什么是植物基因工程？

自打20世纪初植物育种学的创立，人类无时无刻不在进行着植物的遗传改良。传统的遗传改良策略是，以基因突变为种质基础，再通过有性杂交导入基因，筛选优良基因型重组体，从而实现植物性状的改良。传统方法有一些局限性，比如遗传种质资源有限，无法在性状改良上获得大的突破。上世纪80年代的植物基因工程为拓宽种质资源提供了新的可能。植物基因工程以分子生物学和基因组学为基础，利用基因工程手段获得转基因植物的方法。1983年，人类获得第一株转基因植物（烟草），开创了利用基因工程改良植物的时代。目前，已有超过数百种转基因植物问世，玉米、油菜、棉花、大豆、亚麻、南瓜、甜菜、番茄、马铃薯等转基因品种已经获批商业化生产。

植物基因工程策略

植物基因工程是利用基因工程手段获得转基因植物的方法，包括基因分离和克隆，与载体和标记基因构建重组质粒，用不同的转化方法将重组质粒导入受体植物，筛选转化子和重组子，获得转基因植株等流程。

1. 基因工程技术

主要的基因工程技术包括基因沉默，基因过表达，基因编辑技术（包括CRISPR-Cas9，TALENs，ZFNs等）。

a. 基因编辑技术

基因编辑技术能精确识别受体细胞靶位点序列，再利用核酸内切酶切割靶序列，精确而快速地引入遗传变异。目前主要的序列特异性核酸酶包括TALENs（类转录激活因子效应物核酸酶），CRISPR（成簇的规律间隔短回文重复序列），ZFNs（锌指核酸酶）等。ZFNs和TALENs都属于人工改造的核酸内切酶，切割后的DNA修复机制相同。TALENs可作用于较长的基因序列。

毫无疑问，CRISPR/Cas9是最受关注的基因编辑技术，也被认为是植物基因工程最佳选择。CRISPR/Cas9基因编辑技术利用的是原核生物的先天防御系统，缺点是存在一定的脱靶现象。主要的应对策略是设计适合的导向RNA，使得在基因组中与其他位点有最小的序列同源性。CRISPR/Cas9技术已经被用于模式植物（如拟南芥和烟草）和作物（高粱、小麦和玉米），表现出广泛的应用前景。

b. 基因沉默

基因沉默是转基因中植物特定基因表达抑制或者表达量很低的现象。基因沉默技术可用来研究基因功能和植物遗传改良。常见的用于植物基因沉默的技术包括RNA干扰（RNAi）和病毒介导的基因沉默（VIGS）。VIGS是利用病毒将目的基因引入受体植物，它在大规模基因功能研究方面有着巨大优势，但是由于不能稳定遗传，在植物改良种的应用有所局限。RNAi具有操作简单费用低等特点，应用广泛。

c. 基因过表达

基因过表达属于反向遗传学策略的一种，通过调节一个或多个基因的表达水平，观察表型改变，从而研究基因功能和分子机制。通过将目的基因克隆到带有启动子、复制子以及抗性标记和筛选基因的质粒上，导入受体植物基因组中，实现目的基因的过表达。基因过表达可以作为基因敲除的替代或互补实验来研究植物功能。

2. 遗传转化策略

遗传转化是将重组质粒导入受体基因组的过程，通常使用的策略包括农杆菌介导法、基因枪法、聚乙二醇（PEG）法和花粉管通道法等。

农杆菌介导法：世界上第一例转基因植物采取的就是此方法。根癌农杆菌和发根农杆菌属于革兰氏阴性菌，可广泛侵染双子叶植物，在一定条件下还能侵染单子叶植物。根癌农杆菌含有Ti质粒，该质粒上的T-DNA可插入到植物基因组中，诱导瘤状物的形成。因此，将目标序列插入到T-DNA中，可通过Ti质粒的载体作用，使目标序列整合到受体基因组中并表达。具体地，农杆菌介导法又可细分为原生质体共培养法、叶盘法、创伤植物感染法等，可根据受体材料类型选择合适的农杆菌介导法。

基因枪法：基因枪法又被称为微弹轰击法，其原理是将携带外源DNA的金属粒子打入植物细胞或组织中，实现基因转移。基因枪法的优点包括：无宿主限制，靶受体类型广泛（具有潜在分生能力的细胞或组织都可），步骤简单易操作，不需制作原生质体等。基因枪法的缺点是整合位点具有随机性，拷贝数往往较多，基因不容易稳定表达（后代容易出现突变、外源基因丢失）等，且基因枪法较为昂贵。

PEG法：PEG法的原理是通过聚乙二醇改变受体细胞的细胞膜通透性，从而使外源DNA更容易进入原生质体。该方法不需要昂贵、特殊的设备，实验结果比较稳定。原生质体是除去细胞壁的不完整细胞，是遗传操作的好材料。PEG法可瞬间表达外源基因，也可获得稳定表达的转基因细胞系或者转基因植株。

花粉管通道法：花粉管通道法的原理是利用植物受粉后，雌蕊柱头上萌发形成花粉管通道，外源DNA液通过微量注射器进入花中。观察后代的变异，筛选转基因植物。该方法的特点是不需要经过组织再生，省去人工组培过程，并且，后代植株中无镶嵌体的存在，但是转化率低、重复性不高。

植物基因工程应用

相比于传统的育种方法，植物基因工程拓宽了植物可利用的基因库，能快速有效筛选得到能稳定遗传优良性状的转基因植物。因此，植物基因工程在转基因植物领域具有广阔应用前景：

1. 病虫害防治。通过将目的基因导入目标作物中，比如农作物和园艺植物种，可以改变他们的遗传特性，比如获得抗病虫害的特性，抗除草剂的特性等。

2. 遗传特性改善。将目的基因导入目标作物中，改善植物的遗传特性，比如改变植物的育性、不亲和性和抗逆性等。

3. 改良营养品质。植物基因工程可以改变种子的营养含量和组成；转基因植物也可作为一种生物反应器，生产有机化合物、药物蛋白、植物次生代谢产物等。

4. 基因功能研究。转基因植物可以帮助研究人员研究某些基因的功能及其在生长发育中的作用等。

转基因植物的研发和规模化生产，具有重大经济效益和社会价值，能显著增加农产品产量，减少杀虫剂、化肥等化学产品对环境的污染，对环境保护和生物多样性保护起到重要作用。

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