本文报导了1990年3月20日在伦敦召开的农业团体学术讨论会有关农业中的转基因植物应用展望。

一、马铃薯载体和转化系统的研究进展

植物和植物细胞培养遗传工程的定义是不明确的，但是，总的来说，它涉及三个过程：（1）特定基因的鉴定、分离和操纵；（2）将这些特定基因转移到植物细胞中，并在细胞培养或转基因植物中生长：（3）检验插入基因的基因表达结果和生物学效应。

遗传工程技术的通则表明这一技术具有普遍性，即在许多植物中，利用许多类型的基因，可以进行许多生物学过程的基础和（或）应用研究。实际上，在某些植物中，如禾谷类植物，转化/再生技术到目前为止几乎还没有开始，而在另外一些植物中，如烟草，广泛的转化/再生技术“草约”正在被利用，并且有关这些“草约”的结果的知识累积正在不断增加（减数分裂的稳定性、一个特定基因在来源于单细胞的植物群体中的表达）。这一知识，加上对特定的转化系统实例的评价，在为了特殊用途而选择适宜的“草约”时，显得越来越重要，这一知识也是对新的传病媒介转化系统的发展作进一步可能的改进的基础，这与评价转基因植物在农业中的应用前景相关。

当编码GUS蛋白质活性的CaMV-uid-nos基因被引入马铃薯时，基因表达模型的多样性的定量例子可以通过测定生长在不同环境条件下许多独立分离的转基因品系的器官中的GUS水平而得到，结果表明某一特定植株的特定器官的GUS水平天然差异达几倍，而独立分离品系的植株间的特定器官中的GUS水平差异达上千倍，由于培养条件而引起的GUS相对水平的额外差异也可在不同的器官中看到。这些结果反映了当具有重要生物学意义的基因，如作物保护基因，通过利用类似的构成物和转化系统引入作物时，表现出基因表达的多样性。

被根瘤土壤杆菌T-Cyt基因转化的马铃薯植株为人们提供了一个如何利用遗传工程研究植物生长和发育的例子，这一基因能导致内源细胞分裂素水平的增加，从而引起植株营养生长提前，并改变衰老模型，因此，只要不断努力就会得到许多能分离出转基因品系的植物种类，对目前应用的媒介和转化“草约”的结果的进一步验证将有助于设计和组建改进的转化系统，并且进一步研究基因鉴定、基因表达和具有重要农学意义的基因的应用（包括转基因材料中的）将促进我们对植物如何在分子水平上生长的了解。这些进展将有助于为我们提供一个科学基础来选择转基因植物在农业中的应用。

二、通过遗传工程改进禾谷类作物的品质

大麦和小麦种子贮藏蛋白质的数量和成分在很少程度上决定其籽粒最后的利用质量，不论是作为食物，饲料，还是用于工业加工。舍利（Peter R. Shewry）等人正在研究决定禾谷类种子品质的三个基因族的基因结构和表达控制，大麦的饲料质量受贮藏大麦醇溶蛋白B中低赖氨酸含量所限制，这个族的一个基因，以及控制低丰度高赖氨酸蛋白的一个基因——胰凝乳蛋白酶抑制剂CI-2基因正在被研究中，同时，也正在研究控制小麦谷蛋白高分子量亚基的基因，这些基因被认为与小麦品种间的谷蛋白弹性差异、以及制作面包的质量有关。

为了鉴定与转录的产生和特异组织的调节有关的顺式作用因子，各种不同长度的5'-末端基因片良已经被融合到细菌报道基因的编码区域（氯霉素乙酰转移酶或β-葡糖苷酸酶），并且利用根瘤土壤杆菌将其整合到烟草基因组中，结果表明控制种子特异性表达的顺序在大麦醇溶蛋白B₂基因中位于5'-末端的210和512碱基对中，在胰凝乳蛋白酶CI-2基因中位于5'-末端的0和400碱基对之间，在高分子量亚基的一个基因中位于5'-末端的0和277碱基对之间，有趣的是高分子量亚基的一个沉默基因（即不表达的基因）的相应区域在烟草植株的任一组织中并不直接表达，尽管其顺序有90%是相同的。

这些研究，加上对由三个基因编码的蛋白质的分析将使禾谷类籽粒品质通过遗传工程而最终得到改进。

三、基因表达的控制在西红柿熟化过程中的应用

西红柿的成熟与几种影响其色泽、风味和质地的生理生化变化有关，这些变化的特征是质地的改变导致果实变软，在收获和运输过程中对机械损伤的抵抗力减弱。质地的变化与细胞壁中的果胶降解密切相关，西红柿成熟期间多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性的戏剧性增加与果胶的溶解和解聚相一致，PG被认为是与西红柿成熟期间质地变化有关的主要因素。

已经应用新的西红柿品系来研究西红柿果实成熟期间PG的作用，在这些新的西红柿品系中，编码PG基因的表达通过应用反义RNA而得到下降调节，这种方法要求果实中与PG mRNA互补的一种RNA得到表达。

表达PG反义RNA的新西红柿品系表现出的PG活性水平为正常水平的10%，这与PG蛋白降低量相一致，这些植株的自交后代具有纯合的反义基因，这些自交后代的PG活性低于PG正常活性的1%，在这些自交后代的果实中PG水平的显著降低阻止了果胶的大量解聚，但果胶的溶解却没有降低。

这些实验表明可利用反义RNA来控制西红柿果实中特定基因的表达，这一技术具有潜在能力来培育更适合生产者和消费者需要的、果实质量更高的西红柿品种。

四、集胞藻6803——光合作用遗传修饰的实验台体系

在产氧光合作用生物中，光系统Ⅱ（PS₂）催化水的氧化，使捕获的电子通过一系列类囊休膜氧化还原载体传递到光系统Ⅰ（PS₁），AFRC光合作用研究小组已经提纯了高等植物的PS₂反应中心，它具有分离原初电荷的能力，由五种多肽组成，即D₁、D₂、细胞色素b-559 α和β亚基，以及PSbⅠ基因产物（PSb表示一个PS₂基因），但是，包括氧气在内的PS₂制品有20种组分，为了研究这一复杂的蛋白质机器，S. R. Mayes等人正在通过遗传工程修饰PS₂，并监测其对光合作用功能的影响。

由于在高等植物体系中工作的困难性，S. R. 梅耶斯（S. R. Mayes）等人正在利用一种蓝细菌——集胞藻（Synechocystis）6803作为一种简便的遗传体系，集胞藻很容易被外源DNA所转化，然后通过染色体整合而得到维持，当PS₂活性减弱时，它通过光合异养作用而生长，由于蓝细菌和高等植物的PS₂非常相似，因此，PS₂的许多改变在集胞藻中很容易被筛选出，其结果很容易应用到植物中，调节基因也可以通过PS₂缺陷型突变体的互补作用而得到鉴定，尽管到目前为止，还没有得到PS₂反应中心的X-射线晶体结构，但它似乎与紫色光合作用细菌的反应中心有关，已有两种紫色光合作用细菌的反应中心的原子结构被弄清楚，这种相似性导致富有意义的PS₂诱变策略通过比较模型而得到阐明。三个完整的叶绿体基因组顺序有助于鉴定一些PS₂基因，尤其是编码小分子多肽的基因，这有助于从集胞藻中分离得到相应的基因。

诱变的一个原始标准是克隆集胞藻的一个PS₂基因，然后中断克隆，利用适当的构成中断或缺失媒介通过转化将其从体内移出。到目前为止，梅耶斯等已经成功地从集胞藻体内克隆了PSbG₂、PSbH、PSbK和PSbO基因，并且这些基因的中断/缺失汪在进行之中，这方面的研究进展将予以报导。PSbO基因编码PS₂中所谓的“锰稳定蛋白”（MSP），该蛋白与PS₂中的锰块靠得很近，钙离子（Ca²⁺）是氧释放过程中的一个重要的辅助因子，在计算机的辅助下已经证实在锰稳定蛋白中有一个潜在的钙结合位点。

通过基因缺失创造一个无意的遗传背景允许一个经修饰过的基因重新引入，其它研究者已经成功地将这一方法应用到集胞藻中鉴定出D₁Y-161直接参与反应中心中的电子传递，并将被认为结合于PS₂“特殊对”叶绿素之一的D₂H-197改变为酪氨酸残基，抗除草剂突变体的分子基础也是由于多肽的点突变而引起的。所有这些实验研究都说明蓝细菌体系的潜在作用。

五、转化植物——保护作物免受害虫危害的方法之一

害虫造成世界范围内种植的作物损失大约13%，这还不包括大量的化学杀虫剂的广泛使用所需要的代价，由于适宜的气候和缺乏高效杀虫剂，“第三世界”农业尤其容易遭受害虫的危害，化学杀虫剂的应用标准正受到来自环境、后果和进入食物链等方面越来越大的压力。具有内在抗虫能力的作物品种很明显是人们所期望的，这种抗虫品系的培育一直是传统植物育种工作的目标。但是，在能应用的种质中常常是缺乏内在的抗虫源，遗传工程可以克服这种限制，因为当给定一个特定作物的稳定转化体系时，可以将任何来源的基因引入，开发一种几乎是没有限制的遗传品种源，现在这种体系已在大多数作物中被开发，那么，人们能从哪里得到用于转化的有用基因呢？

目前，已经开发了两种合乎逻辑的害虫防治基因（ICGs），即害虫病原微生物和植物本身。编码经修饰过的来自昆虫细菌——苏云金杆菌的内毒素基因已经表明能增强转基因烟草和西红柿植株对敏感毛虫的抵抗力，一种昆虫杆状病毒已被建议作为另一种潜在的害虫防治基因源。V · 希尔德 · （Vaughan A. Hilder）等已经将注意力集中到植物本身在长期同害虫斗争过程中产生的蛋白质上，高水平的胰蛋白酶抑制剂与豇豆当地品种之一对其贮藏中的主要害虫——豆象的抵抗力有关，纯化的CpTI是一种对多种害虫（包括鳞翅目昆虫、鞘翅目昆虫和直翅目昆虫）有作用的抗代谢物，CpTI编码基因已被克隆，其中之一的编码顺序已经用基因转移媒介——土壤杆菌转移到烟草植株中，来自一个独立的转化过程的植株（品系+5/5）表达出高水平的CpTI，并能显著地提高对多种吃食对照烟草植株的害虫的抵抗力，另外，“+5/5”与含有来自不同作物的、不同类型的昆虫防治蛋白基因的转基因植株杂交所得到的杂交后代对烟草芽虫的抵抗力得到增强。

尽管与化学杀虫剂相比，这些化合物具有较低的毒性，但它们在转基因植物中有效水平表达，且并不伴随着对产量的不利影响。它们不需要使用费用，并且不会超越靶子植物扩散到环境中，这些化合物不是“消灭”害虫群体，更有可能是限制它们的生长，降低害虫产生抗性的选择性压力。表达植物本身的害虫防治基因的转基因植株更容易被消费者接受，因为到目前为止，被转移的基因来自已经作为作物而种植的品种的可食用部分，因此，这种害虫防治方法对使用者、生态和消费者都是有利的。

六、遗传修饰作物对农业的影响

高等植物的转化技术在过去的十几年中变得越来越有用，目前，已有30多个种类被转化，这些被转化的种类包括几种大田作物，即油菜、向日葵、亚麻、棉花、大豆、三叶草、苜蓿、马铃薯、烟草、糖用甜菜、水稻，以及一些蔬菜，如芦笋、甘蓝、黄瓜、茄子、莴苣、甜瓜、辣椒和西红柿，另外还有少数树木，如白杨、桉树、胡桃、苹果和番木瓜。

已有几种转化植物在美国、加拿大和几个欧洲国家开始进行小规模的田间试验，已对这些试验的某些数据进行了总结，目前，这些试验的大部分是有关抵抗除草剂的试验材料，这并不是因为其具有肯定的商业理由，而主要是因为这些抗性基因业已存在的可利用性。转基因或遗传修饰材料的潜在重要意义是非常广大的，它不仅允许广泛地选择对环境安全的除草剂和杀虫剂，而且也能提高收获材料的质量，不论是作为直接消费的种子的营养质量，还是作为工业应用材料的加工质量。农业效率的这些改进对满足日益增加的人口的需求是必要的。

为了使这些潜在的利益变为现实，需要大规模的农学试验来肯定这些材料与对照品种相比较时的表现，目前，一种担心是这种试验或许会被各国实行的调节条例的不一致性所阻碍。

七、转基因植物抵抗病毒的潜在能力和危险性

病毒引起许多作物种类的产量大量损失，目前有三种基本方法控制病毒：（a）侵染源的消除，（b）杀虫剂的应用，（c）抗病毒品种的应用。最近形成了一个新的观念，即利用病毒或与病毒相关的核酸顺序来干扰病毒的复制或功能，至少对某些病毒来说，通过转化植株表达病毒外壳蛋白而使这种想法得以实施。有人认为外壳蛋白干扰病毒侵染循环的早期阶段，这种和其它的非常规抵抗目标正在被讨论中。

向作物植株中引入病毒顺序，不论是为了提供非常规抗性，还是作为其它基因的媒介，都将增加新的病害产生的可能性。病毒外壳蛋白通常为一种病毒提供传染特性，在病毒外壳蛋白转基因植株中有产生转壳体化（即将一种病毒的壳体基因组转化到另一种的外壳中）的危险性，改变了病毒的传染性，而植物对之不能产生保护作用以免受其危害，这种和其它的潜在危险正在被讨论之中。

[J. Sci. Food Agric，1991年54，157~163]