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一、摘要

禾谷類作物外源基因導入與表達的研究現狀及進展。詳細闡述了常用的外源基因導入方法，包括農桿菌介導法、基因槍法等，以及影響外源基因在禾谷類作物中表達的多種因素，如啟動子選擇、基因沉默現象等。此外，對目前研究成果在提高作物產量、增強抗逆性等方面的應用進行了討論，并對未來研究方向提出展望，旨在為禾谷類作物基因工程改良提供全面而深入的參考。

二、引言

禾谷類作物是全球重要的糧食作物，為人類提供了大量的碳水化合物、蛋白質等營養物質。隨著人口增長和環境變化，提高禾谷類作物的產量、品質和抗逆性成為保障全球糧食安全的關鍵挑戰。傳統的育種方法在一定程度上滿足了人類對禾谷類作物改良的需求，但存在周期長、遺傳資源有限等局限性。基因工程技術的出現為禾谷類作物的改良提供了新的途徑，通過將外源基因導入禾谷類作物，可以賦予其新的優良性狀，如抗病蟲害、抗逆、提高營養價值等。因此，深入研究禾谷類作物外源基因導入與表達對于推動農業可持續發展具有至關重要的意義。

三、外源基因導入禾谷類作物的方法

（一）農桿菌介導法

原理

農桿菌是一種天然的基因工程載體，其中根癌農桿菌含有 Ti 質粒，發根農桿菌含有 Ri 質粒。當農桿菌感染植物傷口時，Ti 或 Ri 質粒上的 T - DNA 區可以轉移并整合到植物基因組中。在基因工程應用中，將目的基因插入到經過改造的 T - DNA 區域，通過農桿菌與禾谷類作物組織的共培養，實現外源基因的導入。

實驗步驟

農桿菌菌株的選擇與培養：選擇適合禾谷類作物轉化的農桿菌菌株，如 LBA4404 等。將農桿菌接種于含有相應抗生素的 LB 液體培養基中，在 28℃、200rpm 的條件下振蕩培養至對數生長期。

禾谷類作物外植體的準備：選取合適的禾谷類作物組織作為外植體，如水稻的幼胚、玉米的幼穗等。將外植體消毒后，在無菌條件下切成適當大小。

共培養：將處于對數生長期的農桿菌菌液與外植體在共培養基上進行共培養，共培養基中通常含有特定的植物激素和乙酰丁香酮等誘導物質。共培養條件一般為 22 - 25℃、黑暗環境下培養 2 - 3 天。

篩選與再生：共培養結束后，將外植體轉移至含有篩選抗生素的再生培養基上，抑制未轉化細胞的生長，促進轉化細胞的再生。經過多次篩選和繼代培養，獲得轉基因植株。

（二）基因槍法

原理

基因槍法又稱微彈轟擊法，是利用高速飛行的金屬微粒（如金粉或鎢粉）將外源 DNA 帶入植物細胞。這些金屬微粒表面吸附有目的基因，在高壓氣體或爆炸等動力作用下，微粒高速穿透植物細胞壁和細胞膜，將外源基因導入細胞內。

實驗步驟

微彈制備：將金粉或鎢粉與外源 DNA、氯化鈣、亞精胺等混合，使 DNA 吸附在微彈表面。經過離心、洗滌等步驟，制備成可用于轟擊的微彈。

植物材料準備：選擇禾谷類作物的幼嫩組織或細胞懸浮培養物作為轟擊對象。將植物材料置于培養皿中，固定在基因槍的轟擊室內。

轟擊參數設置：根據不同的基因槍類型和植物材料，設置合適的轟擊壓力、距離和次數等參數。例如，對于水稻幼胚，轟擊壓力可設置為 1100 - 1300psi，轟擊距離為 6 - 9cm，轟擊次數為 1 - 2 次。

轟擊后處理：轟擊完成后，將植物材料轉移至合適的培養基上進行培養和篩選，方法類似于農桿菌介導法中的再生和篩選步驟。

（三）其他方法

花粉管通道法

在授粉后一定時間內，將含有外源基因的溶液注射到花柱內，使外源基因隨著花粉管的伸長進入胚囊，從而實現基因轉化。這種方法操作相對簡單，但轉化效率較低且可重復性較差。

電穿孔法

利用高壓電脈沖在植物細胞膜上形成短暫的可逆性小孔，使外源 DNA 能夠通過這些小孔進入細胞。該方法需要特定的電穿孔設備，并且對細胞的損傷和處理條件要求較為嚴格。

四、影響外源基因在禾谷類作物中表達的因素

（一）啟動子的選擇

啟動子是調控基因轉錄起始的關鍵元件。在禾谷類作物基因工程中，常用的啟動子包括組成型啟動子、組織特異性啟動子和誘導型啟動子。

組成型啟動子

如 CaMV35S 啟動子，它可以在植物的各個組織和發育階段持續驅動基因表達。但在某些情況下，組成型表達可能會導致植物生長發育異常或能量浪費。

組織特異性啟動子

例如，水稻谷蛋白基因啟動子可以在水稻種子中特異性啟動基因表達，將目的基因在特定組織中表達可以更有效地發揮其功能，同時減少對其他組織的不良影響。

誘導型啟動子

如受干旱、高溫等環境因素誘導的啟動子，當植物受到相應脅迫時，啟動子被激活，使目的基因表達，增強植物的抗逆性。

（二）基因沉默現象

基因沉默是外源基因在植物中表達過程中常見的問題，主要包括轉錄水平基因沉默和轉錄后基因沉默。

轉錄水平基因沉默

主要是由于 DNA 甲基化、異染色質化等原因，導致基因轉錄受到抑制。例如，當外源基因插入到基因組中的某些甲基化敏感區域時，可能會發生高度甲基化，從而使基因無法正常轉錄。

轉錄后基因沉默

與小 RNA 介導的 RNA 降解機制有關。當外源基因轉錄產生的 mRNA 與細胞內的小 RNA 互補配對時，mRNA 會被降解，導致基因表達量降低或無法表達。

（三）拷貝數與整合位點

外源基因在禾谷類作物基因組中的拷貝數和整合位點對其表達有顯著影響。高拷貝數的外源基因可能會引起基因沉默，而整合到轉錄活躍區域的外源基因通常比整合到沉默區域的基因表達效率更高。

五、外源基因導入與表達在禾谷類作物改良中的應用

（一）提高作物產量

通過導入與光合作用、養分吸收和利用等相關的外源基因，可以提高禾谷類作物的產量。例如，將編碼高效光合作用相關酶的基因導入水稻中，增強水稻的光合效率，從而增加產量。

（二）增強抗逆性

抗病蟲害

導入抗蟲基因（如 Bt 基因）或抗病基因，可以使禾谷類作物對害蟲和病原菌具有更強的抵抗力。例如，轉 Bt 基因的玉米能夠有效抵抗玉米螟的侵害。

抗非生物脅迫

引入抗逆相關基因，如抗干旱、抗鹽堿基因等。如將來自于某些耐鹽植物的基因導入小麥中，提高小麥的耐鹽性，使其能夠在鹽堿地等惡劣環境下生長。

（三）改善作物品質

營養品質

可以通過導入編碼特定營養成分（如維生素、礦物質、必需氨基酸等）合成相關的基因，改善禾谷類作物的營養品質。例如，通過基因工程提高水稻中維生素 A 前體的含量，有助于緩解維生素 A 缺乏問題。

加工品質

改變禾谷類作物的淀粉、蛋白質等成分的結構和性質，以滿足不同的加工需求。如改變小麥面筋蛋白的組成，提高面粉的加工品質。

六、研究進展與挑戰

（一）研究進展

近年來，禾谷類作物外源基因導入與表達研究取得了顯著成果。在轉化方法上，農桿菌介導法和基因槍法不斷優化，轉化效率有所提高，并且新的轉化方法也在不斷探索。在基因表達調控方面，對啟動子的研究更加深入，能夠更精準地控制外源基因的表達。同時，通過多基因轉化等技術，實現了對禾谷類作物多個性狀的同時改良。

（二）挑戰

盡管取得了進展，但仍面臨一些挑戰。首先，基因沉默問題仍然是影響外源基因穩定表達的重要因素，需要進一步深入研究其機制并尋找有效的解決方法。其次，對于外源基因導入可能帶來的環境和食品安全問題需要進行更全面的評估。此外，提高轉化效率、降低成本以及拓展可轉化的禾谷類作物品種范圍等也是未來研究需要解決的問題。

七、結論與展望

禾谷類作物外源基因導入與表達研究為作物改良提供了強大的工具和廣闊的前景。通過不斷優化導入方法、深入研究基因表達調控機制以及解決相關的挑戰，可以更有效地利用基因工程技術提高禾谷類作物的產量、品質和抗逆性。未來的研究需要跨學科的合作，綜合考慮科學、環境和社會等多方面因素，以實現禾谷類作物基因工程改良的可持續發展，為保障全球糧食安全做出更大的貢獻。同時，隨著技術的不斷發展，如基因編輯技術的興起，有望與外源基因導入技術相結合，開創禾谷類作物改良的新局面。