基因工程在作物抗虫育种中的应用研究

当前, 利用基因工程开展作物抗虫育种研究已取得长足的进步, 已经培育出一大批拥有抗虫、抗病毒病、抗真菌病、抗除草剂、抗逆等优良性状的农作物新品种。因此可见, 利用基因工程开展作物抗虫育种研究有着十分重要的现实意义。

1植物蛋白酶抑制剂基因

植物蛋白酶抑制剂基因 (PI) 是一种可对蛋白水解酶活性予以抑制的小分子蛋白或者多肽, 能够与昆虫体内蛋白消化酶结合并产生酶抑制剂复合物 (EI) , EI能够缩减或者阻断外源蛋白质所受蛋白酶的水解影响, 确保蛋白质难以进行常规消化;此外, EI还可对昆虫体内过量分泌的消化酶形成刺激作用, 致使昆虫出现厌食的结果。如此一来, 昆虫受日常代谢中的相应氨基酸不足影响, 势必使得昆虫难以有效发育, 迅速死亡。按照作用于酶的活性基团差异及对应氨基酸序列的同源性, 可把植物中所含PI划分成4种, 分别为:半胱氨酸类 (Cys) 、丝氨酸类 (Ser) 、金属类以及天冬氨酸类 (Asp) , 总计10个族。其中, Cys又可划分成多种不同种类, 分别有PI-I家族、PI-II家族、Bow-man-Birk家族等。PI-I家族、PI-II家族多作用于鳞翅目昆虫, 且PI-II抗虫性要优于PI-I。Bow-man-Birk家族豇豆蛋白酶抑制剂基因则得到广泛推广。Ser与抗虫有着紧密的关联性, 这是因为大部分昆虫体内蛋白酶以丝氨酸蛋白酶为主, 且对作物构成危害的昆虫大部分集中于该类群中。而关于植物中的金属类、Asp相关的报道则较少。

2植物凝集素基因

植物凝集素基因 (PHA) 是一种强特异性糖结合活性蛋白, 常见于大部分植物营养器官及植物种子中, 昆虫一旦食用会产生多种不同类型的作用。这些作用可对昆虫吸收营养物质构成影响, 使得昆虫体内细菌增多及产生病灶, 进一步达到抑制昆虫生长、进而将其杀灭的目的。依据PHA结构特征, 可将植物凝集素划分为4种类型, 即全凝集素、超凝集素、部分凝集素以及嵌合凝集素。现阶段, 在作物抗虫育种基因工程中, PHA以雪花莲凝集素基因已被广泛利用以提高作物对虫害的抵御能力, 此外雪花莲凝集素基因还转入到水稻、土豆、烟草、小麦等作物中以改良这些作物的品质, 转雪花莲凝集素基因的植物都表现出对害虫生长、繁殖的抑制的作用。相关昆虫实验研究证实, 过表达GNA基因的水稻能够显著缩减稻褐飞虱的生存率, 并使昆虫发育进程在一定程度上有所延缓。其他相关研究指出, 低含量的GNA反而会促进害虫的生长发育, 因此这要求植物中凝集素应具有较高的浓度, 才能发挥有效的抗虫作用。

3淀粉酶抑制剂基因

淀粉酶抑制剂基因 (αAI) 是一类在植物中十分常见的蛋白质, 在豌豆、小麦等作物中均被发现。αAI能与昆虫α淀粉酶、真菌淀粉糖苷酶相互结合, 对其活性起到抑制作用, 促使昆虫难以对食物中淀粉成分进行消化, 从而影响昆虫对营养物质的吸收, 以此来达到抗虫的目的。然而这类基因对细菌、高等植物的α淀粉酶却没有抑制作用。此外, αAI经与淀粉酶相结合产生的EI能够促使昆虫分泌大量的消化酶, 进而使昆虫出现厌食的现象, 导致其发育失常或者死亡。现阶段, 对αAI还未有明确的分类, 相关研究人员在菜豆中将αAI划分成三个种类, 分别为αAI1、αAI2以及αAIL。其中, αAI1可对部分鞘翅昆虫四纹豆象、绿豆象等α淀粉酶起到抑制作用, 不过无法对巴西豆象的α淀粉酶形成抑制。αAI2分离至菜豆野生种内, 其与αAI1在氨基酸序列方面有着近八层的同源性, 其仅能够对巴西豆象的淀粉酶起到抑制作用, 而无法抑制以上αAI1对应抑制的α淀粉酶。αAIL作为一类单链蛋白质, 对所有α淀粉酶豆不存在活性, 介于αAI、凝集素相互间。

4苏云金杆菌毒素

苏云金杆菌作为一种杀虫芽孢杆菌, 结合其菌株的各异生化特征、经由鞭毛抗原属性对应确定的血清型, 可将其划分成30余个亚种, 其杀虫毒性是于孢子形成过程生成的δ-内毒素伴孢晶体蛋白, 作用于双翅目、鳞翅目等昆虫有着良好的杀虫效果, 对应作用机制可能为昆虫食用Bt后, 使离子经由纹缘上皮细胞膜遭受破坏;还有相关研究指出, 昆虫食用Bt后, 可于碱性肠道中被溶解成前毒素单体, 再经由肠道蛋白酶消化降解为含有毒素的多肽, 昆虫肠上皮细胞遭受毒素影响, 进一步产生病变。我国相关研究人员将苏云金杆菌毒素抗虫基因导入栽培棉花、水稻, 很好地弥补了用根癌农杆菌介导转化率不足, 转化后脱菌难度大的不足。

结束语

近年来, 在作物抗虫育种方面我国已获取了显著的研究成效, 而借助基因工程获取抗虫性强、抗虫谱宽等的转基因作物势必成为作物抗虫育种的一个重要研究方向, 相关人员务必要不断钻研研究、总结经验, 强化基因工程在作物抗虫育种中的有效应用, 积极促进该项事业的有序健康发展。

摘要：本文对不同类型的基因 (植物蛋白酶抑制剂基因、植物凝集素基因、淀粉酶抑制剂基因、苏云金杆菌毒素) 在作物抗虫育种中的应用进行了论述, 旨在为对基因工程在作物抗虫育种中的有效应用研究提供一些思路。

关键词：基因工程,作物,抗虫育种

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