[摘要]一种新基因在经遗传工程加工过的植物中的功能表达，至今还没有报道过。在为这一目标而努力的一个大障碍是我们对基因表达的分子基础认识不足。由于非常重要的植物性状基因至今没有得到统一的鉴定，因而使得试图建土遗传工程作为植物育种的一种实用技术变得错综复杂。然而，从植物改良的各个方面所获得的好处，正促进对植物转化技术的发展以及控制有价值性状基因的分离、鉴定的研究。作为科学家，发展较多的有关植物分子遗传知识，我们期望看到各个不同领域中的应用，例如，植物营养质量的改进，降低肥料的需求以及提高对不良环境条件和病原菌的抵抗力。

农业既是最古老的又是规模最大的世界性的产业，几千年来，自然选择和人工选择相互作用的广谱性，影响了作物朝向目前栽培条件下作物类型的方向进化。在这一整个进化时期中，所进行的努力是朝向提高作物质量和生产力，而不了解其中的分子基础。尽管在过去的几十年内，农业上的增产已经引人注目，然而为全世界人类的消耗所能提供的食物并没有过量。现代表业的成功，一个重要的原因是增加了对先进技术的依靠以及成功地完成了集约植物育种方法的一种新技术。然而，过去几十年中的作物改良方法，引起了一系列目前才为人们认识到的新问题。

由现代作物改良程序所培育的遗传优良作物，通常都需要高水平的管理工作。在管理制度上，不仅要增加昂贵的氮肥，而且还广泛地使用农药和除莠剂，所有这一切，都会导致有毒残留物在环境中的累积。另外，高度的近亲繁殖和众多栽培作物的狭窄遗传基础，将使人们担心作物对主要病害暴发的易感性，还包括，当世界种质减少时，一些重要的遗传性状可能会丢失。面对这些问题，人们对引人注目的DNA重组技术的出现就不会感到惊奇了。有了这种技术，人们希望能考虑一系列非常特殊的植物遗传饰变问题，有朝一日能产生现有栽培作物中不可能自然存在的遗传性状。

原核生物的分子遗传是非常复杂的，并且在许多方面也还不够清楚。从核酸中的贮存遗传信息流到细胞另一处功能基因产物的出现，需要完成一系列错综复杂的顺序排列，通过其上的许多位点来控制基因的正负表达。当今在简单的真核生物（例如酵母）中，随着细胞器之间各种相互作用可能性的增加，细胞核和细胞质基因数的增加，其遗传调节就显得更为复杂。高等真核生物中的农作物，有它更为复杂的细胞分化问题；例如，在一个叶子细胞里成千上万个有活性和相互作用的基因，到了同一作物的根细胞里就可以毫无作用。在传统的育种方法里，在新的遗传环境里的表达规律，也适用于用重组DNA技术所转入的植物DNA。要想在遗传工程上有所成功，就必须进行有关控制基因表达因子的研究。由于诱导细胞转化的方法有了发展，目前已开始了解细菌，酵母甚至哺乳动物DNA精细结构的基因表达的重要意义。随着转化方法的发展和有效基因的讨论，目前考虑有关作物遗传转化的问题就比较客观一点了。

植物转化的载体

虽然在许多实验室里，日常都在做微生物之间的克隆DNA转化工作，但是，由于缺乏适宜的载体系统，事实上已经妨碍了植物中类似的实验。然而这方面目前正取得日新月异的进步，我们可以预料在不久的将来，会有多种载体投入实际应用。当前载体设计中的一个缺点是缺乏一种理想的转化记号——一种在转化细胞载体上便于鉴定的基因。如果为缺乏乙醇脱氢酶活性的植物细胞提供最优选择的能力，并随后能鉴定乙醇脱氢酶的阳性回复，那么就为植物寄主 - 载体系统准备了乙醇脱氢酶基因——一种引人注目的记号基因。通过应用由拼接到其他生物编码蛋白质顺序的植物DNA遗传控制区，就有可能使显性嵌合抗菌素抗性基因（类似目前它们在哺乳动物细胞中那些功能）也能在植物细胞中得到表达。当较为适宜的记号能用时，基因机械导入法（例如，微量注射法，或通过原生质体，让聚乙二醇间接地把DNA引入）的发展，将大大促进这一工作。在没有适当而较为成功的记号情况下，许多植物的转化实验是依靠自然途径（植物病原菌的途径）进入植物细胞。当病原菌的感染和反应机制有所了解之后，为了适应载体的机能，虽然可以变换病原体的种类，但是其着眼点要放在双股DNA植物病毒（花椰菜花叶病毒组）和土壤农杆菌上。

花椰菜花叶病毒组中，了解得比较清楚的也只是很少几个，并且在许多方面它们都很相似。研究得最多的是花椰菜花叶病毒（CaMV），它的天然寄主范围很有限。这种病毒转录和复制的机制相当复杂。CaMV不能通过种子传播，但它却有很重要的潜力，它能侵染整株植株，随后通过寄主进行全株移动。如果能够避开细胞培养所需要的载体当然是值得的，但不幸的是，直接利用CaMV作为基因载体的实验证明其基因组大小有限，因此，能够转导的外源DNA的数量也就受到了限制。

土壤根瘤杆菌是一种土壤细菌，它能诱导多种双子叶植物患冠瘿病。作为植物载体来说，它成功的可能性要比CaMV大得多。通过大型质粒（即Ti质粒）所携带的遗传信息把毒性带给细菌，在感染的时候，Ti质粒的片段（称为T-DNA）插入寄主植物的核DNA中。在转化细胞里，T-DNA中所含的基因是功能性的，T-DNA的基因产物，对组织培养中的冠瘿细胞激素的独立和新的代谢产物（即Opines）的合成，都起着极其重要的作用。

含有一种完整T-DNA的烟草细胞不能再生成正常的植株，这是由于T-DNA基因产物造成激素不平衡所致。但是，如果从感染细胞里自发删除对不平衡起主要作用的基因，那么，就能再生含有剩余T-DNA基因的健康植株。通过离体实验删除一个或几个T-DNA基因，也就可能达到“解除”T-DNA的目的。解除Ti质粒后的烟草转化细胞是完全可能再产生为健康植株的，并且，看来凡适合于组织培养的其他植物，都能够进行类似的转化。置入解除Ti质粒后的T-DNA中的真核生物DNA，被转化进植物细胞后，在通过减数分裂进入再生植株种子的整个过程中，其DNA的结构是稳定的。虽然，通过现代实验的改进，能够期待更加方便的Ti衍生载体，但是，事实上，Ti质粒可以用作为双子叶植物的载体。目前Ti质粒也可以用来促进显性选择记号的建造和实验性试验，这种记号不久就可用于单子叶植物和双子叶植物的转化。

载体结构的飞速发展，已经远远超过鉴定植物遗传工程成功的另外两个研究领域。虽然最初的转移实验将在培养中的单细胞水平上进行，但是，农艺上少数几种重要作物日常还是由细胞培养再生。在这种技术得到进一步发展之前，许多作物都不能依靠重组DNA的方法得到改良。还有一个重要的问题：我们应该把哪种基因转到将要改良的作物中去呢？当前许多栽培品种的发展，仅仅依靠传统育种方法中对多基因性状（例如增加产量或提高蛋白质的含量）的选择，而对这些性状的分子基础却不了解。相反，植物遗传工程的成功，在很大程度上将要依靠转化性状的有关遗传和调节的知识。尽管少数例子表明所遇到的问题之大，但是，现在仍然在考虑，通过遗传工程技术来操纵植物的许多系统。

种子蛋白质

人类饮食所需的蛋白质，大约有70%是来自豆科和谷类的种子。整个种子的发育，种子里合成和积累贮存蛋白质，这都为种子早期发芽期间提供一种氨基酸源。植物种子中这种高水平的蛋白质为人类和畜禽的消耗提供了一种丰富的氨基酸来源。但是种子中缺少某些基本氨基酸，这就使得谷物或豆类不能提供一种平衡的食物，除非从其他来源中补足所缺的氨基酸。为了克服种子营养成分的不足，目前讨论得较为广泛的一条改进途径，是把眼光集中在编码各种贮存蛋白质的遗传工程基因（包括所缺氨基酸的新的密码子）上，或者把外加的氨基酸插入蛋白质内，或者用营养更为丰富的又合意的氨基酸来替代现存的氨基酸。但是，这种工程计划获得成功之前，还存在着各种决定性的技术难题。

玉米里有许多种醇溶蛋白质，每种都缺乏基本氨基酸中的赖氨酸和色氨酸。这种醇溶蛋白质的量可达玉米胚乳总蛋白质的50%以上。20种氨基酸顺序的存在是玉米醇溶蛋白质复杂折叠的基础，由于疏水性和亲水性区域的交替出现，在蛋白质链中就九次重复这一现象。一些顺序变异较少的玉米醇溶蛋白质基因，是由玉米基因组中一种中等反复的多基因族组成的，估计这是基因扩增的结果。在玉米胚胎发生时期，玉米醇溶蛋白质的稳定和积累，也许是由于蛋白质结构特征的关系，因此，用遗传工程的方法，企图改变玉米醇溶蛋白质基因组的密码顺序，就必须考虑到氨基酸改变蛋白质二级结构的可能作用。目前有这样的证据：在各种豆科种子的豌豆球蛋白质基因中，其核苷酸顺序的保守性，对信使RNA结构的稳定性和代谢作用可能起着重要的作用。如果这种看法正确的话，那么，遗传工程就必须不只要考虑到密码子置换对蛋白质稳定性的作用，并且还要考虑到对信使RNA折叠特性的影响。

现在细看起来，由于贮存蛋白质系统是由多基因族编码的，因此，操纵高水平氨基酸的单基因，对总的种子蛋白质结构作用不大，除非把工程基因改编为非常活泼或者在基因组中扩增。在选择途径时，可以考虑向改良种子蛋白质结构的方向努力，例如，导入富含特异必需氨基酸的完全崭新的蛋白质。但是，RNA和蛋白质稳定性的问题仍然存在，并且还有所获得的新基因，在发育过程中准确和高水平表达的问题。将来有可能，为改良种子蛋白质的质量和数量，对目前含蛋白质较低的系统，转入编码已知贮存蛋白质的基因，或者对已经产生贮存蛋白质的系统准备外加基因拷贝；但是，正常氨基酸“池”进入大量蛋白质内，可能会产生严重的代谢不平衡，不仅在产生蛋白质的细胞内而且在整株植物中也是如此。降低种子的产量或者变更种子其他一些重要的特性，都会很容易否定改良蛋白质的必要性。

固氮

农作物的生长要依赖于大量的可利用氮源的供应，这种氮源可来自人工施于的氨水，脲素或硝酸盐肥料，也可以通过土壤微生物还原空气中的氮而自然产生。虽然绝大多数生物不能同化大气中的氮（N₂），但是有极少数原核类生物却能在所谓固氮过程中直接把N₂还原成氨。在由根瘤菌与豆科植物

（例如大豆，紫花苜蓿，落花生，豌豆，三叶草）相互作用所形成的高度分化的根小瘤中发生固氮作用，从而使得这类植物在没有氮肥的情况下仍可生长。目前，根据某些方法正研究这种可能性：即提高固氮作用将会提高豆科植物的产量，或者使其他品种的植物也能够进行固氮作用。

在实验室里操纵根瘤菌很容易，这似乎给人们一个印象：细菌对改良共生固氮作用的潜力还很大。例如，编码固氮酶（这种酶在N₂的还原过程中起主要作用）的根瘤菌有一种水解三磷酸腺甙（ATP）和形成H2的支反应。这种反应没有明显的作用而消耗了大量的能量。但是，不是所有的固氮菌都是如此，在某些固氮菌里，含有一种氢化酶，它通过氧化H，而产生ATP；然后将ATP供下一步的固氮作用所使用。现在已有实验证明，含有氢化酶的细菌，其固氮效率更高。很明显，如果把氢化酶基因导入根瘤菌中，就有可能改善固氮作用，也许还会提高豆科植物蛋白质的含量。

在豆科栽培品种中，有可以改变固氮能力的例子。这就暗示出，改变或交换植物中的“共生基因”，就可以提高固氮效率。

共生或非共生固氮作用的扩大，对那些目前从固氮作用中没有得到好处的作物（例如禾谷类）来说，将是非常有价值的。现在有证据证明，自由活动的固氮细菌能够促进与禾谷类根的结合，使植物可以通过细菌的固氮作用能够得到一些氮。遗传性地改变与禾谷类根紧密结合的固氮细菌并因此而得到更有益的结合，看起来这也许是可能的，但是要产生一种新的导致生瘤的谷物共生体，那只有在对生瘤过程起作用的寄主基因知道得更多的情况下才有可能。

抗病性与抗虫性

由于病虫害的毁坏，世界作物总产量中有相当一部分遭受损失。通过对来自感染区的产品和作物进行严格的检疫，实行作物轮栽，进行种子消毒和无害贮存以及使用化学农药等手段，是可以做好作物保护工作的。但是，从历史观点来看，把虫害和病害两者结合起来考虑，应用抗病虫的作物品种，是一条耗资省、最有效的途径。抗性作物的栽培费用并不比易感品种的大，并且能够避免由化学控制办法所引起的不利方面的影响。只要我们：（1）提高对致病机制的认识，（2）对病虫害进行早期预测，（3）直接控制病虫害，以及（4）能够应用工程抗性植物品种，那么很可能，分子生物学最终在植物保护中将会发挥主要的作用。

植物中“诱导抗性”的现象与动物里通过接种疫苗而产生的免疫作用有一种迷人的相似之处。当用病原菌诱导植物，或者用使细胞长期而局部损伤的化学药剂处理时，植物对此后所发生的感染，往往表现为一种高广谱的抗性。在细菌、真菌、线虫以及许多（即使不是所有）植物品种的诱导工作中，都产生了这种抗性。虽然诱导抗性的机理还不甚了解，但是，在实际中操纵这些系统对农业生产力有着强烈的影响。在机理上，它可能十分简单，这类植物在细胞中能持续不断地合成某种微量的抗病虫代谢产物；当然也可能相当复杂，例如，从根本上改变了原有的低抗性水平的代谢途径等等。

光合作用

植物最基本的价值在于它们能够通过光合作用把太阳能转换成贮存的化学能。把大气中的CO₂转换成碳水化合物并向周围释放出O₂，这一复杂的反应是在高等植物叶绿体的基质和膜中进行的。虽然叶绿体决定于为它的功能和生存提供信息的细胞核，但是，已经发现，在每个叶绿体里，一段分离的叶绿体基因组，呈现为一个有40 ~ 60个拷贝的大环状染色体。每个细胞里如有多至50个叶绿体的话，就会使得每个细胞里存在成千上万的每个叶绿体基因的拷贝。

有关叶绿体基因表达的调控，虽然也知道一点，但是，为进一步研究这些机理，目前正采用一些新技术。氰化细菌和光合真核生物（衣藻属）转化方法的最新发展，预示着通过突变体基因的分析和互补作用，在阐明光合机构功能问题上将会迅速发展。

如果光合作用途径知道得更多的话，那么就可以设想许多可能改进的方面。由于在光合作用时有许多并列的酶作用，因此，在关键性的反应时，可能会有种的变异。植物品种间转移高效卡尔文循环酶（其途径对CO₂固定起着主要作用），完全有可能提高碳固定的速率。现已证明，离体二磷酸核酮糖羧化酶（这是卡尔文循环中的主要酶）是随着决定植物酶源的动力学速率常数的变化而变化。这就暗示出，编码羧化酶亚基的基因的交换或修饰就可能产生一种使工程植物中CO₂固定更为有效的酶。这种可能性就带来另一种科学“兴趣”：叶绿体基因编码一种类型酶的两种不同亚基，而其他的则由少量核基因所编码。因此，两种亚基的遗传信息的交换或交替，取决于核和质体转化技术的发展以及我们对此的理解。

在不同植物之间交换各种光系统成分使电子转移率大大提高，这也是改进光合作用的另一条途径。通过光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ）而增加的电子流速，可以提高光饱和的水平，这种光饱和使光产量（light harvesting）能够更有效。光合反应的数目及其复杂性，对遗传操纵来说，具有极大的吸引力，但是令人遗憾的是，也许在光合作用的相互作用没有得到更完全的了解之前，由于这种研究的复杂性却延误了许多遗传工程的成功。

对恶劣环境条件的耐受性

尽管不断地努力来改善栽培条件，但是，农作物也总是会受到环境中各种恶劣条件的影响。甚至在富饶的农业区，在整个生长期间都会受到干旱和热、寒条件的影响，从而使得作物受灾并因此而减产。如果栽培条件下土质变得更差，或当连续使用而改变了世界种植区中的土壤时，那么，各种可预料到的恶劣环境条件就会广泛地蔓延开来：由于盐的累积和矿物质的毒性，大量可灌溉的土地遭受破坏；在一些不久将受到长期干旱的地区，灌溉水正被耗尽；连续和无限制地使用边缘地区的土地，从而引起微量元素的缺乏，并且需要增加使用补救肥料。因此，很明显，那些能忍受诸如干旱、高盐、矿物质缺乏（或毒性），或者温度迅速变化等恶劣环境条件的农作物都是很宝贵的。

如果在作物种属内其抗恶劣环境条件的特性是可变的话，那么，传统育种的方法就能把这种特性转移到具有明显经济效益的新的栽培品种中去。然而，那些没有多大经济价值的植物（例如杂草）倒是表现出引人注目的抗恶劣条件的特性。从育种角度来看，这类植物与栽培品种是不相容的，但是，它可以诱惑人们考虑通过遗传工程的方法来转导植物的抗性。当前，世界各国的科学家们，在植物对环境反应的生理学，生物化学和遗传学基础方面，正努力进行研究，以求对其有更多的了解。

[Science，1983年，219卷4585期]

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巴通（Barton）博士是分子遗传学家。

勃利儿（Brill）博士是美国威斯康星州Cetus Madison公司的研究董事。