1.3 转基因育种、杂种

1.3.1 概况

玉米是重要的粮食作物，也是可以用基因工程方法进行品种改良的作物。随着世界首例转基因烟草于1983年被成功培育，全球范围内也加速开展了转基因玉米的研究。当前，玉米转基因领域已经建立了一套比较完整的理论和技术体系，其技术主要包括：以农杆菌Ti质粒介导的载体转化技术，利用基因枪、PEG等的DNA直接导入的转化技术，通过花粉管通道、子房注射的转化技术。在玉米育种过程中，有些性状的基因转化取得了突破性进展，如抗虫、抗除草剂基因工程已经进入商业化应用阶段。我国在耐除草剂玉米的研发上也储备了一批有重大应用价值的品种：瑞丰125、DBN9936、DBN9501，均具有抗虫和耐除草剂的复合性状，能有效抵抗玉米螟、黏虫等靶标害虫；同时配合目标除草剂的使用，能有效防治田间野草，有利于农业机械化管理，提高生产效率。此外，将中国农业科学院研发的高表达植酸酶转基因玉米BVLA430101用作饲料，可将植酸磷分解成无机磷，有效提高动物对玉米饲料中磷的转化利用率，减轻牲畜粪便中磷排放造成的环境污染。2006年，全球转基因玉米的种植面积增长到2500万公顷，仅次于大豆，位居第二位。转基因技术通过种属间基因的流动弥补了玉米遗传资源的不足，与常规育种方式结合必将带来玉米育种上的重大突破。

1.3.2 转基因技术发展情况

我国转基因技术的研究从20世纪80年代开始布局，转基因技术的产业化应用对于提升我国大豆和玉米等作物的产量、减少农药的使用、保障我国粮食和生态安全起到了重要作用。近年来，政府部门加快出台相关政策，以适应转基因管理的新形势，并逐步向转基因育种商业化迈进，为提高种业战略地位、鼓励实质创新、转基因技术的加快落地提供了良好的制度环境和市场环境。2022年6月8日，中华人民共和国农业农村部印发的《国家级转基因玉米品种审定标准（试行）》，标志着我国生物育种的产业化应用迈出了重要一步。

1.3.3 育种程序及技术措施

随着现代分子生物学技术以及分子育种理论的快速发展，基因工程也受到更多遗传育种者的重视。基因工程主要研究近代的遗传特征，以分子遗传学为基础，通过现代高效的计算机技术，对基因进行进一步的研究，从而达到发挥良性基因优势、改善劣质基因的目的。基因工程通过将设计好的DNA分子导入活细胞中，使得生物体自身的遗传特征获得改变，变成性能更优的新品种，这也是基因工程的重要意义所在。

（1）育种程序

①根据玉米的遗传背景，选择合适的转基因方法。

②在进行玉米转基因育种之前，首先要对玉米的目的基因进行定位，然后根据目的基因的功能选择合适的转基因方法。

③在对玉米进行基因编辑时，首先要对目的基因进行DNA提取，然后用基因编辑技术对目的基因进行改造，改造之后要对玉米进行检测，如果检测结果满足要求就可以将该目的基因导入玉米中；如果检测结果不满足要求，则需要重新选择适合的基因编辑方法。

④在对玉米进行转基因育种时，要选择合适的转化方法和转化受体，首先要将目的基因导入玉米中，然后在合适的受体上种植该转基因玉米。

（2）技术措施

在研究转基因技术的过程中，转基因方法也越来越多。相关人员需结合实际需要，合理选择转基因方法，以达到预期目的。

①农杆菌介导转化方法

农杆菌是自然界存在的，农杆菌介导的玉米遗传转化方法是最常用、最有效的玉米转化方法。农杆菌介导转化法在试验操作层面是将待转化的外源目的基因整合到经过改造的遗传转化的T-DNA区，借助农杆菌侵染植物的细胞，实现外源基因与植物基因组的转移与融合，再利用植物组织培养再生体系，培育出转化再生的植物植株，再进一步进行转基因的检测确定以及后代转化的稳定性分子和植物生理学鉴定，得到稳定表达的转基因植株，是研究最深入、使用最广泛的遗传转化方法。当前已经获得的转基因植物中，有60%以上都是由农杆菌介导转化法生产的，可运用到玉米转基因操作中的农杆菌主要有根癌农杆菌、发根农杆菌。其中，对Ti质粒的研究最多，是现在转基因技术中最常用的方法，可成功侵染到玉米中，在植物根部或茎基部伤口处形成冠瘿瘤。

王阳等科学家通过对抗虫基因crylAb进行改造，获得了新的基因cryFLIa。他们利用农杆菌介导转化法，将该基因转接到玉米幼胚中，经过抗性检测和抗病鉴定试验，成功获得了抗玉米螟的玉米材料。农杆菌介导转化法主要使用玉米幼胚诱导的愈伤组织、玉米幼胚或玉米黄化苗的茎尖作为转化受体。常用的农杆菌菌株有EHA105、C58和LBA4404。在农杆菌介导转化法中，Ti质粒会侵染玉米，T-DNA从质粒上脱离并插入到植株的基因中，而转基因后代不会发生性状分离，具有稳定的遗传性。

农杆菌介导转化法主要应用于双子叶植物和裸子植物的遗传转化。该方法通过使农杆菌载体与植株体的分生组织和生殖器官接触来完成遗传转化，接触方法可选用真空渗透法、浸泡法或注射法。接触完成后利用组织培养、抗生素筛选和分子检测等方法，培养和分离转基因的植株子代。农杆菌介导转化法具有技术成熟、操作简单快速、低成本、易于掌握等特点，能够有效避免基因沉默现象，具有较高的转化率和整合率，筛选可靠。因此，农杆菌介导转化法是当前制备转基因植物成功率最高的方法之一，在植物遗传转化领域得到广泛应用。

②基因枪介导转化法

基因枪介导转化法是除农杆菌介导转化法外使用最广泛的遗传转化技术。基因枪介导转化法也被称为生物弹道技术，借助压缩气体产生的冲击波，将粘有DNA的细微金粒高速射入受体细胞或组织中，穿过层层结构，直至到达细胞核。粘有DNA的微粒在进入细胞后，会被整合到宿主细胞的DNA上，产生基因突变，从而达到基因转移的目的。基因枪介导转化法最早应用于20世纪90年代，该方法的优势显著，不受物种和轰击部位限制，不需要重复培养原生受体，操作简单快捷，命中率高，转化时间短，无细胞特异性，不依赖基因型，受体材料、靶细胞来源广泛。但是该方法也存在一定弊端，如会对玉米细胞造成损害、嵌合体多、转化成本较高、遗传性不稳定、随机性较强和整合效率较低等。

③花粉管通道法

花粉管通道法在我国的应用十分广泛，其原理是通过植物天然授粉过程中花粉粒萌发形成的花粉管通道，在自花授粉阶段将外源基因导入囊胚，使植株直接产生遗传转化后的种子。花粉管通道法的技术特点是不需要组织培养诱导，转化后可直接得到种子，对设备要求较低，转化率较高，可大批量转化，且由于该方法利用植物天然授粉条件，适用作物类型广泛。同时，花粉管通道法操作简单、很容易实施、育种周期短，可以转化任何基因型材料，并直接运用到常规育种中。此外，我们还有改进的花粉管通道技术，首先，选取自交授粉后的玉米果穗，时间以授粉后18～26 h为宜，留下2 cm的花丝，其余部分剪除，然后用酒精进行消毒处理，接着沿穗轴将玉米花茎基部的叶子平均切成3份，剥开后剪去部分花丝，最后滴加外源DNA溶液，使外源DNA直接进入幼胚，以降低遗传变异的概率。但是，玉米花丝通常较长，且长短不一，操作难度较大，加之授粉时间的限制，导致外源DNA随机整合的偶然性较大，从而使其应用受限。

1.3.4 成果

（1）加快育种进程

转基因技术在加快育种进程方面发挥着重要作用，通过将外源基因导入目标生物体中，农作物能够产生抗虫、抗草药或抗病毒等特性，在短时间内实现部分重要性状的改良，从而减少害虫对作物的侵害，有效地加快了玉米育种进程。同时，该技术能够帮助农民减少使用农药，提高作物产量和质量，增加农作物的适应性和营养价值，这是传统育种无法比拟的优势，特别是对于玉米自交系的改良，在攻克了自交系转化的技术难题之后，改良周期可以大大缩短至2代左右。

（2）加速育种创新

转基因技术可以利用异种生物的基因资源，培育更新的玉米品种，如环境友好型——苏云金芽孢杆菌（Bt）等；劳动与环境友好型——抗除草剂（高效无残毒）；营养高效型——高赖氨酸、高植酸、高蛋氨酸、高β-胡萝卜素；环境开发利用型——抗旱、耐盐、固氮、耐低磷；工程型——廉价的医药成分（疫苗、抗生素、激素）、动物蛋白、工程塑料等。

（3）促进新兴产业发展

利用转基因植物作为生物反应器，使得植物器官成为新型的工业原料，从而促使许多珍稀物质能够被大量生产出来。同时，生物技术制药的主要作用在于能大幅度降低医药成本，从而催生一些新的工艺和生产线。

（4）弥补玉米遗传资源

转基因技术使得玉米的遗传转化有了突破性进展，包括打破物种界限、克服有性杂交障碍、快速有效创造遗传变异、培育新品种、创造新类型等；在玉米育种中，有些性状的基因转化取得了突破性进展，如抗虫转基因玉米、抗除草剂玉米和特种玉米等，其中抗虫、抗除草剂转基因玉米已经进入商业化应用阶段。

①抗虫转基因玉米

相关统计数据显示，严重虫害可导致年均减产30%，严重病害可导致年均减产10%。我国作为农作物病虫害多发区和重发区，受玉米螟危害显著，造成的玉米损失较大。在种子包衣中喷洒化学杀虫剂，能够预防部分侵蚀幼芽期的害虫，一般不会对种芽造成伤害。但在植株生长过程中喷洒杀虫剂，则会对生态平衡造成影响，破坏生态环境，造成农药污染等问题。传统的抗螟品种培养方法育种周期较长，并且实际的育种效果也不佳。因此，科学家们开始探索更加安全、有效和经济的生物防治技术，经过不断尝试，苏云金芽孢杆菌（Bt）表现出优异的抗虫效果，但是这种基因只对鳞翅目害虫具有毒害作用，且在光照作用下容易被分解，效果持续时间较短，田间实际操作较为困难，难以作为商品制剂批量生产。

Bt基因作为一种抗虫基因，能够在玉米包衣和植株的生长过程中代替化学杀虫剂的功效。Bt芽孢在形成过程中会分泌毒蛋白，并以原毒素的形式存在体孢晶体中，这种原毒素在微碱性环境下，会产生毒性肽链分子，一旦被虫体摄取，会在虫体肠道表面产生受体，从而破坏昆虫的肠道环境，使幼虫停止进食，直到死亡，该方法可使玉米产量平均增加9%。此外，CpTL基因对玉米螟、鞘翅目玉米根叶甲、杂拟谷盗和直翅目蝗虫等均具有抗性。

传统的除虫措施一般是使用化学杀虫剂，但化学杀虫剂对益虫也有较强的杀伤力，且长期大量使用化学杀虫剂不仅会造成环境污染，破坏生态环境，还会导致农药残留，容易引起人畜中毒。而依靠转基因玉米，则能够消除使用传统化学杀虫剂的弊端，并且防治效果较好。同时，为了避免或延缓害虫产生抗药性，我们还需采取相应的防治措施，如混种部分普通玉米种子、继续筛选高抗虫性杂交种子等。

②抗除草剂玉米

田间杂草对玉米的稳产、高产均具有不利影响，在农业生产中，除草剂的使用越来越普遍，能够节省劳动力、提高劳动效率、保护土壤结构。但是，使用除草剂也会在一定程度上对玉米植株造成伤害，污染生态环境。在玉米植株的生长过程中，将抗除草剂转基因技术运用其中，可保证玉米健康生长，减少除草剂对玉米植株的伤害，降低种植成本，实现无公害除草，提高玉米产量，且有助于节省人力、物力。其中，IMI作为一种优质的抗除草剂玉米，具有非常强的耐受性，除草剂能够直接喷洒在玉米植株上，对1年生杂草、宽叶杂草的生长均具有良好的抑制效果。

③改良玉米

类蛋白转基因玉米作为一种粮食作物与经济作物，其产量虽然较为可观，但玉米蛋白质中赖氨酸含量较少，其整体品质却不容乐观。在转基因技术的研究过程中，科学家通过将外源基因导入普通玉米中，可得到优良性状的玉米。例如，科学家利用农杆菌介导转化法，将富含赖氨酸的马铃薯蛋白质基因导入玉米中，使玉米产量显著提升。基于此，研究人员开始将更加优良的基因导入玉米植株中，以提高玉米中氨基酸的含量。

1.3.5 转基因种子对市场的影响

转基因种子通常会把抗虫、抗除草剂、抗病、高产等优良性基因转至受体品种中，它们相比常规种子有着更高的产量和价格，这对市场产生了深远的影响。

一是提升了行业壁垒。转基因育种研发门槛较高，研发投入大且研发审批周期较长。在研发审批流程方面，转基因种子需要经历安全证书获批和种子审定上市两个阶段，通过后才能正式推向市场，而整个生物安全证书从申请到获批的流程基本需要7～13年。在研发投入方面，转基因种子从研发早期到通过一系列试验，再到进行监管登记大约需要1.36亿美元，平均耗时13.1年，因此转基因种子的商业化会大幅加深“行业护城河”。

二是提高了市场集中度。在政策推动方面，种业是农业产业链上科技含量最高的环节，为提高我国种业的竞争力，国家频繁出台政策，以鼓励种业企业兼并重组。在转基因技术推广方面，1996年转基因品种推广以来，美国玉米种子市场CR5（业务规模前五名的公司所占的市场份额）不断提升，2019年美国玉米种子市场CR5为88.7%。转基因技术使得行业门槛提升，规模较小、不具备竞争优势的种业企业被逐步淘汰。

三是提升了转基因技术企业的盈利能力。一方面，转基因种子的推广有助于提高优势企业市场占有率，进而提升企业盈利能力；另一方面，转基因性状收费收入也将提升企业盈利能力。大北农调研数据显示，相较于杂交玉米品种，转基因玉米种子价格会增加20～25元/亩。