抗除草劑基因

中國曹光誠等、傅榮昭等將抗除草劑基因bxn或bar與雄性不育基因TA29-barnase串聯在一起構建到植物表達載體上，導入作物，實現了作物轉基因雄性不育材料的保持。黃大年等也成功地將bar基因導入三系雜交水稻或二系雜交水稻的恢復系，用於生產具備抗除草劑特性的雜交水稻種子。

抗除草劑轉基因作物的研究和推廣一直處於領先位置。2004年，抗除草劑轉基因大豆、玉米、油菜(canola)和棉花的種植面積為5860萬hm2，佔轉基因作物種植面積的72%，培育抗除草劑作物的研究主要集中於美國各大農藥公司或與有關的遺傳單位合作研究開發。已商品化的有：抗草甘膦的大豆，玉米、棉花、油菜、向日葵、甜菜、水稻；抗咪唑啉酮的玉米、油菜、甜菜、水稻；抗磺酰腺類的大豆、棉花；抗溴苯腈的棉花、煙草等。中國已獲得的抗除草劑轉基因作物有抗Basta水稻、小麥、煙草。油菜、芝麻；抗阿特拉津大豆：抗溴苯腈油菜、小麥及抗草甘膦小麥等。

對除草劑的施用效果，人們追求的目標是既高效地除草又確保作物安然無恙。儘管由於作物與雜草的一些生理生態的差異以及某些栽培方式的輔助，除草劑致毒時對作物和雜草有所選擇，如前面已論述的時差選擇、位差選擇及生理選擇等，但作物的生長髮育仍然或多或少地要受到一些影響。因此，如果作物本身具備了抗除草劑的特性，就如水稻對敵稗、玉米和高粱對阿特拉津具有不同的生化選擇性而最終表現出抗性一樣，除草劑的使用自然會更加方便有效。但遺憾的是自然界中能夠抗除草劑的作物類型很少，能同時抗多種除草劑的作物就更是少見，對某種高效除草劑的抗性也往往僅限於少數幾種作物。因此，如何運用基因工程技術解決上述問題，創造出更多抗除草劑的作物新品種，已成為當前植物基因工程研究的主要目標之一。

經過科學工作者們的不懈努力，這已是一項比較成功的植物基因工程。至少已培育出分別抗敵稗、鎮草寧等4種以上除草劑轉基因植物。比較突出的有：

（1）1987年，比利時的德布勞克等使一種能夠分解膦的基因在馬鈴薯、煙草和番茄植株中表達，由此產生的植株具有抗除草劑的能力，甚至當除草劑噴施量超過正常用量的10倍時，該轉基因植株也不受影響。

（2）1987年，美國卡爾金公司的託普森等人從鼠傷寒沙門氏桿菌中分離出一種基因（aroA基因），它的產物能有效地分解甘草膦，利用此基因轉化番茄，也獲得抗性植株；同年，孟山都公司把抗甘草膦的另一基因（EPSP合成酶基因）轉入大豆，也使大豆對甘草膦的抗性大大增加。

（3）美國農業部、農業研究局的南方雜草科學研究所，從能殺死雜草的真菌中分離出毒素，將此毒素噴施於大豆田中，可以殺死98%的雜草而不傷害作物。該研究室與米科金公司合作，使這種真菌毒素成為商業除草劑。

（4）日本的研究者與美國杜邦公司合作已獲得抗除草劑的水稻。

預計在今後5年內將有抗除草劑的玉米、大豆、水稻、棉花、番茄、煙草及各種蔬菜進入大田試驗。

關於植物抗除草劑的分子機理，迄今研究得最為透徹的是對除草劑阿特拉津的抗性機理。由葉綠體基因組中psbA基因編碼的光系統Ⅱ反應中心蛋白質QB是阿特拉津的結合受體，即阿特拉津結合的靶目標。它與另一種同由葉綠體基因組編碼的QA蛋白共同組成光系統Ⅱ的核心，對光合作用過程中電子傳遞起介導、調節作用。因此，當施用阿特拉津後，進入植物體內的阿特拉津就與QB蛋白結合，從而抑制了植物光系統Ⅱ電子傳遞鏈中電子的轉運，進而抑制了光合過程。玉米、高粱等作物由於能夠降解阿特拉津或通過葉片組織內特有的谷胱甘肽轉移酶與之形成複合物而解除毒性，從而表現出抗性。但雜草卻由於不具備這一防衞機制而遭滅殺。不過，有一些雜草（如莧菜）對阿特拉津卻具有天然的抗性。經過psbA基因的克隆和DNA序列結構分析發現，抗性型莧菜的psbA基因同敏感型相比，僅僅是在編碼第264位氨基酸的密碼子上發生了突變（AGT→GGT），使原來編碼的絲氨酸改變為甘氨酸（Ser→Cly），從而大大降低了該QB蛋白與阿特拉津的結合力，植物的光合過程也就不致於因為QB蛋白被阿特拉津結合而影響正常功能的發揮；另一方面，在高等植物中，這種單一氨基酸的取代反應，也不會使QB蛋白的功能發生改變，所以，植物光合作用仍能正常進行，對阿特拉津的抗性便由此產生。此外，在一些原生生物和藍色細菌中，QB蛋白質第264位上也存在着單一氨基酸取代反應（Ser→Ala），它們也具有抗阿特拉津的能力。

對QB蛋白及其編碼基因psbA都有了相當的瞭解，ps-bA基因及其產物QB蛋白都是相當保守，在不同植物間具有極高的同源性，其表達受光的調控。QB蛋白剛合成出來時分子量為33.5—35KD，經過在其羧基末端（C端）剪切、加工成為分子量為32KD的成熟蛋白。還不清楚QB蛋白與阿特拉津的真正結合位點。但使QB蛋白與阿特拉津的親和性發生變化的可能原因有二個：其一，上述氨基酸改變的位點恰在QB蛋白結合位點內部；其二，上述氨基酸的改變使QB蛋白三維空間構象發生改變。

對抗性和敏感性植物中QB蛋白基因的核苷酸及相應的氨基酸序列進行分析，是通過重組DNA技術將抗性基因引入到一些主要農作物（如水稻、小麥、大豆等）中的第一步，如今邁出的這一步顯然已為作物抗除草劑基因工程研究奠定了堅實的基礎。

培育抗除草劑作物新品種的方法已見報道的主要有：

（1）常規雜交育種 阿恩茨（Arntzen）用敏感型蔓菁作父本，與抗性型油菜作母本進行多次回交，最終可以把母本抗性型油菜細胞質中抗阿特拉津的葉綠體引入雜交後代中。但這種常規育種方法只有在雜交親和的品種中才能成功。

（2）原生質體融合技術 已經成功地將馬鈴薯與龍葵兩者的原生質體（去壁後的植物細胞）融合，並再生出植株。據報道，在龍葵的抗阿特拉津植物中，有一個原質體系突變子，這是一個核基因，可以使葉綠體基因突變頻率增加100—1000倍。如果植物帶有這個基因，則可能使植物抗性發生改變。但是，到止，只有幾種融合的原生質體能再生成植株，況且新融合產生的雜種植株有可能因種種原因而導致雄性不育，以致難以繁殖後代，因此這種方法也有侷限性。

（3）基因工程技術 用基因工程技術培育抗除草劑作物有幾種方法：其一，將某種酶的基因轉移到作物中。要求這種酶能夠分解除草劑，正如水稻植株體內芳基酰胺酶對敵稗的分解；其二，針對除草劑可通過識別和破壞光合作用及氨基酸合成所需要的酶來殺死植物的特點，可把除草劑所作用的這個酶的基因轉入植物，使轉基因植物中該酶量大幅度增加。這樣，在除草劑濃度不足以破壞植物體內所有的這種酶時，植物就仍能維持光合作用及氨基酸代謝，其生命因此得以倖存；其三，改變除草劑識別酶的位點，即通過基因點突變的方法改變該酶蛋白的氨基酸序列，使除草劑無法識別這個酶的位點，從而無法對作物發生作用。當然，這要保證該酶的主要結構及功能不發生變化。

將對某些除草劑的主要成分——膦具有抗性的基因轉化馬鈴薯、煙草、番茄、大豆等，成功地獲得了具有抗性的轉基因作物。已經知道了植物之所以對阿特拉津具有抗性的分子機理，尤其是對抗性植物psbA基因的核苷酸序列有了明確的瞭解，因此把克隆出來的抗性基因直接引入葉綠體內，是培育抗性品種最好的方法。如今，由Ti質粒的T-DNA攜帶着外源DNA片段整合到植物葉綠體基因組上已有成功的例子。由此相信，利用T-DNA作載體，將除草劑抗性基因（如抗性植物的psbA基因及上述原質體系突變子）進行有目的的轉移是完全可能的。