植物遺傳基因可以修改嗎,科學家改變植物中的DNA對人類有什么益處？

這就是基因工程的一個分支植物遺傳基因可以修改嗎，舉個例子吧。袁隆平就是從宏觀上修改了一下水稻的基因，培育出高產(chǎn)量的水稻。植物基因工程是80年代開始興起和發(fā)展起來的一門新技術，它是在分子遺傳學的理論基礎上，綜合采用了分子生物學、微生物學和植物組織培養(yǎng)的現(xiàn)代方法和技術建立起來的，給園藝植物和農(nóng)作物提供了一條重要的品種改良途徑。
科學家改變植物中的DNA可以培育出新的自然界所不存在的物種，達到人類理想的目的，如白菜-甘藍（已經(jīng)上市），正在試驗的番茄-馬鈴薯（地上結番茄，地下長土豆），以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質量，解決糧食問題。通過修改基因，可以培育出許多兼有多種植物品質的新型作物，速生林，草坪用草等。
植物基因工程包括：
（1）抗病基因工程
植物抗病毒基因工程中，抗病毒基因工程進展最快。自從將煙草花葉病毒（TMV）的外殼蛋白（Coat protein，CP）基因導入煙草中，發(fā)現(xiàn)轉基因植株發(fā)病時間明顯延遲，或病害的癥狀明顯減輕后，通過導入植物病毒的外殼蛋白基因來提高植物的抗病毒能力，己在多種植物病毒中進行了試驗。黃瓜花葉病毒（CMV）、馬鈴薯X病毒和Y病毒（PVX和PVY）、大豆花葉病毒（SMV）、苜?；ㄈ~病毒（AIMV）、木瓜環(huán)斑病毒等20多種病毒的外殼蛋白基因導入植物后，均得到了類似的結果，使植物獲得對相應病毒的抗性。有人發(fā)現(xiàn)，導入一種病毒的外殼蛋白基因對其他近緣病毒也表現(xiàn)出抗性。在我國，導入TMV和CMV外殼蛋白基因獲得的抗病毒煙草已在進行田間試驗，增產(chǎn)效果明顯。除外殼蛋白基因外，利用轉移病毒的反義RNA或衛(wèi)星RNA基因來提高植物的抗病毒能力，也獲得了不同程度的成功。此外，利用病毒復制酶基因（Replilcase）、核酶（ribozyme）基因以及植物本身編碼的抗病毒基因如核糖體失活蛋白基因（Ribosme Inactivating Protein，RIP）等等一些新的抗病毒基因也有獲得成功的報道。
對于細菌性病害，其途徑之一就是將病原菌基因導入植物細胞，使其過量表達，或表達失去原有功能的蛋白，或表達失去原有的時空性，從而干擾病原菌的正常生理代謝，使寄主植株表現(xiàn)出抗性。如菜豆毒素是菜豆假單胞桿菌中重要的致病因子，其作用機理是抑制植物本身存在的鳥氨酸氨甲?；D移酶（OCTase），而菜豆假單胞桿菌本身存在抗菜豆毒素的OCTase，轉編碼該酶基因的煙草在接種菜豆毒素后不表現(xiàn)系統(tǒng)病癥，而對照植株則表現(xiàn)花葉退綠，最終死亡。
殺菌肽可破壞細菌細胞膜，改變細胞內外滲透壓，細胞內容物尤其是K＋的外滲，導致細菌死亡。溶菌酶可裂解某些細菌胞壁的多糖組分并溶解它們。溶菌酶基因和多種殺菌肽基因已被克隆并轉入煙草，轉基因植株對細菌有一定的抗性。
控制真菌的關鍵，取決于對植物與病原真菌相互作用的分子機理的了解。目前已知植物防衛(wèi)反應主要表現(xiàn)在誘導產(chǎn)生或激活抗菌物質和增強胞壁結構兩方面，因此抗真菌病害基因工程應主要從這兩方面著手。
幾丁質酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因的產(chǎn)物均能降解許多真菌的細胞壁主要成分幾丁質和β-1,3-葡聚糖，兩者之間有協(xié)同作用，從而抑制真菌的生長繁殖。多種幾丁質酶已被克隆并轉入煙草、番茄，轉化植株表現(xiàn)了抗真菌的特性。
植物抗毒素是植物產(chǎn)生的對一些不同種類的病原菌具有毒性的物質，亦稱植保素。它的合成受真菌侵染、傷害和紫外輻射等的誘導。不同植物產(chǎn)生不同的抗毒素，病菌對非寄主植物的抗毒素敏感性較強。目前已鑒定了200多種植保素，其中以類黃酮與類萜類植保素研究最多。從葡萄中分離出的一種植物抗毒素3,4,5-三羥 合成酶基因導入煙草后，轉基因植株與對照相比表現(xiàn)出對病原菌（Botrytis cinerea）更強的抗性。
苯丙烷代謝過程中的代謝次生產(chǎn)物包括預防性抗菌物質（如木質素）、誘導性抗性物質（如植保素）及與防御屏障有關的細胞壁分類物質。過氧化物酶催化苯基類丙烷醇脫氫聚合最終合成木質素，并催化細胞壁蛋白與多糖分子之間的交聯(lián)。
此外導入植物的核糖體滅活蛋白（RIP）抗真菌性病害也有報道。

（2）抗蟲基因工程 ...展開這就是基因工程的一個分支，舉個例子吧。袁隆平就是從宏觀上修改了一下水稻的基因，培育出高產(chǎn)量的水稻。植物基因工程是80年代開始興起和發(fā)展起來的一門新技術，它是在分子遺傳學的理論基礎上，綜合采用了分子生物學、微生物學和植物組織培養(yǎng)的現(xiàn)代方法和技術建立起來的，給園藝植物和農(nóng)作物提供了一條重要的品種改良途徑。
科學家改變植物中的DNA可以培育出新的自然界所不存在的物種，達到人類理想的目的，如白菜-甘藍（已經(jīng)上市），正在試驗的番茄-馬鈴薯（地上結番茄，地下長土豆），以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質量，解決糧食問題。通過修改基因，可以培育出許多兼有多種植物品質的新型作物，速生林，草坪用草等。
植物基因工程包括：
（1）抗病基因工程
植物抗病毒基因工程中，抗病毒基因工程進展最快。自從將煙草花葉病毒（TMV）的外殼蛋白（Coat protein，CP）基因導入煙草中，發(fā)現(xiàn)轉基因植株發(fā)病時間明顯延遲，或病害的癥狀明顯減輕后，通過導入植物病毒的外殼蛋白基因來提高植物的抗病毒能力，己在多種植物病毒中進行了試驗。黃瓜花葉病毒（CMV）、馬鈴薯X病毒和Y病毒（PVX和PVY）、大豆花葉病毒（SMV）、苜?；ㄈ~病毒（AIMV）、木瓜環(huán)斑病毒等20多種病毒的外殼蛋白基因導入植物后，均得到了類似的結果，使植物獲得對相應病毒的抗性。有人發(fā)現(xiàn)，導入一種病毒的外殼蛋白基因對其他近緣病毒也表現(xiàn)出抗性。在我國，導入TMV和CMV外殼蛋白基因獲得的抗病毒煙草已在進行田間試驗，增產(chǎn)效果明顯。除外殼蛋白基因外，利用轉移病毒的反義RNA或衛(wèi)星RNA基因來提高植物的抗病毒能力，也獲得了不同程度的成功。此外，利用病毒復制酶基因（Replilcase）、核酶（ribozyme）基因以及植物本身編碼的抗病毒基因如核糖體失活蛋白基因（Ribosme Inactivating Protein，RIP）等等一些新的抗病毒基因也有獲得成功的報道。
對于細菌性病害，其途徑之一就是將病原菌基因導入植物細胞，使其過量表達，或表達失去原有功能的蛋白，或表達失去原有的時空性，從而干擾病原菌的正常生理代謝，使寄主植株表現(xiàn)出抗性。如菜豆毒素是菜豆假單胞桿菌中重要的致病因子，其作用機理是抑制植物本身存在的鳥氨酸氨甲酰基轉移酶（OCTase），而菜豆假單胞桿菌本身存在抗菜豆毒素的OCTase，轉編碼該酶基因的煙草在接種菜豆毒素后不表現(xiàn)系統(tǒng)病癥，而對照植株則表現(xiàn)花葉退綠，最終死亡。
殺菌肽可破壞細菌細胞膜，改變細胞內外滲透壓，細胞內容物尤其是K＋的外滲，導致細菌死亡。溶菌酶可裂解某些細菌胞壁的多糖組分并溶解它們。溶菌酶基因和多種殺菌肽基因已被克隆并轉入煙草，轉基因植株對細菌有一定的抗性。
控制真菌的關鍵，取決于對植物與病原真菌相互作用的分子機理的了解。目前已知植物防衛(wèi)反應主要表現(xiàn)在誘導產(chǎn)生或激活抗菌物質和增強胞壁結構兩方面，因此抗真菌病害基因工程應主要從這兩方面著手。
幾丁質酶基因和β-1,3-葡聚糖酶基因的產(chǎn)物均能降解許多真菌的細胞壁主要成分幾丁質和β-1,3-葡聚糖，兩者之間有協(xié)同作用，從而抑制真菌的生長繁殖。多種幾丁質酶已被克隆并轉入煙草、番茄，轉化植株表現(xiàn)了抗真菌的特性。
植物抗毒素是植物產(chǎn)生的對一些不同種類的病原菌具有毒性的物質，亦稱植保素。它的合成受真菌侵染、傷害和紫外輻射等的誘導。不同植物產(chǎn)生不同的抗毒素，病菌對非寄主植物的抗毒素敏感性較強。目前已鑒定了200多種植保素，其中以類黃酮與類萜類植保素研究最多。從葡萄中分離出的一種植物抗毒素3,4,5-三羥 合成酶基因導入煙草后，轉基因植株與對照相比表現(xiàn)出對病原菌（Botrytis cinerea）更強的抗性。
苯丙烷代謝過程中的代謝次生產(chǎn)物包括預防性抗菌物質（如木質素）、誘導性抗性物質（如植保素）及與防御屏障有關的細胞壁分類物質。過氧化物酶催化苯基類丙烷醇脫氫聚合最終合成木質素，并催化細胞壁蛋白與多糖分子之間的交聯(lián)。
此外導入植物的核糖體滅活蛋白（RIP）抗真菌性病害也有報道。

（2）抗蟲基因工程

蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thurigiensis，Bt）制劑長期以來即用于多種蟲害的生物防冶，因其產(chǎn)生的伴胞晶體蛋白對多種昆蟲的幼蟲有很強的毒殺作用，故稱為殺蟲晶體蛋白（insecticidal crysta1 protein，ICP）。它對脊椎動物無毒害，對環(huán)境安全，不同的菌株可產(chǎn)生不同的殺蟲晶體蛋白，從而表現(xiàn)出對不同昆蟲毒性的專一性。對鱗翅目、雙翅目和鞘翅目昆蟲幼蟲具有專一性毒殺作用的蘇云金芽孢桿菌菌株均已獲得。另外還發(fā)現(xiàn)同一菌株可產(chǎn)生不同的殺蟲晶體蛋白，如表現(xiàn)為對鱗翅目和鞘翅目昆蟲均有毒殺力的菌株。
自從將Bt毒蛋白基因導人煙草和番茄并表達，表現(xiàn)出抗蟲特性以來，已相繼獲得抗蟲轉基因玉米、水稻、馬鈴薯、甘藍、棉花、楊樹等。由于Bt毒蛋白基因是原核生物的基因，直接轉入植物效果不明顯，通過將編碼氨基酸的密碼子改變?yōu)橹参锼珢鄣膲A基，結果使之在植物中的表達量大大增加，這已在轉Bt抗蟲棉上獲得成功。
除了Bt毒蛋白之外，人們也在探索其它的抗蟲基因，比較成功的是利用植物的蛋白酶抑制物。因蛋白酶抑制物能抑制昆蟲消化系統(tǒng)中的蛋白酶，從而抑制蛋白質的降解，導致昆蟲消化不良而影響其生長發(fā)育，甚至死亡。Hinder等將編碼豇豆胰蛋白酶抑制物（CpTI）的基因轉移到煙草后，明顯增強了轉基因煙草對煙草夜蛾（Heliothis virescens）幼蟲的抗性。利用麥胚凝集素基因（WGA）、雪花蓮（Galanthus nivalis）外源凝集素（GNA）基因、α-淀粉酶抑制物（a-AI）基因導入不同的作物中，也表現(xiàn)出明顯增加抗蟲性。特別是GNA，由于其對蚜蟲和稻飛虱等害蟲的毒性，不少實驗室正在對其抗蟲基因工程進行深入研究。此外，一些昆蟲毒素（蝎子神經(jīng)毒素、蜘蛛殺蟲肽等）基因也已被用于抗蟲基因工程，如將蜘蛛殺蟲肽基因導人煙草，轉基因煙草表現(xiàn)出對棉鈴蟲有較強的抗性。

（3）抗除草劑基因工程

化學除草劑在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中起著十分重要的作用，新的除草劑也不斷出現(xiàn)，作為一個理想的除草劑，必須具有高效、廣譜的殺草能力，而且對作物及人畜無害，在土壤中的殘留期要短，還不能增加大多的農(nóng)業(yè)成本。但是現(xiàn)在要開發(fā)出一種新的符合上述要求的除草劑，成本已越來越高。通過基因工程技術來提高除草劑的選擇性以及對作物的安全性，無疑具有重要的意義。同時，在作物中導入抗除草劑基因，也使人們在選擇適于輪作或套作的作物種類上有較大的自由。在進行抗除草劑基因工程研究時，有兩條途徑可供選擇：一是導入編碼特定除草劑作用的靶酶或靶蛋白的基因，使之產(chǎn)生過量靶酶或靶蛋白；或導入由抗性突變體（微生物或植物）克隆的突變基因，由其產(chǎn)生的靶酶或靶蛋白對該除草劑的敏感性發(fā)生改變，從而獲得對該除草劑的抗性。利用這一原理成功的例子有抗草甘膦（g1yphosate）、磺酰脲類（sulfonylunea）、均三氮苯類（triazines）等除草劑的轉基因作物。如草甘膦專一性的抑制芳香族氨基酸生物合成途徑中的EPSPS酶（烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合成酶）。矮牽牛的抗草甘膦突變體，由于基因過量擴增，產(chǎn)生約20倍于野生型的EPSPS酶，分離該酶的基因或其片段，導入矮牽牛細胞，形成的愈傷組織中EPSPS酶的活性增加了20~40倍，由之再生形成了抗性轉基因植物；沙門氏菌（SalmonelIa）基因組中編碼EPSPS酶的aroA基因有一種點突變，將克隆的此突變aroA基因導入煙草，可使轉基因煙草產(chǎn)生對草甘膦的抗性，至今已獲得的aroA轉基因番茄、油菜、大豆、楊樹等，在田間試驗中均表現(xiàn)出良好的抗性。②二是導入表達產(chǎn)物可以使除草劑解毒的外源基因。如bar基因，編碼PPT乙酰轉移酶，導入煙草、番茄和馬鈴薯等作物后，使作物獲得抗除草劑PPT（phosphinothricin，膦化麥黃酮）的能力。
總之，由于不同類型除草劑的作用機理不同，所以選擇的途徑也各異。至今抗除草劑大豆已在美國和阿根廷大面積推廣，抗除草劑的“canola”油菜在加拿大也已進入商品化生產(chǎn)，抗除草劑轉基因作物的種植面積，已從1996年的60hm2增加到1997年的690萬hm2，占所有轉基因作物種植面積的54％，躍居首位。

（4）抗逆基因工程

脯氨酸、甜菜堿、葡萄糖等一些小分子化合物與植物忍受環(huán)境滲透脅迫的能力有關，如果將與脯氨酸或甜菜堿合成有關的酶的基因克隆后轉入植物，有可能提高作物對干旱和鹽堿脅迫的抗性。中科院遺傳研究所已將山菠菜的甜菜堿醛脫氫酶（BADH）基因導入煙草、草莓和水稻，明顯提高了轉基因植物的耐鹽性。將細菌參與甘露醇和山梨醇合成的酶的基因克隆后導入煙草，也有提高耐鹽性的作用。脯氨酸的積累還與根尖的滲透調節(jié)有關，這使經(jīng)受干旱脅迫的根得以正常生長。因此，如能更好地考慮不同器官所表現(xiàn)出的差異，構建能在不同器官專一表達的外源基因，就可望產(chǎn)生新的抗逆性強的作物。
酸性土壤中鋁對作物的毒害作用是熱帶、亞熱帶地區(qū)的嚴重問題。從細菌中克隆的一種檸檬酸合成酶基因，導人煙草后轉基因植物中檸檬酸合成酶活性提高，由其根系釋放出大量擰檬酸，表現(xiàn)出明顯的耐鋁性，在Al3+濃度達200μmol／L時仍能存活生長。
通過改變膜脂成分以維持低溫條件下膜的流動性，已證明對植物的耐寒性有重要意義。Wada等已從一種抗寒的集胞藍細菌屬（Synechocystis）藍綠藻中，克隆了一個與脂肪酸不飽和度有關的基因DesA，并導入另一個不耐寒的藍綠藻巢狀組囊藍細菌（Anacystis），改變了后者膜脂的組成，從而使其光合作用在5℃下也不受明顯抑制。Murata等通過向煙草導入擬南芥葉綠體的甘油-3-磷酸乙酰轉移酶基因，以調節(jié)葉綠體膜脂的不飽和度，使獲得的轉基因煙草抗寒性增強。
此外，也可通過基因工程技術調控植物體內與抗氧化物形成有關酶類的活性以提高作物抵抗環(huán)境脅迫能力。

（5）提高果實耐貯性

通過基因工程延遲果實成熟和衰老過程，主要是從改變果實細胞壁降解酶活性和抑制成熟激素乙烯的生成兩個方面來實現(xiàn)。
果實細胞壁降解與果膠酶（多聚半乳糖醛酸酶PG和果膠甲酯酶PE）活性有關，通過PG和PE的克隆和反義遺傳轉化所獲得番茄轉基因植株。果實PG酶和PE酶活性受到顯著抑制，從而延遲果實的成熟。美國Calgene公司已將反義PG cDNA導入到番茄中，育成“FLAVRSAVR”轉基因品種，于1994年批準上市，這是植物基因工程最早商品化的例子。
乙烯有促進成熟的作用，抑制乙烯的合成就可延緩果實成熟。Yang(1995)已闡明了乙烯的生物合成途徑，通過對乙烯合成途徑中某些環(huán)節(jié)的抑制或支路途徑的加強可最終減少乙烯生成量。目前在番茄乙烯生物合成最后的酶即ACC氧化酶（ACC oxidase）活性；二是通過用反義基因抑制ACC合成酶（ACC synthase）的表達活性；三是增強SAM脫羧酶活性，增強SAM的分解；四是增強SAM水解酶活性。前兩種方法是從植物或細菌中分離出有關酶基因進行反義基因克隆和載體的構建和轉化，獲得反義轉基因植株，阻止了乙烯的生成，后兩種途徑是導入有義基因，增強某些基因活性，減少乙烯前體物的形成量，從而抑制乙烯的生成。葉志彪等利用ACC氧化酶反義基因轉化番茄育成了華番一號，其葉片和果實ACC氧化酶活性和乙烯生成受到顯著抑制，番茄果實在常溫下貯藏性大大提高，已經(jīng)商品化生產(chǎn)。

（6）品質改良基因工程

隨著對植物各種生理生化過程分子基礎研究的深入，人們試圖利用基因工程的方法來調控植物的生長發(fā)育和代謝過程，以達到改良作物品質的目的。這主要集中在以下三個方面：種子及其他貯藏器官（塊莖、塊根、鱗莖等）中蛋白質的含量及其氨基酸組成、淀粉和其他多糖化合物以及脂類物質的組成。這些品質直接關系到其產(chǎn)品的營養(yǎng)價值或工業(yè)用途。由于不少貯藏蛋白的基因或與這些貯藏物質代謝過程有關的酶的基因已經(jīng)克隆，通過導入有關的基因或相應的反義RNA基因，就有可能通過調控有關的代謝過程而改變這些器官中的物質組成，甚至使植物產(chǎn)生新的或者修飾過的化合物。
在蛋白質的改良方面，由于特定的作物種子往往缺少某幾種必需氨基酸，人們的注意力集中在通過基因工程改變蛋白質的必需氨基酸的組成，從而改善植物的營養(yǎng)價值。例如，將人工合成的富含必需氨基酸的DNA片段（HEAAE DNA）導入馬鈴薯，并在馬鈴薯塊莖的特定貯臧蛋白基因的啟動子作用下，使之在塊莖中高效表達；我國學者將從玉米種子克隆的富含必需氨基酸的玉米醇溶蛋白（Zein）基因，用馬鈴薯塊莖專一性表達的啟動子啟動導入馬鈴薯后，田間轉基因植物的塊莖中必需氨基酸含量提高10％以上，含硫氨基酸的增加尤為顯著。除了考慮改變蛋白質中必需氨基酸組成外，也可考慮通過增加特定必需氨基酸的合成來提高它在植物特定器官中的含量。例如，向植物導人對賴氨酸的反饋抑制下敏感的大腸桿菌的二羥基吡啶羧酸合酶（DHPS）基因，在轉基因煙草中游離的賴氨酸濃度增加15倍。
利用基因工程改造淀粉的目標有兩個：一是提高淀粉的質量。通過導入淀粉合成酶的反義RNA基因，改變馬鈴薯直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例已獲成功；二是提高淀粉的含量。在淀粉合成中ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophosphorylase）是關鍵酶。Mosanto公司由大腸桿菌的突變體克隆了不受反饋抑制的ADP-葡萄糖焦磷酸化酶基因，將它轉入馬鈴薯后可使塊莖的淀粉和干物質含量平均增加24％。相反，若導入該酶反義RNA基因，則淀粉含量下降到只有對照的2％，而蔗糖和葡萄糖含量分別上升到干物質含量的30％和8％。此外，通過對碳代謝過程中有關酶的基因的調節(jié)，將可能有效地調控一些重要糖類物質的合成和積累。如用玉米蔗糖磷酸合成酶（SPS）的基因，以RubisCO啟動子啟動，轉基因番茄葉中SPS酶活性增加6倍，從而導致淀粉合成下降，而蔗糖增加。
在改變油料作物油脂的組成方面，主要目標是改變油脂的不飽和度以及脂肪鏈的長度。現(xiàn)已克隆出很多與脂肪代謝有關的基因，如乙酰載體蛋白（ACP），β-酮酯酰ACP合成酶，β-酮酯酰還原酶，β-烯酯酰ACP還原酶，十八烯酸ACP脫氫酶，3-磷酸甘油乙酰轉移酶等。通過導入硬脂酸-ACP脫氫酶（stearoyI ACP desaturage，即Δ9脫氫酶）的反義RNA基因，在轉基因油菜種子中硬脂酸的含量由2％增加到40％，即增加了約20倍。將鼠的編碼此酶的基因導人煙草后，在部分轉基因愈傷組織和轉基因植物的葉片中，脂肪酸16:1/16:0及18:1/18:0（含量比）明顯提高。芥酸在工業(yè)上的應用十分重要，不少研究者希望通過基因工程技術，將現(xiàn)有的高芥酸油菜品種“HFAR”（脂肪酸中約含50％的芥酸）的芥酸含量進一步提高到90％以上，使之成為一種更經(jīng)濟實用的芥酸來源，成為石化產(chǎn)品的一種理想取代品。

回答者：長安大學08級生物工程班某同學（回答中參考專業(yè)課本）收起