综合述评

现代生物技术综述

李　强　韩一凡

(中国林科院林业所,北京100091)

摘要　近20年来,遗传工程生物技术以其极为广阔的应用前景和商业潜力,引

起各界的关注。本文较全面地介绍了生物技术在农业、林业、动物、人类、环境以

及海洋生物等领域的发展现状,并提出了林业生物技术的发展侧重点。

关键词　生物技术　遗传工程　综述

生物技术就是利用生物有机体(微生物、动物和植物等)或其部分(细胞、组织和器官)生产医药、化工、农产品和其它相关产品的过程。广义的生物技术基本可分为两大类:一类

就是我们已经很熟悉的传统生物技术,例如发酵、生产酒精和奶酪等;另一类就是本世纪

70年代发明的以遗传工程为中心的高新生物技术。近20年来,生物技术以其广阔的应用

前景和商业潜力,引起各界的极大关注。

1　农业生物技术

1.1　动、植物生物技术

1.1.1　动物生物技术

动物生物技术也是近些年来发展较快的领域之一,主要体现在以下几个方面:

(1)控制动物传染病

在畜牧业中,通常是直接注射疫苗防治动物传染病。如今,可以利用遗传工程疫苗,用微生物作为反应器,大量生产控制动物病害的专一性疫苗,大大减少了负向效应。现已商

业化生产的工程疫苗有猪Scours、羊蹄溃烂、绵羊麻疹和鸡Bursal病等多种疫苗。

(2)增加产量

研究表明,注射牛生长激素(BGH)可使奶牛增产牛奶25%,使肉食牛瘦肉率和净重

增长10%～15%。因为BGH可促使牛体内的营养成分重新平衡,使脂肪储存转向多产奶

和瘦肉。科学家们已经利用工程细菌大量生产BGH,在美国,10%的奶牛场已经开始应用

BGH,并已开始在绵羊和猪等动物中进行研究。另外,通过转基因改变鱼类和贝壳类动物

体内的激素平衡,使其速生的研究也在开展中。1998 世　界　林　业　研　究 WORLDFORESTRYRESEARCH No.3⒇收稿日期:1998-04-02(3)改良品质

通过遗传工程使不相关动物个体间的基因转移已成为现实。早在80年代初,瘦肉率

很高的转基因猪便告成功,只是因为该种猪能育性低,免疫系统尚有缺陷而未能商品化生

产。澳大利亚的科学家们正致力于产毛率高和能育性高的转基因绵羊的研究工作。(4)药物生产反应器

科学家们把部分狂犬病毒与一种不相关的动物载体进行病毒融合,构建成杂合病毒,

使这一动物产生免疫功能。据报道,在美国东部的许多野生浣熊分布区,含有该病毒的食物诱饵已经出现。还有,单克隆抗体也是一个极好例证。科学家们最近又成功地利用山羊

和绵羊,分泌所需的生物活性分子到它们的血液、尿液或奶汁中。在不远的将来,利用猪生

产不被人体排斥的器官移植供体也不是不可能的。

1.1.2　植物生物技术遗传工程在农业上最广泛应用的是转基因植物。自从1984年首次报道了在烟草中有

效地引进和表达外源目的基因之后,现在已经延伸到35科中的120多个植物种。主要包

括农作物、蔬菜、园艺植物、药用植物、果树和树木等。主要目标涉及抗病虫害和除草剂,改良农作物和经济作物的重要经济性状,改善品质,创造全新植物种等。迄今为止,超过

3000个转化植物品种的田间试验至少在30个国家中进行或已经完成。这些大田试验包

括40个以上植物种的各种性状改良。

植物外源基因转化的有效方法主要是农杆菌介导的基因转移、原生质体或胚性细胞的直接转移、粒子轰击转移和电融合等。所用的可以是目标植物的部分器官、组织或是细

胞、原生质体。从目前发展的情况看,过去的主要限制因子一直是基因转移方法和完整植

株再生,现它已不再成为限制其应用和发展的瓶颈,而更多的注意力开始向获得理想的外源基因表达效果、解决实用的植物分子生物改良的方向聚焦。

(1)抗虫害植物

虫害每年给主要农作物生产带来极大的经济损失。目前普遍还是化学防治,不仅防治

费用昂贵,而且造成污染环境和食物中的残毒,易使害虫产生抗药性。抗虫转基因带来了新的希望。最广泛应用的抗虫基因是苏云金杆菌的毒蛋白基因(Bt),它表达产生的毒素能

够引起某些种类昆虫的神经中毒和其他一些生理作用,致使害虫在短时间内死亡。除此之

外,还有豆科植物的蛋白酶抑制剂基因、凝集素基因和淀粉酶抑制剂基因等。目前,实现转

化的物种有水稻、棉花、小麦、大麦、玉米、高粱、大豆、马铃薯、西红柿、大白菜、甘蓝、茄子、甘蔗、苜蓿、咖啡、香蕉、苹果和杨树等。其中转Bt基因的棉花、大豆、玉米、西红柿和马铃

薯已经大规模商业化释放,杨树转基因植物已经获得了中国政府的释放许可,目前正在生

产中推广。(2)抗病毒植物

世界上许多农作物和经济作物为病毒病所困扰,生物学家们通过转基因导入病毒外

壳蛋白基因、病毒反义RNA基因、病毒卫星RNA基因或从植物中提取的抗病基因来有

效控制病毒病的蔓延。迄今已有大量转基因抗病毒植物获得成功,如抗病毒的烟草、水稻、小麦、黄瓜、马铃薯、西红柿、胡瓜、木薯、香蕉和苜蓿等。已经获得批准商业性释放的有烟

草、西红柿、马铃薯和胡瓜。(3)抗除草剂植物2 世　界　林　业　研　究 WORLDFORESTRYRESEARCHGlyphosate是一类于环境有益的广谱型除草剂,它在外界环境中容易降解,它通过

干扰植物的光合酶系统而发挥作用。所以,这类除草剂不能有选择地区分杂草和农作物,

在施放时也会同时杀死植物本身。科学家们运用遗传工程方法培育出抗Glyphosate的农作物,从而达到除草的效果。目前,小麦、玉米、棉花、大豆、马铃薯、甘蔗和莴苣等已经获得

转基因。已经大规模商业化释放的有大豆、玉米和棉花。

(4)改良植物品质增加油菜、向日葵、苷蓝和亚麻中不饱和脂肪酸含量,改善西红柿、西瓜、覆盆子和草

莓等的口味并延长保存时间,改变水稻和小麦中的蛋白质含量,增加部分水果中的糖分含量,改善咖啡口味和增加产量以及减少咖啡因含量,增加部分农作物和牧草的放绿时间等

研究正在进行中或已经取得了可喜的进展,其中部分新品种已经商业化释放。

(5)抗细菌和真菌病植物主要农作物的细菌和真菌病害也很严重,目前除了必要的化学药物防治外,相关转基

因工作也在进行中。目前遇到的困难是如何寻找合适的抗病基因。相对而言,该项研究的

进展稍微滞后一些。(6)抗逆境植物

培育抗盐碱、抗干旱、抗水涝、抗冻、抗紫外线和重金属盐的优良农作物的研究工作也

在开展中。(7)其它类

澳大利亚的科学家研究发现,如果绵羊的草料中富含硫,将有助于提高羊毛纤维的质量,他们已经培育出了牧草叶片中产生富含硫蛋白转基因苜蓿,第一步目标就是转基因牧

草。在花卉工业中,培育特殊颜色和开放保存时间长的名贵花草的研究已取得可喜进展。

根据造纸业所用木材的特别需求,培育低木质素含量的木材的研究工作也在进行。

2　林业生物技术

植物生物技术的快速发展也给林业带来新的生机和希望。特别是近几年来,分子生物学技术和研究方法的更新和突破,使得林木物种研究工作呈现出勃勃生机。

2.1　林木组培和无性快繁林木组培和无性快速繁殖技术,对保存和开发利用林木物种具有特殊意义。由于林木

生长周期长,繁殖率低,加上本世纪以来对工业用材以及经济植物的需求量有增无减,单

靠天然更新已远不及需求。几十年来,经过科学家们的不懈努力,如今一大批林木、花卉和观赏植物可以通过组培技术或无性繁殖技术,已实现了大规模工厂化生产。这不仅解决了

苗木供应问题,而且为长期保存和应用优质种源提供了重要手段,同时,还为林木基因工

程、分子和发育机制的进一步探讨,找到了突破口。尤其是过去一直被认为是难点的针叶树种组培研究,如今也有了很大程度的突破,如组培生根、芽再生植株、体细胞胚诱导和成

年树种的器官幼化等。2.2　林木基因工程

林木转基因是一个比较活跃的研究领域。近几年来成功的物种不断增多,所用的目的基因也日趋广泛,最早试验成功的是杨树。到目前为止,有些项目开始或已经进入商业化3现代生物技术综述操作阶段。在抗虫方面,有表达Bt基因的杨树、苹果、核桃、落叶松、花旗松、火炬松、云杉

和表达蛋白酶抑制剂的杨树等;在抗细菌和真菌病害方面,有转特异抗性基因的松树、栎

树(白僵病)和山杨、灰胡桃(黑腐病)等;在特殊材质需要方面,利用反义基因技术培育木质素低含量的杨树、桉树、灰胡桃和辐射松等。

2.3　林木基因组图谱和群体多样性

利用遗传图谱寻找数量性状位点也成为近几年的研究热点之一。一般认为,绝大多数重要经济性状属数量性状由若干个微效基因的加性效应构成。构建某些重要林木物种的

遗传连锁图谱,然后根据其图谱,定位一些经济指标性状的数量位点,为林木优良性状的早期选择和分子辅助育种提供证据。对于构建物种的遗传连锁图谱,首先要有足够的分子

位标。这些位标的获得,以前主要来源于同功酶和限制性片段长度多态性(RFLP),进入

90年代以后,一批以聚合链式反应(PCR)为基础的分子标记相继应用,如随机扩增的多态性DNA(RAPD)、微卫星DNA(SSR)、扩增片段的长度多态性(AFLP)、DNA单链构

型的多态性(SSCP)、特殊cDNA,rDNA、叶绿体DNA以及线粒体DMA的特异性扩增

等。这些新分子标记的应用大大丰富了林木遗传图谱的研究内容,也为物种遗传多样性和群体结构研究、基因流动性、物种起源和进化关系找到依据。目前,已经完成或正在进行遗

传图谱构建的林木物种有杨树、柳树、桉树、栎树、云杉、冷杉、落叶松、黑松、辐射松和花旗

松等。主要经济性状定位的有材积、材重、生长量、光合率、开花期、生根率、纤维产量、木质素含量、抗逆性和抗病虫能力等。

2.4　林木分子生理和发育调查木本植物的发育机制和它们对环境的适应性,也由于相关基因分离和功能分析

的深入进行而逐步开展起来。已开展起来的工作有:调查一些特异性启动子的功能和效

率,如RolC基因启动子在转基因山杨休眠期和再生长中的作用、杨树32KD树皮储存蛋白(BSP)和Win基因家庭等因伤诱导型启动子的特异表达形式、35S以及RbcS启动子在

转基因杨树中的表达等;一些次生合成代谢中关键酶基因特异表达形式,如木质素合成中

的PAL、CAD、4CL基因在木质部的表达特异性和紫外线的诱导表达、异黄酮类合成中的

CHS基因的受胁迫诱导表达和与生根的关系;一些同源异型盒的表达,如与信号转导途

径有关的Myb-like同源盒同木质部发育,MADS同源盒同被子植物花或裸子植物球果

发育的密切关系;细胞骨架如Actin基因在根原基发育中的重要作用;自然或人为的环境胁迫对基因表达的影响,如盐碱化、干旱、寒冷、水淹、强紫外线和病源体侵入等,特殊发育

阶段的基因差异性表达如开花期等。有些时候,不同生理过程被卷入同一类基因的激活或抑制,一个典型例子:几丁质酶基因在机械损伤、病菌侵入、干旱胁迫后,都能诱导表达。

3　人体相关生物技术

3.1　单克隆抗体

自1975年以来,科学家们发现,鼠的抗体产生细胞可以和鼠肿瘤细胞融合,并产生一种既能无限增殖又能产生抗体的杂合细胞——单克隆抗体技术应运而生。它产生的抗体

和实验动物产生的无异,但产量却大幅度提高。如今,该项技术已成为诊断各种疾病(如癌

症、病毒性胃肠炎、乙肝、囊性纤维变性和性传播疾病)的一种重要工具。该项诊断技术的4 世　界　林　业　研　究 WORLDFORESTRYRESEARCH