这种自然界的物种间基因转移，利用基因工程的手段，人为的把外源基因（可以是同种不同植株中的基因，也可以是种外基因）整合到目标生物体中，使后者获得新的性状，并能把这些性状遗传下去。例如，转基因抗虫棉，是把微生物体内的抗虫基因转移到普通棉花中，使棉花可以产生一种针对棉铃虫的蛋白质，避免植株叶片被虫子啃噬，从而达到抗虫的效果。

与常规育种技术相比，转基因育种在技术上较为复杂，要求也很高，但是具有常规育种所不具备的优势：拓宽可利用的基因资源，为培育高产、优质、高抗优良品种提供了崭新的育种途径，可以对植物的目标性状进行定向变异和定向选择，可以大大提高选择效率，加快育种进程，此外，还可将植物作为生物反应器生产药物等生物制品。

如何实现转基因

一个转基因作物的诞生一般要经过以下流程：

首先要选择需要的性状，并找到相关性状的基因编码。然后将需要的基因分离出来，建构到合适的载体上。然后通过中间介质或物理方式导入目标体，进行转化，形成转化体。再通过用作标记的抗性性状筛选，选出成功表达外源基因的植株。

载体介导转移系统是最常见的转基因方法：将外源基因重组到合适的载体系统，通过载体将携带的外源基因导入植物细胞，整合在核染色体组中并随核染色体复制和表达。农杆菌Ti质粒或Ri质粒介导法是迄今为止植物基因工程中应用最多、机理最清晰、最理想的载体转移方法。农杆菌细胞Ti质粒上有段T-DNA，农杆菌侵染植物伤口进入细胞后，可将T-DNA插入植物基因中。人们将目的基因放入经过改造的T-DNA区，借助农杆菌的感染实现外源基因向植物细胞的转移与整合。除了使用中介外，外源基因还可以通过物理方法直接进入植物细胞。基因枪是通过动力系统将带有基因的金属颗粒（金粒或钨粒）射进植物细胞，获得转基因植株。

利用植物开花、授精过程中形成的花粉管通道，在授粉后向子房注射目的基因的DNA溶液，也可将外源DNA导入受精卵细胞。

在将外源基因导入目标植物细胞后，还需要确定细胞是否能正确表达外源基因并将其稳定遗传。只有少部分细胞能将外源基因整合到核基因组，而整合后能够成功表达的细胞更是少数。因此在转基因操作中，常使用特异性选择标记基因进行标记，以便有效地选择出真正的转化体。抗生素抗性基因与除草剂抗性基因常用作选择标记基因，与目标基因在同一载体上标记转化体。标记基因在受体细胞表达，使转化细胞具有抵抗相应抗生素或除草剂的能力而存活下来，非转化细胞则被抑制，杀死。

有了合适的转化体，就可以进入安全性评估和育种试验。通过转基因的方法往往难以直接获得理想的品种，转基因个体面临着外源基因失活、纯合致死、花粉致死、其他性状变化等问题。因此人们往往结合杂交等常规育种手段进一步筛选，最终选出综合性状优良的转基因品种。

转入的外源基因有何功能

2000年，已获得转基因植株的物种达上百种，其中包括重要的粮食作物如水稻、小麦、玉米、大豆和马铃薯等；经济作物如棉花、油菜、向日葵和亚麻等；另外还有重要的蔬菜、牧草、花卉和部分木本植物（2000年数据）。在建立转化体系的基础上，人们已将许多具有重要价值的目的基因转入植物。以下是转基因植物育种的几个主要方面。

抗病毒基因工程：抗病毒是植物基因工程早期比较成功的研究领域之一。20世纪90年代末起，转基因抗病毒产品西葫芦和番木瓜等多种作物被培育出来，并获得商品化生产许可，其中抗病毒型番木瓜在美国广泛种植。

抗虫性基因工程：1996年，转Bt基因（一种源自苏云杆菌，被广泛使用的生物杀虫剂）的棉花、玉米和马铃薯已在美国获得批准进行商品化生产，抗虫玉米和抗虫棉是推广面积仅次于抗除草剂大豆的两种转基因作物。

抗除草剂基因工程：抗除草剂转基因植物的研究在北美很受重视。在新大陆的几个农业大国中，抗除草剂作物被大面积种植。抗除草剂作物的出现是为了适应大规模机械化农业生产，使生产者能以简单、高效的方式进行除草作业，并减少除草剂的使用种类和使用量。抗除草剂植物中转入了抗特定除草剂的基因，理想状态，生产者在除草作业时只需要用相应的除草剂即可完成除草作业，不需要多种除草剂混合使用，或人工除草，节省了大量的人力。代表性作物为抗除草剂大豆、玉米和油菜。

抗真菌、细菌病害：研究者把抗菌肽基因转入烟草和马铃薯，转基因植株对细菌性病害——青枯病产生抗性，抗性比原品种提高1-3级。从20世纪末开始，人们陆续从植物材料中克隆出越来越多的优良抗病基因，比如玉米抗圆斑病、番茄抗叶霉病、水稻抗白叶枯病等抗病基因。其中野生水稻抗白叶枯病的基因Xa21已被成功地转入水稻栽培品种中，转基因抗病水稻已进入大田试验。

其他特殊要求：转基因还应用在一些要求特定目标的育种领域。比如培育高抗逆性（抗旱、抗寒、抗盐）、创造雄性不育、作物品质改良（比较典型的是金黄大米，转入了一种胡萝卜素基因，改善大米营养），制造生物反应器生产外源物质（研究者试验开发一种转基因西红柿用来生产乙肝疫苗）等方面。