生物技術在農業中的應用

農業是世界上規模最大和最重要的產業，是調節生產和最終平衡消費的主要手段。人類對農業的依賴以及世界人口的持續增長，要求農業必須不斷保持高效增長。發達的農業經濟在很大程度上依賴科學技術的進步以達到高產和高效的目的。現代生物技術也將使人們在減少成本的情況下獲得更高質量的產品。

l 生物技術與種植業

植物透過光合作用所形成的產物是人類及其他生物直接或間接的食物來源，植物所創造的產品及用途與人類密不可分。長期以來，人們不斷尋找提高重要作物質量和產量的方法。在過去的很長一段時間裡，有性雜交等傳統育種方式取得了重大成功，為我們選育了大量高產優質的水稻、小麥、玉米和馬鈴薯等品種。但傳統的育種方式是一個緩慢而艱辛的過程，而且存在許多難以超越的瓶頸。蓬勃發展的現代生物技術，如組織培養、單倍體育種、細胞融合以及基因工程等將在培育作物新品種中發揮越來越重要的作用。在另一方面，微生物、生物技術的發展，也為生物農藥生產和作物病蟲害防治提供了更有效的途徑，對提高作物產量和質量做出了巨大的貢獻。

⑴生物技術在誘導植物雄性不育中的應用

許多植物中都存在雄性不育的現象，這是一種基因自然突變的結果。利用現代生物技術方法可以誘導植物雄性不育，從而產生新的不育材料為育種服務。基因工程技術、組織培養、原生質體融合、體細胞誘變和體細胞雜交等都已經在這方面進行了有益的探索，並取得了一定的成就。

植物雄性不育從基因控制水平可分為細胞質雄性不育（cytoplas此c male stellli—ty，CMS）和核雄性不育（geno06c mJe stex4比y，CMS）。細胞質雄性不育性狀既有核基因控制又有核外細胞質基因控制，表現為核質相互作用的遺傳現象。植物細胞質雄性不育是研究植物的線粒體遺傳、葉綠體遺傳和核遺傳的極好材料。可以結合性狀遺傳、細胞遺傳、分子遺傳進行研究。

在農業生產中以此理論為基礎，建立了三系育種體系：在這個體系中包括①不育系——其雄蕊中的花葯是不育的，無法實現傳粉受精作用，而其雌蕊是可育的；①保持系——其作用是給不育系授粉，雜交後代仍然保持雄性不育性狀；③恢復系——該品系含恢復基因，給不育系授粉後其後代是可育的，並且能夠形成雜種優勢，從而提高農作物產量與品質。

植物核雄性不育性狀是由細胞核內基因所控制的，目前的研究認為多數是由核內一對等位基因調控。有的核雄性不育基因往往受到外界光照或溫度等因素的影響。

隨著雄性不育研究的不斷深入，研究技術也不斷改進，產生可遺傳的不育性狀的技術方法很多，主要有：基因工程技術、遠緣雜交核置換、輻射誘變、體細胞誘變、組織培養、原生質體融合和體細胞雜交等。遠緣雜交核置換仍然是目前培育植物 ·雄性不育的主要方法。

植物雄性不育及雜種優勢利用，已成為現代糧食作物和經濟作物提高產量、改良品質的一條重要途徑，無論其理論研究或實踐應用，都日益受到各國科學界和政府的廣泛重視。我國作為一個人口大國，這方面的工作顯得更加重要，雜交水稻的大面積推廣和雜種優勢的理論研究均被列入國家的863計劃和攀登計劃等重大研究計劃中，並已取得令世人矚目的巨大成就。

⑵生物技術培育抗逆性作物品種

抗逆包括抗病、抗蟲、抗鹽鹼、抗旱、抗澇、抗寒。利用蘇雲金桿菌毒蛋白對鱗翅日昆蟲的特異毒性作用是在抗病蟲基因工程中應用最成功的，利用轉基因的山梨醇—6—磷酸脫氫酶或甘露醇—3—磷酸脫氫酶抗鹽鹼已初獲成果；利用轉基因厭氧條件下酒精脫氫酶抗澇；利用歧化酶和過氧化物酶抗寒的工作也初見端倪。下面我們透過一些已成功用於農業生產的具體例子來說明生物技術在培育抗逆性作物品種中的應用。

Ø 培育抗除草劑作物

草甘膦

（glyphmate）是一種廣譜除草劑，它具有無毒、易分解，無殘留和不汙染環境等特點，因而得到廣泛的應用。它的靶位是植物葉綠體中的一個重要酶——內丙酮莽草酸磷酸合成酶。草甘膦透過抑制EPSP活性而阻斷了芳香族氨基酸的合成，最終導致受試植株的死亡。目前已從細菌中分離出一個突變株，它含有抗草甘膦的EPSP合成酶突變基因。把抗草甘膦基因引入植物，可使這種基因工程作物獲得抗草甘磷的能力。此時若用草甘膦除草，則可選擇性地除掉雜草，而這種作物因不受損害而生長。美國科學家已成功地將這種突變了的抗草甘膦的EPSP基因引人煙草中，轉化植株獲得了抗草甘膦的能力。

腮絲菌素

（phosphinothricin，PPT）是非選擇性的除草劑，也是植物谷氨醯胺合成酶（GS）的抑制劑。GS在氨的同化作用和氨代謝過程中起關鍵的作用，而且也是惟一的一種氨解毒酶。GS在植物細胞中的代謝過程中也非常重要。抑制GS的酶活性將導致植物體內氨的迅速積累，並最終引起其死亡。

Ø 培育抗病蟲作物

由於傳統的雜交育種技術受植物種屬的限制，而且雜交後代在接受了親本的某些優良性狀的同時也可能接受其不良性狀，所以需要長時間多世代的大量選育，才能獲得理想的優良品種，這就大大限制了育種工作的進展，使其不能滿足農業生產高速發展的需要。在抗蟲育種方面，由於人們對害蟲與宿主植物之間相互作用的複雜關係、植物本身的抗蟲效能等了解甚微，所以植物（特別是林木）抗蟲育種工作遠遠落後於其他改良農作物性狀的遺傳育種的程序。各種害蟲每年直接或間接地給農、林業生產造成巨大的損失，在有些地方還給環境造成嚴重的汙染，如我國北方地區楊樹的舞毒蛾及天牛危害就很嚴重；美國1992年有300萬公頃的林木受到舞毒蛾危害。到目前為止雖然生物殺蟲劑的應用越來越廣，但是主要的防蟲措施仍然是大量使用化學殺蟲劑。長期大量施用化學殺蟲劑使環境汙染日趨嚴重，大大危害著人類的健康，影響畜類、水產類等的生長髮育，也使害蟲產生對化學殺蟲劑的抗性。1992—1993年，我國棉鈴蟲的大流行給棉花生產造成近百億元的巨大損失，其主要原因之一是長期大量使用化學農藥。如果人類繼續依賴化學殺蟲劑來防止害蟲，類似的蟲災悲劇可能會愈演愈烈、愈演愈頻繁。所以改變原來只依賴化學農藥的防蟲策略尋求新的抗蟲途徑勢在必行。

80年代以來，植物生物技術的迅速發展和以蘇雲金桿菌分內毒素基因為主的各種殺蟲蛋白基因的發現和克隆激發了人們開始用基因工程手段進行抗蟲育種的研究。利用植物基因工程技術可以打破種屬間難以雜交的界限，將任何來源的有用基因很快轉入到植物染色體上，從而有目的地快速地改變植物的性狀。將殺蟲蛋白基因轉入植物使植物獲得對某些昆蟲的抗性已成為植物抗蟲育種的一條新途徑，即分子抗蟲育種。透過這一途徑獲得的抗蟲轉基因植物可以一定的方式（組成型、誘導型、發育調控型或組織特異型等）表達抗蟲基因。這種抗蟲植物的應用可避免反覆噴灑農藥、有的部位不易噴藥及有的生物殺蟲劑在自然界不穩定等缺點，節約人力和物力，減少農藥造成的環境汙染，在促進農林業生產和改善人類生存環境方面肯定會發揮巨大的經濟和社會效益。

⑶轉基因作物品質改良

改良品質含蓋的範圍十分廣泛，包括改良作物的蛋白質、澱粉、油脂、鐵、維生素和甜味的含量或品質，改良花卉的花色、形態、香味、花期和光週期，改良棉花的保暖性、色澤、強度、長度等纖維品質，改良馬鈴薯加工效能，降低作物中的有毒、過敏源等有害成分，改良飼料作物和牧草的營養成分及其可消化性等等。

如瑞士科學家培育出的富含b-胡蘿蔔素的金大米有望結束髮展中國家人民維生素A攝入量不足的狀況。2000年，

瑞士科學家將黃水仙中的3個合成b-胡蘿蔔素的基因轉入到稻米中培育成富含b-胡蘿蔔素的金大米（被稱為第一代金大米）。由於其科學意義和政治意義，在國際上引起了轟動。但批評者說其中的胡蘿蔔素含量太低（每千克大米1。6毫克），並不實用。2005年，英國先正達種子公司開發出第二代金大米，轉入的是玉米中的對應基因。與第一代相比，第二代金大米b-胡蘿蔔素的含量達到前者的23倍之多，每千克胡蘿蔔素含量最多達37毫克。科學家們甚至計劃將β-胡蘿蔔基因、增加鐵離子和蛋白質的基因等聚合到某一水稻中，使之具有更全面的營養功能。