如何利用基因工程的方法提高作物的光合能力

这就是基因工程的一个分支，举个例子吧。袁隆平就是从宏观上修改了一下水稻的基因，培育出高产量的水稻。植物基因工程是80年代开始兴起和发展起来的一门新技术，它是在分子遗传学的理论基础上，综合采用了分子生物学、微生物学和植物组织培养的现代方法和技术建立起来的，给园艺植物和农作物提供了一条重要的品种改良途径。
科学家改变植物中的DNA可以培育出新的自然界所不存在的物种，达到人类理想的目的，如白菜-甘蓝（已经上市），正在试验的番茄-马铃薯（地上结番茄，地下长土豆），以提高农作物的产量和质量，解决粮食问题。通过修改基因，可以培育出许多兼有多种植物品质的新型作物，速生林，草坪用草等。
植物基因工程包括：
（1）抗病基因工程
植物抗病毒基因工程中，抗病毒基因工程进展最快。自从将烟草花叶病毒（TMV）的外壳蛋白（Coat protein，CP）基因导入烟草中，发现转基因植株发病时间明显延迟，或病害的症状明显减轻后，通过导入植物病毒的外壳蛋白基因来提高植物的抗病毒能力，己在多种植物病毒中进行了试验。黄瓜花叶病毒（CMV）、马铃薯X病毒和Y病毒（PVX和PVY）、大豆花叶病毒（SMV）、苜蓿花叶病毒（AIMV）、木瓜环斑病毒等20多种病毒的外壳蛋白基因导入植物后，均得到了类似的结果，使植物获得对相应病毒的抗性。有人发现，导入一种病毒的外壳蛋白基因对其他近缘病毒也表现出抗性。在我国，导入TMV和CMV外壳蛋白基因获得的抗病毒烟草已在进行田间试验，增产效果明显。除外壳蛋白基因外，利用转移病毒的反义RNA或卫星RNA基因来提高植物的抗病毒能力，也获得了不同程度的成功。此外，利用病毒复制酶基因（Replilcase）、核酶（ribozyme）基因以及植物本身编码的抗病毒基因如核糖体失活蛋白基因（Ribosme Inactivating Protein，RIP）等等一些新的抗病毒基因也有获得成功的报道。
对于细菌性病害，其途径之一就是将病原菌基因导入植物细胞，使其过量表达，或表达失去原有功能的蛋白，或表达失去原有的时空性，从而干扰病原菌的正常生理代谢，使寄主植株表现出抗性。如菜豆毒素是菜豆假单胞杆菌中重要的致病因子，其作用机理是抑制植物本身存在的鸟氨酸氨甲酰基转移酶（OCTase），而菜豆假单胞杆菌本身存在抗菜豆毒素的OCTase，转编码该酶基因的烟草在接种菜豆毒素后不表现系统病症，而对照植株则表现花叶退绿，最终亡。
杀菌肽可破坏细菌细胞膜，改变细胞内外渗透压，细胞内容物尤其是K＋的外渗，导致细菌亡。溶菌酶可裂解某些细菌胞壁的多糖组分并溶解它们。溶菌酶基因和多种杀菌肽基因已被克隆并转入烟草，转基因植株对细菌有一定的抗性。
控制真菌的关键，取决于对植物与病原真菌相互作用的分子机理的了解。目前已知植物防卫反应主要表现在诱导产生或激活抗菌物质和增强胞壁结构两方面，因此抗真菌病害基因工程应主要从这两方面着手。
几丁质酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因的产物均能降解许多真菌的细胞壁主要成分几丁质和β-1,3-葡聚糖，两者之间有协同作用，从而抑制真菌的生长繁殖。多种几丁质酶已被克隆并转入烟草、番茄，转化植株表现了抗真菌的特性。
植物抗毒素是植物产生的对一些不同种类的病原菌具有毒性的物质，亦称植保素。它的合成受真菌侵染、伤害和紫外辐射等的诱导。不同植物产生不同的抗毒素，病菌对非寄主植物的抗毒素敏感性较强。目前已鉴定了200多种植保素，其中以类黄酮与类萜类植保素研究最多。从葡萄中分离出的一种植物抗毒素3,4,5-三羟 合成酶基因导入烟草后，转基因植株与对照相比表现出对病原菌（Botrytis cinerea）更强的抗性。
苯丙烷代谢过程中的代谢次生产物包括预防性抗菌物质（如木质素）、诱导性抗性物质（如植保素）及与防御屏障有关的细胞壁分类物质。过氧化物酶催化苯基类丙烷醇脱氢聚合最终合成木质素，并催化细胞壁蛋白与多糖分子之间的交联。
此外导入植物的核糖体灭活蛋白（RIP）抗真菌性病害也有报道。

（2）抗虫基因工程 ...展开这就是基因工程的一个分支，举个例子吧。袁隆平就是从宏观上修改了一下水稻的基因，培育出高产量的水稻。植物基因工程是80年代开始兴起和发展起来的一门新技术，它是在分子遗传学的理论基础上，综合采用了分子生物学、微生物学和植物组织培养的现代方法和技术建立起来的，给园艺植物和农作物提供了一条重要的品种改良途径。
科学家改变植物中的DNA可以培育出新的自然界所不存在的物种，达到人类理想的目的，如白菜-甘蓝（已经上市），正在试验的番茄-马铃薯（地上结番茄，地下长土豆），以提高农作物的产量和质量，解决粮食问题。通过修改基因，可以培育出许多兼有多种植物品质的新型作物，速生林，草坪用草等。
植物基因工程包括：
（1）抗病基因工程
植物抗病毒基因工程中，抗病毒基因工程进展最快。自从将烟草花叶病毒（TMV）的外壳蛋白（Coat protein，CP）基因导入烟草中，发现转基因植株发病时间明显延迟，或病害的症状明显减轻后，通过导入植物病毒的外壳蛋白基因来提高植物的抗病毒能力，己在多种植物病毒中进行了试验。黄瓜花叶病毒（CMV）、马铃薯X病毒和Y病毒（PVX和PVY）、大豆花叶病毒（SMV）、苜蓿花叶病毒（AIMV）、木瓜环斑病毒等20多种病毒的外壳蛋白基因导入植物后，均得到了类似的结果，使植物获得对相应病毒的抗性。有人发现，导入一种病毒的外壳蛋白基因对其他近缘病毒也表现出抗性。在我国，导入TMV和CMV外壳蛋白基因获得的抗病毒烟草已在进行田间试验，增产效果明显。除外壳蛋白基因外，利用转移病毒的反义RNA或卫星RNA基因来提高植物的抗病毒能力，也获得了不同程度的成功。此外，利用病毒复制酶基因（Replilcase）、核酶（ribozyme）基因以及植物本身编码的抗病毒基因如核糖体失活蛋白基因（Ribosme Inactivating Protein，RIP）等等一些新的抗病毒基因也有获得成功的报道。
对于细菌性病害，其途径之一就是将病原菌基因导入植物细胞，使其过量表达，或表达失去原有功能的蛋白，或表达失去原有的时空性，从而干扰病原菌的正常生理代谢，使寄主植株表现出抗性。如菜豆毒素是菜豆假单胞杆菌中重要的致病因子，其作用机理是抑制植物本身存在的鸟氨酸氨甲酰基转移酶（OCTase），而菜豆假单胞杆菌本身存在抗菜豆毒素的OCTase，转编码该酶基因的烟草在接种菜豆毒素后不表现系统病症，而对照植株则表现花叶退绿，最终亡。
杀菌肽可破坏细菌细胞膜，改变细胞内外渗透压，细胞内容物尤其是K＋的外渗，导致细菌亡。溶菌酶可裂解某些细菌胞壁的多糖组分并溶解它们。溶菌酶基因和多种杀菌肽基因已被克隆并转入烟草，转基因植株对细菌有一定的抗性。
控制真菌的关键，取决于对植物与病原真菌相互作用的分子机理的了解。目前已知植物防卫反应主要表现在诱导产生或激活抗菌物质和增强胞壁结构两方面，因此抗真菌病害基因工程应主要从这两方面着手。
几丁质酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因的产物均能降解许多真菌的细胞壁主要成分几丁质和β-1,3-葡聚糖，两者之间有协同作用，从而抑制真菌的生长繁殖。多种几丁质酶已被克隆并转入烟草、番茄，转化植株表现了抗真菌的特性。
植物抗毒素是植物产生的对一些不同种类的病原菌具有毒性的物质，亦称植保素。它的合成受真菌侵染、伤害和紫外辐射等的诱导。不同植物产生不同的抗毒素，病菌对非寄主植物的抗毒素敏感性较强。目前已鉴定了200多种植保素，其中以类黄酮与类萜类植保素研究最多。从葡萄中分离出的一种植物抗毒素3,4,5-三羟 合成酶基因导入烟草后，转基因植株与对照相比表现出对病原菌（Botrytis cinerea）更强的抗性。
苯丙烷代谢过程中的代谢次生产物包括预防性抗菌物质（如木质素）、诱导性抗性物质（如植保素）及与防御屏障有关的细胞壁分类物质。过氧化物酶催化苯基类丙烷醇脱氢聚合最终合成木质素，并催化细胞壁蛋白与多糖分子之间的交联。
此外导入植物的核糖体灭活蛋白（RIP）抗真菌性病害也有报道。

（2）抗虫基因工程

苏云金芽孢杆菌（Bacillus thurigiensis，Bt）制剂长期以来即用于多种虫害的生物防冶，因其产生的伴胞晶体蛋白对多种昆虫的幼虫有很强的毒杀作用，故称为杀虫晶体蛋白（insecticidal crysta1 protein，ICP）。它对脊椎动物无毒害，对环境安全，不同的菌株可产生不同的杀虫晶体蛋白，从而表现出对不同昆虫毒性的专一性。对鳞翅目、双翅目和鞘翅目昆虫幼虫具有专一性毒杀作用的苏云金芽孢杆菌菌株均已获得。另外还发现同一菌株可产生不同的杀虫晶体蛋白，如表现为对鳞翅目和鞘翅目昆虫均有毒杀力的菌株。
自从将Bt毒蛋白基因导人烟草和番茄并表达，表现出抗虫特性以来，已相继获得抗虫转基因玉米、水稻、马铃薯、甘蓝、棉花、杨树等。由于Bt毒蛋白基因是原核生物的基因，直接转入植物效果不明显，通过将编码氨基酸的密码子改变为植物所偏爱的碱基，结果使之在植物中的表达量大大增加，这已在转Bt抗虫棉上获得成功。
除了Bt毒蛋白之外，人们也在探索其它的抗虫基因，比较成功的是利用植物的蛋白酶抑制物。因蛋白酶抑制物能抑制昆虫消化系统中的蛋白酶，从而抑制蛋白质的降解，导致昆虫消化不良而影响其生长发育，甚至亡。Hinder等将编码豇豆胰蛋白酶抑制物（CpTI）的基因转移到烟草后，明显增强了转基因烟草对烟草夜蛾（Heliothis virescens）幼虫的抗性。利用麦胚凝集素基因（WGA）、雪花莲（Galanthus nivalis）外源凝集素（GNA）基因、α-淀粉酶抑制物（a-AI）基因导入不同的作物中，也表现出明显增加抗虫性。特别是GNA，由于其对蚜虫和稻飞虱等害虫的毒性，不少实验室正在对其抗虫基因工程进行深入研究。此外，一些昆虫毒素（蝎子神经毒素、蜘蛛杀虫肽等）基因也已被用于抗虫基因工程，如将蜘蛛杀虫肽基因导人烟草，转基因烟草表现出对棉铃虫有较强的抗性。

（3）抗除草剂基因工程

化学除草剂在现代农业中起着十分重要的作用，新的除草剂也不断出现，作为一个理想的除草剂，必须具有高效、广谱的杀草能力，而且对作物及人畜无害，在土壤中的残留期要短，还不能增加大多的农业成本。但是现在要开发出一种新的符合上述要求的除草剂，成本已越来越高。通过基因工程技术来提高除草剂的选择性以及对作物的安全性，无疑具有重要的意义。同时，在作物中导入抗除草剂基因，也使人们在选择适于轮作或套作的作物种类上有较大的自由。在进行抗除草剂基因工程研究时，有两条途径可供选择：一是导入编码特定除草剂作用的靶酶或靶蛋白的基因，使之产生过量靶酶或靶蛋白；或导入由抗性突变体（微生物或植物）克隆的突变基因，由其产生的靶酶或靶蛋白对该除草剂的敏感性发生改变，从而获得对该除草剂的抗性。利用这一原理成功的例子有抗草甘膦（g1yphosate）、磺酰脲类（sulfonylunea）、均三氮苯类（triazines）等除草剂的转基因作物。如草甘膦专一性的抑制芳香族氨基酸生物合成途径中的EPSPS酶（烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合成酶）。矮牵牛的抗草甘膦突变体，由于基因过量扩增，产生约20倍于野生型的EPSPS酶，分离该酶的基因或其片段，导入矮牵牛细胞，形成的愈伤组织中EPSPS酶的活性增加了20~40倍，由之再生形成了抗性转基因植物；沙门氏菌（SalmonelIa）基因组中编码EPSPS酶的aroA基因有一种点突变，将克隆的此突变aroA基因导入烟草，可使转基因烟草产生对草甘膦的抗性，至今已获得的aroA转基因番茄、油菜、大豆、杨树等，在田间试验中均表现出良好的抗性。②二是导入表达产物可以使除草剂解毒的外源基因。如bar基因，编码PPT乙酰转移酶，导入烟草、番茄和马铃薯等作物后，使作物获得抗除草剂PPT（phosphinothricin，膦化麦黄酮）的能力。
总之，由于不同类型除草剂的作用机理不同，所以选择的途径也各异。至今抗除草剂大豆已在美国和阿根廷大面积推广，抗除草剂的“canola”油菜在加拿大也已进入商品化生产，抗除草剂转基因作物的种植面积，已从1996年的60hm2增加到1997年的690万hm2，占所有转基因作物种植面积的54％，跃居首位。

（4）抗逆基因工程

脯氨酸、甜菜碱、葡萄糖等一些小分子化合物与植物忍受环境渗透胁迫的能力有关，如果将与脯氨酸或甜菜碱合成有关的酶的基因克隆后转入植物，有可能提高作物对干旱和盐碱胁迫的抗性。中科院遗传研究所已将山菠菜的甜菜碱醛脱氢酶（BADH）基因导入烟草、草莓和水稻，明显提高了转基因植物的耐盐性。将细菌参与甘露醇和山梨醇合成的酶的基因克隆后导入烟草，也有提高耐盐性的作用。脯氨酸的积累还与根尖的渗透调节有关，这使经受干旱胁迫的根得以正常生长。因此，如能更好地考虑不同器官所表现出的差异，构建能在不同器官专一表达的外源基因，就可望产生新的抗逆性强的作物。
酸性土壤中铝对作物的毒害作用是热带、亚热带地区的严重问题。从细菌中克隆的一种柠檬酸合成酶基因，导人烟草后转基因植物中柠檬酸合成酶活性提高，由其根系释放出大量拧檬酸，表现出明显的耐铝性，在Al3+浓度达200μmol／L时仍能存活生长。
通过改变膜脂成分以维持低温条件下膜的流动性，已证明对植物的耐寒性有重要意义。Wada等已从一种抗寒的集胞蓝细菌属（Synechocystis）蓝绿藻中，克隆了一个与脂肪酸不饱和度有关的基因DesA，并导入另一个不耐寒的蓝绿藻巢状组囊蓝细菌（Anacystis），改变了后者膜脂的组成，从而使其光合作用在5℃下也不受明显抑制。Murata等通过向烟草导入拟南芥叶绿体的甘油-3-磷酸乙酰转移酶基因，以调节叶绿体膜脂的不饱和度，使获得的转基因烟草抗寒性增强。
此外，也可通过基因工程技术调控植物体内与抗氧化物形成有关酶类的活性以提高作物抵抗环境胁迫能力。

（5）提高果实耐贮性

通过基因工程延迟果实成熟和衰老过程，主要是从改变果实细胞壁降解酶活性和抑制成熟激素乙烯的生成两个方面来实现。
果实细胞壁降解与果胶酶（多聚半乳糖醛酸酶PG和果胶甲酯酶PE）活性有关，通过PG和PE的克隆和反义遗传转化所获得番茄转基因植株。果实PG酶和PE酶活性受到显著抑制，从而延迟果实的成熟。美国Calgene公司已将反义PG cDNA导入到番茄中，育成“FLAVRSAVR”转基因品种，于1994年批准上市，这是植物基因工程最早商品化的例子。
乙烯有促进成熟的作用，抑制乙烯的合成就可延缓果实成熟。Yang(1995)已阐明了乙烯的生物合成途径，通过对乙烯合成途径中某些环节的抑制或支路途径的加强可最终减少乙烯生成量。目前在番茄乙烯生物合成最后的酶即ACC氧化酶（ACC oxidase）活性；二是通过用反义基因抑制ACC合成酶（ACC synthase）的表达活性；三是增强SAM脱羧酶活性，增强SAM的分解；四是增强SAM水解酶活性。前两种方法是从植物或细菌中分离出有关酶基因进行反义基因克隆和载体的构建和转化，获得反义转基因植株，阻止了乙烯的生成，后两种途径是导入有义基因，增强某些基因活性，减少乙烯前体物的形成量，从而抑制乙烯的生成。叶志彪等利用ACC氧化酶反义基因转化番茄育成了华番一号，其叶片和果实ACC氧化酶活性和乙烯生成受到显著抑制，番茄果实在常温下贮藏性大大提高，已经商品化生产。

（6）品质改良基因工程

随着对植物各种生理生化过程分子基础研究的深入，人们试图利用基因工程的方法来调控植物的生长发育和代谢过程，以达到改良作物品质的目的。这主要集中在以下三个方面：种子及其他贮藏器官（块茎、块根、鳞茎等）中蛋白质的含量及其氨基酸组成、淀粉和其他多糖化合物以及脂类物质的组成。这些品质直接关系到其产品的营养价值或工业用途。由于不少贮藏蛋白的基因或与这些贮藏物质代谢过程有关的酶的基因已经克隆，通过导入有关的基因或相应的反义RNA基因，就有可能通过调控有关的代谢过程而改变这些器官中的物质组成，甚至使植物产生新的或者修饰过的化合物。
在蛋白质的改良方面，由于特定的作物种子往往缺少某几种必需氨基酸，人们的注意力集中在通过基因工程改变蛋白质的必需氨基酸的组成，从而改善植物的营养价值。例如，将人工合成的富含必需氨基酸的DNA片段（HEAAE DNA）导入马铃薯，并在马铃薯块茎的特定贮臧蛋白基因的启动子作用下，使之在块茎中高效表达；我国学者将从玉米种子克隆的富含必需氨基酸的玉米醇溶蛋白（Zein）基因，用马铃薯块茎专一性表达的启动子启动导入马铃薯后，田间转基因植物的块茎中必需氨基酸含量提高10％以上，含硫氨基酸的增加尤为显著。除了考虑改变蛋白质中必需氨基酸组成外，也可考虑通过增加特定必需氨基酸的合成来提高它在植物特定器官中的含量。例如，向植物导人对赖氨酸的反馈抑制下敏感的大肠杆菌的二羟基吡啶羧酸合酶（DHPS）基因，在转基因烟草中游离的赖氨酸浓度增加15倍。
利用基因工程改造淀粉的目标有两个：一是提高淀粉的质量。通过导入淀粉合成酶的反义RNA基因，改变马铃薯直链淀粉和支链淀粉的比例已获成功；二是提高淀粉的含量。在淀粉合成中ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophosphorylase）是关键酶。Mosanto公司由大肠杆菌的突变体克隆了不受反馈抑制的ADP-葡萄糖焦磷酸化酶基因，将它转入马铃薯后可使块茎的淀粉和干物质含量平均增加24％。相反，若导入该酶反义RNA基因，则淀粉含量下降到只有对照的2％，而蔗糖和葡萄糖含量分别上升到干物质含量的30％和8％。此外，通过对碳代谢过程中有关酶的基因的调节，将可能有效地调控一些重要糖类物质的合成和积累。如用玉米蔗糖磷酸合成酶（SPS）的基因，以RubisCO启动子启动，转基因番茄叶中SPS酶活性增加6倍，从而导致淀粉合成下降，而蔗糖增加。
在改变油料作物油脂的组成方面，主要目标是改变油脂的不饱和度以及脂肪链的长度。现已克隆出很多与脂肪代谢有关的基因，如乙酰载体蛋白（ACP），β-酮酯酰ACP合成酶，β-酮酯酰还原酶，β-烯酯酰ACP还原酶，十八烯酸ACP脱氢酶，3-磷酸甘油乙酰转移酶等。通过导入硬脂酸-ACP脱氢酶（stearoyI ACP desaturage，即Δ9脱氢酶）的反义RNA基因，在转基因油菜种子中硬脂酸的含量由2％增加到40％，即增加了约20倍。将鼠的编码此酶的基因导人烟草后，在部分转基因愈伤组织和转基因植物的叶片中，脂肪酸16:1/16:0及18:1/18:0（含量比）明显提高。芥酸在工业上的应用十分重要，不少研究者希望通过基因工程技术，将现有的高芥酸油菜品种“HFAR”（脂肪酸中约含50％的芥酸）的芥酸含量进一步提高到90％以上，使之成为一种更经济实用的芥酸来源，成为石化产品的一种理想取代品。

回答者：长安大学08级生物工程班某同学（回答中参考专业课本）收起

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