人类在改良粮食作物方面至少已作了10，000年的努力，早期的耕作者通过贮藏有用作物的种子来改善作物的品种。在上一世纪，这种世代延续的植物育种方法已经十分完善，而在作物方面堪称重大改良的举措则归功于对同种的不同个体进行的成功的杂交育种。其后更进一步，专家们又成功地对同一品系的不相容种作了性杂交。今天，由于遗传工程的问世，开发更优良植物的崭新方法已经出现。通过采用重组DNA技术，生物学家能操纵不相关生物体间遗传物质的特异、有效片断的运动。

生物学家创建的第一种转基因植物始于10年前，此后，相继有50多种转基因植物问世，同时，这一技术对于揭示支配植物生长的基本过程之谜提供了关键性的支持，不用几年，这种转基因植物将进入商业性应用阶段。

尽管遗传工程远较传统的植物育种方法复杂，但在安全性方面两者却不相伯仲。在这两种方法中，外源DNA进入植物基因组并得以稳定保持和表达。一份新近的美国国家科学院的报告指出，如果说存在危险的话，经分子和细胞方法处理的作物与用传统的遗传方法处理的作物并无什么区别。今年2月，白宫确认对遗传工程产品并不需要再附加另外的标准，因为它们未对人类社会形成任何超越标准的危险。

本文拟讨论现今所采用的植物遗传工程的方法，并概述植物遗传工程应用的进展及其合理性。

植物遗传工程的首次实践基于一种植物病原体植物肥大病菌属（Agrobacteiuum tumefacients）的固有能力。这种病菌通过将一组基因导入自身的一或多个DNA片断中，将自身的部分DNA转导到植物细胞中。称为转移DNA的这些片断其后整合到被传染植物细胞的染色体中，导致细胞产生超量的植物激素，这些激素使植物形成异常结构，如肿瘤或丰富的根部物质，这就为植物肥大病菌的菌株提供了适宜的生长环境和养料，这种细菌传染称为冠瘿病。为使这种细菌成为DNA转移的有效载体，其致病基因必须去除，这一改变可戏称为“解除武装”，孟山都公司和华盛顿大学的科学家及德国、比利时科学家在1983年首次完成这一工作，他们沿用传统的DNA重组方法去除导致肿瘤的基因。这一“解除武装”过程意味着消除了病菌的致病能力，但却保留其DNA转移的作用机制。

80年代初期，德国马普研究院植物育种所和美国孟山都公司的科学家用植物肥大病菌构建了第一个遗传工程基因，该基因可使植物细胞对抗菌素——卡那霉素（一种抑制植物生长的化合物）有抗性。这一突破性工作有两大意义：其一，它表明外源基因和蛋白能在植物中表达；其二，它证实卡那霉素抗性可起标示作用，在这一实验中，在DNA中整合、表达的仅是少量细胞，标志基因有助于科学家辨认哪些细胞进入到何种基因内，从而证实其成功与否。

由于植物细胞是所谓的全能细胞（能发育成整个生物体的未分化细胞），因此，完整的有再生能力的植物应能从转化细胞里育出。今天所采用的绝大多数遗传工程方法仍是基于外植体细胞或小片植物。以植物肥大病菌作媒介的基因传导现已成为常规手段，在全世界近百个研究机构内使用，仅孟山都公司一家，用此方法已经创建了45，000种不同的转基因植物。

尽管这一方法是简便而精确的，但不少植物种类，包括对人类生存至关重要的谷类作物，如稻、玉米、小麦等非植物肥大病菌属的天然宿主，亦很难通过上述方法进行基因转移。为此，作了不少努力以开发某种替代系统。这种努力的第一步是将游离的DNA导入植物原生质体内，这里的原生质体须是已去除了细胞壁的植物细胞，因为细胞壁的孔隙太小，DNA不易通过。原生质体内的唯一屏障是原生质膜，一种厚有机聚合物——聚乙二醇，能载运DNA渗入原生质体膜内，聚乙二醇是最常用的化学载体。此外，Electrporation也能携DNA穿越质膜，在此过程中，短促而高压的电脉冲能短暂地在原生质体膜内形成微孔，DNA分子能进入这些空间。

由于这些过程不依赖任何特定的生物间相互作用，原则上，它们都是转化细胞的常见方法。然而，植物要从分离的原生质体中再生绝非易事1特别在谷类作物中，稻谷自不待言，即便玉米和小麦的试验也连遭败绩。其后又研究了一些方法，如试图将DNA导入完整的植物细胞内，这些细胞仍有自己的细胞壁。比较理想的方法是简单地注入DNA，但遗憾的是微注射技术尚未过关，细针很容易折断且极易阻塞，即使注射技术可行，但每注射一次只能传导一个细胞的速度也令人难以接受。而且，一旦DNA进入细胞，但其是否能真正进入受体的基因组内也足可堪忧。一种可取的技术必须至少能传导10.000个细胞，并且要确保其中的每一个都能纳入到受体的新基因内。

为了提高基因传导的有效性，康奈尔大学的赛夫特（John C. Sanford）设想了一种用遗传物质轰击众多植物细胞的方法，他假设这种金属粒子的直径约为1~2微米，外层覆以DNA，经足够的加速，这些粒子击穿受体细胞壁，将DNA导入其中。考虑到细胞壁、膜上的小洞会很快自行闭合，穿刺应是短暂且不会危及细胞的完整性。纵然这些粒子可保留于细胞质内，但由于它们太小，对细胞机能不会产生任何不良影响。

1987年，赛夫特及其同事克莱因（T. M. Klein）构建了一个实用的装置，它利用钨粒子轰击植物细胞。他们所用的DNA粒子枪采用2.2口径的空枪弹为动力。威斯康星州的一些研究人员也设计了一种类似的基因枪，它采用黄金作轰击粒子，以水滴汽化为动力。

这两种粒子枪都导致了转基因植物生成，去年，先是康乃狄克州的植物遗传所、孟山都公司，其后是美国农业部的科学家相继开发了有效的、功能持久地用于转化玉米基因的粒子枪系统。最近，我们和佛罗里达大学的科学家合作，成功转化了小麦植物。

将DNA导入细胞仅仅是转化植物的第一步，生物科学家还须操纵基因片断，使之产生有用的表型——支配着所需特征的植物多样性。基因的调节功能使之化繁为简：为蛋白质编码或生成新蛋白质的基因就广义而言尽可囊括于三个区域内，其一是启动顺序，它能帮助确定基因表达的时间和部位；其二是编码区，它包含着的信息决定着基因编码的蛋白质的性质；最后是分聚腺苷区，它能确保信使RNA转录本正确地终止。遗传工程专家有相当的余地来混合和匹配这几个区段。由不同基因组装而成的基因通常又称嵌合体基因，原则上，嵌合体基因的编码区可取自任何生物体。这种全能的适应性是基因工程胜过众多传统方法的要诀所在，传统的方法只允许在极相近的种间作基因转移。此外，通过选择不同的启动子，科学家们能将基因表达定位在植物的某个特定器官，如叶面、根部、种子和基管部位，在许多情况下，还能将基因表达限定在复杂组织的特定细胞类型内。

基因转化所展示出的最鼓舞人心的特征之一是抗病性，在构建抗病毒植物方面已经取得了令人振奋的结果。考虑到目前尚无直接有效方法来对付病毒对作物的侵袭，因而无疑这是一项重大进展。有关病毒抗性方面的基因工作植根于早先在植物生物学方面的一些基础工作，人们注意到某些受到低、中度病毒感染的植物其后反而增强了对烈性病毒菌的抵抗力。显然，低度病毒菌株的复制扰乱了烈性病毒的感染能力。研究人员已将这种“交叉保护”原理用于温室中的番茄。

比奇（Roger N. Beachy）及其在华盛顿大学的同事推论，病毒的某种单一成分可能起到了这种防护作用。专家们构建了一个中间宿主——烟草花叶病毒的外壳蛋白（TMV），将其引入烟草和番茄植物中，并在其中表达，这些受到TMV感染的植物随之获得对高浓度病毒的抵抗能力。由于这些植物具有很强的抗感染能力，从而支持了比奇的病毒防护说。

遗传工程的另一重要目标是能抗御虫害，特别是棉花，马铃薯、小麦等作物。在过去30年间，主要是借助于苏芸金杆菌（Bt）来防虫害，它能产生一种杀虫剂蛋白。常用的绝大多数Bt制剂都能高度专一性地针对鳞翅目昆虫的幼虫——蛾和蝶，正是这些幼虫构成了主要的虫害。Bt蛋白连接到特定的受体中，这种受体处于被攻击的昆虫的肠膜部位，这一连接体与肠上皮细胞中的离子通道发生作用，这样就阻断了昆虫的进食能力，这些天然的杀虫剂对哺乳动物没有毒性，甚至对任何其他种类的昆虫也不构成威胁。但这种Bt杀虫剂常因（植物内）体液的流动而易被去除而限制了其作用，再者，其在农田中的有效期很短。80年代中期，好几家公司的遗传工程专家成功地从细菌基因中分离出了杀虫剂蛋白，它们采用粒子枪和植物肥大病菌株将基因插入番茄、马铃薯和棉花植物内。起初，基因表达差强人意，这些植物所产生的杀虫剂蛋白质仅能杀死那些在实验室中最易感的害虫。孟山都公司的费希豪夫（David A. Fischhott）和佩拉克（Frederick J. Perlak）对此作了改进。他们重设计了一种更接近植物DNA顺序的起始细菌基因，由此带来的戏剧性变化大大提高了害虫的控制率。两年的农田试验证实，棉花植物内的这些基因的存在有效控制着所有主要的棉花毛虫，包括幼螟蛉虫。这些转基因植物将使棉花杀虫剂的使用量减少40~60%。

专家们已深入筛选了天然形成的Bt菌株，它们能有效地抑制除幼虫以外的昆虫。这类菌株中的一种已用于重新设计一种能有效抗御科罗拉多马铃薯甲虫的基因_1991年夏天，从缅因州到俄勒冈州的七个试验点，对有抗甲虫基因表达的马铃薯作了试验，结果显示这些马铃薯基本上对甲虫都有免疫功能。Bt还能提供另外一些用于控制植物虫害的基因。圣迭格的科学家最近发现，Bt基因还能有效地抗御植物寄生线虫，同时还发现Bt基因能抗击蚊虫，一些专家正试图在海藻上研制一种杀蚊剂蛋白以控制疟疾。Bt蛋白的专一性及其在植物组织中的定位性使其能定向地攻击为害的昆虫，与那些专用杀虫剂相比，显然，植物里的蛋白是刷洗不掉的。对Bt蛋白所作的深入的毒理学测试和使用Bt制剂30余年的经验都证明了安全性。

除了病毒和虫害两大为害因素外，作物还面临着杂草的挑战。杂草与作物竞争水、营养物和日光，在杂草蔓生的农田，农作物的收成一般要减少30%。此外，在收获季节，杂草还大大降低了作物的品级，杂草还是一些害虫的栖息之地。在大多数情况下，除草剂加细心的耕耘可有效地控制杂草，但由于除草剂的适用对象有限，一般只能作用于很少一部分杂草，因此在作物生长季节，在施用除草剂的同时往往伴以另外几种化合物，以控制草害。对此，遗传工程可望在控制杂草方面助一臂之力。其思路是，构建一种能耐受单一或多范围的、无害环境的除草剂植物，它可减少除草剂应用太多太广的弊端。从技术上讲，构建这种除草剂植物有两种方法，其一如孟山都公司科学家的工作，研制一种称之为聚集素（Roundup）的杀虫剂活性成分。聚集素是一种广谱的控制阔叶烟草和多草草种的化合物，它通过抑制KPSP合酶的活性来灭杀杂草，该种酶对于植物生长必需的芳香族氨基酸的产生是必不可少的，遗传工程专家之所以对聚集素情有独钟，在于聚集素是对环境影响最小的除草剂之一，它不会伤及动物，因为动物不具有芳香族氨基酸的通路。此外，它会迅速降解为对环境无害的、天然的化合物。

开发聚集素的工作始于1983年，当时科学家们从细菌和植物中分离了EPSP合酶基因，并鉴别了各种能减少聚集素敏感性的蛋白质基因。其后，构建了可在植物中产生大量这些蛋白质的基因，并再将这些基因导入番茄、大豆、棉花、油菜及其他作物中。据过去3年在美国、加拿大及欧洲的大田试验结果，这些作物均能承受足以有效控制杂草的聚集素的量。杜邦公司的研究人员也使用了一种类似于遗传工程植物的技术，以使植物能耐某些种类的硫酰脲除草剂。

另外一种提高除草剂耐受性的方法是，从一种湿性链霉菌的微生物中分离了一种基因，作为能使除草剂失活的酶（Basta），这种酶作用于草的谷酰胺合酶通路，由此抑制草妁生长。具有该种基因的作物在Basta可能产生的对植物的伤害前就已使其失活。

除此以外，在简化和拓宽遗传工程技术应用，扩充对植物生物学方面的知识方面，基因转化也可提供更多的可能性。例如，已经鉴别并分离了好几种在乙烯生物合成方面起重要作用的基因，延缓水果的熟度能使其增味，甚至提高营养成分。

为了提高水果的存放期，专家们开发了两种遗传工程技术：其一是插入所谓的反义催熟基因。反义分子与专一的信使RNA结合以关闭基因。具有这种反义基因的番茄不易软化；第二种方法是将某种基因导入到番茄中，诱使其产生一种酶，这种酶能降解形成乙烯的原始化合物，如此就延缓了番茄的腐变。

遗传工程专家也在尝试提供更为健康的食品，已经分离出了具有更高营养性能的基因，将这些基因插入作物中是可能的。植物本身也可被改良以产生特定的化学物质，如淀粉、工业用油、酶甚至药物。这方面初步的研制工作已在进行中。

至今在美国、欧洲等国对转基因植物已进行了400多次田间试验。这些试验证实了这些植物的遗传安全性和商业合法性。含有这些新特征的作物可望在90年代中期惠及农田耕作者。当然，也并非没有障碍。在试验过程中，专家们现已获得并得到成功表达的一些品质只不过涉及3~5种基因#还有一些作物尚不能与现有的基因转移方法接口，分离有用基因的工作有时仍有困难。

影响植物生物技术商业化的挑战与其说更多地是出于技术原因，不如说是来自非技术方面的因素。对食品安全的担心，对农业和耕作基础的迅速改变而可能产生的对环境影响的担忧与对新技术的无知缠绕在一起，冲淡了追求更经济、高质量的粮食产品的努力。未来的40年里，全世界的粮食生产必须较现在增加3倍，非此不能满足近90亿人口的需求，而生物技术正是解决这一难题的几种手段之一。

植物遗传工程的另一优点是它能向农民提供种子方面的最新技术，即使最贫穷的国家都能从中受益且无需昂贵材料和高技术的支持。

（Scientific American，1992年6月号）

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两位作者曾一起在美国圣路易斯市的孟山都公司从事5年的作物改良研究，Oasser现为戴维斯加利福尼亚大学助理教授，Fraley现为孟山都公司技术副总裁，他在植物基因转化方面作出了开拓性工作。——译注