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抗病毒转基因植物研究

 论文栏目:转基因论文     更新时间:2019/6/5 9:51:29   

【摘要】植物病害在农业生产中一直难以防治,尤其是素有“植物癌症”之称的植物病毒病,严重影响了农作物的产量和品质,对全球农业经济具有重大的危害性。传统的防治方法存在一定的局限性,效果也不是很显著。随着分子生物学的不断发展,采用基因工程的技术和手段培育出抗病毒的转基因植物,已成为防治植物病毒病的一条有效的途径。本文综述植物抗病毒基因工程的研究策略以及抗病毒转基因植物的安全性和风险性。

【关键词】澳门百家乐网站抗病毒植物;基因工程;安全性;风险性

1前言

澳门百家乐网站 植物病害在农业生产中一直难以防治,严重影响了农作物的产量和品质,据联合国粮农组织(FAO)估计,每年全世界因病害造成的减产约占粮食总产量的14%左右[1]。素有“植物癌症”之称的植物病毒病导致的病害十分严重,对全球农业经济具有重大的危害性,危害程度仅次于真菌病害。传统的防治方法仅能在一定的范围内有效,并且每种传统的防治方法均存在不同程度的局限性。例如,种子消毒、使用农药杀死介体昆虫不仅费时费力,而且对环境造成污染;常规的抗病育种工作量大、育种周期长、缺乏种质资源,由抗病基因和不良性状的基因可能发生的连锁,不易获得稳定遗传的抗性基因,还存在远缘杂交育种不亲和等问题;组织培养获得的脱毒苗在防治某些植物病毒病中取得一定的效果,但是,对于不能无性繁殖的植物物种不适用,而且需要连续不断地培养脱毒苗,费时费力。Hamilton[2]于20世纪80年代初首先提出了基因工程保护的设想。近年来,随着分子生物学的不断发展,人们不断地加深了对生命本质的认识和理解,不断地寻求基因工程的技术和方法对植物进行基因的改造,以便获得抗病毒的转基因植物。1985年Sanford和Johnston提出,在抗病毒转基因中,有抗病毒作用的基因主要来自病毒本身,即病原来源的抗性(pathogen-derivedresistance)[3]。植物抗病毒基因工程的研究采用的另一种策略是利用非病毒来源的基因。但从总体上来说,有效的抗性基因主要还是来源于病毒。也有人将注意力转向生物农药[4],他们发现植物中存在天然的抗病毒活性的化学物质,将这些抗病毒活性物质提取出来,开发抗病毒的天然药物,也是防治植物病害的一种重要途径。

2抗植物病毒基因的研究策略

2.1利用病毒CP基因抗病毒基因工程中,目前主要采用将病毒的CP基因导入植物的方法。将病毒的外壳蛋白基因导入植物细胞后,植物就获得此种病毒的抗性,机制尚不确定[5]。利用病毒CP基因获得抗病毒转基因植物的方法已使烟草、马铃薯、水稻、玉米、小麦、番茄、黄瓜、南瓜、甜椒、欧洲李、杏等植物获得了一定的抗病性。水稻纹叶枯病是水稻的重要病害,由水稻条纹叶枯病毒(Ricestripevirus,RSV)引起。1991年日本国家农业环境所获得了某品种的水稻转RSV的CP基因的工程植株,接种RSV2~3周后,转基因植株只有3%~5%的发病率,而未接种RSV的对照植株的发病率高达95%~100%[6]。经过多年的研究,我国相继培育出了抗病毒率高达90%~95%的转基因烟草和抗病毒的高产转基因抗病毒马铃薯品种。虽然利用病毒CP基因的技术路线已经获得大量的成功,但是,这种方法仍然存在一些问题,转基因植物对病毒的抗性局限于一定程度,仅限于特定病毒或密切相关的病毒,转基因植物大多不能彻底抗病,而是延迟发病,转基因植物表达的外壳蛋白有可能包被另一种病毒,形成一种新的杂合病毒。2.2利用病毒复制酶基因将病毒复制酶基因导入,会使植物具有相当高的抗病毒性,其作用机制还不明确。可能是转基因植株表达的复制酶或复制酶的一部分干扰了病毒的正常复制,也有可能是表达出来的无功能的或功能缺损的复制酶与有功能的复制酶相互竞争,干扰了病毒的正常复制。沈阳农业大学和中国科学院微生物研究所合作,获得转PVY复制酶基因的烟草植株,温室接种实验表明,转基因植株表现出延缓发病和发病率降低的现象[7]。相对病毒CP基因,病毒复制酶基因介导的抗性很强,但缺点是抗性比较专一。如何使抗性拓宽为广谱性抗性是研究工作者今后需要努力的方向。2.3利用干扰素基因脊椎动物细胞在受病毒感染后能合成并分泌干扰素。干扰素是一类相对分子质量较小的蛋白质,能结合在细胞质膜上,并导致抗病毒态的形成。干扰素的作用特别强,而且它赋予细胞对病毒的抗性是光谱的。CaoX[8]等发现转化了dsRNA特异性核糖核酸内切酶基因的玉米植株对RBSDV(Riceblack-streakeddwarfvirus)的抗性显著增强。2.4利用病毒卫星RNA基因病毒卫星RNA是一类多核苷酸,相对分子质量较小,存在于RNA病毒的基因组之外,不能独立复制,它必须依赖于寄主病毒进行复制和传播,同时,又干扰寄主病毒的复制,并抑制寄主病毒从一个植株传到另一个植株,卫星RNA的核苷酸序列并不与寄主病毒基因组的序列同源,对寄主病毒的复制也不起主导作用,但是,卫星RNA的相伴能够影响和改变寄主病毒的致病能力。我国植物病毒学家和生物工程学家田波[9]证明,黄瓜花叶病毒的卫星RNA能够防治由CMV强毒株感染引起的严重病症。利用卫星RNA获得抗性植物的最大优点是,一旦相应病毒侵入,卫星RNA被激活和放大,植物细胞中只要有很低浓度的卫星RNA的转录物就能干扰病毒的侵入,不会因病毒接种量的增加而使得抗性降低。应用病毒卫星RNA时,也存在许多问题,例如,不是所有的病毒都具有卫星RNA,应用范围较窄,有些病毒卫星RNA还能增强寄主病毒的致病力,假如病毒卫星RNA与植株卫星RNA发生重组,将产生一种难以预料的病症。2.5缺陷干扰颗粒抗病毒缺陷干扰(DI)颗粒是存在于多种动物病毒和植物病毒中的RNA分子,必须依赖于病毒才能复制,它和卫星RNA不同,缺陷干扰颗粒的核苷酸序列和病毒基因组的核苷酸序列同源。与反义RNA干扰技术所不同的是,DI颗粒是用有义RNA去干扰病毒的复制[10]。Marsh等发现用大麦花叶病毒的RNA2构建的DI颗粒在大麦原生质体内对病毒的复制产生了干扰。Stanley等则从非洲木薯花叶病毒中颗粒了DI颗粒DNAB,经串联复制后导入烟草,获得了抗ACMV的转基因植株。2.6反义RNA介导抗病毒植物当有义RNA与反义RNA互补配对形成双链时,翻译受阻,减少基因产物的合成,并且,双链RNA分子容易降解,会减少细胞中的mRNA的数量,导致翻译蛋白质的模板减少,阻碍了蛋白质的翻译。例如,Day等于1991年用反义RNA策略成功获得了高抗番茄花叶病毒的转基因烟草。反义RNA介导抗病毒植物策略是一种既安全有效又能使植株获得很高抗性的好办法。ZhangP[11]和HaqQM[12]I运用此技术相继成功地培育出了具有ACMV(Africancassavamosaicvirus)和MYMV(Mungbeanyel-lowmosaicvirus)抗性的植株。2.7利用核糖体失活蛋白基因美国Monsanto公司的研究员将具有抗植物病毒和动物病毒的商陆抗病毒蛋白喷洒于植物的叶片上,对植物具有保护作用,能够使植株抗若干种不同病毒的机械性侵染。这是利用核糖体失活蛋白基因的最大优点,它能使植物获得对多种病毒的广谱抗性。Lam等[13]在1996年的研究发现,运用此技术转化烟草和菜心,能培育出TuMV(Turnipmosaicvirus)抗性的烟草和菜心植株。2.8利用病毒缺陷型移动蛋白基因病毒编码的移动蛋白,能够帮助病毒在植物细胞之间侵染和扩散,它也是决定病毒寄主范围的一个因素。移动蛋白能与胞间连丝结合,调控胞间连丝的孔径大小,使病毒粒子或是病毒的基因组核酸通过增大了的胞间连丝进入到相邻的细胞中。植物产生的病毒缺陷型移动蛋白基因编码的缺损的移动蛋白能够抑制植物体内产生有功能的移动蛋白,从而抑制病毒的转移,使病毒限定在一个小的范围内,让植物体获得抗病毒活性。利用病毒缺陷型移动蛋白基因将为植物抗病毒基因工程开辟一条新途径,实现转一种基因可抗多种病毒的愿望。2.9利用核酶基因核酶是一种限制性核酸内切酶,它的本质是RNA,并具有酶的催化活性。农业上很多植物病毒都是RNA病毒,核酶能够识别RNA上的特异位点,并将其剪切。若将能够剪切病毒RNA的核酶基因转入植物体中,可以破坏病毒的复制。早在1997年KwonCS等[14]将能切割CMVRNA1和RNA2的核酶基因转化烟草后得到了CMV的抗性植株。2.10利用植物体内的抗病毒基因以上介绍的抗病毒基因均是来源于病毒基因组,其实,在某些植物中同样存在抗病毒的基因,植物的抗病毒性状多由单基因控制。1944年Whitham等从烟草中分离出一种抗TMV的n基因,该基因编码的蛋白在植物防御反应中具有信号转到的功能。除了运用上面所提到的单基因策略,具有一定的局限性,实际运用中可以采用多基因的策略。一方面可以防止强耐受性病毒株的出现,另一方面使用多基因可以实现基因功能互补,以便达到更强的抗病毒效果。

3抗病毒转基因植物的安全性和风险性分析

尽管植物抗病毒基因工程的研究已经取得了很多方面的进展,但是,抗病毒转基因植物作为转基因植物的一种,也会引发人们对其安全性的思考。人们认为转基因植物存在风险,如果缺乏对风险的认识,限制甚至反对转基因植物的利用,那么将会阻碍植物抗病毒基因工程的研究和发展,人们也不会体会到转基因植物带来的种种好处和实惠。因此,加深对其风险性和安全性的思考和把握变得很有必要。自1983年以来,转基因技术得到了迅猛的发展,转基因植物与传统植物相比显现出巨大的优势,大量的转基因植物实现了商品化生产,转基因技术为人们创造了更多的抗虫、抗病、抗寒、抗旱、抗除草剂、产量高、品质好等等优良性状的农作物,给人们带来了巨大的经济效益,但是与此同时,人们也越来越关注转基因植物可能带来的安全性问题。由于人们的知识文化不同、学科背景不同、政治、经济、社会生活等多方面的不同,人们对转基因技术和转基因产品的认识也不尽相同。有人认为转基因技术引发的生物安全问题不仅仅是实验室安全操作的问题,而很可能演变为政治、经济、社会伦理、法律法规等多方面相融合的综合性问题,将问题在广度和深度上扩展了。有人将转基因生物技术总结为七个争议问题,即食品安全争议、生物富集争议、药食关系争议、生态影响争议、基因污染争议、全球监管争议、机遇泡沫争议。针对抗病毒转基因植物,早在1990年,就有研究者提出抗病毒转基因植物的释放会给生态环境带来一定的风险。这些风险主要有两类[15],一类是植物与病毒相互作用使表型发生了改变,而基因型未受到影响;另一类是植物和病毒的基因型发生改变。加强对这些可能存在的问题的研究,寻求和探索更多有效的方法消除这些风险,将会消除人们对抗病毒转基因植物的担忧。

4展望

在联合国规划署亚太地区生物安全会议上,来自亚太地区45个国家的代表,极为关注转基因生物跨国越境转移可能造成的生态问题。有专家指出,转基因生物可能会造成分类混乱,因为转基因技术使得基因在动植物、微生物、甚至是人类之间相互传递。转基因生物具有自然生物所不具备的优势,若释放到环境中,是否会打破生态平衡呢?这些也是有争议的问题。但是,我们应该看到,按照国家法律法规研发转基因植物品种,能将环境风险控制在安全范围内。例如,培育抗病毒的转基因植物,不仅增强了植物的抗病能力,也是植物的产量有了很大的提高,并且,也减少了农药等化学杀虫杀菌剂的使用,让我们的生态环境得到更好的改善。转基因植物上市以来,我国农业部联合其他部门组织专家们就转基因植物的问题,进行了多番讨论。专家认为,要不失时机地启动863计划和转基因专项计划,使我国在植物基因组学和转基因研究等领域取得绝对优势,要不失时机地把培育出的转基因作物推向产业化生产。否则,会丧失国际竞争先机。我们不应惧怕转基因植物带来的风险,不应限制转基因植物的研究和应用,应该建立和健全对转基因植物安全性评价的系统和方法,以科学的原则对转基因植物进行客观的分析和评价,大力发展快速准确地检测抗病毒转基因植物释放的生态风险的新技术和新方法,对于可能存在的风险进行长时间的监测和研究,加强风险的监控和管理。随着抗病毒转基因植物的研究的不断深入,我们完全可以控制和甚至消除抗病毒转基因植物带来的消极影响,充分发挥抗病毒转基因植物对人们的积极作用,使之更好地服务于农业生产、造福于人类社会。

澳门百家乐网站 作者:刘海英 单位:广西民族大学相思湖学院

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