中国转基因在棉花领域研发应用的二十年
从1994年中国研制成功单价抗虫棉(GK)，以及1995年美国保铃棉进入中国以来，抗虫棉在中国推广应用了近20年的时间。在这期间，虽然中国先后批准了7种转基因植物生产应用，但在中国转基因农作物产业化应用方面，抗虫棉仍然是一枝独秀。
本文介绍了20多年来，中国科学家在抗虫、抗除草剂、抗旱耐盐碱、抗病、纤维品质改良等转基因棉花研究方面所取得的进展，以及在农杆菌介导、花粉管通道、茎尖转化等不同转化技术上所进行的探索。同时，以国产抗虫棉为例，介绍了中国转基因生物安全性评价体系，概述了抗虫棉在中国的产业化历程，并对转基因棉花的研究方向作出进一步展望。
1不同类型转基因棉花研究进展
利用基因工程技术对棉花进行遗传改良是棉花分子设计育种的主要途径，有效地弥补了传统育种方法不能解决的问题，快速地培育出多种新型棉花育种材料。棉花遗传改良主要涉及抗逆、抗除草剂、纤维品质和早衰等重要农艺性状改良。其中，抗逆基因工程培育的抗虫转基因棉花和抗除草剂转基因棉花得到了广泛的生产应用，并取得了巨大的经济和生态效益。同时，为解决粮食增产与耕地面积不断缩小的矛盾，使棉花能够在粮食作物不能种植的干旱地和盐碱地进行栽培生产，培育具有优质、高产、耐旱耐盐碱、抗病、抗早衰等重要农艺性状的新型转基因棉花材料成为当前棉花遗传改良的研究热点。此外，适宜于南方多雨高湿地区栽培的耐涝转基因棉花等特殊用途的新材料培育也取得了一定的进展。
1.1抗虫转基因棉花
中国抗虫基因的研制起始于20世纪90年代初期，通过遗传转化方法使棉花获得抗虫功能的基因主要包括三类：来源于苏云金芽孢杆菌的杀虫蛋白基因(Bt)、从植物中分离的昆虫蛋白酶抑制剂基因和植物凝集素基因。当前，大规模生产应用的国产转基因抗虫棉主要为单价抗虫棉和双价抗虫棉，其遗传转化的抗虫基因为Bt杀虫基因GFMCry1A和豇豆胰蛋白酶抑制剂基因Cpti。
1992年，郭三堆等利用分子设计技术人工合成了具有高杀虫活性的Bt杀虫基因GFMCry1A并于1994年将该基因导入棉花，在此基础上与育种单位合作，成功选育出GK1、GK12、GK19、GKZ1和晋棉26国产单价转基因抗虫棉品种，并大面积推广应用，使中国成为继美国之后世界上第二个研制成功转基因抗虫棉的国家。之后，为了提高抗虫棉的杀虫效率、延缓棉铃虫等害虫对杀虫蛋白产生抗性，郭三堆等将2个不同杀虫机理的抗虫基因GFMCry1A和Cpti同时导入棉花，创制了双价转基因棉花新种质。通过与国内多家育种单位合作，成功选育出sGK321(1998年)、中棉所41(2001年)和中棉所45(2003年)等双价转基因抗虫棉新品种。田间抗虫性试验结果表明，2、3、4代棉铃虫平均双价抗虫棉百株幼虫数量分别比常规棉田减少81.4%、87.1%和87.0%，分别比单价抗虫棉田减少11.1%、33.3%和57.1%。双价转基因抗虫棉的研制成功，不仅在抗虫性上比单价抗虫棉优越，更重要的是丰富了抗虫棉种质资源，加速了抗虫棉新品种的培育和推广应用。
此外，转GFMCry1A和Cpti双价转基因抗虫棉的大面积推广应用，为高效广谱抗虫棉的研制奠定了理论基础，推动了新抗虫基因的研制和应用，尤其是在抗棉铃虫和蚜虫等棉花主要害虫的防治方面取得了突破性的进展。王伟等利用根癌农杆菌介导遗传转化方法获得含有豌豆外源凝集素基因P-Lec和大豆Kunitz型胰蛋白酶抑制剂基因SKTI的双基因转基因棉花，对蚜虫表现出高效的抗虫性。刘志等将Cry1A和雪花莲凝集素基因GNA导入棉花，选育获得转Cry1A+GNA双基因抗虫棉花纯合株系TBG，在苗期、蕾期、开花期和结铃期主茎叶都对棉铃虫幼虫具有很高杀虫活性。同时，TBG植株在不同生育时期对棉蚜群体也表现出明显的抑制效果，其苗期和蕾期抑蚜率分别达到了50.31%和46.61%。吴家和等将入工设计合成的Cry1Ac、Bt29K和慈菇蛋白酶抑制剂基因API-B导入棉花，培育出9个抗虫性好、农艺性状优良的转基因棉品系，对棉铃虫抗性均达到90%以上。肖松华等将野生荠菜凝集素基因导入常规陆地棉品种，对9个高品质转WSA棉花株系进行抗蚜鉴定，结果表明，转基因棉花株系对棉蚜均表现出较高的抗性。张林水等将Cry1Ac3与Cpti的融合基因和GNA共转化棉花，获得了同时含有3个抗虫基因的转基因棉花新材料，该材料对棉铃虫具有较高的抗性。雒瑶瑜等将Cry1Ac与Cry2Ab导入棉花，获得了双基因抗虫棉育种材料2009002。该转基因棉花除了抗棉铃虫外，对小地老虎、刺吸类害虫、蛀食类害虫和食叶类害虫有一定的抗虫性。
多基因共转化抗虫棉花的研制为中国后续抗虫基因的研制和应用研究开拓了新思路。通过构建多基因植物表达载体共转化不同杀虫机制的抗虫基因，或者通过基因聚合技术将多个抗虫基因聚合于一个转基因棉花材料内，培育获得含有多个基因的转基因抗虫棉。不仅可以使棉花受体获得多种机制的抗虫性，利用基因互补的方式加强转基因棉花的抗虫能力延缓害虫产生抗(耐)性，而且可以拓宽棉花抗虫谱，使其获得能够高效杀死主要害虫的广谱抗虫性。
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