抗除草剂转基因植物的商品化应用及环境生物安全管理(2)

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。生物除草剂的作用机制也可。

以分为两类。第一类为部分是微生物源生物除草

剂,微生物的孢子、菌丝等直接穿透寄主表皮,进入寄主组织,产生毒素,使杂草植株发病并逐步蔓延,影响杂草植株的正常生理状况,导致杂草死亡。Collego是迄今为止最成功的茎叶处理真菌类除草剂

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抗除草剂杂草的产生,给农业生产中杂草防除带来了许多困难。一些对除草剂具有抗性植物的发现逐渐引起了科学家和除草剂生产公司的注意。1983)1985年间,美国华盛顿大学和孟山都生物技术公司通过收集具有抗性的植物,进行大量的实验分析之后研制出第一批转基因植物。此后大量实验证明抗除草剂植物其抗性基因可以将抗性遗传给后代。抗除草剂植物以及抗除草剂基因的发现,让除草剂制造商发现了巨大的商机。各大除草剂生产公司均投入大量的人力物力寻找和开发抗除草剂基因,并通过现代生物技术手段将发现的抗除草剂基因转入各种经济植物。抗除草剂转基因植物的研发进入了迅速发展阶段。目前主要应用的抗除草剂转基因见表1。

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。它是由引起杂草炭疽病的盘长孢状刺盘孢

(ColletotrichumgloeosporioidesPenz)产生的孢子制成干孢子的可湿性粉剂,对水稻和大豆田中的弗吉尼

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亚皂角(Aeschynomenevirginica)防效达90%。另一类生物除草剂则是生物制剂类除草剂,是通过一定途径侵入宿主杂草,并通过代谢产物破坏宿主杂草内部结构,使其产生坏死和环状枯萎的病斑。如Hydantocidin是吸水链霉菌的代谢物,它作为一种天然除草剂前体,必须经过生物活化作用,即被磷酸化以后才能作为腺昔酸唬拍酸醋合成酶的抑制剂发挥

表1 目前使用的几类主要抗除草剂基因

抗除草剂名称草丁膦、双丙氨酰膦草甘膦

基因名称

PPT乙酰转移酶基因EPSPS基因

草甘膦氧化-还原酶基因

磺酰脲类(绿磺隆等)

烟草ALS突变基因烟草ALS突变基因

三氮苯类(阿特拉津等)2,4-D溴苯腈

拟南芥ALS突变基因

光系统ÒQB蛋白突变基因2,4-D单氧化酶基因腈水解酶基因

基因符号

作用机理

Bar(PAT)编码PPT乙酰转移酶,对草丁膦进行修饰,反应产物能被顺利代谢使

其失去除草能力aroAgoxsurb-Hrasura-C3Csr1psbAtfDABxn

过量表达EPSPS,抵抗草甘膦对植物的伤害

表达草甘膦氧化-还原酶,与草甘膦活性中心进行氧化还原反应,反应产物能被顺利代谢使其失去除草能力

编码改变空间构型的ALS,使除草剂失去集合位点编码改变空间构型的ALS,使除草剂失去集合位点

编码改变空间构型的ALS,使除草剂失去集合位点

编码突变的光系统ÒQB蛋白,变异的蛋白对相应的除草剂不敏感编码2,4-D氧化酶,与2,4-D发生氧化反应,反应产物能被顺利代谢使其失去除草能力

编码腈水解酶,与溴苯腈发生水解反应,反应产物能被顺利代谢使其失去除草能力

)4)

杂草科学 2010年第4期

4 抗除草剂基因的类型及作用机理

目前比较常见的分类方法是将抗除草剂基因分为三大类:(1)表达靶标酶类抗除草剂基因。此类型的抗除草剂基因产生靶标酶或靶标蛋白质,使植物吸收除草剂后,仍然能进行正常代谢作用;(2)表达异构酶类抗除草剂基因。此类型的抗除草剂基因产生对除草剂不敏感的靶标酶或蛋白的异构体;(3)表达修饰酶类的抗除草剂基因。此类型的抗除草剂基因产生能修饰除草剂的酶或酶系统,在除草剂发生作用前对其进行修饰从而失去除草能力。4.1 表达靶标酶类抗除草剂基因

目前频繁使用的除草剂(例如草甘膦、草丁膦等)几乎都是针对植物生理生化过程中的某个重要的酶设计的,通过对目标酶的活性抑制使植物体正常的生理生化过程受到影响,从而对植物造成伤害和导致死亡。而表达靶标酶类抗除草剂基因能在植物体内过量表达被除草剂抑制的靶标酶,使植物在接触正常致死剂量的除草剂之后依然能够正常存活。

5-烯醇式丙酮酸莽草酸-3-磷酸合酶(EP-SPS)是植物氨基酸循环莽草酸代谢途径中一个很重要的酶。植物通过该途径合成全部的芳香族氨基酸,维持正常的新陈代谢和生长生殖。草甘膦通过抑制EPSPS,造成植物体内氨基酸代谢莽草酸途径的中断,阻断苯丙氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸的合成,并造成植物组织中莽草酸成百倍的积聚,阻断在植物组织培养细胞中由分支酸合成蒽醌色素的反应

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4.2 表达异构酶类的抗除草剂基因

表达异构酶类型抗除草剂基因能使植物体内表

达经过人工修饰或者改变了空间结构的除草剂靶标酶的异构体。当受体植物被相应的除草剂喷洒之后,除草剂与靶标酶结合,从而使靶标酶失去生物活性。但是,由于靶标酶的异构酶经过人工修饰或者空间结构被改变,对相应的除草剂不敏感,进而代替失去活性的靶标酶继续进行代谢活动。

目前所发现和使用的抗除草剂基因中表达异构酶类的抗除草剂基因有很大比例。例如能够抵抗磺酰脲类除草剂的surb-Hra基因、sura-C3基因等以及能抵抗三氮苯类的psbA基因。都是这一类抗除草剂基因。surb-Hra基因通过编码改变空间构型的乙酰乳酸合酶(ALS)使磺酰脲类除草剂失去作用,从而保护植物的正常生理活动。同样psbA基因通过表达突变的光系统ÒQB蛋白使植物体具有三氮苯类除草剂的抗性。但是,有部分研究者经过研究后发现表达异构酶或者蛋白的抗除草剂基因所表达的酶和蛋白由于空间的异构可能会造成其活性降

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低,甚至对转基因植物造成伤害。4.3 表达修饰酶类的抗除草剂基因

表达修饰酶类的抗除草剂基因在植物体内表达除草剂修饰酶,修饰酶在通常情况下不参与植物体内任何的新陈代谢,但是当植物体受到特定的除草剂危害时,修饰酶自身或其代谢产物能迅速与除草剂结合使除草剂不能正常发挥作用。

Gox基因是孟山都公司从人苍白杆菌(Ochrobactrumanthropi)中克隆出来的另一个抗草甘膦的基因。该基因编码草甘膦氧化-还原酶可将草甘膦降解成乙醛酸(一种普遍存在而安全的天然产物)和氨基甲基磷酸酯(AMPA)。由于草甘膦被迅速降解为对植物体没有毒害的化合物也让受体植物能在具有草甘膦压力的环境正常生长。能抵抗草丁膦的bar基因也是一种表达修饰酶类的抗除草剂基因。该基因最早从吸水链霉菌(Streptomyceshy-groscopicus)中分离克隆得到。bar基因编码草丁膦乙酰转移酶(phosphinothricinN-acetyltransferase,PAT)PAT使草丁膦的自由氨基乙酰化,从而消除了草丁膦对植物生长的抑制作用。

同样,也有学者通过实验发现,表达修饰酶类的抗除草剂基因所表达的酶可能会对人类或者受体植物产生一定的危害。例如,有研究者发现,Gox基因,导致植物体死亡。1983年Comai等在鼠沙门

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氏杆菌(S.typhimurium)中发现了能够过量表达EP-SPS的aroA基因

,到目前为止aroA基因是唯

一的一个通过过量表达靶标酶使受体植物抵抗除草剂的基因。该基因在植物体内过量表达EPSPS,从而提高受体植物对草甘膦的抗性

[15-17]

。实验证明,

在aroA转基因植物中,该基因在叶绿体中表达量超过正常水平的20多倍,使植物对草甘膦的抗性至少提高4倍

[18]

。

但是,植物体内靶标酶的过量表达通常会对植物体的新陈代谢产生明显影响。有研究证明转此类抗除草剂的植物比非转基因亲本具有更高的代谢及光合作用水平

[19]

。因此这类抗除草剂转基因植物

汪 魏等:抗除草剂转基因植物的商品化应用及环境生物安全管理

)5)

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