一、基因工程的概念
基因工程是生物分子育种技术。作物育种科学已深入到分子水平，研究与遗传相关的核酸高分子，尤其是脱氧核糖核酸（DNA）的构造、功能、重组和转化，在分子遗传学的理论指导下，培育一般常规育种所难以得到的新个体及其品种。基因（gene）是DNA链上的，携带有特殊遗传信息的一段核苷酸序列，是能够自我复制，转录核糖核酸（RNA），翻译蛋白质，进一步决定生物性状表现的遗传物质的最小功能单位。如能利用生物的，甚至人工合成的DNA，使基因重组，并导入其他生物细胞中，改变生物的性状，进一步创造新品种和新类型。这一系统的、将人工分离和修饰过的基因，导入其他生物细胞中的转基因育种技术就称为基因工程。
1972—1973年曾将猿猴病毒和λ噬菌体的DNA，用限制性内切酶（EcoRI）切割成片断，再用T4连接酶，连接成新的DNA分子。1973年又把大肠杆菌的质粒的片断在体外重组DNA。特别是利用根癌农杆菌的Ti质粒的T-DNA，携带外源基因插入作物基因组，而引起细胞特性的变化，开创了作物基因工程的新纪元。1983年，转基因技术在烟草和马铃薯高等作物上应用成功。近几年，在我国培育出转基因抗虫棉，经国家批准商品化生产的新品种计55个，累计推广面积666万hm2以上。其他尚有粮食、油料和蔬菜等作物都获得了转基因品种或植株。并且技术和方法有所创新，日趋完善，在作物育种工作中发挥着积极的作用。目前，全世界转基因作物已遍布23个国家，面积达1.143亿hm2，仅去年即给全球农民带来70亿美元的增收。这些数字显示了基因工程的发展和成就。
（2004年郑州英华优质棉研究所培育）
二、基因工程的步骤和技术
进行基因工程首先要做好一切准备工作，如明确工程目标、方法和步骤，将会遇到的问题及解决方案，特别是材料、工具、仪器、药品、材料的准备。基因工程是应用DNA重组技术，将外源基因，通过生物、化学和物理手段导入作物的基因组，以获得新作物个体或新品种。步骤分：基因分离和合成，DNA介导转化以及检测和选择。
（一）基因的分离和合成
转基因技术首先要确定“目的基因”，也就是决定育成新个体所需要的基因。在选定目的基因后，用以下方法进行分离和合成。
1.限制酶法
在微生物中，有一种限制性核酸内切酶。这是一种水解DNA的磷酸二脂酶。它既能把DNA切成小片段又可把运载工具如质粒或病毒DNA切成便于携带的小片段，以便进行DNA重组。它可作用于特异的核苷酸，在一定的序列上切断DNA，成为许多片断。目的基因就可能存在于其中某一片断。将这些片断与载体（carrir）如γ噬菌体等，组成重组DNA分子，再转化到大肠杆菌去，进行纯系繁殖、分离、鉴定和选择，得到所需要的目的基因。目前，这种方法得到广泛应用。
2.化学合成法
合成基因最常用的方法是固相合成法。将要合成寡核苷酸链的末端核苷固定在一个不溶性高分子上，再从此末端核苷开始逐步接长此寡核苷酸链，当整个链增长到所需要的长度后，再将整个链切割下来，经过分离纯化，得到所需要的合成基因。1976年考兰纳（H.G.Khorana）等合成第一个人工合成的有生物活性的基因，大肠杆菌酪氨酸tRNA的基因。这种方法所费时间长，不过现在已有核酸合成仪可用，对于研究基因结构和功能大有用途，意义重大。
此外，尚有密度梯度超速离心法和酶促合成法等方法可进行基因分离和重组。
（二）DNA的介导转化
DNA介导转化有以下方法。
1.农杆菌介导转化法
农杆菌是土壤中的一种革兰阴性细菌，共有4种。其中用于基因工程的主要是根癌农杆菌（A.tumefaciens）和发根农杆菌（A.rhizogenes）。它们可引起双子叶植物冠瘿瘤和发状根。其细胞中分别含有Ti质粒（tumourinducingplasmid）和Ri质粒（rootinducingplasmid），其上都有一段T-DNA（transferDNA），通过伤口进入细胞，将T-DNA插入到细胞的基因组。基于这种情况，将T-DNA的致瘤基因切除，插入代之以目的基因，以进行转化，方法可采用单感染法，将农杆菌直接涂在作物伤口上，直接感染；也可用共感染法，将农杆菌长芽突变体与含有目的基因的农杆菌一起涂在作物组织上而共同感染。应用最广的是叶盘法，将含有目的基因的农杆菌感染的叶小片（也可用子叶和下胚轴等）共同培养，再用抗生素进行选择，得到再生植株。
2.花粉管通道法
此法为周光宇（1972）首创，效果好、方法简单、容易掌握。在作物授粉后，即形成花粉通道，穿过雌蕊花柱直通子房，这时将外源DNA（目的基因）溶液通过微量注射器，从花柱进针，将DNA溶液注入子房、导入受精卵细胞，整合到基因组中，发育成带转基因的新个体。也可在授粉前后，将外源DNA溶液滴加在柱头上，自然进入花粉管，再到达子房，进行整合。还可用DNA溶液处理花粉粒，让DNA进入花粉粒内部，直接授粉受精。应用此法育成了棉花新品种英华1号和GK12等。
3.基因枪介导转化法
将1μm左右的金属粒，如钨粉，浸泡在目的基因溶液中，使此基因吸附在金属粒表面，再用特制的基因枪，在高压电场内，以400m/s的速度，把这些微粒射入受体细胞，将目的基因带入，然后通过细胞和组织培养技术，再生出完整个体，从中选出转基因植株。这种方法也得到广泛的应用。
此外，尚有电击穿孔法（electroporation）、微注射法、原生质介导法和超声波处理法，可以根据具体情况和实际需要选用。
（三）植株的检测和选择
供体的有用基因，特别是作为基因工程已选定的目的基因，经过分离、修饰、转化给受体，需要进行检测，以确定供体基因是否整合到受体基因组中，转录翻译出蛋白质。这是转基因的一项重要工作。DNA印迹法（southernblotting）是一个在DNA水平上测外源基因的存在与否的常用方法。将层析或电泳分离后的，待检测的DNA，在琼脂糖凝胶上经NaOH处理，变为单链形式，盖上转移膜（transfermembrane）如硝酸纤维素膜，然后，再盖上一层特种厚滤纸，单链DNA与膜结合，便可用特定的放射活性物质或荧光探针测定。此外，尚有RNA印迹法（northernblotting）、蛋白质印迹法（westernblotting）和点印迹法（dotblotting），可用于不同分子水平的检测。
转基因植株经过一系列的检测，证明克隆（cloning）成功，目的基因得到了完满的表达。但是对于整个基因工程来说，还不算最后结束。作为作物育种技术，转基因植株必须种植在田间，经过生长实际试验，例如转基因抗虫棉，需要种植田间，经过虫害检验，鉴定其危害程度及生产意义。况且抗虫性状良好，不一定其他性状如丰产性、熟性和抗逆性等，都符合生产要求。因此，还需要像常规育种技术一样，进行田间试验，以完成基因工程的全部程序。
