棉花是我国第一大经济作物,在国民经济中占有很重要的地位.自20世纪90年代以来,我国北方棉区棉铃虫连年大暴发.为了防治棉铃虫,棉农们只好一遍又一遍地打农药,但棉铃虫很快就对农药产生了抗性.棉铃虫的危害,不仅造成重大的经济损失,而且大量农药的施用严重地污染了环境.1992年,由于棉铃虫的危害,北方棉区减产皮棉 8万t,直接经济损失50亿元.间接经济损失100亿元.

　　为了从根本上解决棉花生产中的棉铃虫危害问题,国家863高技术研究与发展计划于1991年起立题开展抗虫棉的研制,探索利用基因工程技术解决常规育种和传统技术难以解决的问题.

1 杀虫基因的合成和遗传转化

　　开展棉花基因工程研究的第一步是杀虫基因的人工合成.中国农业科学院生物技术研究所郭三堆先生领导的课题组,于1992年成功地完成了Bt基因的人工合成和高效植物表达载体的构建.与此同时,豇豆胰蛋白抑制剂(CpTI)等杀虫基因也相继分离克隆,从而为了抗虫棉及其他转基因抗虫作物的研制奠定了基础.

　　采用农杆菌介导法和花粉管通道法两大技术路线,1993年在棉花转基因技术上取得了重大突破.特别是我国科学工作者独创的花粉管通道法,经过不断的技术改进,转化率高达1%,可满足规模化生产转基因棉的要求.这一方法的最大优点是没有基因型的依赖性,可将基因导入到任何棉花种中,迄今已将多种基因导入我国20多个棉花主栽品种或品系,如报告基因gus(β-葡糖醛酸苷酶基因)、gfp(绿色荧光蛋白基因),目的基因雪花莲凝集素GNA基因、几丁质酶基因、β-1,3-葡聚糖酶基因、葡萄糖氧化酶基因等,同时该法简易、快捷,不需特殊设备.获得的转基因棉花植株及其后代,通过南繁北育,加快纯合过程,从分离群体中选出了转基因纯合系,抗虫性及农艺性状表现优良.

2 抗虫棉的试种示范

　　"九五"计划中,"抗虫棉等转基因植物"被列为国家863计划的重大项目.1997年单价Bt抗虫棉在全国9省17个全面开展试种示范,筛选出优系11个.1997年农业部批准国产抗虫棉的商业化.1998年在安徽、山西、山东三省进行中试,种植面积达1万hm2..1999年进一步扩大商业化规模,覆盖山西、安徽、山东、江苏、湖北、河南、河北、辽宁、新疆等9个省.同年,由中国农业科学院生物技术研究所研制成功的Bt/CpTI双价抗虫棉也经农业部批准分别在河北、山西、安徽、山东的4省商业化生产.尽管1999年由于种植业结构调整,全国棉田面积大幅度减少,但抗虫棉却受到棉农欢迎,种植面积明显扩大.据统计,1999年山东,山西,安徽等6省共种植单价抗虫棉12.67万hm2.,三年来雷击抗虫棉种植面积共达13.73万hm2.

　　单价Bt棉的推广应用产生了巨大的社会和经济效益,山东梁山县所作的调查显示,棉农种植抗虫棉每1hm2.增加的收益为7650元,其中包括:每1hm2.增产皮棉375kg,价值4500元;增产棉籽600kg,价值750元；减少农药费用900元；节约劳力1500元.梁山县1998年种植抗虫棉1500hm2.,估计社会经济效益为1100万元.若以此数据推算,则全国累计种植抗虫棉13.73万hm2.的社会经济效益约为10亿元.

3 抗虫棉的品种审定

　　迄今已审定单价Bt抗虫棉品种4个,包括山西的晋棉26(GK95-1),安徽的国抗1号(GK1),山东的国抗12(GK12),以及中棉所的抗虫杂种棉中38.同时还选育出了抗棉铃虫性达70%以上的转CpTI基因的株系.培育出一批双价转基因抗虫棉,其中石远321双价抗虫棉(Bt+CpTI)优系,1999年已在河北,山东示范400hm2,丰产性,适应性非常突出.此外还育出了抗虫性达70%~80%以上的Bt+CpTI(慈菇蛋白酶抑制剂)和SKTI(大豆)+Lectin(豌豆)双价基因抗虫棉株系.

4 Bt棉田的综合防治及栽培

　　Bt棉在田间对二代棉铃虫的幼虫有极强的杀伤力,在抗虫棉上二代棉铃虫不需要喷药防治.随着棉花的生长发育,Bt棉后期的抗虫性有所减弱.三,四代棉铃虫是否需喷洒农药,决定于某一特定年份或特定地区的虫口密度.在华北地区百株低龄幼虫数达到13头可作为喷药防治三代棉铃虫的指标.由于气候条件和棉花生长季节的限制,华北北部的廊坊试验区4代棉铃虫主要发生在玉米田,棉田4代棉铃虫不需防治.

　　在抗虫棉试种示范和推广应用的同时，对其配套的栽培技术也进行了系统研究。这里值得强调的是，由于抗虫棉的顶尖及蕾铃受害率通常低于1%，蕾铃脱落率大大降低，早期成铃数明显增加，因此施肥必须跟上，除氮、磷外，抗虫棉对钾肥尤其敏感，缺钾将导致一种生理性病害；红叶茎枯病，造成叶片大量脱落、早衰和严重减产，因此在抗虫棉栽培中，必须增施钾肥（包括基肥和追肥）。

5　棉铃虫的抗性治理技术

　　国外对Bt抗虫棉的抗性治理多采用"高剂量/庇护所"的策略，我国除新疆棉区外，其它棉区不适于采取Bt棉于非Bt棉同时种植的"庇护所"的策略。这些棉区通常采用多种作物混作的耕种制度，实际上 相当于天然的"庇护所"。

　　经对我国五大棉区23个点的棉铃虫种群采样分析，正式我国各地棉铃虫种群尚未的Bt蛋白产生抗性，这一基线信息对监控棉铃虫的抗性发展及采取恰当的抗性治理对策十分重要。研究还发现棉铃虫对Bt棉和Bt玉米存在交互抗性，因此从抗性治理角度考虑，不宜在同一地区同时推广Bt抗虫棉及Bt抗虫玉米，以降低Bt对棉铃虫及亚洲玉米螟的选择压，延缓害虫对Bt耐性的发展速度。

　　棉铃虫敏感种群经GK12Bt棉叶片在实验室进行逐代连续汰选，在汰选17、22和30代后其抗性指数（RR）分别增加了7.1、11和14.3倍，抗虫棉的抗虫性级别分别由原来的高亢（HR）降为中抗（MR），预测至少在10年内单价Bt棉可能在生产上有效地控制棉铃虫的为害。因田间情况比较复杂，这一推测尚需在田间作进一步验证。用单价Bt烟草和双价Bt/CpTI烟草叶片汰选棉铃虫17代，对CrylAc蛋白的RR分别为13.1和3.0。这是首次以实验数据证明双价抗虫基因可明显延缓棉铃虫虫群对Bt产生抗性。双价棉的抗虫性与单价Bt棉一样，也表现为前期强、后期弱，但双价抗虫棉蕾和花的杀虫活性比单价BT棉高；双价抗虫棉对2龄以上抗Bt棉铃虫的杀虫性和抑制生长作用明显增强。

6　Bt棉的安全性评估

　　用Bt棉棉籽、棉籽油饲喂小老鼠，测定骨髓嗜多染红细胞的微核率和精子畸变率，结果表明Bt棉与普通棉的棉籽及棉籽油对小鼠的体细胞和性细胞均没有诱变活性，且没有剂量效应，对小鼠的食欲、肝、脾、肾亦无影响。已制备出Bt蛋白多克隆抗体检测试剂盒，可用于Bt棉中Bt蛋白表达量的检测。

7　转基因抗黄、枯萎病棉花的研制

　　棉花枯萎病（Fusarium wilt）、黄萎病（Verticillium wilt）是棉花生产上的两大病害。抗枯萎病品种的育成和推广，是该病不再成为我国棉花生产中的一个难题，但对黄萎病，迄今尚无有效的防治措施。目前生产上所用的主栽品种一般只能达到耐病。其主要原因之一是缺乏可利用的抗源，陆地棉近缘种如海岛棉、瑟伯氏棉等虽对黄萎病有较好的抗性，但常规育种转育这些抗病基因未能成功，在与陆地棉的多代回交中这些抗病基因往往会丢失。因此黄萎病仍是棉花的一大"顽症"，特别是进入90年代以后，黄萎病在我国逐年加重，在各大棉区大面积流行危害，发病面积达300万hm2以上。仅1997年全国因黄、枯萎病减产10.7%，损失皮棉43万t，价值60.5亿元。

　　为此，在国家863计划的资助下开展了培育抗黄、枯萎病基因工程棉的研究，分离和合成了几种抗真菌基因如几丁质酶基因、β-1，3-葡萄糖酶基因、萝卜抗真菌蛋白基因（R-afpl）、以及葡萄糖氧化酶基因等，并已经获得转基因抗病棉花。1998~1999年在黄萎病发病特别重的情况下，经北京河南新乡两地温室和枯、黄萎病病圃鉴定，已选出至高抗的转基因株系。与此同时，将抗病基因工程与抗虫基因工程相结合，已将抗真菌的基因导入抗虫棉GK19，使其抗黄枯萎病的性能进一步提高。

8 棉花纤维品质改良的基因工程

　　从总体上说，目前我国棉花品种的纤维品质能够符合纺织工业的要求，但仍需培养符合特种要求的专用品种。另一方面，国际作物基因工程的发展已由第一代转基因作物（抗除草剂、抗虫、抗病）扩展到第2代转基因作物（品质改良、增加附加值等）。为此，国家863计划于1999年3月启动了棉纤维品质改良基因工程的预研究，目的是分离和克隆与棉纤维发育相关的基因及启动子，以便为棉纤维的品质改良提供基因工程元件。

　　综上所述，Bt抗虫棉是我国首例，它使我国成为继美国之后独立自主地研制成转基因抗虫棉、并大面积应用于生产的第二个国家。以此为伞把，一系列多学科交叉配合的抗虫棉配套技术也相应开展起来，如抗虫棉的遗传、半配纯合技术，配套的栽培技术和良种繁育技术，杂种棉技术，棉铃虫的抗性检测、预测和预防技术，Bt棉中Bt蛋白的检测技术以及Bt棉的安全性评估技术等。同时，第2代、第3代转基因棉的研制（包括抗蚜棉、抗病棉、纤维品质改良等）也相继启动，既强调了创新，又强调了生物技术与传统技术的结合，强调围绕一个目标产品需要多种技术的集成。在这一重大项目的研究开发中，先后有不同研究单位的30多个课题组及各地的育种、推广部门参加，在统一的目标下，多学科多部门相互配合，紧密合作。没有这种大协作，便不会有今天转基因棉花研究开发的成就。借此机会谨向对贡献的所有同志表示崇高的敬意和衷心的感谢。