植物基因工程（一）

——植物基因工程及其意义

华中科技大学，徐长发， 2016.11.1

现在，转基因作物在全球范围内，种植的国家越来越多，种植的面积也越来越大，市场上的转基因食品也越来越多，然而关于转基因作物及其食品安全性争论仍然很激烈。人们只有更多地了解转基因的有关知识，才能对此形成自己的看法。糊里糊涂不可取，人云亦云更不可取。为此，本文介绍转基因和植物基因工程的有关知识，供大家参考。

一．植物细胞内的染色体，DNA和基因的相互关系

植物细胞内有细胞核，细胞核内有遗传物质。这些遗传物质可以用化学染色的方法识别出来，所有这些遗传物质又称为染色体。    

每个染色体是由一条DNA和蛋白质组成的，DNA是一个双链螺旋结构的大分子。每条DNA由许多片段按照一定的顺序线性排列组成，其中有些片段是没有遗传效应的，有些片段是具有遗传效应的。植物细胞的基本结构参见图1.

图1.植物细胞的基本结构

DNA控制着细胞的复制，细胞复制后的所有细胞都具有相同的染色体和DNA。在细胞复制过程中，基因控制着生物体的特性和形状，不同基因片段具有不同的性状控制效应，而且在什么时间，什么位置，什么表现方面都有着具体的控制效应。

二．植物的基因图谱

大家都知道，植物的遗传物质存在于细胞核中，每个细胞核中有一到多个染色体，每个染色体内仅有一条DNA分子，每条DNA分子由很多片段有序组成，例如番茄就有110个基因片段，玉米就有170个基因片段。各个基因片段大小不等，小的由几千个碱基对构成，大的由上亿个碱基对构成。

如果把某个植物的每条DNA的所有片段有序的排列起来，表明每段(包括基因片段和非基因片段）的前后排列位置和每个片段的长短，我们就可以得到一张该植物的基因图谱。

基因图谱只能区分基因片段之间的链接顺序和每个基因片段的长短。基因图谱现在已经容易得到了。如果再分析确定出每个基因片段的遗传功效，那就是一张功能性的基因图谱了。功能性基因图谱很难得到。

植物的基因图谱有什么用呢？请想一想音乐图谱（乐谱）的作用，什么样的乐谱决定了什么样的音乐，不同音乐有不同的乐谱，修改了乐谱也就改变了音乐。现在人们可以通过数字化手段随意地而且是准确地修改乐谱了。同样地，不同的植物有不同的基因图谱，修改了基因图谱中的某个或几个基因片段，就会改变植物的特性和形状。

我国南开大学某个科研组花了25年时间，绘制了2834种我国主要植物的基因图谱（不是功能性的图谱），从而构建了我国主要植物的基因图谱库。

植物的基因图谱库又有什么用呢？人们可以把两种或多种植物的基因图谱进行比对，就可发现植物性态相近或相异在基因图谱位置上的表现，从中可分析研究出变异原因，发现新的基因片段等许多问题。例如可以研究同科不同品种的植物在基因图谱上的表现规律，可以研究植物的某种特殊功能是如何传递到其它植物中去的，可以研究某种植物的扩散和变异过程，等等。现在动物的基因图谱也容易做了，把人和猩猩的基因图谱比对令人吃惊，人和黑猩猩在基因序列上的差距仅有1.23％，如果人们找出了这种差距原因，那将会发生什么？

三．植物基因工程

既然植物的基因图谱决定了植物的性状，修改基因片段就会改变植物的性态，甚至于改变植物的品种。那么，改良植物品种，创造新的品种在理论上和在实现途径上都应该是可行。

实现过程大致如下。一方面取出目标受体植物（要改变的植物）DNA,切割并移去某个基因片段；另一方面，取出外源植物（要引进的植物）DNA,切割出一段有用的基因片段;再将外源植物的基因片段整合到目标植物的DNA中，形成一条经过编辑重组了的DNA;最后，把编辑重组了的DNA移至目标植物的染色体内。于是,目标植物细胞在分裂繁衍中就会表现出编辑重组了的DNA所具有的性态了，特别地，会表现出外源植物基因片段所具有的某些遗传特性了。

这就是植物基因工程。  

四．植物基因工程在理论上的实施路线

理论上讲，编辑重组DNA的实施路线由下面4个方面组成。

1、 就目标受体植物而言，要移去某个（或多个）待改变的基因片段，保留DNA的其他部分，这就需要完成下面4项工作。

1）要将目标受体植物的DNA提取出来，这项工作现在做起来已经很容易了。

2）要将目标受体植物的DNA的基因片段排序，即形成基因图谱。现在有仪器可以自动完成。

3）要确定目标受体植物的某种遗传特性所对应的基因片段。这项工作是较困难的，不仅要大量试验，还要大量对比试验才能完成。现在，全世界的科学家都在为此钻研，但是困难重重，收效甚微。

4）切割并移去要改变的基因片段。这项工作现在也很容易，有专门用于切割基因片段的内切酶。

2、就外源植物而言，要取出待用的基因片段，也要做好下面4项工作。

1）要将外源植物的DNA 取出。

2）要将外源植物的DNA 的基因片段排序。

3）要确定外源植物的某种遗传特性所对应的基因片段。这项工作同样是非常麻烦和非常困难的。

4）取出外源植物的有用的基因片段。

3、就基因编辑重组而言是容易的。现在已有专门的融合酶，把外源植物的基因片段融合到受体植物的DNA中。于是，受体植物的DNA就被编辑重组了。

4、再把这个被编辑重组了的DNA放进受体植物细胞中做细胞培养增殖，这项工作现在没有困难。这样人们就会获得新的植物品种了。

五．植物基因工程的意义

上面所叙述的植物基因工程是在分子水平上对基因做手术，对基因做编辑重组，这是一种最理想的育种方法，它会给人类在植物遗传方面带来无限的可能和突破性的发展。仅仅就遗传学方面来说就有下面几点很深刻的意义。

1.跨越并突破了传统的育种方法。

常规传统的杂交技术是通过授粉把两种植物的全部基因混在一起，让植物内部发挥基因融合的作用。当然，人们不知道它们会不会融合，怎么融合。于是，人们只能在田间观测其后代的性状表现，再做出选择，还要一代代筛选。这种操作方法的随机性很大，费时费工，培育时间很长。而植物基因工程的育种方法是目的明确的，手段是精细直接的。

2.跨越并突破了远缘杂交的障碍

大家都知道，不同种类的植物是不能杂交的，不同种类的动物也是不能杂交的。但是，植物基因工程能突破这种障碍，完全可以把植物的基因片段，微生物的基因片段，动物的基因片段引入到植物的DNA中，完全可以做到微生物，动物，植物这三者遗传信息之间的互通有无，取长补短，并实现快速的定向的育种效果。

顺便通俗地解释一下杂交与转基因之间的区别：植物杂交是同类而不同品种的植物（例如水稻）之间的基因组合，杂交品种有好有差，可筛选出品质优越的品种。动物杂交也只能在同类物种之间进行，比如说不同性格的狗之间杂交，结果都是狗类动物（不会具有它类动物的特性），可以从中筛选出在某方面表现突出的狗。总之，杂交不会改变物种。然而，转基因的结果是可能改变物种，制造新的生物。例如把微生物的基因片段加入到水稻中，或者把大豆的基因片段加入到水稻中，其结果虽然说成是水稻，但它已经具有其它种类植物的特性了。动物基因工程和植物基因工程是类似的，例如可以在猪的DNA中加入人类的某些基因片段，让猪和人类的血液可以交融，让猪血输给人类，如果能成功，其结果虽然仍然是猪，但这种猪已经不是一般的猪而是一种特殊珍贵的猪了。又例如，可用基因工程产生一种鸡，可以抵抗禽流感，抵抗各种病毒，可消化草类，生长周期短，块头大，产肉产蛋的品质高，如果能成功，这是什么是鸡？

3.植物基因工程是人类历史上的最伟大创举之一，今后几十年人类在这方面一定会取得巨大的成就，它一定会给人类世界带来巨大的变化。

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