基因工程与农业

基因工程与农业

基因工程与田间除草

基因工程对农业生产发生了革命性的变化。在过去的作物生产中，田间锄草是一件常规的劳作，花费了不少的劳力和财力。

现在，对于作物(如棉花)的田间杂草，可不用人工锄草的方式消灭。研究表明，一种强力化学除草剂——草甘膦，能杀死田间大多数杂草，然而也能杀死许多作物(主要是宽叶作物，如棉花)。这是因为，这种除草剂能阻断植物中一种酶的形成，而这种酶是植物合成各芳香族氨基酸所必需的，这种酶的缺乏会导致合成蛋白质的一些原料(氨基酸)的缺乏，从而使植物不能合成蛋白质而死亡。由于人类本来就不能合成这些芳香族氨基酸，建造其蛋白质时必须从食物中获得这些氨基酸，所以除草剂对人类无害。

基于上述认识，研究者通过基因工程方法，把对草甘膦具有抗性的基因转移到作物染色体上，使其产生的酶消除草甘膦对作物的破坏作用。所以，如果种上这种转基因作物，待田间杂草出现时，喷上草甘膦就可方便地消除杂草，而作物仍安然无恙。

我国科学家从一种野生草中发现了抗除草剂(阿特拉津)的抗性基因，他们用基因工程方法把这种抗性基因移植到大豆体内，培育出了抗除草剂(阿特拉津)的大豆新品种。

防病虫害

在过去的作物生产中，防治病虫害也是一件常规的劳作，也要花费不少的劳力和财力。

转基因植物也能抵御虫害侵袭。有一种番茄毛虫，由于食番茄叶而使番茄受到毁灭性损害。研究发现，土壤杆菌中有一种基因编码，它能把昆虫(其中包括番茄毛虫)的一种胃酶转化成有毒物质，可导致昆虫瘫痪死亡。研究者已分离出这种基因，并转移至番茄染色体上而成为转基因番茄。试验表明，把这种转基因番茄与普通番茄种植在一起并施放番茄毛虫时，结果转基因番茄枝叶繁茂和硕果累累，而普通番茄却被毛虫吃得片叶不留(图8—2)。由于哺乳动物中没有昆虫中的那种胃酶，所以人吃这种转基因番茄对人体无害。

图8—2　转基因番茄(左)与普通番茄虫害能力比较

许多植物害虫(如地老虎)还专门毁坏植物的根。为了避免这一危害，研究者也已把上述土壤杆菌的基因转移至与根群居的细菌中。昆虫在吃植物根的同时，也吃了与其生活在一起的转基因细菌。同样，由于这种转基因细菌中的转基因产生的酶，能使昆虫的一种胃酶转化成有毒物质，从而导致昆虫死亡。

除虫害外，农作物的另一敌害是植物病毒，它对农业造成的损失比虫害还严重，而且还没有行之有效的防治方法。科学家们现在正在研究通过转基因技术，把病毒的某些基因作为疫苗注入农作物，使农作物对病毒具有免疫力。例如，美国学者把烟草花叶病毒的外壳蛋白基因转移到番茄体内，这样培育出了不怕烟草花叶病毒的番茄植株。

我国在烟草生产中，烟草花叶病毒和黄瓜花叶病毒的感染是普遍发生的严重病害。我国学者利用转基因植物的方法，培育成可以同时抗这两种病毒的双价抗病毒烟草，也培育出了抗黄瓜花叶病毒的番茄。

生物固氮

俗话说得好，“庄稼一枝花，全靠肥当家”。在肥料中，氮肥是促进作物生长必不可少的肥料，是合成作物蛋白质的重要原料。实验证明，在1吨小麦中含有23千克的氮，而这些氮必须从氮肥中获得。土壤中缺少氮肥，作物又黄又瘦，得不到好收成。

我们知道，豆科植物，如大豆、花生，即使不施氮肥也长得很好。这是因为，在豆科植物的根部长有大量的称为根瘤菌的细菌。这种细菌一方面可把大气中的氮转化成豆科植物吸收的氨态氮，所以又称固氮菌;另一方面又依靠豆科植物提供的养料生存，它们“相依为命”而共生，所以又称共生菌。其他非豆科植物就没有这种本领，它们所需氮源必须通过施氮肥获得。

现已查明，豆科植物之所以能固定空气中的氮，是因为与其共生的固氮菌内存在固氮基因。

于是，各国科学家把固氮菌中的固氮基因分离出来，并移植到非豆科植物的重要作物，如水稻、小麦、玉米和棉花的细胞中去，希望它们也具有固氮能力。显然，如果实验取得成功，这些作物所需要的氮肥也就可以自给自足了(图8—3)。

图8—3　固氮小麦

据报道，澳大利亚从1972年开始，已不使用化肥，而是利用生物固氮方法，以代替和补充土壤中所缺的氮肥。因此，这不仅可避免施用化肥破坏土壤结构，还可以防止环境污染。

我国的生物固氮工作也取得可喜成绩。科学家利用基因工程方法，选育出适合我国稻区应用的耐氨固氮菌，当水稻根部接种这种菌后，可获得相当于每亩施用2～2．5千克氮肥的效果。据对比试验估算，每花1元的菌种投资，在耐氨固氮菌的固氮作用下，每亩可增产稻谷20～30千克。

基因工程与巨形畜禽

以上所述的基因工程，是把目的基因与运载体组合，运载到细菌或动植物细胞内，利用这些极其微小的生物工厂，生产出所需要的产物，如胰岛素等。这里的基因转移对象是细胞，目的是改造单个细胞的遗传特性。

现在要问，能不能跨越细胞水平，直接在个体水平上进行基因操作呢?能不能把体形较大的动物的生长素基因转移到较小的动物中去，而使后者体重显著增加呢?

答案是肯定的，巨型小鼠的产生就是一例，其产生过程如下:

1．受精卵的采集和假孕小鼠的准备。小鼠交配后经14～16小时后，剖腹从输卵管中取出受精卵。选择自然发情的正常雌鼠与事先结扎输精管的不育雄鼠交配，造成假孕;造成假孕的交配时间与上述交配时间相同或基本相同，以便获得具有相同着床条件的假孕小鼠，保证以后移植的受精卵正常着床。

2．显微注射。把目的基因(大鼠生长素基因)用显微注射器注入受精卵。

3．将注射有目的基因的受精卵移植至假孕小鼠中，以发育成个体。

4．转基因动物的鉴定。同窝鼠中，巨型小鼠为转基因小鼠，转基因小鼠间交配，产生的仍是巨型小鼠，说明这些小鼠在遗传上是稳定的(图8—4)。

图8—4　普通小鼠(左)和巨型小鼠

基于转基因小鼠试验的成功，使人们不禁设想，如果把体形较大的动物的生长素基因转移到较小的动物中去，也应使后者的体重显著增加。例如，把大象的生长素基因转入到猪中，就可能使猪长得像象那样大(图8—5);把人的生长素基因转入鱼中，就可能使鱼长得像人那样大;把鲸的生长素基因转入牛羊等家畜中，也可能长得硕大无比。现在，日本科学家已着手将鲑鱼的生长素基因注入到虹鳟鱼卵内，期望培育出一种“超级鱼”。

图8—5　理想中的基因工程猪