互动科普

科学家们首次用遗传工程保护这种主要的作物免遭病害。

可以证明大米是世界上最重要的食物。几乎有20亿人——世界人口的二分之一——主要依赖大米作为基本营养。全球的稻田达3.6亿多英亩，而且每年产量达5.6亿吨粮食。然而农民种植的水稻比他们收获的要多得多，因为害虫、细菌、病毒和真菌往往残害每茬作物的很大部分.这些瘟疫中最具破坏性之一是在整个亚洲和非洲都很普遍的由细菌引起的稻白叶枯病。

这些细菌——稻白叶枯病黄单胞菌稻(Xanthomon oryzae pv.oryzae，称作Xoo)——在小水滴中迅速在稻株与稻株之间和稻田与稻田之间传播。受感染的叶片在几天之内发展出病斑、变黄和枯萎。在严重受感染的稻田，稻白叶枯病能毁掉农民一半的稻作。

然而水稻植株具有惊人种类的，可保护免受包括稻白叶枯病在内的许多病害危害的基因。农民的困难是，没有哪一个品种具有每一个基因，而且所有植株都是对病害比对其它病害更容易受到损害。育种工作者利用水稻的抗病基因近一个世纪，把这些遗传资源从耐寒稻种重新分配到农用品种中。然而常规的育种既辛苦又费时，往往需要十年或更长时间才能产生理想的性状.

随着遗传工程的到来，我们现在能够把分离的抗病基因直接引入稻株，把培育一个有用品种的时间缩短好几年。我的同事和我近来克隆了来自水稻的第一这种抗病基因——这是一个保护水稻抗普通型稻白叶枯病的基因。我们已用此基因产生了全世界第一批转基因抗病水稻植株。水稻的这些新品种对帮助全世界的农民有巨大的潜力. 

从水稻中克隆第一个抗病基因的过程始于发展中国家。长雄蕊野生稻(Oryza Longistaminata)是原产于马里的野生稻种，之所以未用作栽培作物是因为它味道不佳且低产，然而当它抵抗稻白叶枯病时是相当顽强。1977年，印度的研究人员鉴定了这种植株对Xoo不同株系的抗性，并发现它能抵抗他们所测试的每种株系。 

一年以后菲律宾国际水稻研究所(IRRI)的Gurdev Khush以及他的合作研究者开始对长雄蕊野生稻进行研究。他们的目的是用常规的技术把这种野生稻的稻白叶枯病抗性转移到栽培品种中。经过12年精心的培育产生了一个这样的抗性品种以及抗性是通过单个染色体或许甚至是单个基因(他们把此基因定名为Xa21)的一个小区域进行转移的认识。 

1990年，当他们获得这一辛劳所得知识的报偿时，我成为康奈尔大学的博士后研究生。在努力认识稻白叶枯病抗性的机制中，我决定试图从这个IRRI品种中克隆Xa21基因。Xa211这种基因是一个短范围的遗传物质(DNA),它为一种蛋白质，因此也往往为一种性状(如稻白叶90枯病抗性)编码。虽然我们经常研究整个生物的性状，但我们不容易研究一个生物体总的遗传内容物(即基因组)范围内的单个基因。若不分离基因，我们也不能实现遗传工程。解决的办法是在称作克隆的过程中产生各个基因的可使用拷贝。 

为了克隆Xa21，我需要鉴定载有这种基因的水稻基因组的精确区域，把这少许DNA转入细菌中(基因在那里容易被拷贝），把这些拷贝插人易感染的水稻植株中，然后证明插入的DNA使这些植株产生对稻白叶枯病的抗性。在我开始我的研究时，尚无人在克隆任何植物的抗病基因方面获得成功，虽然已经知道许多这种基因而且已用于传统的育种中。在那时，对抗病遗传工程的障碍集中在两个范围:发现基因的问题和把它们前后左右移动的问题。

在基因组中寻找基因很像是格言中的在干草堆中搜寻，而且大多数植物的基因组都是特别巨大的干草堆。根据经验，在大基因组中比在小基因组中更难定位特定的基因;大基因组也是难以处理的。一个简单的衡量标准是我们十分容易从其中分离基因的大肠杆菌(Escherichia coli)的微小基因组。按照这个标准来衡量,水稻基因组是很大的——几乎为大肠杆菌基因组尺寸的100倍。在水稻中搜寻一个基因是困难的:我自己寻找Xa21最终将需要几年时间和许多复杂的技术。我仍然是幸运的,试图从某些其它谷物中分离基因的研究人员面对着更大的障碍。例如小麦的基因组几乎是大肠杆菌基因组尺寸的3500倍，而且足足为人类基因组尺寸的5倍。预先没有基因定位或基因序列的某些知识而要克隆如水稻和小麦这类谷物的基因是极其困难的(如同没有地址或说明试图想找到朋友在纽约或东京的住房）。 

1990年，我认为克隆水稻基因的时机成熟了，因为也是在康乃尔大学的Steven D．Tanksley和Susan R．McCouch领导的开拓性研究正好产生了关键性的进展：他们绘出了能指导我对巨大水稻基因组进行探索的一幅基因图。我所采用的克隆的类型被称作基因图的克隆，而且正如这名称所表示的，它需要在DNA中不同界标(即标记物)位置的一些知识。康乃尔大学研究小组所绘制的基因图表明了在12个水稻染色体上数百个有用标记物的位置。

首先在康乃尔大学后来在加利福尼亚大学戴维斯分校研究了几年之后，我的同事和我用这个基因图追查到了Xa21基因。在我们的寻找过程中，我们研究了1000多棵稻株以了解这些已知的DNA标记物以多大的频率表现出与对稻白叶枯病的抗性相结合。这种策略利用了在有性繁殖中发生了一定数量的染色体交换和重排的优点：在一个染色体上的两个位点越靠近，它们将在重组的过程中彼此越不可能分开。在我们的例子中，我们看到抗性与一个给定的标记物传递给后代的次数越多，抗性基因必然越靠近那个标记物。

纯属运气，我的研究小组和我鉴定为非常接近Xa21的第一个染色体界标结果是非常有用的。我在戴维斯建立自己的实验室两年后的1994年5月的一个周末，我发现，标记物DNA的序列相似于最近从烟草、番茄、亚麻和芥菜植株克隆获得的几种抗病基因的标记物DNA序列。星期日早上当我独自在实验室时，我打电话给我的老朋友和同事、加利福尼亚大学伯克利分校的John Salmeron，并请他更仔细地比较我的序列与他的番茄抗病基因的序列。我们为发现在如此不同植物的基因问有非常强的相似性而感到震惊。我相信我正在正确的区域附近寻找。

我的研究小组和我为克隆候选者Xa21基因和准备把它们插人其它水稻植株而度过了1995年。我们知道，当我们把我们分离的水稻DNA转移到正常情况下对Xoo易感的植株中时，决定性的考验就会到来。如果我们克隆了正确的基因，那么所得的转基因植株将是抗稻白叶枯病的。我们急于开始这些试验，然而我们面对着一个无可否认的障碍：我们没有把基因引人水稻细胞的经验。此外在那时，在世界上只有极少的实验室能够在水稻中执行这一称为转换的程序。

依靠枪

把基因转移到植物细胞的这一问题是遗传工程制造抗病性的第二个大障碍。包括水稻在内的许多类型的植物细胞在吸收外来DNA时是难以控制的。1987年有了突破，当时康奈尔的John C．Sanford开发了一种把微观的粒子射入完整细胞的枪[参阅1992年10月《科学》上‘转基因作物’一文]。Sanford最初设计的枪是以火药填料推进的：后来的型号以氦驱动而且以金作成弹丸。这些直径小于百分之一毫米的弹丸可以涂上DNA，然后把它们直接带人细胞中。直到1991年研究人员才把这种技术用于水稻。当我们已准备好要测试我们的2克隆时，热带农业生物技术国际实验室(ILTAB)是常规进行这种试验的研究室之一。该实验室近在加利福尼亚州，而且使我们很高兴的是它同意帮助我们。ILTAB的研究人员用这种枪把我们的克隆DNA转移到水稻品种台北309的细胞中。这是一个不再种植的老品种，然而我们选择它是因为它容易转移并对Xoo易感染。我们从转移的细胞培育出了1500棵植株；每棵植株在每个细胞中都有一点克隆的DNA。当我们的植株有6周龄时，它终于到了测试对稻白叶枯病抗性的时候。我们用在稻白叶枯病菌悬液中浸渍过的剪子修剪植株的叶以使每棵转基因植株均暴露于0。10天后我们检查植株由稻白叶枯病菌引起的病斑。我们发现，原来的1500棵转基因植株中有50棵高度抗Xoo感染：每一棵的病斑比原来的易感病植株短75至90。在这50棵植株中，转移的DNA段含有一个完整的抗稻白叶枯病基因。

抗性段 

我已成功地克隆了Xa21。以后，我们又证明，Xa21通过自花受精被传给下一代，所产生的幼苗也对稻白叶枯病具有抗性。我们用分布在从亚洲到远至美洲(哥伦比亚)的8个国家共31个不同Xoo株系检测我们的转基因植株。这些植株抗其中的29个菌株的感染，精确地复制了它们野生非洲祖先的抗病特征。有史以来第一次，我们能控制水稻对稻白叶枯病的抗性。

我们目前的任务是把Xa21插入不像台北309那样而是农业上很重要的品种中。在与ILTAB合作下，我们已成功地把Xa21引入两个流行的品种中——IR64和IR72，它们在亚洲和非洲种植了2200万英亩。我们所作的研究证明，转基因植株是抗白叶枯病的。此外，近来我们还由遗传工程使中国广泛种植的水稻品种明恢63具有抗性。 

掌握了这些鼓舞人心的结果后，我把Xa2l送给欧洲、非洲、亚洲和美国的许多科学家，目的是把稻白叶枯病抗性引入当地的重要水稻品种。因为各个地方的种植条件差异很大，所以农民往往喜欢种植完全适合他们特定地区的水稻品种。这些品种具有如抗旱、耐寒、矮杆(抗风的)或抗本地病虫害的宝贵性状。遗传工程的变体除添加授与稻白叶枯病抗性的克隆基因外将与原来的植株是完全一样的。 

一旦我们获得了这些新品种，我们必须对产量、味道和抗害性进行田间试验以确定原来品种的这些有用性状仍然未改变。在以后的几年里，加利福尼亚州、亚洲和非洲的研究人员将对含Xa21的转基因水稻进行田间试验。如果这些品系与当地所采用的品种表现得同样好，国家育种计划向发展中国家的农民分配种子。因为抗病转基因被传给后代，所以农民下一季就可种植他们自己的种子。 

未来的作物 

与常规育种相比，遗传工程快速而且易行：我们能在数月内使单个的克隆基因在植株间往返移动。对于育种，供体和受体不需要是亲和的；我们能在根本不同的种之间甚至在不同的作物之间共用基因。 

因此，科学家们应能把克隆抗性基因用来控制除水稻以外的其它许多作物的病害。例如，引起叶枯病的黄单胞菌(Xanthomonas)所属的种实际上侵染所有作物的植株。在佛罗里达州，99%的柑桔作物是易感病的，种植者必须密切监视细菌侵染以防止流行病。在八十年代中期，2千多万株橙树被烧毁以阻止这种病的预测爆发。州政府和联邦政府单为了根除这种病就花了4千多万美元，而数百名种植者因未能生产损失就更加惨重了。科学家们总有一天可通过控制水稻白叶枯病抗性基因和把它们转移到易感病种中而保护柑桔和其它经济作物。 

遗传工程也可帮助我们解决任何抗病植株一旦在大田中会面临的问题。特别是，病原可以突变并克服给定抗性基因所授与的保护作用。因此育种工作者必须通过常规方法或遗传工程继续鉴定和引入有用的基因以把易感病性降至最低。幸运的是，许多抗性基因已经知道，而且已经可以克隆。这些基因相组合可以进一步增强抗病性，这种方法大致上同抗生素药物相组合或抗病毒药物相组合以克服如结核病菌和人类免疫缺损病毒的方法差不多。 

我们也希望在一个转基因品系中结合对一个以上病原的抗性。在有些情况下，农民不能使用抗稻白叶枯病的水稻品种，因为这些品种缺乏对其它病原和害虫的抗性。这些害虫中最严重的一种是稻褐飞虱，当它取食时会引起水稻植株严重损害。它还会传递如草状矮化病毒和齿叶矮缩病毒的损害性病原。在对多种威胁的遗传工程抗性早期研究中，我们与中国和英国的同事合作以把稻白叶枯病抗性和稻褐飞虱抗性应用包括Xa21在内的克隆基因掺入到几个重要的水稻品种中。随着越来越多的抗性基因被克隆，有效组合的数量将呈指数性增加。 

转基因抗病植株具有很大的商业前途．虽然尚无农民实际种植这种植物，但美国一些公司正在领导其它转基因作物的商业化。Calgene公司为延长货架寿命开发的Flavr Savr番茄是第一种上市的遗传工程食物。抗除草剂毒滴混剂(Roundup)的大豆已于1996年上市：遗传工程获得的抗除草剂的玉米近来在美国和加拿大已被批准出售． 

工业化国家或许将从当前可得到的转基因产品受益最多。例如，在发展中国家，农民往往用不起需要投入昂贵除草剂的技术．相反，发展中国家和工业化国家都可能发现抗病转基因谷物是有用的．这些谷物可能也比某些其它新转基因(如引起争议的产生杀虫剂的植株，某些人担心，它将很快导致抗杀虫剂的昆虫)更容易被人接受．转基因抗病植株最终可能对作物种植经济产生显著的影响，促进更有效地利用土地、更好的全球食物供给和对环境较安全的病虫害防治法。 

转基因抗病作物在商业上的前景带来了社会责任。1996年在戴维斯成立了种质资源识别基金会以确认发展中国家对该大学包括Xa21(戴维斯加州大学已为此提出了专利申请)在内的计划之成功所起的作用．以在第三世界所得的遗传材料的商业化收入所提供的资金，上述基金会将向发展中国家的研究人员提供奖学金资助．这些贫困地区的农民也将能获得如传统亲本品系相同成本的我们的转基因品系种子。该基金会为加州大学的科学家们提供了一种手段以为他们的发明获得专利，并在认识和促进来自发展中世界的贡献之同时使它们成为商业上可行的产品。 

遗传工程在水稻和其它谷物中的潜力将不会局限于抗病性．未来无疑将带来导致其它有价值的性状(也许还有耐寒性或抗旱性)的更多基因克隆．最终，育种工作者和农民将能从大量的克隆基因中选择能使他们收获得更多的基因。 

发出警告 

我们的抗稻白叶枯病水稻植株怎样感知细菌入侵者? 我们认为以Xa21编码的蛋白质起着一种接收器的作用；这种蛋白质对最有可能跨越细胞膜，获得由细菌发出的信号并在细胞内传达这些信号．一种保护性反应接着发生：受了警告的细胞向它的邻居发出信号建立防御系统，然后死亡；死亡细胞群防止入侵者进一步扩散．细胞外像天线一样的那部分蛋白质相似于识别其它分子并与之结合的动物蛋白质．我们尚未发现向水稻细胞透露它们的敌人存在的细菌分子，但我的研究小组正在寻找它． 

水稻细胞内的那部分蛋白质也是熟知的：它似乎是激酶，是导致刺激细胞起作用的一种普遍的酶．我们认为这种酶随细菌信息而开启，并通过细胞活化防御系统而传播信息． 

图1水稻植株易感染包括稻白叶枯病在内的许多破坏性病寄，稻白叶枯病会引起S灭性的叶损失并减产(左图)。小水滴把这种细菌带人叶片的伤口，数日内在受感染的叶片上发育出黄色病斑。如在幼苗期受感染，整个植株都可能S灭。但是，某些植株具有对稻白叶枯病的遗传抗性。 

图2传统育种法已被采用了多年以产生抗病水稻：抗病植株的花粉向也具有理想特性的(例如高产籽粒或好的味道)易感病植株授粉．后代从双亲继承了遗传物质的随机混合物(有色带)。抗性后代再与易感病植株杂交，可赋予后代更多的亲本有价值性状．每次杂交选择抗性后代以确保抗性基因——在此例中为X口——继续存在。 

图3抗病性的遗传工程需要分离可授与抗性的单个基因．为了分离Xa21，作者确定了它在水稻染色体1l上的大致位置(a)，然后产生分布在这个区域的DNA段(b)．随后在细菌中拷贝此DNA(c)，并把复制的拷贝放在金丸上，此金丸被射入易感病水稻植株的细胞中(d)．某些细胞吸收了外来DNA，然而不吸收抗性基因(e)；但足，少数细胞的确接纳了完整的Xa2I，长成了抗性杭株(f)． 

图4在我们的转基因台北品种(左边一对叶)和在传统培育的植株(右边一对叶)中当存在Xa21基因时，暴露于，0o的水稻叶能抗感染．易感植株受感染的叶发育出长得多的黄色病斑(中间一对叶)． 

图5Xa21蛋白似乎由三部分组成：一部分检测细菌发出的信号(蓝色)，一部分跨越水稻细胞的膜(紫色)，一部分在水稻细胞内产生信息(橙色)．