0　前言

70年代初建立發展起來的基因工程，經過20多年的不斷進步和發展，已在生物學領域中起著舉足輕重的作用。自1983年世界上第1例轉基因植物問世以來，基因工程越來越受到世界各國的關注并得以飛速發展，育成了一大批耐除草劑、抗病、抗蟲、抗病毒、抗寒的高產、優質農作物新品種和植物材料，并開始在農業生產上大面積推廣應用。據統計，到目前為止轉基因在120種植物上獲得成功，有3000多例轉基因植物進入田間試驗，在美國和加拿大有50多種轉基因植物進入商品化生產。全世界轉基因農作物的種植面積也逐年增加，1996年為200萬hm2，1997年達1280萬hm2，而1998年增加到2600萬hm2。

1　基因工程技術在農業上的應用

基因工程是指在體外將核酸分子插入病毒、質粒或其它載體分子，構成遺傳物質的新組合，并使之滲入到原先沒有這類分子的寄主細胞內，而能持續穩定地繁殖。從定義上看，它首先強調外源核酸分子在另一種寄主生物細胞中進行繁殖的問題，這種跨越天然物種屏障的能力，是基因工程的第一重要特征。這表明，應用基因工程技術，人們就可以按照自己的主觀愿望，創造出自然界原先并不存在的新的生物類型。通過基因工程技術，把來自不同生物的外源DNA插入到載體分子上，所形成的雜種DNA分子與神話傳說中的那種具有獅首、羊身、蛇尾的怪物頗為相似。當前，科研人員正是利用基因工程這一特征，在植物遺傳改良上取得了前所未有的成就。農作物生物技術的目的是提高作物產量，改善品質，增強作物抗逆性、抗病蟲害的能力。基因工程技術在這些領域，已取得令人矚目的成就。

1.1　利用基因工程技術改良作物品質

隨著生活水平的提高，人們越來越關注口味、口感、營養成分、欣賞價值等品質性狀。實踐證明利用基因工程可以有效地改善植物的品質，而且越來越多的基因工程植物進入了商品化生產領域，取得了很好的效果。種子及其他貯藏器官(塊莖、塊根、鱗莖等)中蛋白質的含量及其氨基酸的組成、淀粉和其他多糖化合物以及脂類物質的組成，直接關系到這些食物的營養價值或在工業上的用途。由于不少貯藏蛋白的基因或與這些貯藏物質代謝過程有關的代謝過程而改變這些器官中的物質組成，甚至使植物產生的反義RNA基因，就有可能通過調控有關的代謝過程而改變這些器官中的物質組成，甚至使植物產生新的或者修飾過的化合物。在蛋白質改良方面，由于特定作物種子中往往缺少某幾種必需氨基酸，人們的注意力集中于通過基因工程改變蛋白質的必需氨基酸的組成而改善植物的營養價值。美國國際植物研究所的科學家們從大豆中獲取蛋白質合成基因，成功地導入到馬鈴薯中，培育出高蛋白馬鈴薯品種，其蛋白質含量接近大豆，大大提高了營養價值，得到了農場主及消費者的普遍歡迎。Meijer將富脯氨酸基因成功地導入水稻中獲得轉基因植株，提高了籽粒的蛋白質含量，改善了稻米的品質。在花色、花香、花姿等性狀的改良上也作了大量的研究。德國科隆蒲朗克研究院分子育種所的科研人員于1987年，將玉米色素合成中的一個還原酶基因，導入矮牽牛后得到開磚紅色花的類型。加州戴維斯的一家基因工程公司從矮牽牛中分離出一種新編碼藍色基因，導入玫瑰花中獲得開藍色花的玫瑰。烷羧酸(ACC)氧化酶合成基因的反義基因導入香石竹，已育成保鮮期延長2倍的抗衰老香石竹新品系。我國在利用基因工程改良植物品質上也取得了較大的成就，1997年，我國第一個獲準進行商品化生產的基因工程番茄品種華番1號，經測定在13～30℃下可貯藏45天左右，大大延長了保鮮期，解決了由于果實具有呼吸躍變期而難貯藏的難題。北京農林科學院的工作人員經4年的努力，將來自美國優質面包小麥品種CHEYENNE的谷蛋白亞基導入到北京地區推廣種植的抗病、高產品種，獲得蛋白質含量較高的小麥類型，具有比較好的前景。巴西堅果的富含蛋氨酸的2S清蛋白基因轉入煙草，在菜豆種子的貯藏蛋白基因的啟動子的驅動下，表達的蛋白質中18%的氨基酸為蛋氨酸，在轉基因煙草的蛋白質中蛋氨酸的含量增加了30%。也有人將編碼高含硫氨基酸的蛋白質基因導入豆牧草，使之在莖中高度表達，大大提高了其作為飼料的營養價值。同時，基因工程在調控植物的淀粉及其他多糖化合物方面，也取得較大進展。在改變油料作物油脂的組成方面，近幾年已取得一系列重要的突破，這方面的主要目標是改變油脂中不飽和度以及脂肪鏈的長度。通過導入硬脂酸ACP脫氫酶的反義基因，在轉基因油菜和蕪菁的種子中硬脂酸的含量由2%增加到40%，增加20倍。

1.2　利用基因工程技術培育抗蟲作物

蟲害嚴重影響農業生產，影響作物的產量和品質，制約農業經濟的穩定發展。全世界糧食產量因蟲害所造成的損失占14%左右。在美國，在小菜蛾的防治上所耗費用達10億美元，作物產量損失為4000多萬t。我國是世界上最大的棉花生產國，但由于棉鈴蟲的持續性大爆發，造成棉花減產達17%～50%，每年造成經濟損失50～100億元人民幣。采用化學藥劑雖然是防治害蟲比較有效的方法之一，但由于特異性不高、具危險性、污染環境等原因，科技人員漸漸將目光轉移到基因工程上來。自從將B.t毒蛋白基因導入煙草表達后表現出抗蟲特性以來，國內外不少實驗室在這方面開展了工作，并已相繼獲得抗蟲基因番茄、馬鈴薯、甘藍、棉花、楊樹等。目前，除了將一些毒蛋白基因導入植物外，一些昆蟲毒素基因也已被用于抗蟲基因工程，取得很大效果。1987年美國科學家將HO-1毒素基因導入西紅柿植株，培育出的轉基因番茄，經大田試驗證明，昆蟲取食該植株的葉片后在幾天內就死亡。另外，美國的研究人員開發了能抗科羅拉多馬鈴薯甲蟲的馬鈴薯抗蟲品種Newleaf、抗鱗翅目害蟲的保鈴棉花Bollgard及抗歐洲玉米螟的保產玉米Yieldgard，并相繼進入了市場，深受農民的歡迎。我國科學家在1991年成功地將蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis，Bt)殺蟲晶體蛋白基因導入棉花，獲得了轉基因植株。1993年將Bt晶體蛋白基因導入我國棉花品種中，獲得了高抗棉鈴蟲的抗蟲棉。中國農業科學院生物技術中心培育出10多個棉花轉基因品種品系，據試驗對棉鈴蟲殺傷力達80%以上，并且具有豐產性和品質優良的特點。如1998年通過國家審定的中棉所29就是一個適于北方棉區生產的中熟轉基因Bt棉。到目前為止，我國已育成10多個殺蟲效果顯著、豐產性能好、纖維品質優良，適用于不同生態條件種植的品種或品系，已在國內9個省市大面積試種、示范和應用，預計到2000年，我國轉基因棉花種植面積將達到20萬hm2。

1.3　利用基因工程技術培育抗病作物

抗病植物病害一直是農業生產中難以防治的，據聯合國糧農組織(FAO)估計，全世界糧食生產每年因病害的發生而導致的損失占10%，棉花生產上損失為12%左右。在某些作物如甘薯，病毒病能使其減產20%～50%，嚴重時甚至絕收。使用一些藥劑來防治病害通常效果不佳，采用有性雜交的方式來獲得抗病品種也存在著各種局限性，因為抗性基因是受多基因控制，并且往往與一些不良基因連鎖在一起，而基因工程則是在單個目的基因上進行，具有快速性和定向性。近10年來，植物抗病基因工程取得一系列的成果，已有10多個植物抗病基因被克隆并定序，同時育成了大量的抗病作物品種或品系。抗病毒基因工程中，目前主要采用的病毒的外殼蛋白(CP)基因導入植物的方法，使番茄、黃瓜、南瓜、甜椒等植物具有抗病性。1992年美國國家科學院公布了Hayakawa研究小組利用禾谷類作物病毒外蛋白技術獲得成功，他們從2個日本水稻品種中分離出未成熟植株的細胞團，這種細胞團能長成植株，并能合成抗水稻條紋葉枯病毒的外蛋白基因。據測試，在31株含有外蛋白的對照水稻植株中，接種帶病毒稻褐飛虱，結果80%的對照組出現了病毒癥狀，而通過基因工程培育的水稻植株僅20%～40%受感染。1995年美國農業部批準抗病轉基因南瓜品種Freedom 投入商業應用，取得了很好的經濟和社會效益。在我國，在抗病毒基因工程上做了大量的研究，也獲得了多種轉基因抗病毒植物。如經過6年努力將合成的CMV和TMV外殼蛋白基因用Ti質粒介導引入煙草良種NC89，最終得到了抗TMV/CMV的轉基因煙草，其中，抗TMV的轉基因CN98在自然感染或攻毒條件下保護率可達到90%～95%，推廣面積超過1.3萬hm2。中國農業科學院的轉基因抗病毒馬鈴薯品種，不僅具有抗病性，而且產量每66.7m2可達2000kg;滄州市農科院引進該項成果經試種獲得成功，從根本上解決了病毒病引起的種性退化問題，是繼莖尖脫毒組織后培養獲得無毒苗的又一途徑。

1.4　利用基因工程技術培育抗逆性強的作物

植物對逆境的抗性一直是植物生物學家關心的問題。由于植物生理學家、遺傳學家和分子生物學家協同作戰，轉基因耐澇性、耐鹽堿、耐旱性和耐冷性的作物新品種(系)也已獲得成功。植物的抗寒性對其生長發育尤為重要。植物在長期的進化過程中，在生長習性、生理生化方面對寒冷產生了一定的適應。在生長習性方面，有些植物以種子的形式越冬，有些植物則以地下器官的形式越冬，還有些植物則產生一些保護組織來抵御寒冷。在生理生化方面，則采用植株含水量下降、ABA含量增加、生長減緩和呼吸減弱等方式來適應寒冷。這在一定程度上能抵御寒冷，但過度的低溫會導致植物體結冰、蛋白質受到損害、細胞膜遭到破壞，嚴重時使植物體發生凍害甚至死亡。怎樣才能有效地提高植物的抗寒能力以抵御低溫的脅迫呢?Hhomashow等將CBF1 (C- repeating binding factor)基因導入擬南芥，誘導了一系列低溫調節蛋白的表達，使未經低溫馴化的植株具有較強的抗寒能力，從而能夠抵御比較寒冷的天氣。科學家發現極地的魚體內有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增長，從而免受低溫的凍害正常地生活在寒冷的極地中。將這種抗凍蛋白基因從魚體內分離出來，導入植物體獲得轉基因植物，目前這種基因已被轉入番茄、黃瓜中。相信在不久的將來，會有各種具有強烈抗寒特性的轉基因植物出現，使它們能在高寒地區或者驟冷的氣候下生存。Murata等通過向煙草導入擬南芥葉綠體的甘油3磷酸乙酰轉移酶基因，以調節葉綠體膜脂的不飽和度，使獲得的轉基因煙草的抗寒性增加。

1.5　利用基因工程技術培育抗除草劑作物

化學除草劑在現代農業中起著十分重要的作用，新的除草劑也不斷出現。作為一個理想的除草劑，它必須具有高效、廣譜的殺草能力，而對作物及人畜無害，在土壤中的殘留要短，不能增加農業成本太多。問題是現在要開發出一種新的符合上述要求的除草劑成本越來越高，選擇的機率也在明顯降低。50年代，從2000個化合物中可篩選出一個投入商品生產，到70年代，這個比例下降至1/7000，而80年代降低到差不多1/20000。然而，通過基因工程來提高除草劑的選擇性以及對作物的安全性，具有重要的意義。同時，在作物導入高抗除草劑基因，也可使人們更自由地選擇適合輪作套作的作物種類。現在，針對不同除草劑作用機理，已獲得抗除草劑基因工程煙草、番茄、馬鈴薯、棉花、油菜、大豆、水稻等作物。

1.6　利用基因工程調節植物的次生代謝或用植物生產具有重要經濟價值的蛋白質植物的很多次生代謝產物廣泛用于生產藥物、化妝品、食品添加劑等，但是在天然植物中它們的含量通常很低。在研究了解次生代謝途徑的前提下，導入在正常植物中作為代謝途徑的限速酶的基因或有關的具調節功能的基因，有可能提高作物的特定次生代謝物的產量。例如將長春花的編碼色氨酸脫羧化酶的基因導入煙草中使之由色氨酸產生生物堿原色胺，在轉基因植物中酶活增加45倍，而色胺含量增加了260倍，結果1g鮮重的植物材料可產生1mg多的色胺。國內外一些實驗室正在利用重組的植物病毒(如MTV)感染植物，以產生大量有醫用價值的蛋白。還有人將動物蛋白基因轉入植物，使之在植物特定的器官表達，也已取得成功。

1.7　生物固氮

氮是植物生長必不可少的一種元素，農業生產中氮是長時期使作物獲得高產的基本條件。氮素的來源有工業固定、生物固定、自然放電等，化學氮肥對作物產量提高有顯著的作用，但也有其不容忽視的弊病，那就是能源的消耗、環境的污染和生產成本的提高。而生物固氮則能在常溫、常壓下合成氮肥，從而大幅度地節約能源并且不會對環境造成嚴重的污染，所以多年來一直受到科學研究人員的關注，特別是近10年來，固氮基因工程得到了飛速發展，對固氮的機理和應用性作了大量的研究。固氮的基因工程主要是將克氏肺炎桿菌固氮基因(nif)導入到不能固氮的微生物或者植物中，以獲得固氮微生物或固氮植物。日本國立遺傳研究所通過質粒PRD1將nif引入到根際微生物中，發現乙炔的還原能力增強3倍，在種植120天的水稻中有1/5的氮是來自這種轉基因菌的固氮作用。中國科學院遺傳研究所把帶有固氮基因的質粒PRD1從大腸桿菌K12jc5564轉移到無固氮能力的水稻根系菌4502Y中，表現出較強的固氮能力，經測定接種有該菌的水稻發育明顯優于對照植株。

1.8　利用基因工程調控植物激素和生長發育

對植物生殖生長過程(包括花的形成、發育、雄性不育、自交不親和性、胚胎發育等)的調控，在作物生產及園藝上均十分重要。最為成功的是利用基因工程產生雄性不育系。另外，有人將一種叫flo的基因導入楊樹，竟使之開花提前了好幾年。基因工程在調控植物激素和生長發育方面的應用近年來發展很快。

2　基因工程體及其產品安全性問題

由于基因工程可以使基因對生態環境和人類健康可能帶來什么樣的后果難以預料。目前的科學水平不能精確地預測轉基因可能產生的所有表型效應，也很難明確地回答公眾對基因工程產品提出的各種各樣的安全性問題。因此，為了加強農業生物工程產品的安全性，應根據自己的國情，采取積極、認真、慎重的態度與務實、具體的保護措施。要吸收國際組織的研究結果與標準，快速設立安全評價與管理機構，制定法規，采取防范措施。在目前科學技術尚難以完全檢測、鑒別的情況下，充實和完善實驗和隔離設備，利用健全的食品檢測手段，對轉基因產品農業生態環境與人民的食物安全、健康的影響，實施嚴格的把關和保護。

3　基因工程在我國農業發展中的前景及對策

如前所述，由于基因工程運用DNA分子重組技術，能夠按照人們預先的設計創造出許多新的遺傳結合體，具有新奇遺傳性狀的新型生物，增強了人們改造動物植物的主觀能動性，預見性，并且當前已在提高動植物產量，改善品質，增強抗逆性及生產特用產品上發揮了不可代替的作用，顯示了巨大的潛力。當前，世界各國，包括美國、日本、加拿大等國家政府及其一些大公司都十分重視基因工程技術的研究與開發應用，紛紛投入大量的人力、物力、財力，搶奪這一高科技制高點[5]。目前，轉基因物質在美國的農作物種植和食品加工的各個環節中無處不在，其應用日益增長。至今，美國批準了35種轉基因作物、幾十種轉基因酶和其它應用在食品加工過程中的轉基因物質。當前我國基因工程技術尚落后于發達國家，更應當加速發展，迎頭趕上，切不可坐失良機。對于基因工程技術，應考慮以下3點：①提高重要性認識，加大投入力度。21世紀將是一個高科技激烈競爭的時代，而主戰場將是生物技術和信息技術。我國是一個人多地少，人均資源貧乏的國家，糧食與環境污染問題依然是下個世紀國民經濟與社會發展的主要問題之一。而其因工程技術在農業上的特殊地位與作用，最有可能擔此重任，因此，要充分認識其重要性，加大投入力度。②加強管理，有選擇性地研制開發對當前生產有用的基因工程產品。我國還是一個發展中的大國，資金有限，對于基因工程的開發研究不可能面面俱到，應重點扶植一些有基礎、條件較好的單位，并且將重點放在開發性研究上，21世紀初可優先考慮發展以下領域：農作物基因工程，畜禽魚蝦的基因工程技術，動植物中有價值產物的合成。③加速研究成果向產品化轉變。21世紀基因工程技術將加快向產業化、商品化、環保化和國際化發展，其根本目的在于最大限度地提高資源產出率，勞動生產率和產品商品率，實現產業的社會經濟和生態效益統一。在我國，研究領域與生產領域脫鉤的現象依然嚴重，一些研究成果在鑒定之后就被鎖在柜子里面，這樣既不利于調動研究人員的積極性，也不能給社會帶來任何實際好處。因此，要理順科研與市場的關系，建立健全科研管理機制與體系，這是發展基因工程這一高科技不可缺少的外部環境。