1983年，人类首次把能制造蛋白质的外来基因移入了植物细胞内，这一壮举开创了植物分子生物学的新纪元。不久，科学家将创造出成熟而不变软的西红柿、不含咖啡因的咖啡豆、甚至能创造出对地球变暖有抵抗力的植物来。遗传工程尽管不能完全取代传统的育种方法，但生物学家确实能利用这一方法将自然或人工制造的基因在根本不能发生有性生殖的两个物种之间移来移去。现已有两家生物技术公司（即美国生物资源遗传工程公司和高级聚合物系统公司）决定利用这一转基因作物生产的黑色素开发新型护肤剂。

生物学家创造首批遗传工程物所用的工具是叫作根瘤农杆菌的微生物，这种微生物是天然的遗传工程师，平常生活在土壤里，一旦植物受伤它便感染之，使植物伤口周围的细胞超常量激增，形成“肿瘤”。该根瘤农杆菌此时把它在土壤中生长与繁殖所需的遗传信息都集中于一个大的DNA分子，即一条染色体上。由于它还含有一个较小的被称为致癌（Ti）质粒的DNA分子，所以此菌可以感染作物并使之产生“肿瘤”。质粒上的一部分即所谓T-DNA可将自己整合到植物染色体中。T-DNA上的一些基因可以改变植物细胞的性能并将其转变成“肿瘤”。科学家把一条染色体内嵌入T-DNA的植物细胞称为遗传转化细胞。

土壤农杆菌侵入植物细胞便在那里安家落户。它自己自由自在地生活在土壤中，让植物为它生产蛋白质而毫不浪费自身的能量。这种基因的受控方式是只有在它们进入植物的染色体以后植物才能按照指令生产蛋白质，由于其中的一些基因是制造植物生长激素、生长素和细胞激动素的酶的代码，所以受感染细胞在激素等的作用下就会超量繁殖，变成肿瘤、T-DNA还携带有供给土壤杆菌营养的基因，让作物细胞产生营养物质供它享用，这样，土壤农杆菌巧妙地利用了植物为它们服务。

DNA上有三个关键片段致使土壤农杆以下面方式侵入植物：第一，细菌必须先粘在被攻的植物细胞上，这一功能受细菌染色体上的基因控制r第二，细菌将自己的T-DNA转移到植物细胞内，这一过程受质粒上的毒性基因所控制，质粒并不转入植物细胞内。第三，标出转移到植物细胞内的那部分DNA，这项工作由位于T-DNA两侧的较短的、几乎完全相同的DNA顺序（即左右边重复）来完成。DNA的这个三要素构成了植物遗传工程师的基本工具箱。

生物学家往植物细胞内转移外来基因所用的工具，能够模仿土壤农杆菌已经使用了几千年的遗传工程操作程序。此工具叫Ti质粒载体，它可将细菌细胞内的DNA转移到植物细胞并组合到染色体中。为使Ti质粒变成更有效的载菌体，遗传工程师用各种方法对其加以改造。首先，删去了使植物细胞过多分泌生长激素的基因，这样移入了基因的植物细胞就不会变成肿瘤，而成了正常高产植物。第二，更换质粒，使在左右边重复之间插入新基因的操作更简便。第三，在左右边重复之间附上能使细胞对抗生素产生抵抗力的基因。这样，研究人员可把细胞放入有抗生素存在的培养基里培养。

至此，遗传工程作物便可直接生产了，先培养一点叶子、子叶或茎，然后放入含有传菌体的土壤农杆菌，再用抗生素法选择出移入了基因的细胞。这样，遗传工程作物的制造就算大功告成了：把一片叶子培养成了完整的植物。目前，人们使用Ti质粒载菌体完成了下列植物的基因移植：紫花苜蓿、棉花、胡萝卜、芹菜、黄瓜、亚麻、莴苣、油菜、牵牛花、白杨树、土豆、大亘、甜菜、向日葵、烟草、西红柿和三叶草以及胡桃等。

在自然界里，根瘤农杆菌只引起针叶类和双子叶开花植物产生肿瘤，而对单子叶植物并无致癌作用 · 这是作物遗传工程师们遇到的一大难题，因为多数作物如小麦、玉米、水稻和燕麦及大麦等都是单子叶植物，然而，瑞士佛来德里奇 · 曼彻研究所的尼格尔 · 格里斯里和他的同事们设法用土壤农杆菌内的Ti质粒载菌体感染单子叶植物，成功地将玉米条斑病毒的DNA转移到了玉米细胞中。

在我的研究室和约翰 · 尹尼斯研究所，我们也采用此法做了小麦矮态病毒攻击小麦植株的试验。用携带有Ti质粒的土壤杆菌攻击完整植物的一个小区域。由于受感染的植株一眼就可认出，所以节省了筛选出受感染细胞这一步骤。病毒只要进入一个细胞便迅速复制并蔓延到整棵植物。这一研究成果说明改进了的Ti质粒也能制造转基因谷物。

研究人员还探索了生产转基因作物的其它几种途径，其成功程度各异。有几种方法可被统称做“基因直接导入法”，利用这些方法已向单子叶植物和双子叶植物细胞内移入了基因。方法之一是化学法：在有钙、镁离子和聚乙醇存在的环境中使DNA穿过原生质膜。另一种方法是用电脉冲刺激细胞膜产生小孔，第三种方法是微注射法，将DNA直接注入细胞内，这三种方法有一个共同的缺点，就是很难用原生质体培养成成熟的植物。然而，美国山达兹作物保护公司的卡罗尔 · 罗德（C. Rhodes）和他的同事们在此困难面前另辟新径，先用电脉冲处理原生质体，然后把携带对抗生素有抵抗力基因的DNA导入之，再用培养基培养并用抗生素选择出有DNA插入的细胞，最后将：它们培养成整棵植物。日本科学家最近用类似的方法已向水稻植株细胞内移入了外来基因。

研究人员还用微射入法向植物细胞内转移DNA。此法是指在钨钢或金子外面包上一层DNA，然后用粒子枪或用放电法给它加速使之进入外层细胞壁和细胞膜内，美国康乃尔大学的约翰 · 桑福德（J. Sanford）和他的同事们采用此法给玉米和烟草植株细胞内移入了基因。使用这些方法研究人员可直接把DNA放入植物的繁殖系统，不需经过复杂的组织培养过程就可使种子长成转基因植物，位于克龙的马科斯普兰克研究所的科学家杰佛西尔（J. shell）和他的同事们在给发育中的花粉细胞注射DNA以后获得了黑麦植株。美国威斯康星州的科学家近日在往大豆胚胎细胞里射入了DNA“子弹”以后得到了繁殖力强的遗传工程大豆植株 ·

遗传工程作物的用途十分广泛。这项研究的一个主要目标是创造抗虫害作物，并且将会带来较大的经济效益。目前全世界每年使用的农药的价值达30亿美元，仅美国用于控制蝴蝶和蛀虫的农药价值就达4亿美元目前美国莫山土公司和作物遗传系统公司的科研人员已经找到了新的治虫方法，就是用苏云金杆菌产生的毒素（一种毒性蛋白质）杀灭害虫。他们还把苏云金杆菌的基因移植到西红柿和烟草等细胞内以创造转基因抗虫害作物。

英国德海姆大学的多那德 · 布尔恃（D. Boulter）等人用另一种新方法治虫：他们往植物细胞内导入一种基因，使害虫吃了植物后不能消化之，他们先分离出胰蛋白酶（用于分解蛋白质）抑制因子基因，把它移入烟草细胞内使之产生这一抑制因子，这样，烟草植物对蚜虫就产生了一定抵抗力。这种“蛋白酶抑制因子制剂”比苏云金杆菌毒素的抗虫范围更广。

目前使用的除草剂约有100多种，人们越来越关心它们的毒性会给动物包括人类及其生存环境带来的危害。杀灭力强、毒性小而又能迅速降解的除草剂的杀伤范围往往过宽，即杀死了各种杂草，又伤害了作物。所以目前许多科研人员致力于研究抗除草剂作物，许多除草剂的工作方式是抑制杂草合成必需氨基酸的能力或光合作用的能力。而遗传工程师们通过采取导入能使作物过多地产生对除草剂敏感的蛋白质（以抵抗除草剂的作用）的DNA或导入能降解除草剂毒力的蛋白质DNA的方法来使植物对除草剂产生抵抗力。美国莫山土公司和作物遗传系统公司及卡尔基因公司已采用此法创造了能抵抗数种除草剂之毒力的作物。

生物学家还对抗病毒和其它病原体的转基因作物进行了研究。莫山土公司和必奇（Beachy）集团已经研制出了含有烟草镶嵌病毒外壳蛋白基因的西红柿和烟草，它们对病毒感染有一定的抵抗力。试验表明，普通西红柿感染该病毒后减产26 ~ 35%，而移入了基因的作物对该病毒没有任何不良反应，这是因为后者能产生众多的外壳蛋白分子，限制了病毒的早期繁殖。科学家用类似的方法研制出了许多种能抗御不同类型病毒的植物，研究人员有可能使用反有意义RNA创造出能够抑制病毒复制周期不同环节的基因来。

据目前所知，有些病毒里还有小型的“卫星”RNA，此RNA只有在其“助手”病毒存在时才能够繁殖，并能减轻该病毒引起的症状。英国和澳大利亚的科研人员利用这一现象研制出了含有这种良性卫星RNA复制品的遗传工程作物。当受到助手病毒（如黄瓜镶嵌病毒）感染时，该新型作物表现出的症状较轻较少。卫星RNA法比外壳蛋白法好，因为大量的病毒也不能使移入了卫星RNA病毒的作物出现受感染症状，由于卫星RNA是与其助手病毒一起从植物移入到植物的，所以受感染的转基因作物有可能成为一个毒性病毒库，研究人员需要改造现有的卫星RNA以防其朝着毒性方面突变或突变得不与其助手病毒粘连。

最近，英国和美国的研究人员创造出了转基因西红柿，其果实在成熟时变软过程比普通西红柿慢。移入的基因能生产反有意义RNA，是它抑制了果实成熟变软酶。摘下的成熟果实经常很绿，需要喷乙烯催熟。如果反有意义RNA延迟了变软过程，摘下的果实会自然变熟，味道或许更佳，不必担心售前约软烂问题。

对植物实行基因处理可使植物在更宽的环境范围内更好地生长。研究目的是创造出光合作用更有效、产量更高、需肥少（如能吸收空气中的氮等）、能抵抗真菌、细菌、过低过高的温度或过大过小的pH值、干旱与洪涝、重金属和空气、水或土壤中的各种污染物质的作物。还有可能通过更换种籽内的蛋白质和降低饱和与非饱和脂肪酸的比例的方法研制出营养更丰富的保健作物来。

多年来，植物一直是医药和其它重要精细化工产品的主要资源，遗传工程师将通过基因操作改善其品质、提高其产量。在有粮食剩余的国家，用转基因作物生产医药或重要工业品（如胰岛素或干扰素）将更有探索价值。我们研究室的罗博特 · 海斯（R. Haves）采用把基因接入病毒DNA内的方法制造了带有众多该基因复制品的转基因作物，使作物蛋白质产量比原来提高了100倍。这使得利用植物生产外来蛋白质的想法更加经济可行。

在转基因作物大面积种植以前，人类必须采取相应的安全措施，保证抗除草剂基因不转入杂草细胞内，保证转基因作物不生产有毒产品，保证作物不能变成杂草，保证不因粗心而制造出人工病毒危害动植物 · 现在我们已拥有这方面的安全技术，无疑，转基因作物将对植物生物技术的未来产生重大的影响。

[New Scientist，1989年6月3日]