【正文】 在氮高效性狀研究方面 ，初步發(fā)現(xiàn) 谷氨酰胺合成酶基因極有可能是我國大面積推廣小麥品種具有相對較高氮素利用效率的原因之一，發(fā)現(xiàn)了該基因的優(yōu)異等位變異，利用該等位變異培育氮高效小麥品種的研究正處于順利進(jìn)展之中。通過組合 1Bx14 和 1Dx5 亞基基因的表達(dá)，可以獲得強(qiáng)度和延展性同時(shí)改良的小麥品種。 對這些基 因開展了一系列功能研究，發(fā)表了高質(zhì)量的學(xué)術(shù)論文，并獲得了一些關(guān)鍵基因知識產(chǎn)權(quán)。 調(diào)控小麥品質(zhì)、氮磷養(yǎng)分利用、光能利用效率基因的克隆： 在過去的十年中，我國科研人員在分離 調(diào)控小麥品質(zhì)、氮磷養(yǎng)分利用效率、光能利用效率基因方面開展了一系列卓有成效的研究，分離了一大批關(guān)鍵基因及其優(yōu)異等位變異。 目前，已經(jīng)獲得 TaZnF 和 TaSrg6 超表達(dá)轉(zhuǎn)基因小麥陽性植株。 中科院遺傳與發(fā)育所（ 2020）在干旱誘導(dǎo)的小麥中得到一個(gè) DREB 轉(zhuǎn)錄因子基因 TaDREB1，此轉(zhuǎn)錄因子受干旱、高鹽和低溫脅迫的誘導(dǎo)，而且 WCS120 的表達(dá)與 TaDREB1 基因的表達(dá)密切相關(guān)。因此，我國政府應(yīng)加大小麥養(yǎng)分利用效率基礎(chǔ)研究的支持力度，使我國科學(xué)家可以先于其它國家科研人員獲得調(diào)控這類性狀關(guān)鍵基因的專利。 目前，國際上與小 麥養(yǎng)分利用效率改良直接相關(guān)的專利很少。目前國內(nèi)外尚缺乏可以協(xié)調(diào)改良小麥品質(zhì)和產(chǎn)量性狀之關(guān)鍵基因的專利。但這些專利主要是針對單個(gè)基因調(diào)控單個(gè)性狀來申請的，而且目前尚未見到利用這些專利基因而培育出大面積推廣商業(yè)化品種的報(bào)道。 涉及小麥品質(zhì)、養(yǎng)分利用效率以及光能利用轉(zhuǎn)基因育種和基因克隆的有關(guān)專利 45 個(gè) 。 有關(guān)啟動(dòng) 子克隆及應(yīng)用 專利有 3 項(xiàng)（用于單子葉植物轉(zhuǎn)化的啟動(dòng)子， OsCc1，ABA 等激素控制的啟動(dòng)子， EM） 。根據(jù)專利保護(hù)的地域分類，包括美國、墨西哥、日本專利各 2 項(xiàng)，國際和韓國專利各 1 項(xiàng)。 有關(guān)各種功能基因轉(zhuǎn)化小麥的專利共 8 項(xiàng)，包括有關(guān)抗逆基因 1 項(xiàng)（海藻糖合成酶基因， TPS 和 TPP） ， 抗病基因 4 項(xiàng)（ 調(diào)控 系統(tǒng)獲得性抗性基因， NIM1；小麥赤霉病抗性基因；抗菌肽合成酶基因） ， 抗蟲基因 1 項(xiàng)（ BT 抗蟲基因） ， 除草劑抗性基因的 2 項(xiàng)（除草劑抗性基因， ahas2 gene） 。 根據(jù)專利保護(hù)的地域分類，包括國際專利 8 項(xiàng)，美國專利 14 項(xiàng)，中國專利 3 項(xiàng)，日本專利 1 項(xiàng)，英國專利 1 項(xiàng)，墨西哥專利 1 項(xiàng)。 知識產(chǎn)權(quán)狀況 到 2020 年 1 月為止與小麥遺傳轉(zhuǎn)化有關(guān)的國內(nèi)外專利共計(jì) 86 項(xiàng) （表 9， 10） 。幾天之后，德國的拜耳公司宣布和澳大利亞的 CSIRO（聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織）合作開發(fā)轉(zhuǎn)基因小麥 ，重點(diǎn)是 提高的小麥產(chǎn)量 、 逆境 抗性 以及 提高磷肥的利用效率 ，并計(jì)劃 在 2020 年將轉(zhuǎn)基因小麥品種推向市場。這個(gè)積極的信息預(yù)示著新一輪轉(zhuǎn)基因小麥研發(fā)競爭開始了。由于 隨著近幾年美國小麥種植面積逐年下滑、產(chǎn) 量和效益持續(xù)下降，對利用生物技術(shù)提高小麥產(chǎn)量和效益的呼聲不斷提高， 調(diào)查顯示 75%的美國小麥生產(chǎn)農(nóng)戶開始愿意接受種植轉(zhuǎn)基因小麥。此外，歐盟還頒布了一些轉(zhuǎn)基因生物制品、添加劑和調(diào)味劑的重要指令；轉(zhuǎn)基因生物越境轉(zhuǎn)移法規(guī)、轉(zhuǎn)基因生物可追蹤性和標(biāo)識及由轉(zhuǎn)基因生物制成的食品和飼料產(chǎn)品可追蹤性法規(guī)等諸多法案。 表 8 美國、歐盟和中國轉(zhuǎn)基因相關(guān)法律法規(guī) 美國 歐盟 中國 重組 DNA 分子研究準(zhǔn)則 生物技術(shù)管理協(xié)調(diào)大綱 動(dòng)植物、微生物生物安全 ? 植物檢疫法 ? 聯(lián)邦植物有害生物法 ? 病毒 ——血清 ——毒素法 ? 聯(lián)邦殺蟲劑、殺 真菌劑、殺嚙齒類動(dòng)物藥物法 ? 毒物控制法 ? 生物技術(shù)微生物產(chǎn)品準(zhǔn)則 ? 關(guān)于新微生物申請的準(zhǔn)備要點(diǎn) 食品與藥物管理 ? 公共衛(wèi)生服務(wù)法 ? 聯(lián)邦食品、藥物和化妝品法 轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物安全法案 ? 轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物農(nóng)民保護(hù)法案 ? 轉(zhuǎn)基因食品知情權(quán)法案 ? 轉(zhuǎn)基因生物責(zé)任法案 重要指令 ? 封閉使用轉(zhuǎn)基因生物 ? 轉(zhuǎn)基因生物有意環(huán)境釋放 ? 一些轉(zhuǎn)基因生物制品、添加劑和調(diào)味劑 重要法案 ? 轉(zhuǎn)基因生物越境轉(zhuǎn)移法規(guī) ? 轉(zhuǎn)基因生物可追蹤性和標(biāo)識及由轉(zhuǎn)基因生物制成的食品和飼料產(chǎn)品可追蹤性 ? 轉(zhuǎn)基因食品和飼料條例 基因工程安全 ? 基因工程安全管理辦法 農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全 ? 農(nóng) 業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理?xiàng)l例 ? 農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評價(jià)管理辦法 ? 農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物標(biāo)識管理辦法 ? 農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物進(jìn)口安全管理辦法 ? 農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評價(jià)管理程序 ? 農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物進(jìn)口安全管理程序 ? 農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物標(biāo)識審查認(rèn)可程序 轉(zhuǎn)基因食品安全 ? 食品衛(wèi)生法 ? 轉(zhuǎn)基因食品衛(wèi)生管理辦法 轉(zhuǎn)基因藥品安全 ? 新生物制品審批辦法 轉(zhuǎn)基因微生物安全 ? 病原微生物實(shí)驗(yàn)室生物安全管理?xiàng)l例 歐盟是生物安全國際法的主要推動(dòng)者之一， 1984 年，歐盟建立了旨在協(xié)調(diào)共同體內(nèi)生物技術(shù)政策的生物技術(shù)指導(dǎo)委員會(huì)， 1986 年進(jìn)一步召集成員國就有關(guān)問題展開討論， 著力解決協(xié)調(diào)活動(dòng)、發(fā)展控制水平、工業(yè)廢物的管理、突發(fā)事件的應(yīng)變以及有計(jì)劃的環(huán)境釋放授權(quán)等問題。從政府管理職能來看，美國對轉(zhuǎn)基因生物安全管理主要由美國農(nóng)業(yè)部（ USDA）、環(huán)保署（ EPA）和食品與藥物管理局（ FDA）負(fù)責(zé)?，F(xiàn)有法律為監(jiān)管生物技術(shù)產(chǎn)品提供足夠的權(quán)力。該框架規(guī)定生物技術(shù)產(chǎn)品與未修飾的有機(jī)或傳統(tǒng)產(chǎn)品沒有本質(zhì)不同，監(jiān)管的重點(diǎn)是最終產(chǎn)品而非生產(chǎn)過程。此外，不管轉(zhuǎn)基因生物研發(fā)公司或大學(xué)均強(qiáng)化轉(zhuǎn)基因生物安全評價(jià)的主體和主要責(zé)任人，視安全為產(chǎn)品的根本，效果和安全同等對 待，在人員投入與經(jīng)費(fèi)安排等方面與生物技術(shù)研發(fā)同等重視。杜邦公司 的 先鋒國際種業(yè)， 建立了 轉(zhuǎn)基因生物技術(shù) 研發(fā)與 環(huán)境安全和食用 /飼用安全評價(jià) 體系 。 這些研究成果可為高產(chǎn)小麥轉(zhuǎn)基因育種提供新途徑和新的基因資源。 Song 等 [107]成功克隆了控制水稻粒重的數(shù)量性狀基因 GW2， GW2 功能缺失或降低時(shí)，降解與細(xì)胞分裂相關(guān)蛋白的能力隨之下降，從而使細(xì)胞分裂加快，谷粒谷殼的細(xì)胞數(shù)目增加，進(jìn)而顯 著增加水稻谷粒的寬度、加快籽粒灌漿速度、增加粒重及產(chǎn)量。玉米 Shrunken2 基因的轉(zhuǎn)基因小麥株系與對照相比，單株籽粒產(chǎn)量增加 38%， 生物 產(chǎn) 量 增加 31%[106]。 (3) 提高小麥胚乳中的淀粉含量，如 ADP葡萄糖焦磷酸化酶 大亞基 基因(Shrunken2)[106]。 (2) 改善小麥分蘗、根部發(fā)育及延緩小麥葉片衰老等 ， 如玉米側(cè)芽分枝基因 (TB1) [102]、紅花菜豆 赤霉素 2 氧化酶基因 [103]、根癌農(nóng)桿菌來源的異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因[104105]等。目前對產(chǎn)量相關(guān)的分子調(diào)控機(jī)制了解尚不充分，高產(chǎn)轉(zhuǎn)基因小麥育種還處于探索階段： (1) 轉(zhuǎn)入 植物 光合作用中 的 關(guān)鍵酶基因，提高小麥光合作用，如磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因 (pepc) [100101]。目前，在小麥 營養(yǎng) 成分改良方面研究較少，但在水稻、玉米、大豆等作物中通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)增加蛋白 /淀粉 /油份及必需氨基酸的含量，添加維生素、礦物質(zhì)等已取得較大進(jìn)展，對今后小麥轉(zhuǎn)基因是很好的借鑒。 (3) 優(yōu)化營養(yǎng)成分 ： 如 利用 支鏈淀粉酶 Ⅱ a、 b [99]， 賴氨酸合成關(guān)鍵酶基因 DapA[94]等改善營養(yǎng)成 分 。用于改善 籽粒硬度 的 基因 有 PinA 和 PinB 基因 [8993]等 。其后，許多研究者開展了高分子量谷蛋白亞基 基因 的轉(zhuǎn)基因研究，主要集中在 1Ax1, 1Dx5 和 1Dy10 等亞基基因。關(guān)于轉(zhuǎn)基因小麥品質(zhì)改良研究的報(bào)道較多（占 %） (圖 1)。近年 來，利用抗逆相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子提高植物的抗逆性受到廣泛關(guān)注， 2020 年 日本國際合作局 (JICA)批準(zhǔn)了資助巴西轉(zhuǎn)基因耐旱大豆開發(fā)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目 由 JIRCAS 和巴西農(nóng)業(yè)研究公司 (EMBRAPA)合作攻關(guān)，由 JIRCAS 提供相關(guān) DREB 基因，目前該研究進(jìn)展順利 并 將于 20202020 年進(jìn)行耐旱性評估 試驗(yàn) 。隨著植物逆境脅迫信號傳導(dǎo)及基因表達(dá)調(diào)控研究的深入， 發(fā)現(xiàn)一些轉(zhuǎn)錄因子在逆境脅迫條件下可以激活一系列抗逆相關(guān)的基因表達(dá)，對提高植物的抗逆性起著關(guān)鍵作用。 小麥抗逆轉(zhuǎn)基因研究 約占轉(zhuǎn)基因小麥研究的 % (圖 1)， 多集中于一些與抗逆相關(guān)的功能基因，如甜菜堿 醛脫氫酶基因、 Na+/H+逆向運(yùn)轉(zhuǎn)體基因等，這 類基因 可以在一定程度上 提高小麥 的 抗逆性 。高世慶等 [70]將大豆 GmDREB 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)入小麥， 發(fā)現(xiàn) 轉(zhuǎn)基因小麥的耐旱和耐鹽能力明顯提高。Xue 等 [73]田間試驗(yàn)表明，擬南芥 Na+/H+逆向運(yùn)轉(zhuǎn)體基因 （ AtNHX1） 可以提高小麥在鹽漬地的耐鹽性。 Sivamani 等 [75]將大麥 胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白 基因 HVA1轉(zhuǎn)入小麥，干旱條件下 T3 代轉(zhuǎn)基因植株的水分利用效率、根部發(fā)育和地上部干重均明顯優(yōu)于對照。 Abebe 等 [77]對 甘露醇 1磷酸脫氫酶 (mtlD)轉(zhuǎn)基因小麥進(jìn)行抗旱和耐鹽鑒定，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因株系在濕重、干重、株高、旗葉長度等方面均有改善。 表 5 抗 蟲轉(zhuǎn)基因小麥研究現(xiàn)狀 基因名稱 Gene introduced 基因來源 Species of introduced gene 功能 Trait 轉(zhuǎn)化方法 Transformation method 文獻(xiàn) Reference 雪花蓮凝集素基因 人工合成 抗蚜蟲 基因槍 [5859] 雪花蓮 抗蚜蟲 基因槍 [6061] 絲氨酸蛋白酶抑制基因 馬鈴薯 抗禾谷孢囊線蟲 農(nóng)桿菌介導(dǎo)法 [62] 胰蛋白酶抑制基因 BTICMe 大麥 抗 麥蛾 基因槍 [63] 蘇云金芽孢桿菌殺蟲蛋白基因 蘇云金芽 孢桿菌 抗蚜蟲 和粘蟲 農(nóng)桿菌介導(dǎo)法 [64] 半夏凝集素基因 半夏 （ 3） 抗逆轉(zhuǎn)基因小麥 干旱、鹽 堿和 低溫等逆境是限制小麥產(chǎn)量的 重 要非生物脅迫，為了更充分利用現(xiàn)有耕地提高小麥產(chǎn)量，小麥抗逆育種顯得尤為重要。 Schnee 等 [66]和Beale 等 [67]分別將玉米 TPS10 和歐洲薄荷 EβF 合成酶基因轉(zhuǎn)入擬南芥，獲得釋放EβF 揮發(fā)物的植株，轉(zhuǎn)基因植株可驅(qū)離蚜蟲并吸引蚜蟲寄生性天敵 蚜繭蜂 。 [反 ]β法尼烯 (EβF)作為大多數(shù)蚜蟲報(bào)警信息素的主要成份，可以使蚜蟲產(chǎn)生騷動(dòng)、從植株上脫落，并吸引蚜蟲天敵。根據(jù) Birch 等 [65]的報(bào)道，二星瓢蟲取食轉(zhuǎn) gna 馬鈴薯上的蚜蟲后，其產(chǎn)卵力、卵的生存力和壽命明顯降低，因而，轉(zhuǎn) gna 植物對生態(tài)環(huán)境的影響引起了人們的關(guān)注。 小麥抗蟲轉(zhuǎn)基因研究較少，約占 % (圖 1)。ger 等 [61]將韌皮部特異啟動(dòng)子 調(diào)控 下的 gna 基因?qū)胄←湥?發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因 株系對小麥長管蚜有抗性，目的基因表達(dá)量高于 %的植株可以顯著降低蚜蟲繁殖率，但不影響蚜蟲存活率。 凝集素是一類具有特異糖結(jié)合活性的蛋白，對蚜蟲等同翅目害蟲有很強(qiáng)的抗殺作用。 Alpeter 等 [63]將大麥 胰蛋白酶抑制基因 BTICme 轉(zhuǎn)入小麥，該基因?qū)?chǔ)存害蟲 麥蛾 有較強(qiáng)的抑制作用，但對小麥葉面害蟲作用不大。 近年來，由于全球 CO2 濃度不斷增加、耕作制度變化等使麥蚜的繁殖能力和適應(yīng)性顯著增強(qiáng) [57]， 其危害面積和危害程度正在不斷擴(kuò)大并日趨嚴(yán)重 。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國 為害麥類作物的害蟲超過 110 種，隸屬于 8 目 40 科以上，主要包括麥蚜、吸漿蟲、地下害蟲、麥蜘蛛、黏蟲、薊馬、麥葉蜂、麥莖蜂等 10 余類群 [55]。小麥 赤霉病 、紋枯病、根 腐病等重要病害在小麥品種中缺少抗源，挖掘抗病基因，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)制抗病小麥材料，將成為今后我國抗病轉(zhuǎn)基因小麥的研究重點(diǎn)。 接種小麥根腐病菌 72 小時(shí)后，與對照相比 ， 轉(zhuǎn)基因小麥株系的癥狀減輕 46%~50%。真菌侵染植物時(shí)，往往會(huì)釋放 一種多聚半乳糖醛酸酶，破壞植物細(xì)胞壁， PGIP 能特異性結(jié)合并抑制真菌多聚半乳糖醛酸酶活性，增強(qiáng)植物的抗病性。 (3) 抗病毒類基因：如病毒復(fù)制酶和外殼蛋白基因 [2426, 2932]、自裂殖酵母來源的 Pac1 基因 [28]、 大腸桿菌 來源的突變核糖核酸酶基因 III[33]等。 (2) 抗菌肽及抗菌蛋白類基因 ： 如核糖體失活蛋白基因 [39]、 KP4[54]等。 例如， 大麥幾丁質(zhì)酶 II 基因可顯著提高小麥對白粉病和赤霉病的抗性 [4849]。目前，利用 抗病 以及 防御反應(yīng) 相關(guān) 的基因 已經(jīng)獲得一些具有潛在利用價(jià)值的轉(zhuǎn)基因小麥材料 (表 4)。利用 轉(zhuǎn)基因技術(shù)圖 1 小麥 轉(zhuǎn)基因 研究現(xiàn)狀 培育的抗病轉(zhuǎn)基因棉花 、玉米等作物已廣泛應(yīng)用 于生產(chǎn)。 轉(zhuǎn)基因小麥 主要涉及抗病、抗蟲、抗逆、 抗除草劑 、 品質(zhì)改良、 提高產(chǎn)量 等 ，應(yīng)用 較多的為 抗病 (%)和品質(zhì)改良 (%)方面 (圖 1)。 農(nóng)桿菌介導(dǎo)法近年來已廣泛用于小麥遺傳轉(zhuǎn)化 。 2020 年 Hu等 [21]對基因槍法和農(nóng)桿菌介導(dǎo)法的 小麥 轉(zhuǎn)化效果進(jìn)行了比較， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：農(nóng)桿菌介導(dǎo)法的轉(zhuǎn)化效率為 %，高于基因槍的 %；獲得單拷貝轉(zhuǎn)基因植株的幾率(60%)為基因槍法 (20%)的三倍多。 第一例農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因小麥于 1997 年獲得成功 [17]； Xia 等 [18]和 Weir等 [