张 頔，周 峰，张边江

（南京晓庄学院，江苏 南京 211171）

水稻是世界上主要的粮食作物之一。在我国，水稻是种植面积最大的粮食作物，种植面积约3000万hm2，产量占粮食作物总产的40%以上，是我国65%以上人口的主食来源。然而，在水稻生产过程中，由于各种病虫害、不良气候与环境的影响，严重制约了水稻的高产稳产[1]。

转基因技术是指将外源基因通过生物、物理或化学手段导入其他生物基因组，以获得外源基因稳定遗传和表达的遗传改良体[2]。随着转基因技术的发展，转基因水稻成为研究的热点。现已经获得抗虫、抗除草剂、抗病、抗逆境以及改良品质的转基因水稻，但是转基因水稻的安全性问题还没得到完善解决。

本文概述了目前转基因水稻的类型，简要分析了转基因水稻存在的安全性问题，并对其发展前景进行了展望。

1 转基因水稻的研究现状

1.1 抗性转基因水稻

1.1.1 抗虫 水稻抗虫性改良的外源基因主要有苏云金杆菌杀虫结晶蛋白基因（Bt基因）、昆虫蛋白酶抑制剂（Pi基因）和植物凝集素基因3种。其中，Bt基因是目前使用最广泛的抗虫基因，其作用机理是:Bt稻能合成Bt抗虫蛋白，被靶标昆虫取食后，在昆虫碱性肠道内经中肠蛋白酶的消化后使其活化为活性蛋白，活性蛋白与中肠细胞膜受体结合，形成跨膜离子通道或孔，使消化道细胞的离子渗透压平衡遭到破坏，导致细胞溶解，最终使昆虫死亡。Pi能与蛋白酶的活性部位和变构部位结合，抑制酶的催化活性或阻止酶原转化为有活性的酶。因此，它具有防止体内不必要的蛋白降解，调节蛋白代谢及各种蛋白酶的生理活性的功能。凝集素抗虫的作用机制可能是在昆虫肠腔部位与糖蛋白结合，降低膜透性，从而影响营养物质的正常吸收，同时诱发病灶，促进消化道内细菌繁殖，使昆虫得病或引起拒食、生长停滞甚至死亡[3]。

杨虹等[4]首次报道了用原生质体电融合技术成功地将Bt基因导入水稻台粳209。项友斌等[5]利用农杆菌介导法成功地将密码子经过优化的Bt杀虫基因Cry1A（b）导入了许多水稻品种。复旦大学遗传所与中国水稻所、湖北农科院等单位合作利用基因枪法将雪花莲凝集素基因导入粳稻品种鄂宜105和鄂晚5号中，得到了一批转基因株系[6]。

1.1.2 抗除草剂 杂草为害严重影响水稻的产量和质量，每年稻谷因杂草减产损失巨大。将抗除草剂基因导入水稻使其产生对除草剂的抗性，有助于田间杂草控制。主要的除草剂抗性基因是来自链霉菌的Bar基因，因为与其对应的除草剂Basta被德国Aventis公司所垄断，所以使该基因的广泛应用受到很大限制[7]。施利利等[8-10]将来自细菌的阿特拉津氯水解酶基因atzA转入津稻107中，并成功地利用除草剂阿特拉津对转基因植物进行了筛选和鉴别。抗除草剂转基因杂交水稻组合应用于田间栽培的报道较少。侯海军等[11]对转Bar基因抗除草剂两系杂交早稻株进行了高产栽培试验研究，结果表明，供试组合各项经济性状稳定，生长整齐，抗倒伏能力比对照强。肖国樱等[12]利用抗除草剂亲本Bar68-1与香125S配组育成了转基因抗除草剂杂交稻香125S/Bar68-1，秧田喷施除草剂能明显提高大田的杂种纯度，显著提高产量。

1.1.3 抗病 病害是影响水稻高产稳产的重要因素之一。目前，抗病转基因水稻包括转抗病毒基因、抗真菌病毒基因和抗细菌病毒基因3个方面。许多抗病基因如Xa21，Pib，CecropinB，Cp等已被成功导入水稻，并取得了显著的成绩。中国农业科学院生物技术研究中心与作物所合作，将几丁质酶和葡聚糖酶双价基因导入小麦，育成双价抗病转基因小麦，抗赤霉病（Fusarium graminearum）、纹枯病（Fusarium solani）和根腐病（Bipolaris soroki-nianum）等真菌性病害[13]。水稻抗白叶枯病基因克隆进展较迅速，从水稻中克隆了抗白叶枯病的2个基因，即Xa21和Xa1[14-16]。Wang等[17]通过微弹轰击法将水稻抗白叶枯病菌基因Xa21 导入感病品系 Oryza sativa（var.Taipei309），测定了来自印度、印度尼西亚、哥伦比亚、中国、菲律宾、尼泊尔、朝鲜和泰国8个国家的32个水稻白叶枯病菌菌株在T1转基因系、受体品种TP309以及原初抗病品种IRBB21上的致病表型变化[18]。

1.1.4 抗逆 环境胁迫（如干旱、土壤盐渍化和极端温度等）严重影响作物的生长和发育，降低作物产量。2009年，中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室获得了一份较强抗旱、耐盐、而且遗传稳定的水稻突变体，将该突变体命名为DST（drought and salt tolerance），为作物抗逆分子育种提供了具有自主知识产权的重要新基因[19]。

华中农业大学科研人员成功分离出1个对水稻抗旱改良有显著作用的基因OsSKIPa，它能调动其他水稻抗旱基因的表达，从而增强水稻细胞的活力，提高水稻在缺水条件下的生存能力，可以显著提高水稻抗旱性[20]。Xu等[21]将大麦Lea蛋白基因（HVA1）用基因枪法导入水稻悬浮细胞系后发现，其耐旱能力明显提高。Zhu等[22]将P5CS基因转入水稻，使用ABA或逆境诱导的特异启动子，在逆境胁迫下转基因植株脯氨酸含量增加。研究表明，耐盐性状属于数量性状，受多基因控制，易受环境影响而变异。在目前的种质资源耐盐性遗传分析中，除了在突变体或转基因植株中发现有单个主基因控制的耐盐性以外，大多数水稻耐盐性受多基因控制[23]。水稻是喜温植物，温度是限制其生长的重要因子。有研究表明，转CBF1基因的水稻中脯氨酸含量和抵抗逆境的能力明显提高[24-25]。林秀锋等[26]通过农杆菌介导法将CBF1基因导入水稻品种沈6014和松粳3号中，以期获得耐低温的转基因水稻材料。

1.2 改良品质的转基因水稻

Ye等[27]获得的转基因黄金稻的出现，可以帮助以稻米为主食的发展中国家的人们解决维生素A缺乏的问题。日本还通过转基因技术先后获得了抗过敏功能性稻米、低蛋白功能性稻米、高半胱氨酸功能性稻米[28]。对高铁功能型水稻的研究表明，水稻中铁的含量差异显著，水稻的不同部位、品种、环境以及籽粒的形状、颜色等使铁的含量都存在很大差异。我国成功选育一批高铁香稻新种质，其中，晚籼新品种特3029和晚粳糯新品种紫香糯糙米中铁含量分别达47.6，46.1 mg/kg。赖来展等采用稻穗离体杂交、孤雌诱导及子房培养的方法，培育出铁含量高达52.20 mg/kg的新品种黑优粘3号[29]。迄今为止，国内外已有许多改良品质的品种（系）被选育成功。

1.3 转基因水稻其他方面的研究进展

转基因高产水稻的培育主要是集中于C4水稻的研究上，目前高光效的水稻研究策略以转入C4植物来源的C4光合作用途径相关基因为主，也有过量表达C3来源的C4循环相关基因的报道。几个与C4光合作用相关的基因都被一一转入到水稻进行实验。比较常见的有PEPC、丙酮酸正磷酸双激酶（pyruvate,orthophosphate dikinase，PPDK）基因、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK） 基因、依赖 NADP 的苹果酸酶（NADP-malic enzyme，ME）基因、依赖NADP的苹果酸酶脱氢酶（NADP-malate dehydrogenase，MDH）基因等[30-33]。

一些研究者也尝试通过过量表达某些氨基酸转氨酶来改变植物体内氨基酸合成和氮代谢的水平，以期增强转基因水稻中氮的利用效率。Shrawat等[34]发现在水稻根中特异性表达来源于大麦的丙氨酸转氨酶（alanine aminotransferase，AlaAT）。磷是植物生长发育必不可少的大量元素之一。Yi等[35]在磷高效利用水稻品种Kasalath中鉴定出了1个磷缺乏诱导的转录因子OsPTF1。在低磷敏感水稻品种日本晴中过量表达OsPTF1基因，可以显著增强磷的利用效率。

2 转基因水稻的安全性

转基因食品安全性一直饱受争议，尤其是主要的粮食作物转基因水稻。有些学者认为，转基因水稻是完全安全的，食用转基因水稻对人体无害[36]；也有学者认为，转基因水稻是人造物，若大量种植会对生态环境造成影响，而且对人体产生副作用。

贺晓云等[37]从转基因水稻的营养成分实质等同性分析、动物营养学评价、体内及体外毒理学评价、致敏性评价及外源基因的水平转移5个角度对转基因水稻的国内外食用安全性评价工作进行了概括。现代分子生物学手段也开始渗透到转基因的安全性评价中，目前常用的转基因水稻的检测方法主要有PCR（聚合酶链反应技术）、ELISA（酶联免疫吸附法）和基因芯片法等。尽管人们对转基因水稻的安全性还存在疑虑，但不可否认，转基因水稻具有普通水稻无法比拟的优势。相信随着转基因技术的进步，转基因食品安全性评价方法的不断完善，转基因水稻将为世人所接受，并将成为21世纪人类解决粮食问题的一条重要途径。

3 展望

转基因水稻的研究大部分还处在实验室阶段，还未能定点、定量地将外源基因引入到水稻受体基因组中，从而未能获得稳定遗传、高效率表达的转基因植株。同时，由于基因沉默等原因，阻碍了转基因技术在水稻上的推广应用。外源基因的稳定遗传、高效表达及目的基因的沉默等遗传机理仍有待于进一步研究。

在转基因水稻研究中，选育多抗性品种，比如利用抗除草剂基因结合其他抗性基因质粒如抗逆、抗病虫、改良农艺性状或产品风味的基因，选育高抗且优质的品种。在改善功能方面，加入质量性的基因，比如黄金稻，能够解决人体维生素缺乏情况；含有高降钙素转基因的油菜可以防治老年骨质疏松；含人乳铁蛋白基因的稻米能防止腹泻[38-39]。利用重组哺乳动物细胞生产药用蛋白极其昂贵，而用植物生产成本较低，以转基因植物为生物反应器，可望在农田里廉价收获大量的药用蛋白。

尽管转基因水稻的安全性仍颇具争议，至今也尚无任何转基因水稻被允许进行商业化生产，但是其前景仍然被看好，新的转基因水稻还在不断问世。我国从2004年开始启动转基因水稻的环境和食用安全性评价工作，目前这项工作仍在紧张地进行之中。相信随着转基因技术的进步，转基因食品安全性评价方法的不断完善，转基因水稻及其他转基因作物能得到推广，从而解决我国的粮食问题。

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［2］唐丁，郭龙彪，钱前.水稻转基因技术与转基因水稻[J].中国稻米，2005（5）:5-7.

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［5］项友斌，梁竹青，高明尉，等.农杆菌介导的苏云金杆菌抗虫基因Cry1A（b）和Cry1A（c）在水稻中的遗传转化及蛋白表达[J].生物工程学报，1999，15（4）:494-500.

［6］宋晓慧，孙继峰，李春光，等.水稻转基因育种研究进展[J].种子世界，2008（6）:30-31.

［7］段发平，梁承邺，黎垣庆.Bar基因和转Bar基因作物的研究进展[J].广西植物，2001，21（2）:166-172.

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［9］王松文，施利利，孙宗修，等.农杆菌介导的细菌阿特拉津氯水解酶基因对水稻的遗传转化 [J].中国农业科学，2004，37