【正文】 “轉(zhuǎn)基因小麥新品種培育” 項目需求分析調(diào)研報告 轉(zhuǎn)基因 生物 技術(shù)的 發(fā)展 ，推動了常規(guī)育種技術(shù)的全面升級，大幅度提升了選育 植物優(yōu)良品種的能力，催生了新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 21 世紀(jì)是生物經(jīng)濟時代，以轉(zhuǎn)基因 技術(shù)為核心的生物 產(chǎn)業(yè)已成為美國等發(fā)達國家生物經(jīng)濟的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。 近年來，全球轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物的種植面積呈現(xiàn)逐年大幅度增長的趨勢。自 1996 年轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化應(yīng)用以來，全球累計推廣面積已達 億畝， 2020 年推廣面積 已 達 億畝，約占全球耕地面積的 8%，種植轉(zhuǎn)基因作物的國家達到 25 個。目前，世界各國已累計批準(zhǔn) 23 種轉(zhuǎn)基因 作物商業(yè)化應(yīng)用 。以提高產(chǎn)量、增強抗 性、改善營養(yǎng)、增進健康 等為主要目標(biāo)的新一代轉(zhuǎn)基因作物的研究開發(fā)速度顯著加快。 一、國際研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 重要功能基因研究 重要基因的挖掘與鑒定成為競爭的焦點。擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的重要基因是轉(zhuǎn)基因新品種培育的基礎(chǔ)。目前跨國公司通過手中的專利基因，牢牢地控制著國際種業(yè)市場，世界各國越來越認識到基因資源對農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大意義。 1989 年啟動國際小麥族遺傳作圖計劃， 1998 年成立了小麥 EST 研究國際合作組織，目標(biāo)是確定和破譯小麥基因組所有基因在染色體上的位置和功能，目前已建立了 小麥族 EST公共數(shù)據(jù)庫。近年來，歐美等發(fā)達國家正在加緊小麥基因組測序工作，全球范圍內(nèi)的生物基因資源的爭奪日趨激烈， 基因挖掘和克隆正在從純粹的功能基因向調(diào)控基因等延伸。重要基因的發(fā)現(xiàn)與功能研究將迅速走向應(yīng)用 。 近年來，國際上在抗病蟲、抗逆、優(yōu)質(zhì)及資源高效利用相關(guān)基因克隆與功能驗證方面取得較快的發(fā)展，為開展小麥轉(zhuǎn)基因育種提供了基礎(chǔ)。 抗病蟲基因 克隆 ： 迄今為止， 已從小麥中克隆的部分抗性基因 為數(shù)不多（ 見表 1），國際上通過圖位克隆方法分離出 3個小麥抗病基因，包括抗葉銹病基因 Lr10（ Huang L等 2020）、 Lr21（ Feuillet H A等 2020）、和抗白粉病基因 Pm3b（ Yahiaoui N等 2020），其功能已經(jīng)獲得驗證。此外，還分離了小麥抗線蟲基因 Cre3（ Lagudah等 2020），抗條銹病基因 Yr10等候選基因。另外，從小麥中克隆的抗病相關(guān)基因還有：幾丁質(zhì)酶基因（ Lorz等 1998； Li等 2020。 Kong等 2020） ,β 1,3葡聚糖酶基因 (Li 等 . 2020), PR4(Bertini L等 2020), germlike 基因 TaGLP WIRTaGLP4(Wei等 1998。 Schweizer等 1999), Dehydroascorbate reductase (DHAR，Chen等 2020)和 glotahione Stransferase(GST， Cummins等 2020)等。 表 1. 從小麥中克隆的抗病、抗蟲基因 基因符號 主要功能 文獻 Lrk10 葉銹病抗性 Feuillet et al (1997) Lr10 葉銹病抗性 Feuillet et al (2020) Lr1 葉銹病抗性 Ling et al Lr21 葉銹病抗性 Huang et al (2020) Wch2 銹病抗性 李和平等 (2020) TaLRK 銹病抗性 Niu et al(2020) ) S2A2 和 LRR1 葉銹病抗性 Wang H Y et al (2020) TaGLP4 白粉病抗性 Wei YD et al (1998) Schweizer P et al (1999) Pm3b 白粉病抗性 Yahiaoui N et al(2020) 幾丁 質(zhì)酶基因 抗病性 Lorz et al. (1998)。 Li et al. (2020)。 Kong et al. (2020) 葡聚糖酶基因 抗病性 Li et al. (2020) GST 抗病性 Cummins et al. (2020) DHAR 抗逆性 Chen et al. (2020) PR9 抗病性 Baga et al (1995) OxO 抗病性 Liang et al (2020) RPL3 赤霉病抗性 Lucyshyn et al (2020) SM194,SM383,SM289,SM638 赤霉病抗性 Li et al(2020) Chi1 赤霉病抗性 Kong L R et al (2020) PR4 赤霉病抗性 Bertini L et al (2020) Cre3 線蟲抗性 Lagudah et al (1997) 抗逆基因 克隆 ： 在小麥中已分離出一些抗逆相關(guān)基因，如在抗逆性中直接發(fā)揮功能的編碼 LEA 蛋白 的基因 PMA80、 PMA195 PMA1949 以及脫水素基因 Wdhn13 （ LEA D11 家族）；受低溫脅迫誘導(dǎo)表達的 Wcor15， Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白 TNHX1等。 目前，對 這類基因的具體功能研究的比較透徹 ， 獲得了一些耐旱 、 耐鹽的轉(zhuǎn)基因植物 。但是，轉(zhuǎn)基因小麥的抗逆性提高幅度尚不能達到育種應(yīng)用的水平 。 近年來，對 編碼 參與調(diào)控下游基因表達以及信號傳導(dǎo)的 蛋白激酶、依賴鈣的蛋白激酶（ CDPK）、受體蛋白激酶 （ RPK）和 轉(zhuǎn)錄因子 （ 如 bZIP、 MYC、 MYB 及 AP2/EREBP轉(zhuǎn)錄因子等 ）等基因的研究倍受關(guān)注 ， 如克隆了受鹽和 ABA 誘導(dǎo)的 蛋白激酶PKABA1，受干旱、高鹽、低溫和 ABA 誘導(dǎo)的 AP2/EREBP 轉(zhuǎn)錄因子 TaDREB 基因 等。近年來，轉(zhuǎn)錄因 子基因 功能研究取得突破，成為抗逆轉(zhuǎn)基因研究的熱點。 表 2 小麥中已被克隆的與耐鹽、耐旱有關(guān)的基因 基因符號 主要描述 參考文獻 TmHKT7 A Gene for Salt Tolerance in Durum Wheat Huang et al., 2020 TaAIDF Characterization of the TaAIDFa gene encoding a CRT/DREbinding factor responsive to drought, highsalt, and cold stress in whea ZhaoShi Xu et al., 2020 WGA the WGA gene was induced by drought. Bhaglal et al., 1999 PMA80 and PMA1959 Two wheat LEA genes enhance dehydration tolerance of transgenic rice. Cheng et al., 2020 PKABA1 PKABA1 is upregulated by dehydration, cold temperature, and osmotic Stress. Holappa et al., 1995 LCT1 LCT1 Generates Hypersensitivity to Sodium in a SaltSensitive Yeast Strain. Amtmann et al., 2020 TaHKT1 TaHKT1 contributes to the difference in ionic homeostasis and salt tolerance. Schachtman and Schroeder。 1994 TNHX1 a Na+/H+ antiporter upregulated by saltstress Brini et al., 2020 TVP1 The first vacuolar H+ PPase pump gene from wheat Brini et al., 2020 MnSOD MnSOD gene was drought inducible and decreased after rehydration. Wu et al., 1999 Cu/ZnSOD Cu/ZnSOD mRNA was not drought inducible but increased after rehydration. Wu et al., 1999 優(yōu)質(zhì)基因 克隆 ： 克隆了影響籽粒蛋白品質(zhì)的高低分子量麥谷蛋白亞基基因，并明確了可以賦予小麥籽粒優(yōu)異蛋白品質(zhì)的高分子量麥谷蛋白亞基基因 （如1Dx5， 1Ax1 亞基基因）以及低分子量麥谷蛋白亞基基因 （如 KS2， GL1/GL2 亞基基因）（ Altpeter, et al., 1996； Blechl and Anderson, 1996； Baro et al., 1997； MaruyamaFunatsuki et al., 2020, 2020）；克隆了影響籽粒硬度和磨粉品質(zhì)的 Pina 和 Pinb 基因，并明確了可以賦予 小麥籽粒優(yōu)異磨粉品質(zhì)的等位變異（如 PinbD1b）（ Chen et al., 2020）；克隆了參與籽粒淀粉合成的多個基因，如 ADPG 焦磷酸化酶、顆粒結(jié)合型淀粉合成酶、可溶型淀粉合成酶、淀粉分支酶、淀粉脫分枝酶（ Lalonde et al., 1997； Li et al., 1999, 2020； Genschel et al., 2020； McCue et al., 2020； Kubo et al., 2020； Regina et al., 2020；Shimbata et al., 2020）。 小麥氮 磷養(yǎng)分利用 相關(guān)基因克隆 ： 克隆了參與氮代謝的一些基因，如硝酸還原酶基因、亞硝酸還原酶基因、谷氨酰胺合成酶基因、以及谷氨酸合酶基因（ Boisson et al., 2020） ；克隆了參與小麥磷吸收的高親和力轉(zhuǎn)運蛋白的基因（ Davies et al., 2020； Glassop et al., 2020） ，但是，相關(guān)基因的育種利用價值尚有待進一步研究 。 小麥光能利用 相關(guān)基因克隆 ： 克隆了許多參與光合作用酶類的編碼基因 （見表 3） ，但是，這些基因在育種上的利用價值尚不十分清楚 。 表 3 小麥中已被克隆的光合相關(guān)的基因及 其產(chǎn)物 基因產(chǎn)物名稱 主要功能 文獻 PsbP 光合放氧 James and Robinson, 1991 PsbI 光系統(tǒng) Ⅱ 反應(yīng)中心復(fù)合體亞基 Howe et al., 1988 ELIP 早期光誘導(dǎo)蛋白 Shimosaka et al., 1999 Thioredoxin H 電子傳遞 氧化還原 Serrato et al., 2020 Ferredoxin 電子傳遞 氧化還原 Bringloe et al., 1995 PEPC 催化磷酸烯醇式丙酮酸形成草酰乙酸 Besnard, 2020 Rubisco 二氧化碳同化關(guān)鍵酶 Sasanuma 2020 RAB1 活化 Rubisco 酶 Rampino et al., 2020 GAPD 催化 1,3二磷酸甘油酸形成 3 磷酸甘油醛脫氫酶 Bustos and Iglesias, 2020 FBPase 催化 1,6二磷酸果糖形成 6 磷酸果糖 Lloyd et al., 1991 SBPase 催化 1,7二磷酸景天庚酮糖形成 7磷酸景天庚酮糖 Raines et al., 1992 Sucrose synthase 合成蔗糖 Marana et al., 1988 Sucrose phosphate synthase 催化 6磷酸蔗糖形成蔗糖 Castleden et al., 2020 Invertase 催化蔗糖形成葡萄糖和果糖 Greenshields et al., 2020 Sucrose transporter 蔗糖轉(zhuǎn)運 Aoki et al., 2020 遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)研究 國 際 上轉(zhuǎn)基因 技術(shù)水平目前處于發(fā)展完善階段， 標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化和流水線式基因轉(zhuǎn)化已成為提高轉(zhuǎn)基因效率的重要途徑 ， 安全、高效、規(guī)?；蔀檗D(zhuǎn)基因技術(shù)的 主要發(fā)展方向。 小麥的遺傳轉(zhuǎn)化目前依然受到基因型的限制，轉(zhuǎn)化效率尚有待提高。通過創(chuàng)新轉(zhuǎn)化 受體、新型載體、時空表達調(diào)控元件、葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化、定點整合、多基因轉(zhuǎn)化等新型轉(zhuǎn)化方法 以及 無選擇標(biāo)記基因的安全轉(zhuǎn)基因技術(shù) ，提高小麥遺傳轉(zhuǎn)化的效率和安全性，已成為小麥轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展的主要方向。 小麥遺傳轉(zhuǎn)化研究起步雖晚，但發(fā)展較快。 1992 年 Vasil 等利用基因槍介導(dǎo)法將 Bar 基因?qū)肓诵←?，獲得了世界上第一例轉(zhuǎn)基因小麥植株。 1993 年 Weeks等利用基因槍介導(dǎo)法分別將 GUS 基因、 Bar 基因?qū)肓诵←?，初步建立了基因槍法轉(zhuǎn)化小 麥的技術(shù)體系。此后， 小麥的基因轉(zhuǎn)化 技術(shù)研究 進展 較快。目前， 小麥轉(zhuǎn)基因方法 大體 可以分為兩大類：一是不依賴于組織培養(yǎng)的轉(zhuǎn)化，如花粉管通道法、顯微注射法等；二是依賴組織培養(yǎng)的轉(zhuǎn)化，包括基因槍法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、