新一代基因工程农作物可能由其自身的基因来创造，一改以往完全依靠引入外源基因的方法——

　　目前开发的基因改良农作物主要有：内含细菌基因的棉花和玉米，能生成对害虫有毒的化合物；有其他细菌基因的生物工程大豆和油菜作物，能抵抗除草剂；携带病毒基因的木薯，能抵抗致命疾病的危害。现在，反对基因改良作物的人士已经采取行动在这些转基因农作物的田边插上“恶魔食物”的标记以示抗议。不过下一代生物工程农作物将难以用这种随意加给的恶名来丑化了：因为它们是由于自身基因的改造而变得更加健壮和多产的。

　　时至今日，农业遗传工程师仍别无选择只能依靠移植其他物种基因来改良农作物。因为他们一般对所要改善的农作物特性的基因编码程序还知之甚少。不过从拟南芥属植物Arabidopsis thaliana测序工程等所获得的源源不断的新信息已经精确地定位了许多关键基因，这些基因涉及加速开花、改变农作物的基本结构或改进抗病虫害能力等过程。研究人员将可通过从另一种植物引进一种或数种基因，或通过改进农作物原先的基因调节来增强所需要的农作物特性。加利福尼亚州马利博市塞勒斯生物技术公司农作物分子生物学家理查德·弗拉维尔指出：“我们现在可以从分子水平上认识育种人员长期以来采用的植物基因。”

　　掌握了定位基因的新知识后，研究人员正在实施绝非仅以移植细菌或病毒基因所能办到的农作物改良计划。例如，他们正借助生物工程技术使农作物及早开花，这样就能够延长粮食作物和水果的生长季节。巧妙地操纵农作物基因还可以长出较大的叶片，以促进更充分的光合作用或更发达的根系以对付干旱。

　　纽约州长岛冷泉港实验室农作物分子生物学家罗布·马蒂厄恩森认为，农业生物技术人员现在所尝试的工作与几百年前阿兹台克人所做的事情原理上并无太大差异，当时他们采用传统育种方法将类似小灌木的墨西哥蜀黍改造成产量更高的单株玉米。但新的方法不但见效更快而且不会有伴随整个基因组的混合而带来的不确定性。他评论说：“现行技术较之传统育种技术的精确程度高出1000倍。”

　　提前开花

　　研究人员最想追求的目标之一是控制开花的时间。诸如菠菜和莴苣之类的多叶蔬菜最好能延迟开花期，因为开花时会长出细长而消耗能量的茎。反之某些农作物提前开花则能促进挂果和种子发育，并可使农业人员每年多种植一茬庄稼。研究人员已经沿着这条途径首次作出重大尝试，鉴别出有助于启动开花的基因。

　　10多年来，先后大约有10多个来自美国、荷兰和英国的大学和研究中心的工作小组启用过80多种基因。最近英国约翰·英尼斯研究中心卡罗琳·迪恩领导的研究小组进行了有益的实验，他们报道正在克隆称为FRIGIDA的芥菜基因，并且显示导致丧失FRIGIDA基因功能的自然变异与早期开花有关，因为早期开花有助于适应某些寒冷的气候条件。

　　虽然要断言研究人员能否通过操纵FRIGIDA基因改变其他农作物的开花时间还为时尚早，但是90年代初加州理工学院埃利奥特·迈耶罗维茨实验室德特列夫·韦格尔率先克隆的LEAFY基因却正在显现希望。韦格尔与拉霍亚市索尔克研究所的尼尔森合作，将一种性能十分活跃的LEAFY基因植入白杨，结果这批白杨树6～8个月后就开花了，使通常12～15年的开花期大大提前。此外西班牙马德里国家生物技术中心的乔斯·米盖尔与瓦伦西亚农业研究所的同行合作，也已将LEAFY基因重新定位，从而使杂交柑桔Citrange在第一年就能开花，这类柑桔通常需成活5～7年才开花结果。

　　即便开花时间略微提前也能使稻农受益，这在以稻米为主食的发展中国家尤其如此。英尼斯研究中心的迪恩指出：“水稻在某些地区需要半年以上时间生长才能成熟，所以适度提前开花就有可能一年种植2季水稻。”据去年6月期《转基因研究》杂志报道，将LEAFY基因引进水稻使水稻开花期适度加快，不过产量略有下降。

　　植株矮化

　　其他研究人员正将注意力转移于寻觅能控制植株高度这种最基本特征的基因。他们还在寻找各种方法产生短壮结实的“矮种”品系。对于小麦和水稻之类的众多农作物来说这是一种难得的品质，因为矮杆农作物可使更多能量进入果实而非枝杆中，而且还能减少作物受风雨打击所造成的损失。20世纪60年代和70年代勃兴的“绿色革命”无疑极大地增加了谷物产量，根本原因就是坚持以传统育种方法发展矮杆小麦和水稻。去年，英国约翰·英尼斯研究中心尼克·哈伯德研究小组，报道了他们发现的一种基因有助于农业生物学家更直接地培育出多种新型矮杆农作物品种。

　　当时哈伯德研究小组确认一种称为gai的芥菜基因，这同样是一种促使水稻和小麦变矮的突变基因。这类基因显然为信号传送系统中一种蛋白质编码，生长激素giberellin通过该系统刺激作物生长。绿色革命的先辈花费多年艰辛才将突变基因植入谷物中，相比之下，哈伯德研究小组采用的基因枪却能更迅速地将一种变异形式的芥菜基因gai导入小麦和水稻。约翰·英尼斯研究中心的研究人员还与印度的同行合作，以期用这种基因枪输注法创造出一种名为basmati的矮杆水稻——这种变种水稻以其口感上乘和晶莹剔透而驰名，而原先这种水稻由于植株细长且脆弱经常倒伏致使人们不愿种植。

　　哈伯德意识到以往多次培育短杆basmati水稻失败的原因是由于杂交交换了数千个具有矮小性状的基因，结果虽然最终获得了矮小的水稻品种，但却丧失了原先的好口味。但是将变异芥菜基因注射到精心培育的basmati水稻细胞中并随后在整株水稻中再生，现已培植出保持可口味道的矮杆水稻。哈伯德预言：“诸如此类美妙的结果预示着改变生长激素giberellin信号的传送途径可以被用来增加各种各样农作物品种的产量。”

　　另外一些研究小组正在更多地采用间接途径影响农作物生长：如改善农作物对光的反应。科学家普遍注意到被周围生物遮挡的农作物有自然上窜以获得阳光的趋势。伯克利加州大学和美国农业部所属农作物基因表达中心农业科学家彼得·奎尔指出：“这种现象给人感觉农作物在自然调节采光，不过农作物普遍存在的一个问题是所有向上伸展的努力往往都要消耗果实吸收的养分。”

　　奎尔和另外一些研究人员正在通力合作研究一种包含色素的蛋白质——光敏色素，它能帮助植物分辨何时处在无光环境之中。经叶片过滤或反射的阳光在光谱的远红一端显现的光线要比未经过滤或反射的阳光多，光敏色素当然可以探测到这种光差并将该信息传送到控制生长的核心基因上。2000年初，奎尔领导的研究小组发现当光敏色素B接触红光时，它便连结到一种名为PIF3的蛋白质上，后者是一种转录因子，会适时调节各种基因，包括某些与光合作用以及植物生物钟有关的基因的表达。抑制光敏色素B的活性因此能使农作物对远红外光少起反应，从而减少“疯长”的趋势。这种改良策略现在正试用于马铃薯。

　　除了抑制不必要的垂直生长外，农业遗传工程师还在尝试激发农作物向其他方向伸展。伯克利加州大学2名研究人员已查明一种名为ANT的基因，据说这种基因可使农作物器官增大又不使比例失调。当这种基因持续在芥菜和烟草中具有活性时，这些农作物就会长出较大的花朵、叶片以及种子和实生苗。菲舍尔研究小组现正和塞勒斯公司科学家合作，以期查明他们是否可以采用ANT基因培育出植株更强劲坚挺或根系更发达的农作物，以利增强抗干旱的能力。

　　根据不同农作物促使荚果外壳更坚固或更脆弱也不失为一种增产的有效途径。比如油菜籽果实就需要外壳坚硬不怕碰撞，因为果荚破碎将造成重大损失，在恶劣气候条件下损失高达50%；反之更加脆弱的荚果却可使收获棉花更加容易。最近加州大学圣地亚哥和戴维斯分校马丁·亚洛夫斯基领导的联合研究小组的一项新发现提供了一种调控果荚强度的方法。他们确认了两种称为防碎1和防碎2的有关的芥菜基因，能通过促使果荚中产生多种坚韧的木质素化合物来控制这种特性。

　　抗病虫害

　　遗传工程师除了倾力改造农作物结构外，还在利用最新遗传信息来增强农作物抵抗病毒、真菌和细菌病原体的能力。伯克利加州大学分子生物病理学家布赖恩·斯塔斯克维兹就在进行这方面的尝试。

　　由细菌引发的黑斑病对佛罗里达州和中西部潮湿地区种植的胡椒和西红柿造成了极大的危害。大约10年前，农业科学家找到了使胡椒抵抗这种疾病的基因，但却没能在西红柿中发现相应的基因。随后在1999年11月23日《美国科学院科学汇刊》上，斯塔斯克维兹与旧金山州立大学及佛罗里达大学的同行合作并联合报道说，他们正将其中一种抗病基因导入西红柿。斯塔斯克维兹声称：“现在这些引入外源基因的西红柿都具有抵抗这种病原体的能力，而且正准备接受大田推广的测试。”

　　一种称为DIR-1基因的研究工作，虽然不太先进但却更具普遍应用的价值。该基因涉及全身性的抗病能力，可使植物产生广谱反应，以抵抗许多细菌和真菌。这样的防御可通过封杀病原体甚至杀死受感的细胞方式，使植物预防某种病原体扩散。几年前，索尔克研究所和诺布尔基金会的联合研究小组查明，是DIR-1基因为信号传送通道的一种关键成份编码，以利激活芥菜的全身性抵抗力，对抗一种入侵的病原体。加州拉霍亚市阿克迪克斯公司分子生物学家阿尼迈什·雷指出：“由于其他农作物也有十分类似的信号传递通道，所以芥菜中发现的这类基因有普遍的应用价值。”他领导的研究小组正在尝试将芥菜DIR-1基因植入小麦、水稻、玉米和牧草中，以期增强抵抗真菌病原体的能力。

　　目前农业研究人员还仅触及农作物基因组的表层，不过他们迄今所获得的知识已使他们渴望了解得更多——这一愿望无疑将随着拟南芥属作物基因组测序工作的完成而部分得到满足。其它农作物的基因组比芥属作物基因组更为庞杂，所以可为农作物遗传工程提供更多的有用基因。普渡大学农作物生物学家杰弗里·贝内特泽恩指出：“现在是更全面地认识农作物基因组的时候了。”

[Science，2000年10月13日]