根據來源，抗植物蟲害的基因可分為三類：即從微生物蘇雲金桿菌分離出的蘇雲金桿菌殺蟲結晶蛋白基因(bt基因)、從植物中分離出的昆蟲蛋白酶抑制劑基因和植物凝集素基因(lectin gene)。三類抗植物蟲害的基因具有不同的作用原理、類型、抗蟲譜。抗蟲基因工程發展十分迅速，抗蟲棉的推廣套用使抗蟲基因工程進入到產業化階段。將多個抗蟲基因聯合一同導入同一植物，可拓寬轉基因植物抗蟲譜，且能延緩害蟲的耐藥性。
基本介紹
- 中文名：抗植物蟲害基因
- 分類：分為三類
- 特點：抗蟲害
- 功能：能延緩害蟲的耐藥性
簡介,bt基因及其套用,套用現狀,研究進展,存在的問題,
簡介
長期以來，人們在防治植物病蟲害的過程中，較多地注意了病原物的浸染問題，因而大量使用化學農藥，由此造成的環境污染已經直接危及人類的健康，成為全球普遍關注的問題。其實，植物在長期的演化過程中，形成了許多同病原物作鬥爭的特性，其中就包括植物自身的免疫性。植物同動物一樣，也有免疫系統，刺激植物的免疫系統，引發免疫反應，同樣能使植物對病蟲害產生抗性。利用植物的免疫性防治病蟲害，這是當前植物病蟲害防治研究中的一個新的緊迫的課題。
因此，傳統的免疫方法是用少量誘導因子“接種”到植物體上，使植株整體對病蟲害產生較強的免疫力，以抵抗各種病症的發生。誘導因子有多種，如病原體的非致病性生理種及代謝產物等，將其直接噴灑到植物葉片的表面，或澆其根，或注射到基部，都可誘導植株免疫，對同一種植物來說，誘導因子有多種，誘導產生的抗生具有一定的廣譜性。
植物的免疫能力還與“防禦基因”有關。最新研究結果表明，植物受害蟲損傷後能產生報警信號，以此激活植物體內的“防禦基因”，提高植物的自身的抗性及免疫能力，這在番茄的研究中最具有典型性，害蟲損傷番茄葉之後，葉上的細胞壁釋放出一種類激素因子，該物質通過細胞組織擴散到莖和其它葉片，啟動蛋白酶抑制劑的基因，開始高效合成蛋白酶抑制劑，並在莖葉中迅速積累，以對付害蟲的再次侵襲。蛋白酶抑制劑不僅對害蟲產生的消化酶有抑制作用，而且對病菌產生的蛋白酶也有抑制作用。
日臻完善的基因工程與植物免疫相結合，賦予了植物較強的免疫能力，1987年，英國科學家將豇豆的胰蛋白酶抑制劑基因導入菸草，首戰告捷。1992年，美國Ryan實驗室分別將番茄蛋白酶抑制劑和馬鈴薯蛋白酶抑制劑基因轉入菸草獲得成功，害蟲只要取食，就會有來無回，轉蛋白酶抑制劑基因植物的研究空前活躍，為世界各大生物技術公司所矚目。
美國Biotechnica公司計畫將豇豆胰蛋白酶抑制劑基因導入玉米，以對付異常猖獗的歐洲玉米螟，並將其套用於大豆、小麥等作物，該技術已於近年進入田間實驗。美國的Monsanto和Cafgene等公司也正在將該抑制劑基因導入棉花，希望獲得對棉鈴蟲有較強免疫能力的“工程棉花”。據報導，美國康奈爾大學的史蒂芬·坦克斯萊博士及其同事，在番茄里發現了一種能夠抗禦細菌性爛斑的基因，這一發現有助於使許多作物病蟲害產生免疫能力，增產增收，提高作物的品質。
bt基因及其套用
蘇雲金桿菌屬於革蘭氏陰性的孢子細菌。在芽孢形成過程中，可產生伴胞晶體，由一種或多種蛋白組成，被稱作8一內毒素(8-endotoxins)或殺蟲結晶蛋白(insecticidalcrystalprotein，ICP)，具有高度特異性的殺蟲活性。ICP通常以原毒素(protoxin)形式存在，當昆蟲取食ICP後，在昆蟲的消化道內，原毒素被活化，轉型為毒性多肽分子。ICP的活化是多步驟的過程。首先，ICP溶解在昆蟲的腸道里。ICP在中性條件下不溶，而在鹼性條件下可溶。ICP一經溶解，在蛋白酶的作用下，通過專一性蛋白酶水解切割。ICP被活化。活化的ICP不被胰蛋白酶或其他蛋白酶所破壞，它能與昆蟲腸道上皮細胞上的特異性蛋白結合。結合後的ICP全部或部分嵌合於細胞膜中，使細胞膜產生一些孔道，從而導致細胞由於滲透平衡破壞而破裂。伴隨著上述過程，昆蟲幼蟲將停止進食，而最終死亡。
ICP的分類、結構及抗蟲譜根據ICP的抗蟲譜及它們的序列同源性。ICP被劃分為五個主要類型。類型I(CryI)具有抗鱗翅目(Lepidoptera)昆蟲的活性，對其幼蟲有特異的毒性作用。類型II(CryII)抗鱗翅目和雙翅目(Diptera)昆蟲。類型Ⅲ(cryⅢ)抗鞘翅目(Coleoptera)昆蟲。類型IV(CryIV)抗雙翅目昆蟲。類型v(cryV)既抗鱗翅目又抗鞘翅目昆蟲。此外，抗膜翅目(Hymenoptera)和抗線蟲(Nematodes)的ICP也已被發現[，。CryI蛋白為長1100-1200個胺基酸的多肽，大小為130~140kDa，其毒性多肽分子是約6o～70kDa的核心片段。活性區在氨基端，而原毒素羧基端至少一半以上的胺基酸序列對於毒性功能是非必要的。對於一些CryIV蛋白，也具有該特徵。而某些ICP，雖然其原毒素僅約70kDa。但其毒性多肽分子卻約是60kDa。這表明毒性肽分子在伴胞晶體中裝配之前，已經自然加工好了。所以對於基因工程而言，只保留編碼毒性核心片段的核苷酸序列就能達到抗蟲目的。
未加改造的bt基因在轉基因植物中表達水平很低，只占植株內全部可溶性蛋白的0．o01%以下，不能直接毒殺害蟲。因此，有必要對原核bt基因進行修飾改造。分子生物學研究證明，除蛋氨酸和色氨酸外，所有的胺基酸均具有2~6個密碼子。即為密碼子的簡併性。密碼子具有種特異或稱種偏愛性。酵母中96%以上的胺基酸被全部61個密碼子中的25個所編碼。高等植物中單、雙子葉植物之間密碼子的使用頻率也有明顯差異。這種密碼子的偏愛性直接影響基因的轉錄水平和mRNA的穩定性。因此，密碼的偏愛性成為影響外源基因在微生物或高等生物中高效表達的重要因素。因此，根據植物偏愛密碼子對原核bt基因進行了改造，將改造的Bt基因導入棉花，經免疫分子表明表達水平大幅度提高，表達產物占細胞可溶性蛋白的0．03%～0．1%，對棉鈴蟲具有較強的毒殺作用。
bt基因的套用自1987年首次獲得攜有bt基因的轉基因植株以來，不同bt株系的不同類~_icp基因被轉入多種作物，如菸草、番茄、玉米、棉花、蘋果、核桃等，其中一些轉基因植物表現出良好的抗蟲效果。目前用以轉化植物的bt基因主要是編碼oryI的基因，它具有抗包括菸草天蛾、番茄果螟和玉米螟在內的鱗翅目害蟲的作用。最近，cryIIa基因已被轉入植物，能抗包括馬鈴薯甲蟲在內的鞘翅目害蟲。對ICP在植物中表達水平低的問題進行系統研究發現mRNA不穩定和翻譯效果低是其主要原因 。
天然的bt基因富含A、T鹼基。而植物基因中G、C鹼基比例高，這一差異可能導致Bt基因轉錄的未成熟終止(permaturetranscriptiontermination)及不適當的切割。Bt基因和植物基因在密碼子上的差異也可能使bt基因在植物細胞的轉錄過程中形成二級結構、mRNA的特定序列被降解和翻譯效率降低。為了解決富含A、T鹼基的bt基因在基因組中富含G、C鹼基的植物細胞中表達水平低的問題，研究人員對cryI基因進行了部分甚至完全的修飾。修飾後的cryI基因的轉基因棉花、菸草、番茄和玉米中的表達水平有了顯著提高。~1Monsanto公司的Perlak等人q在不改變胺基酸序列的情況下，對cryIA(b)和cryI(C)基因進行修飾(主要是去除富含A、T鹼基序列)，消除了上述提到的對cryI基因高效表達的不利因素。通過修飾，使cryIA大(b)和cryIA(c)在植物中表達水平提高了100倍，cryIA(b)和cryIA(C)蛋白的含量提高到占可溶性蛋白的0．05%～0．1%，並獲得良好的抗蟲效果，其中轉基因棉花植株對棉鈴蟲(Heliothisarmigera)的抗性達80%[1lI]。在以bt基因作為植物基因工程的目的基因時，一個潛在的嚴重問題是害蟲可能會對轉bt基因植物產生抗性。
為了防止昆蟲對轉基因植株產生耐受性，可在基因構建時採取以下措施：①使用組織專一性啟動子或化學誘導啟動子。組織專一性啟動子的使用，可使bt基因的表達局限在植物重要的組織，如只在棉花的棉鈴中表達，以便未經選擇的害蟲能在葉片上存活。Pr．-la是編碼病原相關蛋白(pathogensis—relatedprotein，即PR蛋白)的基因，可被侵染誘導，也可被一些化學刺激物(包括水楊酸和聚丙醯酸)誘導。用化學藥劑處理攜P卜la啟動子調控bt基因的轉基因菸草，使bt基因在化學誘導劑存在下才能表達，從而降低抗性的選擇壓產生，以防止抗性擴散。②通過對bt基因進行修飾，使ICP在植物中高劑量表達。田間發現的高水平表達的bt抗性基因都是隱性基因，而且ICP對害蟲的幼蟲特別有效，所以bt基因的連續、高效表達，可以消除突變雜合體。③同時使用兩種以上bt基因轉化農作物或聯合使用bt基因和其他類型的抗蟲基因。除非抗性位點出現的頻率很高和殺蟲劑劑量低至雜合體可以存活，否則，昆蟲對兩種獨立殺蟲劑同時產生耐受性基本上是不可能的。同時，為了防止害蟲對bt基因的抗性擴散，可將遺傳工程植株和非工程化植株混種，以保證在繁育群體中保留一部分未經選擇的害蟲。
套用現狀
1、在優質豐產及綜合性狀改良育種上的套用
基因工程育種的主要目標就是優質豐產育種。90年代前在農作物上的套用廣泛，且主要是提高農作物產量，近期則側重於提高品質，如：美國科學家據此提高馬鈴薯澱粉含量達20%-40%，最高達40%-60%。目前改良作物產品質量的基因及套用主要有：控制果實成熟的基因；穀物種子貯藏蛋白基因；控制脂肪合成基因；提高作物產量基因等。世界上有43種農作物品種得到改良，如水稻、番茄、馬鈴薯、瓜類、菸草等等。
2、在抗性基因工程上的套用
基因工程的發展為培育抗病蟲的作物提供了新的手段，從而開闢了植物抗病蟲育種的新時代。抗病基因工程育種主要是將病毒外殼蛋白基因移植到農作物中，使農作物能抵抗病毒感染，培育出抗病毒番茄、抗病毒菸草、抗病毒黃瓜等作物新品種。中國農業科學院生物技術研究中心與作物所合作，將幾丁質酶和葡聚糖酶雙價基因導入小麥，育成雙價抗病轉基因小麥，抗赤霉病、紋枯病和根腐病等真菌性病害。抗植物蟲害的基因有多種，日前經常使用的主要有三種：一是從微生物蘇雲金桿菌分離出的蘇雲桿菌殺蟲結晶蛋白基因，簡稱Dt基因；二是從植物中分離出的昆蟲的蛋白酶抑制劑，其中套用最廣泛的是豇豆胰蛋白酶抑制劑基因(CpTI)；三是植物凝集素基因(lectingene)。
而這些轉基因作物能減少殺蟲劑和農藥的用量，降低殺蟲劑和農藥及其殘留物對食物鏈、水體造成的污染，從而有利於保護生態環境。
3、在非生物脅迫育種上的套用
隨著生物技術的發展，現在已經有能力通過遺傳工程方法來培育耐除草劑的作物品種。耐除草劑的轉基因植株的出現，不僅擴大了現有除草劑的套用範圍，而且還影響新型除草劑的設計和使用。目前，耐除草劑的基因工程主要有兩種策略：(1)修飾除草劑作用的靶蛋白，使其對除草劑不敏感，或促其過量表達以使植物吸收除草劑後仍能進行正常代謝。(2)引入酶或酶系統，在除草劑發生作用前將其降解或解毒。這兩種策略都已成功地套用。基因工程在抗旱育種上的套用為克服乾旱提供新思路。美國史丹福大學把仙人掌基因導入小麥、大豆等作物，育成抗旱、抗瘠的新品種。我國在抗逆基因的分離、克隆和轉化等方面的研究有新進展，已克隆了耐鹽鹼相關基因，通過遺傳轉化已獲得了耐2%NaCL的菸草；耐1%Na-CL的苜蓿和耐0.8%NaCL的草莓。
4、在植物醫藥基因工程上的套用
目前，這方面的成績主要表現在兩方面，一是成功地在植物中表達抗體，二是成功地用植物來生產某些動物疫苗。
迄今在世界範圍內正在開發的醫藥活性多肽和疫苗估計在100種以上。多肽藥物中有人胰島素、人生長激素(HGH)、干擾素、白細胞介素、組織血纖維蛋白溶酶原激活劑(TPA)、免疫球蛋白(Ig)等等。疫苗有麻風桿菌疫苗、腦膜炎球菌疫苗、B型肝炎疫苗、流感疫苗和人免疫缺陷病毒疫苗等。
研究進展
在過去的10年中，人們採用多種方法培育對病蟲害不敏感的轉基因植物，並取得了巨大進展。基因檢測手段和基因轉移技術的完善為這一進步奠定了堅實基礎。目前，使植物抵抗病毒已獲初步成功；抗細菌和真菌病原體的研究也已經起步；通過使轉基因植物表達殺蟲或干擾昆蟲代謝的蛋白已達到防治害蟲的目的。
一、病毒抗性
為使植物獲得工程病毒抗性，人們設計了多種方法，其中包括外殼蛋白介導的抗性，通過表達衛星RNA或複製酶序列獲得的抗性，以及採用反義RNA獲得的抗性。
1、外殼蛋白介導的病毒抗性
外殼蛋白介導的抗性是最早被採用的，也是比較成功的方法。這是一種交叉保護作用，即如果植物首先被一種溫和的病毒感染，那么再被血清學相關的病毒攻擊時，與初次感染的對照相比，第2次感染的症狀較輕。儘管許多年前就觀察到了這種交叉保護作用，但其確切機制至今仍不清楚，一種可能的解釋是，在受感染細胞中累積了過量的、不結合病毒RNA的外殼蛋白（CPS），這些CPS抑制侵染病毒的脫殼作用。結果，病毒RNA的表達和複製受到抑制，症狀不出現或延遲出現。目前已有20多種轉基因植物具有這種抗性，如番茄、馬鈴薯、苜蓿和水稻。
外殼蛋白基因的反義序列也相當有效。例如，含黃瓜花葉病毒和馬鈴薯X病毒外殼蛋白RNA反義序列的轉基因植物能耐受低濃度的病毒接種。缺失起始信號的馬鈴薯Y病毒的外殼蛋白順反子也被成功地利用。將沒有翻譯產物的菸草刻蝕病毒外殼蛋白基因導入菸草植株，也能使轉基因菸草對病毒有抗性。
外殼蛋白介導的保護作用並不總是特異性的。在有些情況下，轉基因植株不僅抵抗外殼蛋白基因的來源病毒，而且抵抗血清學無關的病毒。外殼蛋白策略已被證實在大田中有效，該策略還能使植物抵抗二種不同病毒的混合感染。無疑，這是一種有巨大潛力的方法。
2、衛星RNA
衛星RNA是某些RNA病毒的小型、附加基因組成分，具有這些成分的RNA病毒往往需要助病毒的完整基因組才能在植物細胞中複製和繁殖。衛星RNA可緩解助病毒引起的疾病症狀。黃瓜花葉病毒和菸草環斑病毒的衛星RNA基因組被導入靶標植物後，在一個強啟動子調控下表達，可使助病毒引起的症狀延緩出現。不過，使用這種技術有可能使良性的衛星RNA分子變成烈性分子。
3、複製酶
通過導入非結構蛋白的全長編碼序列也能使植物抵抗病毒，這些蛋白可以是蛋自酶或複製酶（依賴RNA的RNA聚合酶）。例如，表達截短的複製酶基因的轉基因菸草高度耐受菸草花葉病毒（TMV）及其相關毒株。基出來自TMV；豌豆早褐病毒複製酶編碼基因也使植物抵抗TMV和兩個相關毒株。這種方法是很有潛力的，特別是設計有效的複製酶突變株方便可行。
4、反義技術
將病毒基因的各種反義序列導入靶標植物可使植物獲得病毒抗性。有關外殼蛋白的情況前面已經提到，al基因編碼一種複製蛋白，表達該基因的反義序列使植物抵抗番茄金色花葉病毒；雀麥花葉病毒RNA3順反子間區的反義轉錄本可阻斷病毒RNA的複製。但是，一般情況下，使用反義序列只能獲得較弱的保護作用。
5、其他辦法
將編碼核糖體失活蛋白（RIP〕的基因導入靶標植物，以干擾病毒的複製是一種非常有效的方法，例如，美國商陸（PAP）的單鏈RI蛋白具有廣譜抗病毒話性。該蛋白26S核糖體RNA的保守區被刪除了一個腺嘌呤，高水平表達此基因的植物可耐受病毒感染。此外，使轉基因植物合成直接作用於病毒基本成分（如外殼蛋白和複製酶）的抗體，以獲得免疫保護作用，也是一種有希望的方法。Tav1adoraki等使菸草在胞質中表達直接抗菜薊斑駁皺縮病毒的scFv抗體。結果，轉基因菸草專性抵抗這種病毒感染，發病率下降，症狀延遲出現，該方法的成功有賴於胞質穩定表達抗體。目前，轉基因植物已可生成全長抗體。
二、細菌抗性
與病毒抗性研究比較，抗細菌的轉基團植物要少得多，這方面研究所使用的方法基本上有3種：（1）將編碼細菌細胞壁降解酶的基因導入植物，例如，將雞蛋蛋白或T4噬菌體的溶菌酶基因導入菸草和馬鈴薯。溶菌酶的高水平表達並被分泌到細胞間隙可起到保護作用。轉基因馬鈴薯的塊莖切片抵抗病原體胡蘿蔔軟腐歐文氏菌黑腐變種（Erwiniacarobovoravar．atroseptica）的嚴重感染；（2）將抗微生物、富合半胱氨酸的植物抗病蛋白編碼基因導入菸草，如在花椰菜花葉病毒（CaMV）35S啟動子驅動下，[a]-硫素基因的高水平表達緩解了丁香假單胞菌（Pseudomonassyringepv．tabaci或P．syringaepv．syringae）引起的病症；（3）使植物獲得解毒作用，抗細菌毒素，這種方法似乎是最有希望的，例如，丁香假單胞菌（P．syringaepv．tabaci）產生毒害植物的二肽tabtoxin。這種毒素使菸草患野火病、可能是抑制了宿主谷氨醯胺合成酶所致，結果導致毒素氨的累積。將細菌的、編碼抑制tabtoxin的乙醯基轉移酶基因ttr導入菸草並使其組成性表達，可使轉基因植株的野火病症狀減輕。Herrera-Estrella等將鳥氨酸甲醯基轉移酶基因導入植物的質體，結果，這種對毒素不敏感酶的存在使宿主抵抗P．syringaepv．phaseolicola產生的毒素phaseolotoxin。
三、真菌抗性
起初人們認為，植物對病原體真菌的抗性是由多個寡基因編碼的。事實上，在某些情況下，僅僅一個基因就可使易感宿主植物具有適宜的抗性。
1、植物抗毒素
植物抗毒素是一類低分子量的有機化合物，是由被真菌感染的細胞快速合成的。不同濃度不同植物的抗毒素表現不同的抑真菌或殺真菌活性，是植物防禦系統的一部分，植物抗毒素成分的任何改變都有可能提高宿主植物的防禦潛力。將葡萄的1，2-二苯乙烯合成酶單一編碼基因導入菸草，轉基因菸草即可合成抗真菌物質3，4，5-三羥1，2-二苯乙烯，該物質強烈抑制真菌生長；植物抗毒素的存在還使植物一定程度地抵抗灰葡萄孢。
2、抗真菌蛋白
幾丁質酶和[B]-1，3-葡聚糖酶存在於大多數植物細胞中，屬於發病-相關蛋白（PR蛋白）。當植物受到植物病原菌襲擊時，這兩種蛋白的合成顯著增加。它們共同破壞真菌細胞壁（含[B]-1，3-葡聚糖和幾丁質），從而抑制真菌生長。然而，研究了備種幾丁質酶和[B]-1，3-葡聚糖酶，只有液泡I類水解酶有可能成為真菌抑制劑。人們曾試圖用強啟動子驅動來改善幾丁質酶和[B]-1，3-葡聚糖酶的表達，但成效不大。曾在轉基因菸草中超量表達菜豆幾丁質酶基因並帶來了明顯的立枯絲核菌抗性，但未獲得實際意義。只有同時表達I類或V類幾丁質酶、I類[B]-1，3-葡聚糖酶基因和附加基因[如幾丁質-結合蛋白（CBP）基因和核糖體-抑制蛋白（RIP）基因]才能獲得高水平抗性。鑒於細胞外（質外體）空間可能是病原體與宿主遭遇的第一場所，真菌毒性水解酶應定位於這一空間。初步定位實驗已獲得成功，已修飾了菸草I類水解酶並使其正確分泌到細胞外空間。
某些小分子蛋白在離體條件下具有特定的抗真菌活性，在細胞內也可能殺滅真菌，只是還未在轉基因植物中得到證實。這些小蛋白包括硫素、滲透素和zeamatins。
3、植物抗體
使植物分泌抗真菌蛋白的抗體是一種新方法，例如，使菸草分泌抗真菌角質酶的抗體，並使其在分泌信號肽調控下分泌到質外體空間，這些植物抗體干擾真菌酶的活性，從而保護宿主植物。
4、人工細胞死亡
通過在感染部位造成編程性細胞死亡可使馬鈴薯抗致病疫霉，用這種方法可防止真菌菌絲向鄰近細胞擴散（即超敏反應）。在不相容性相互作用中，真菌被限制在壞死區域；但在親和性相互作用中則不存在這種有效的防禦反應。編程性細胞死亡是可以設計的，例如，芽胞桿菌RNA酶（barnase）基因來源於解澱粉芽胞桿菌（Bacillusamylolique-faciens），它編碼一種細胞毒性RNA酶，並受prpl-1基因啟動子驅動。將其導入馬鈴薯，該基因的表達使感染部位壞死的宿主細胞數目減少，很像超敏反應，病原體真菌的生長也受到限制。此外，將芽胞桿菌RNA酶抑制劑基因（編碼一種高度專性的芽胞桿菌RNA酶抑制劑〕同期導入並組成性表達可最大限度地減弱非受染植物細胞中，芽胞桿菌RNA酶的自殺效應。此時，在轉基因馬鈴薯植株的組織中觀察到定位的細胞死亡情況，植株對致病疫霉的抗性提高。
四、害蟲抗性
現有的害蟲防治方法有多種，其中一些是外部施用，特異性不高、有危險性和對環境有害的方法。作為現有方法的潛代，使轉基因植物表達殺蟲毒素有明顯的優越性。成功的途徑有2個：開發蘇雲金芽胞桿菌殺蟲[s]-內毒素蛋白；使用干擾昆蟲代謝或影響其發育的蛋白。
1．蘇雲金芽胞桿菌內毒素
蘇雲金芽胞桿菌（Bacillusthuringiensis）是一類革蘭氏陽性土壤細菌，在地球上的菌株超過600個，每個菌株分別含有編碼[s]-內毒素蛋白的質粒。[s]-內毒素蛋白參與內生孢子形成過程，為構建孢子壁所必需，剩餘的[s]-內毒素作為仲晶蛋白被儲存。這些蛋白體一旦被昆蟲攝取即在昆蟲中腸的鹼性環境中被腸蛋白酶裂解成原毒素蛋白，進一步形成具高度特異性和毒性的化合物。內毒素的高度專性是由昆蟲中腸刷狀緣膜上特定的高親和性受體蛋白決定的。特定菌株產生的內毒素只對少數幾種特定昆蟲或與其密切相關種類有毒性。重毒的昆蟲會出現穿孔、麻痹和中腸的徹底瓦解。已知，對鱗翅目昆蟲有毒性的內毒素原蛋白約有12種，它們的胺基酸序列略有差別。其中，被稱作cryIA（b）和cryIB的內毒素對大菜粉蝶（Pierisbrassicae）幼蟲有毒性，而cryYIA（b）則殺死菸草天蛾（Manducasexta）。
首次成功地分離、修飾蘇雲金芽胞桿菌內毒素基因，並將其轉入靶植物是在1987年。將蘇雲金芽胞桿菌kurstaki變種的殺昆蟲蛋白基因導入植物，這些植物對鱗翅目昆蟲（菸草天蛾、煙芽夜蛾和棉鈴蟲）的幼蟲具有廣泛抗性。蘇雲金芽胞桿菌tenebrionis菌株的內毒素主要抗科羅拉多甲蟲，該基因的轉化株對這種蟲子有很高的抗性。內毒素策略的良好作用已被多例宿主-昆蟲相互作用所證實。所涉及的植物有菸草、番茄、棉花和馬鈴薯。[s]-內毒素介導的昆蟲抗性在大田條件下有效。此外，更大的吸引力還在於，該方法除昆蟲外還有可能控制線蟲、吸漿蟲、蟎和原生動物。
內毒素基因在植物體中的表達水平通常是比較低的，人們通過基因拼接改善其表達。例如，去除植物基因的多聚腺苷化信號（ATTTA序列）、內含子/外顯子剪接位點、聚合酶II終止信號並改變密碼子的用途，對編碼區進行修怖。上述操作通常可大大改善內毒素基因在植物體內的表達，從而提高轉基因植株的抗性水平。
存在的兩個主要憂慮是，第一，昆蟲有可能通過受體蛋白基因的突變對毒素產生抗性。事實上，已有幾種主要害蟲在實驗室對毒素產生抗性，有印度谷螟、小菜蛾、煙芽夜蛾和馬鈴薯甲蟲；大田的有小菜蛾。用2種（或多種）不同基因轉化植物可明顯改善狀況，因為這樣昆蟲就不得不對付一種以上的內毒素蛋白。第二個優慮是，經濟作物體記憶體在較高濃度[S]-內毒素蛋白可能對植物的能量平衡造成壓力。克服此問題的一個方法是將內毒素基因與特定啟動子相連，如創傷-誘導啟動子。這樣，在通常情況下，導入的啟動子是休眠的，當害蟲襲擊時才被活化。
2．蛋白酶抑制劑和其他蛋白
植物體內大約有8類非相關蛋自酶抑制劑。它們分別抑制絲氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶和金屬蛋白酶，在種子和塊莖中這些抑制劑濃度特別高。它們又幾乎沒有抗內源蛋白酶的活性，因此可能是防衛機制的一部分，用以抑制害蟲的蛋白酶，發揮一種抗營養作用。事實上，將受控於35SCaMV啟動子的虹豆胰蛋白酶抑制劑cDNA導入菸草植株，則轉基因植株抗菸草夜蛾。採用類似策略，馬鈴薯絲氨酸蛋白酶抑制劑PI-H基因能使菸草抗菸草天蛾。然而，該技術有一定局限，原因是抑制劑濃度相當高才能發揮作用。此外，蛋白酶抑制劑的作用是不專一的，可保護植物抗多種昆蟲。
編碼其他抗-營養蛋白的基因也被導入植物並表達，使轉基因植物獲得了微弱的昆蟲杭性，如神經肽編碼基因和色氨酸脫羧酶編碼基因。前者的表達干擾昆蟲發育；後者的表達使色氨酸轉變成色胺。色胺是一種潛在的血清素前體，它的存在防礙昆蟲的交配、攝食或發育。
告別了實驗階段，植物基因工程有了長足的發展，而植物疾病的抗性研究又是其中的重要方面。人類在這一領域的研究已經取得了初步成果，並被套用於生產實踐。在未來的10年中還會不斷取得更多、更偉大的成就。
存在的問題
1、基因工程本身的發展局限基因工程本身存在技術問題使其不能迅速使用。這些技術問題有基因轉化率低、轉化體系不完善、轉化外源基因表達的調控能力低和轉化的外源基因的遺傳穩定性低等。
2、基因工程與農業資源遺傳多樣性保護依靠植物基因工程技術能夠按照人類意願設計創造的高光效、抗病蟲，能在逆境中生長並且優質的“超級品種”，勢必成為自然史上的優勢物種，從而有可能加劇農業資源遺傳的單一和貧乏。因此必須把目的基因開發利用與生物基因文庫保存有機地結合起來。
3、基因工程與病蟲抗藥性病蟲抗藥性是困擾農業生產的重大問題。基因工程的操作會引起新的病蟲抗藥性。
4、基因工程與環境生態平衡人們利用植物基因工程生產出抗旱、耐鹽、抗病蟲害作物的同時，也會導致生物多樣性遭受嚴重破壞，甚至導致一些物種的滅絕。生物技術同樣會引起地壤侵蝕和沙漠化。這一結果是由於生物技術促進農作物它原本不適應的地域擴張而造成的，這可能會引起環境和生態問題。
5、基因工程的安全性問題轉基因技術的安全性問題包括對人體和環境的安全性兩個方面。轉基因食品必須在天然有毒物質、成分及抗營養因子、過敏原等方面與自然食品實質性相同，才能是安全的。比如，轉基因產品(如食品)是否存在過敏性，是否含有毒素，是否對人體產生短期或長期的傷害等；轉基因農作物在自然生長過程中其基因是否會發生變異或漂移，是否會改變自身或其他物種的遺傳特性等等。轉基因植株的獲得一般都要通過抗生素標記的基因載體轉化得到，那么這些抗生素標記的基因會不會對人體產生傷害。到目前為止，儘管還沒有依據證實轉基因食品是不安全的，但人們對其安全性的顧慮也是不會輕易消除的。
