转基因作物对蜜蜂健康、蜜蜂产品食用安全和生态环境的潜在影响(上)

2002年,在居住着全世界半数以上人口的国家中,其政府已批准商业化种植转基因或遗传改造(GM)作物.这一年,在全球16个国家中,GM作物的种植面积已达5 870万hm2.     

重新设计与快速驯化创造新型作物

作物驯化和遗传改良对于产量性状的过分追求常导致其抗逆性和遗传多样性的降低,在全球气候变化加剧和自然灾害频发的大背景下,该效应使得世界粮食稳产和食物安全面临威胁,亟需创新育种策略。作物重新设计与快速驯化是指选用耐逆、品质营养等性状或其他目标性状优异的野生或者半野生植物,综合运用基因组学、基因编辑和合成生物学等方法,对其农艺性状进行重新设计,在保持其原有优异性状的前提下,快速驯化获得新型作物的全新育种策略。本文回顾了作物驯化的发展历程及其对农业发展和人类文明的贡献,着重阐述了育种策略创新的紧迫性,并对作物重新设计与快速驯化创造新型作物的可行性、最新进展和发展前景进行探讨和展望。     

从作物驯化谈转基因

正1994年,美国Calgene公司研制的延熟保鲜转基因番茄在美国批准上市,成为世界上第一个批准商业化生产的转基因作物。之后,改良营养成分的转基因油菜、抗虫转Bt基因玉米、耐除草剂草甘膦转基因大豆等多种性状的转基因作物相继研发成功,并被批准大面积商业化种植。根据国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)发布的最新统计资料显示,截至2018年年底,     

RNAi技术在作物品质改良中的应用

RNA干涉(RNAi)是由同源性内源或外源dsRNA引起的序列特异性基因沉默现象,在动、植物和真菌中广泛存在并被证实。目前已应用RNAi技术在改善油脂的品质、改良淀粉品质、提高营养物质或降低有害物质含量、提高抗褐化能力、提高果实耐贮性、进行代谢调控以获得目的次生代谢物等方面进行了作物品质改良研究。作为一种下调表达技术,该技术在研究植物基因功能和改良作物品质等领域有良好的应用前景。本文重点从上述六个方面对近年来应用RNAi技术在作物品质改良研究方面进行了回顾并对其存在的问题作了初步探讨。     

转基因植物食品中的转基因DNA能在人类胃肠道中存活并转移入胃肠道微生物种群和肠壁上皮细胞吗?

近年来,由于转基因或基因改造(GM)生物技术的普遍应用,科学界已注意到了转基因有可能逸离GM植物,而进入其野生近缘物种(Wilkinson等,Science,302,457~459,2003;Anon.,Phil.Trans.Soc.Lond B,358,1775~1913,2003;An-dow,Nat.Biotechnol.21,1453~1454,2003)。但对于目前人类比较普遍地食用GM植物食品后,这些食品中的转基因DNA的真正去向,迄今所知极少。人们常常忧心忡忡地怀着这样那样的疑虑。例如,已知GM食用植物细胞中的大部分转基因DNA,已在食物加工和烹饪过程中被降解,其中的一部分转基因DNA仍然可保持完整。这些残余的转基因…     

利用基因组编辑技术创制抗白粉病小麦

普通小麦(Triticum aestivum L., 2n=42, AABBDD)是异源六倍体, 是世界上最重要的粮食作物之一, 为人类提供约20%的能量。由于其基因组庞大(17 Gb), 约为人类基因组的5倍, 并且80%~90%的基因都存在3个或多个拷贝, 因此利用传统的正向或反向遗传学手段来解析小麦基因功能以及作物的性状改良都有很大的难度, 这使得小麦基因组研究远远落后于其他作物。随着小麦基因组测序的逐步完成, 建立一种高效的反向遗传学手段将成为小麦基因组功能解析和作物改良的关键。基因编辑技术是目前突变或改造基因的最具潜力的技术体系, 特别是类转录激活效应因子核酸酶(TALENs)和成簇规律间隔的回文重复序列及相关系统(CRISPR/Cas9 system), 具有效率高、特异性好以及高通量的特点。     

植物miRNA参与调控作物农艺性状的研究进展

植物microRNA (miRNA)是一类长度约为20～24 nt的内源非编码小RNA,它们通过在转录后水平调控靶基因的表达,在植物的生长发育、逆境响应和环境适应等过程中起着关键作用. miRNA对水稻、玉米、大豆等重要经济作物的农艺性状也起着重要的调控作用,在改良农作物性状上具有重大的应用潜能.本文重点介绍了参与作物农艺性状(如株型、花期、种子发育及抗逆等)调控的关键miRNA及其调控途径,同时总结了miRNA参与作物性状改良的主要研究方法和手段,并讨论了miRNA在作物性状改良应用中的前景.     

作物数量遗传学基础一、数t性状的遗传方式与分析

在生物界中,植物的种类繁多,但其遗传性状的 变异大致可分成两类。一类性状差异大多呈明显的不 连续变异,例如小麦的有芒和无芒、豌豆花的红色和白 色等,这类性状为质量性状。其遗传规律可用三个遗 传法则来分析。而另一类性状差异不明显而且呈连续 状态,例如作物的植株高度、抽穗期、千粒重等,表面上 并无明显的差别,这类性状称为数量性状。其遗传规 律一般采用统计学来分析。育种工作者为选育出优良 的作物新品种,主要也是改良和提高这类性状的生产 性能。所以了解数量性状的遗传规律并使之为生产实 践服务,是十分重要的。为此,本讲座主要是谈谈数量 性状的一些基本遗传规律及其在作物育种方面的一些 应用。     

突破复杂性状多基因转化技术壁垒,首创胚乳花青素高积累的水稻新种质

随着转基因技术的日趋成熟,利用生物工程手段加快改良作物农艺性状,已经越来越显示出其巨大的应用潜力。在改良多基因调控的复杂农艺性状方面,单基因转化收效甚微,而长期以来多基因转化不仅受限于技术因素,而且在协调表达调控、代谢及修饰等一系列相关基因方面更是难于突破。近期,我国科学家首次利用自创的多基因垛叠表达系统,成功在水稻(Oryza sativa)胚乳中合成了具有抗氧化活性的花青素,在复杂性状多基因转化领域取得了突破性进展。     

转基因改良植物的胁迫耐性

干旱、盐碱和低温等逆境是严重影响栽培植物生产的非生物胁迫因素。导入外源目的的基因已发展成为改良作物对逆境胁迫耐性的新途径。现今已应用于植物胁迫改良的基因包括编码活性氧清除酶类、膜修饰酶类、胁迫诱导蛋白和渗调物质合成酶等基因。     

CRISPR/Cas9技术在非模式植物中的应用进展

基因组编辑技术的出现对植物遗传育种及作物性状的改良产生了深远意义。CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)是由成簇规律间隔短回文重复序列及其关联蛋白组成的免疫系统,其作用是原核生物(40%细菌和90%古细菌)用来抵抗外源遗传物质(噬菌体和病毒)的入侵。该技术实现了对基因组中多个靶基因同时进行编辑,与前两代基因编辑技术:锌指核酶(ZFNs)和转录激活因子样效应物核酶(TALENs)相比更加简单、廉价、高效。目前CRISPR/Cas9基因编辑技术已在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、烟草(Nicotiana benthamiana)、水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、番茄(tomato)等模式植物和多数大作物中实现了定点基因组编辑,其应用范围不断地向各类植物扩展。但与模式植物和一些大作物相比,CRISPR/Cas9基因编辑技术在非模式植物,尤其在一些小作物的应用中存在如载体构建、靶点设计、脱靶检测、同源重组等问题有待进一步完善。该文对CRISPR/Cas9技术在非模式植物与小作物研究的最新研究进展进行了总结,讨论了该技术目前在非模式植物、小作物应用的局限性,在此基础上提出了相关改进策略,并对CRISPR/Cas9系统在非模式植物中的研究前景进行了展望。     

拟南芥耐低钾突变体的筛选及遗传分析

利用乙酰甲基磺酸（ＥＭＳ）诱变方法,以幼苗根在重力作用下的弯曲生长为指标、筛选得到了拟南芥（Ａrabidopsis thaliana)耐低钾突变体。经过对突变体杂交后代的遗传分析证明,其中两株突变体的耐低钾性状为隐性单基因突变所致。鉴定、分离与植物耐低钾性状连锁的基因将有可能与对培育钾高效作物品种有重要意义。     

外源基因在转基因禾谷类作物中的表达

最近由于转化技术的长足进步,已在越来越多的禾谷类作物中培育出转基因植株。为了借助基因工程改良禾谷类作物的品质及其它农艺性状,目前的重点已开始放在那些能调控外源基因在转基因禾谷类作物中表达的分子元件的鉴定上。 禾谷类作物包括一大群具有经济价值的植物种,如果引入一些控制优良品质及其它农艺性状如抗病性和抗逆性的外源基因,并让其表达,那么这些作物对人类的价值会更高。然而,自从首次发明在双子叶植     

鲮鱼遗传改良的研究——Ⅰ．杂交育种和遗传性状分析

本文介绍用杂交选育方法改良鲮鱼(Cirrhinus molitorella)耐低温能力的试验经过和已取得的进展。同时,分析讨论了杂交后代(一代和二代)性状遗传的某些结果。对鱼类低温适应和抗冻、抗寒等方面的研究进展作了介绍和讨论,并认为只有把鱼类耐低温性状遗传的分子机理彻底阐明,人们才有可能直接利用基因工程技术定向地改良像鲮鱼等不耐寒物种的抗寒性能。此外,我们也对如何改进鱼类杂交选育的技术措施提出一些意见。     

表达苏云金杆菌内毒素的转基因植物(英文)

为防治一些重要农业害虫 ,转基因Bt作物已在许多国家商业化种植。在发展Bt作物的初期 ,未经改造的Bt基因被直接用来转化作物。但由于BtmRNA的不稳定 ,不适当的剪切以及译后变异 ,Bt在作物上的表达水平往往很低且不稳定。后来 ,科学工作者对Bt基因进行了一系列针对性的改造或人工合成 ,从而使其在植物细胞中得到高效表达。本文着重总结了这一转基因技术的发展过程。其内容包括未经改造的Bt基因在植物中表达低的原因以及改善Bt毒蛋白表达的有关技术。     

鲮鱼遗传改良的研究 Ⅰ.杂交育种和遗传性状分析

本文介绍用杂交选育方法改良鲮鱼(Cirrhinus molitorella)耐低温能力的试验经过和已取得的进展。同时,分析讨论了杂交后代(一代和二代)性状遗传的某些结果。对鱼类低温适应和抗冻、抗寒等方面的研究进展作了介绍和讨论,并认为只有把鱼类耐低温性状遗传的分子机理彻底阐明,人们才有可能直接利用基因工程技术定向地改良像鲮鱼等不耐寒物种的抗寒性能。此外,我们也对如何改进鱼类杂交选育的技术措施提出一些意见。       

植物基因工程应用于杂草综合管理的新策略

杂草与农作物竞争阳光、水分和营养物质,造成农作物减产;化学除草剂的过度使用引发了严重的生态后果;杂草还可能从近缘的转基因作物中获得某些抗性性状,转变成“超级杂草”,这些都增加了杂草管理的难度及复杂性。近年来应用先进的分子生物学及基因工程技术,人们已分离出许多目的基因,如各种器官或组织特异性启动子、细胞毒素基因、可提高作物活力的优势基因及异株克生化合物生物合成途径的关键基因等。运用这些基因可建立杂草综合管理的新策略：①向作物中导入“终止因子”或开花抑制因子,当作物与近缘杂草杂交后,所形成的后代变成一种“自杀杂草”而不能存活;②控制某些性状的基因对作物是有益的或中性的,而对杂草是有害的,将这些杂草的“不适应因子”基因导入作物后,作物与杂草杂交产生的后代将缺乏竞争力和适应性,同时这种“不适应因子”在杂草群体中传播又可造成整个杂草种子库的衰减;③通过遗传工程改良各种生物控制剂,如特异性侵染杂草的细菌、真菌病毒、昆虫等病原物,从而可直接将杂草杀死或降低其适应性;④将一些能增加作物活力和部分力的优势基因导入作物中,可促进作物更有效地与杂草竞争;通过遗传工程改良那些能专一性地促进作物生长的微生物也会增加作物的竞争力;⑤利用异株克生现象,开发能抑制杂草生长的作物品种,并采用转基因技术将控制异株克生化合物产生的全套代谢途径或某一关键步骤导入目标作物中,可提高作物的异株克生潜能。这些新策略的实施,将运用分子标记及其辅助育种、基因图谱克隆、基因沉默以及基因芯片技术等DNA操作技术。     

植物耐冷性基因工程

温度决定物种的分布,同时还影响作物的产量和品质。植物耐冷的机制涉及到许多方面,包括膜脂组成的变化、可混溶溶质的积累、抗氧化酶活性的提高、低温相关基因的诱导表达等。由于植物的耐冷性状由多基因控制,采用传统的育种方法往往难以取得理想的结果,而植物基因工程技术的发展及应用则提供了另外可能的途径,可以通过转移耐冷性状形成的关键基因从而对植物进行改良。本文从膜脂组成、可混溶溶质、抗冻蛋白、抗氧化酶和诱导植物低温相关基因的转录因子等方面对植物耐冷性的基因工程研究进行了综述,以期为植物育种者和从事冷胁迫机制研究的工作者提供参考。     

转基因作物对环境的潜在影响

有关世界某些地区商业引种转基因 (GM )作物的争论 ,已经提出GM作物有可能对环境产生潜在影响的问题。例如 :GM作物会影响非目标昆虫吗 ?会通过异型杂交或远交产生无法防治的杂草吗 ?会对野生生物产生有害的影响吗 ?另一方面 ,也提出这样的问题 :GM作物可在多大程度上 ,通过减少农业中某些化学物质的投入数量 ,或是提供目前从不可更新的资源获得的原料 ,从而造福于环境 ?虽然承认 ,农业会不可避免地影响环境 ,但在作物生产、野生生物和消费者利益之间 ,究竟会发生何等合理的交换呢 ?评价GM作物的环境影响 ,乃是在田间条件下 ,试验性或商…     

水稻中油菜素甾醇功能机制解析与分子设计利用

植物激素油菜素甾醇(brassinosteroids, BR)调控许多重要农艺性状,在农业生产上具有巨大的应用潜力。近年来,水稻中BR功能机制解析进展迅速,一些相关基因的克隆为利用BR进行作物设计改良奠定了基础。然而,由于激素功能的复杂性,所调控的不同性状之间相互关联,容易带来负效应,对BR分子的利用造成了障碍。本文对水稻中BR功能解析与利用的相关研究进展进行了总结,并针对激素功能复杂性的问题,以BR为例提出了四种策略,为利用激素分子进行作物分子设计改良提供参考。