玉米抗虫转基因技术研究进展

玉米抗虫转基因技术研究进展

作者：孙睿

来源：《农村经济与科技》2017年第20期

[摘 要]多类表达毒素基因可转入玉米植株中，用以增强玉米的抗虫性，另外，不少玉米本身也携有抗虫基因，转基因技术可以通过对这些基因的重组，从而研发新的抗虫性强的玉米品种。本文从基因种类、转基因技术等方面收集整理了相关研究进展信息，并对新品种的安全性研究等加以综述。

[关键词]玉米；抗虫基因；毒素蛋白 [中图分类号]S513 [文献标识码]A

抗虫基因有助于玉米抵御病虫害的侵袭，抗虫基因的种类多样，如Bt基因等。利用转基因技术可以将抗虫基因转入样本原有基因中，从而增强样本抵御害虫的能力。某些玉米品种自身就带有抗虫基因，可以通过杂交等技术将这些基因转入目标样本中。虽然杂交是一种较自然的方法，但其本质也是基因的转移。目前，玉米抗虫转基因技术的研究均与这两类方案有关。 1 转外源性基因技术研究进展

抗虫基因大多是通过表达多肽、蛋白质和糖蛋白来消灭昆虫。不同的昆虫毒素作用机理不同，它们大致可分为神经毒素类、酶抑制剂类、植物凝集素类和糖蛋白毒素等，如昆虫特异性东亚钳蝎神经毒素，其来自有毒的蝎子，可作用于昆虫的神经系统而杀死昆虫。酶抑制剂类的昆虫病毒较多，如豇豆胰蛋白酶抑制剂、美洲南瓜蛋白酶抑制剂等，这些蛋白毒素的基因均来自普通的自然界植物体，具有广谱抗虫效果。植物凝集素蛋白具备特异糖结合活性，可阻断昆虫的生理变化。如烟草夜蛾几丁质酶可阻断很多昆虫消化道表皮细胞的生成，从而产生昆虫毒害作用。糖蛋白毒素主要是Bt毒素，是苏云金芽孢杆菌Bt基因表达的伴孢晶体蛋白，其可以特异性地结合昆虫肠表皮细胞，并破坏细胞结构，最终导致昆虫死亡。抗虫基因通过表达此类广谱或特异性毒素而抵抗害虫。 1.1 抗虫基因新品种的相关研究进展

Bt系列糖蛋白对玉米的主要病虫——玉米螟有特异性毒杀作用，其种类较多，目前的Bt蛋白达到300多种，其中Cry类49个，Cyt类2个。因此，Bt系列是最主要的玉米转基因研究对象。江帆在《复合Bt cry1Ac和cry1Ie抗虫玉米抗螟性及其在IRM中的作用》一文中介绍了两种Bt系列基因的复合转基因技术，研究将两类抗虫相关性不强的基因Btcry1Ac和cry1Ie转入玉米中，从而获得了抗虫性较强的玉米新品种。王延锋在《转Bt基因抗虫玉米田间试验与遗传稳定性分析》一文中利用花粉管通道法和基因枪法将cry1Ah和cry1Ie两个基因转入到新玉米品种中，获得的新玉米品种有较好的目的糖蛋白表达量，抗虫效果好。

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Bt系列的基因种类多，但有些基因表达蛋白与昆虫表皮细胞膜的结合位点一致，称为抗虫相关性蛋白。这类蛋白在昆虫具备阻断结合位点的抵抗力后，玉米的抗虫能力下降，因此，一般是先研究不同Bt基因抗性相关性，糖蛋白作用位点一致的抗性相关性强，作用位点不一致的抗性相关性弱。要加强玉米的抗性，可以将相关性弱的两个或多个Bt基因转入新植株。这也是多数研究致力于在一个玉米品种内转入多个Bt基因的原因。除了Bt基因，神经毒素类和植物凝集素蛋白基因也可转入玉米，并增强玉米抗虫能力。郝曜山在《转双价抗虫基因BmkIT-Chitinase玉米株系的获得》一文中将昆虫特异性蝎神经毒素基因Bmk ITs 和烟草夜蛾几丁质酶基因转入新玉米株系，获得了双倍抗虫效果的新玉米品种。研究采用的转基因方法为超声波辅助花粉介导质粒法，由于质粒载体中插入有抗卡拉霉素基因，研究利用含有卡拉霉素的培养基筛选阳性植株。

1.2 玉米育种中的转基因方法研究进展

将外源性基因转入玉米植株基因组的方法很多，除开郝曜山用到的超声波辅助花粉介导质粒法，还有基因枪、农杆菌介导法等。孙越在《兼抗虫、除草剂、干旱转基因玉米的获得和鉴定》一文中采用农杆菌介导的玉米芽尖的遗传转化法进行转基因实验。研究采用自交系 Q319、9801种子，将切伤玉米胚芽茎端浸泡在含有携带目的粒的根癌农杆菌菌液中，由于农杆菌可使目的质粒载体上的基因转入受伤的玉米细胞中，事先在目的质粒载体中插入cry1AcM、epsps、GAT 和 Zm PIS等基因，农杆菌介导的转基因即可完成。经实验验证，研究获得的玉米新品种具有较好的抗虫、抗除草剂、抗旱能力。陈沼汀在《抗虫基因cry1Ab13植物表达载体的构建及转化玉米的研究》一文中构建了插入有抗虫基因cry1Ab13的p

CAMBIA3300-Ca MV35S-cry1Ab13-Nos-Ca MV35S-Bar载体，利用农杆菌介导的遗传转化，在玉米自交系H99中完成转基因。经过组织再生培育，得到再生植株，经除草剂筛选及 PCR 检测，获得8个T0代阳性转化事件。阳转基因植株自交授粉，收获正常结实的转基因子。新品种经过对照试验，具备良好的抗虫性能。孙鹤在《连接肽2A和LP4/2A在玉米中的剪切分析及抗虫耐除草剂转基因玉米的获得》一文中构建了LP4/2A连接肽与cry1Ah基因以及2m G2-epsps等基因结合的质粒载体，研究采用甘露糖man A基因作筛选标记基因，在农杆菌辅助作用下，将上述基因转如玉米愈伤组织中，利用含有甘露糖培养基对形成的胚芽进行筛选，结果得到了转入有抗虫cry1Ah基因以及耐除草剂2m G2-epsps基因的新品种。

子房注射法也可将插入有目的基因的质粒载体用微量注射器注入植株子房，从而完成基因重组，获得抗虫基因品种。李余良等在《子房注射法将Bt基因导入超甜玉米》一文中利用子房注射法将Bt基因导入超甜玉米品种粤甜3号，获得了1株整合有Bt基因的转基因植株，基因转化效率达9.09%。余飞在《玉米遗传育种中基因工程的应用研究》一文中收集整理了多类外源性转基因玉米的基因工程方法。包括PFGE 即脉冲电泳法、基因枪法、农杆菌介导法等，这些方法均有成功案例报道。 2 自身基因杂交类研究进展

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不少玉米品种自身携带有良好的抗虫基因，因此，将抗虫基因玉米和拥有高产量、抗旱等优良基因的玉米杂交，有望获得既抗虫又高产的优质新品种。为快速获得优质杂交后代，需要采用分子标记及其辅助选择技术。这种技术可以首先定位抗虫基因，并借助与抗虫基因紧密连锁的分子标记基因片段，对目标性状的基因型进行选择，加速了杂交新品种的研发过程，避免田间实验来筛选杂交品种。李大飞在《玉米螟取食与MeJA诱导双重胁迫筛选玉米内源抗虫基因》一文中利用茉莉酸甲酯（Me JA）诱导植物表达病虫害防御蛋白，并用蛋白质组学方法明确 Me JA 诱导玉米差异蛋白变化规律，从而筛选到目标防御蛋白基因，这些基因包括LOX5、BBTI2、BBTI11、BBTI12、BBTI13、Cl-1B、TPS10、 OX、A20/AN1等。研究根据这些基因，构建了玉米抗虫防御蛋白质基因图谱库，该图谱库可用于筛选有价值的防御基因。将这些基因重组到新植株上，有利于获得抗虫性新品种。查象敏在《玉米抗虫相关突变体的筛选及基因的初步定位》一文中利用甲基磺酸乙酯（Ethyl Methane Sulfonate， EMS）诱变的玉米郑 58，并形成突变基因库。经过连续筛选，研究获得了一株抗虫效果较好的M264-3突变体，经过SSR基因标记定位技术，突变初步定位在 Bin 5.05 上。玉米花丝中的黄烷酮糖苷（maysin）对穗蛀虫有杀灭效果，找到表达黄烷酮糖苷的基因，并杂交到其他优良性状植物中，可以获得兼具抗虫性的新品种。Guo BZ等人选定了富含黄烷酮糖的马齿型玉米自交系SC102，并利用RFLP分子标记方法，定位了表达黄烷酮糖苷的该控制基因。结果表明，该基因的两个主要QTL位点分别定位在第1号染色体断臂上的P1基因相邻的标记npi286区域和第3号染色体的长臂上的a1位点。研究将利用富含黄烷酮糖的马齿型玉米自交系SC102 与 Sh2型超甜玉米自交系杂交，并检测基因位点的重组状况，得到了兼具抗虫和超甜性能的新的杂交品种。 3 转基因抗虫玉米的安全性等相关研究进展

玉米转基因技术的商业化有助于新品种的研发和较快地形成商业价值，这需要建立转基因技术的商业体系，同时也要注重转基因技术的安全性。刘允军在《玉米规模化转基因技术体系构建及其应用》一文中探讨了规模化转基因技术体系建立的重要性，研究认为认为外植体的筛选、转化事件单拷贝率的提高、无载体骨架序列转基因的提升、多基因转化技术、基因打靶技术、基因编辑技术及安全转化技术等方面是玉米转基因技术发展的趋势。应建立基于幼胚的玉米规模化转基因技术体系，并很好地应用于转基因玉米新品种的创制。武奉慈等研究了不同转基因抗虫品种的抗性效果。研究以Bt799 和NC6304YGRR两个抗虫玉米品种为研究对象，经过接虫实验表明，两个品种对亚种玉米螟有较好的抗性。王园园在《抗虫转基因植物对非靶标节肢动物生态影响的研究进展》研究了Bt玉米作物对非靶标节肢动物的影响，研究整理和分析了现有研究的进展，认为当前种植的玉米抗虫转基因作物对非靶标节肢动物没有毒性。邵正飞等研究了玉米品种抗虫性对玉米田节肢动物群落的影响，研究结果表明抗虫性较高的玉米品种田间益害比明显高于抗虫性较低的玉米品种，因此，玉米品种抗虫性有助于提高玉米田节肢动物群落的稳定性和天敌对害虫的自然控制作用。

玉米抗虫转基因技术发展迅速，目前，Bt基因是主流研究方向，但酶抑制剂类、凝集素类毒素基因也具有较好的抗虫效果，另外，玉米自身携带的抗虫性基因也丰富了玉米抗虫转基因库的基因储备。丰富的基因储备为未来优良抗虫玉米的研发奠定了基础。当然，基因安全是

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转基因研究中不应忽视的一环，我国科研工作者仍应在加强抗虫转基因玉米新品种研究的同时，加强转基因品种的生态型影响研究，以保证转基因技术的安全性。 [参考文献]

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[5] 孙越，刘秀霞，李丽莉等.兼抗虫、除草剂、干旱转基因玉米的获得和鉴定[J].中国农业科学，2015（02）.

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