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生物技术在水稻育种中的应用初探

来源:用户上传      作者:赖文昶 黄森豪 祁成民 吴仁烨

  摘 要:水稻是我国主要粮食作物之一,水稻育种是一项重要的科研工作。随着科技的发展,相关人员研发出越来越多的新型生物技术,例如基因工程、细胞工程、分子标记技术、基因编辑技术等,并在水稻育种研究中得到广泛的应用,解决了育种工作中出现的许多问题。文章论述了生物技术在水稻育种中的作用,总结了生物技术在水稻育种中存在的问题,以供参考。
  关键词:水稻育种;生物技术;基因工程;细胞工程;分子标记技术;基因编辑技术
  文章编号:1005-2690(2022)09-0034-03 中国图书分类号:S511 文献标志码:B
  水稻是稻属谷类作物,是世界上最主要的三大粮食作物之一,种植面积占世界粮食总面积的1/5。我国是世界上最大的水稻生产国和消费国,水稻产量约占全国粮食总产量的1/2。同时,水稻在酿酒、医药、工业等领域应用广泛,水稻事业的发展与国家粮食安全关系重大。
  生物技术以基因工程和细胞工程为核心,包含发酵工程、酶工程等生物技术的新兴学科。目前,我国水稻育种面临病虫害频发、人多地少、选育效率低等问题,生物技术可以有效解决这些问题,被广泛应用于水稻育种中。
  1 基因工程
  基因工程也被称作基因拼接技术和DNA重组技术,是在分子生物学和微生物学的基础上,以分子遗传学为理论来源的现代生物技术。水稻基因工程育种是把需要的目的基因克隆转移到水稻上,进而实现对水稻遗传特性的改良。同时,通过建立完善高效的遗传转化体系,对优良的目的基因进行整合和表达,使之稳定地遗传给下一代[1]。在基因转化过程中常被使用的外植物体包括愈伤组织、原生质体和根尖、茎尖等组织器官,水稻的幼穗、幼胚和花药等愈伤细胞往往作为基因转化的受体。
  目前,水稻转基因包括抗病性基因、抗虫性基因、抗除草剂基因、抗逆性基因以及品质改良基因等。促进水稻基因工程育种的发展对于培育高产、抗病、抗虫、抗逆的新型水稻品种,对推动农业生产的可持续发展具有重要意义。
  1.1 基因枪法
  基因枪法是利用高压放电、压缩气体等方法产生的巨大动力,使黏有目标DNA的高速金(u)微粒轰击进入靶细胞,再通过未知机制,将外源DNA导入植物染色体上实现基因转移的技术。
  基因枪法的可控度较高,可根据需要将金属颗粒射入特定的细胞,并且不受宿主的限制。但基因枪轰击位点的随机性和整合位点的不固定性,大大增加了基因突变、丢失和基因沉默的可能性,影响了外源基因在生物体内的稳定表达。
  1.2 花粉管通道法
  花粉管通道法也被称为授粉后外源基因导入植物技术。在植物完成授粉后,柱头部位的花粉会形成一个花粉管通道,然后采用人工方法将外源DNA转移至胚囊。由于受精卵和生殖细胞仍处于未形成细胞壁的“原生质体”状态,外源DNA片段容易进入、整合到原有的基因组中,达到遗传转化的目的。
  当前流行的方法包括花粉管直接携带法、花粉匀浆涂抹柱头法、自花授粉后导入法、受体花粉及供体DNA混合授粉法等。
  1.3 农杆菌介导法
  农杆菌是在土壤中普遍存在的一种革兰氏阴性菌,能够在自然条件下有选择地感染大多数双子叶植物的受伤部位,产生根癌农杆菌和发根农杆菌。具体过程是将根癌农杆菌Ti质粒和发根农杆菌Ri质粒中的一段T-DNA插入到植物基因组中,进而对水稻的性状进行改良[2]。
  1.3.1 农杆菌介导水稻的优点
  与基因枪法、花粉管通道法相比,农杆菌介导法是最经济、操作最为简单的方法。农杆菌介导法利用天然的载体转化系统,具有高效率、高成功率的特点。外源DNA有明显的转化机理,能够在转化过程中保持稳定。外源基因在植物器官内进行特异性表达,可进行人为控制。
  通过农杆菌介导转入的外源DNA结构完整,反应机理清楚,整合位点稳定。经过Ti质粒转化系统转化的外源大多以单拷贝为主,且符合孟德尔遗传定律。因此通过农杆菌介导法获得的植物大多被应用于育种的中间选育材料。T-DNA含有能够被植物体识别的功能启动子和转录信号,能够使外源DNA和T-DNA一同在植物体内表达[3]。
  1.3.2 农杆菌介导水稻的缺点
  存在再生细胞感受态与转化细胞感受态不一致的情况。农杆菌可能会使检测结果出现假阳性。农杆菌介导目前仅在双子叶植物中被广泛应用,对于单子叶植物的转化仍比较困难。
  2 细胞工程
  2.1 细胞工程育种简述
  细胞工程的主要理论支撑和思想来源是Haberlandt在20世纪初提出的植物细胞全能性,是指植物体的每个体细胞都携带一整套完整的植物基因组,在理论上具备发育成一个完整植株的能力。
  在细胞水平上对植物细胞进行融合,再通过细胞核质移植、染色体移植等操作,培育植物新品种、改善植物性状或引入新性状。当前流行的细胞工程技术主要有无性系筛选、原生质体培养、体细胞杂交、花药培养和多倍体育种等。
  植物学家曾运用细胞工程技术杂交两种植物的体细胞创造出一个新细胞,对其进行单细胞培养,让先分裂分化为组织,进而发芽生根,最后发育成新植物,新植物同时具有亲代的各自特征,而且在外观上很像亲代植物的组合体。
  更有生物学家幻想将动物细胞与植物细胞相融合,让动物具有植物的叶绿体,使其具有光合作用,能够自己合成营养物质。除此之外,还有许多基于细胞工程得以实现的成果,目前细胞工程的许多技术已十分成熟,且广泛应用于各个领域。
  2.2 细胞工程育种的特点
  细胞工程育种可以改良旧植物品种或产生新植物品种,筛选出良好性状的植物品种,改善植物的生长速度、繁殖速度,实现种子脱毒。运用细胞工程技术改良的植物可以稳定遗传性状,加快育种进程,提高育种效率,缩短育种年限。体细胞融合技术和杂交技术等新技术的出现,可以帮助相关人员克服植物间远缘杂交不亲和的问题。

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