我國麻類作物基因工程育種研究進展

李仕金 辛培堯 周 軍

摘要對國內外幾種主要的麻類作物基因工程研究進行了綜述,并對今后麻類作物在該領域的工作提出了展望。

關鍵詞麻類作物;基因工程;育種;研究進展

中圖分類號S563;Q789文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)08-0105-02

麻是一種古老的纖維植物,主要有紅麻(Hibiscus cannab-inus)、黃麻(Corchorus capsularis)、亞麻(Linum numusitatissimum)、苧麻(Boehmeria nivea)、大麻(Cannabis stative)等,它們在植物分類中并不屬于同一科或屬,但它們都有質地堅韌的纖維,可作為紡織業和造紙業的原材料。我國是世界主要產麻國之一,也是麻類作物品種最多的國家。麻類作物還是包裝及繩索等制造工業的重要原料,是一種重要的經濟作物。因此,愈來愈多的科研工作者對麻類作物進行了利用各種手段改良其產量及品質的研究工作。

基因工程是指在體外將核酸分子插入病毒、質粒或其他載體分子,構成遺傳物質的新組合,并使之滲入到原先沒有這類分子的寄主細胞內,且能持續穩定的繁殖[1]。自1983年利用基因工程手段首次獲得轉基因植株以來(煙草),這一技術在短短的20多年時間里得到了迅猛發展。到2001年,全球共正式批準各種轉基因植物120多個品種(系),已有15個以上的國家種植轉基因植物,總面積已超過5 200萬公頃[2]。1983年Hepburn等用根癌農桿菌侵染亞麻上胚軸得到亞麻腫瘤株系,自此開始了麻類作物基因工程的育種研究。基因工程應用于麻類作物,在其種質資源的創新中逐漸顯示出了強大的生命力和巨大的發展潛力。

1抗病蟲害基因工程方面的研究

經過多年的相關研究,國內外研究工作者在紅麻、亞麻、苧麻等麻類作物的抗病蟲害轉基因研究中取得了可喜的成就。其中以紅麻轉抗病蟲基因工程研究居多。

中國農業科學院麻類研究所與國際黃麻組織(IJO)合作,用農桿菌介導法將抗真菌病害基因(幾丁質酶基因與β-1, 3-葡聚糖酶基因)和抗蟲基因(Bt基因)導入紅麻子葉細胞,得到了轉基因后代植株[3]。據報道,福建農林大學的研究者利用雙價抗蟲基因Pta-3300-Bt混合導入紅麻優良品種中,已獲得1 500多個轉基因品系,正在進行株系的田間和實驗相結合的系統鑒定,有望選育出抗蟲轉基因紅麻新品種[4]。祁建民等用花粉管法將抗蟲質粒DNA導入受體紅麻品種福紅952,在受體品種中獲得了Bt抗蟲目的基因的表達。分別用PCR和Southern雜交技術,對所轉化的紅麻轉基因4個世代的株系進行分子驗證,結果在4個世代中都檢測到Bt抗蟲目的基因片段,說明外源基因已經整合到紅麻的基因組中并獲得了穩定遺傳[5]。

亞麻方面,王毓美等用含有幾丁質酶(rc24)基因(上游為CaMV35S啟動子和Act1啟動子,下游為NOS終止子)和新霉素磷酸轉移酶(npt 1I)基因的農桿菌LBA4404內含已去除了T-DNA上致癌基因的pYAO24質粒為供體進行亞麻轉化,得到了具有100mg/L抗性的轉化植株;對植株葉片愈傷組織的過氧化物酶及酯酶同工酶分析表明轉化株與對照系具有明顯的差異,推斷幾丁質酶基因已經進入亞麻基因組[6]。

苧麻抗病蟲害轉基因研究也取得了一定的進展。陳建榮等用農桿菌LBA4404(pBI121-antiBNCCoA OMT)侵染苧麻的試管苗葉片,建立了苧麻葉片遺傳轉化體系,并獲得了抗卡那霉素植株[7]。孔華等通過含有輪狀病毒外殼抗原蛋白VP4基因的根癌農桿菌,用葉盤轉化法轉化苧麻栽培品種圓葉青,初步獲得了輪狀病毒外殼蛋白VP4的轉基因苧麻植株[8]。另有研究者通過農桿菌介導法將Bt基因導入苧麻體內,獲得了16株轉化植株,經點雜交和PCR-Southern分析,有12株苧麻轉化植株基因組中整合有外源Bt基因[9]。上述研究成果,為麻類作物抗病蟲害轉基因新品種以及種質資源的創新奠定了初步的物質基礎,也為該領域的研究提供了經驗以及理論基礎。

2抗除草劑轉基因研究

麻類作物中,抗除草劑轉基因研究目前只在紅麻、亞麻中取得了一些成就,其他麻類作物的研究鮮見報道。

曹德菊等用花粉管法將外源抗除草劑Bar基因導入紅麻,并對有效導入方法及參數進行了研究,通過PCR檢測及Southern雜交對所獲得的轉抗除草劑基因紅麻進行了分子水平的驗證,發現外源抗除草劑基因已整合進紅麻基因組中[10,11]。王玉富等以纖維用亞麻品種黑亞11號為材料,利用農桿菌介導法將Bar基因轉入亞麻,經檢測發現目的基因已經整合到亞麻基因組中[12]。隨著除草劑的廣泛使用,其藥害已經成為影響農業生產的重要因素之一,危害僅次于有害生物造成的損失。因此,開展抗除草劑育種,是作物育種的新育種目標之一,該方面的研究有待加強。作為一種新的育種輔助手段,基因工程憑借其目的性強的優越性,必將在這一研究領域取得更大的成功。

3抗逆性轉基因研究

干旱、病蟲害、草害、凍害及鹽堿害等脅迫因子給農業生產帶來的危害相當巨大,每年造成的直接經濟損失可達數萬美元,且有逐年增加的趨勢。因此,培育抗逆性作物新品種,是未來農業發展的必由之路,在目前全球氣候惡化的情況下,更具有長遠意義。目前,各種作物都已開展了抗逆性轉基因育種,并取得一定的成就,而麻類作物的抗逆性轉基因研究主要在紅麻、亞麻中有見報道。

福建農林大學用花粉管通道法將耐鹽基因SaNHXP導入優良紅麻品種福紅992,從1 500個轉基因株系中篩選出5個耐7‰鹽堿度的抗鹽堿植株,目前正在進行田間和室內鑒定試驗[4]。康慶華等用農桿菌介導法將抗鹽和低溫脅迫基因HY15CS導入單倍體亞麻,獲得抗性再生植株24株,從15株生長健壯的再生植株中用PCR檢測到3株陽性植株,陽性率達20%[13]。

4品質育種轉基因研究

麻類作物品質育種基因工程方面的報道較少,僅紅麻和黃麻各1例。浙江省蕭山棉麻研究所以改良紅麻纖維品質為目的的外源DNA導入紅麻獲得了成功[14]。林荔輝等將黃麻基因組DNA通過花粉管通道法導入紅麻中,并首次獲得2份莖稈光滑無刺的稀有紅麻早熟突變體901和902,并通過雜交、回交和多代定向選擇的遺傳改良,育成了莖桿光滑無刺的紅麻新型品種金山無刺,并從中選育出中偏遲熟油麻兼用紅麻新型品種金光1號[15]。

5麻類作物相關基因克隆方面

麻類作物基因克隆的研究內容,主要集中于亞麻和苧麻2種作物。亞麻是一種重要的韌皮纖維作物,木質素對亞麻纖維的性能和品質具有較大影響。高原等以亞麻莖桿表皮細胞的mRNA為模板,利用木質素合成途徑中關鍵酶基因的同源基因保守序列設計簡并引物,通過RT-PCR擴增,獲得了8個關鍵酶基因新的片段序列。進一步生物信息學分析結果表明,這些新片段分別屬于3個基因家族。他們推測亞麻中這幾個木質素代謝關鍵調控酶基因存在多基因家族。新獲得的基因片段序列為進一步克隆全序列和了解調控亞麻木質素的生物合成奠定了基礎[16]。另有研究者以亞麻為材料,研究木質素代謝的關鍵酶亞麻肉桂醇脫氫酶基因序列。分離了高純度的RNA,以RNA為模板,用簡并引物以RT- PCR的方法,克隆了亞麻CAD基因cDNA部分序列,長度為477bp,編碼159個氨基酸殘基,此cDNA序列為亞麻CAD基因序列[17]。

苧麻方面,陳建榮等用RT-PCR方法克隆了嫻草木質素合成關鍵酶咖啡酰甲基轉移酶(eafeoyl-CoA 3-O-methyltransferase,CCoAOMT)基因,構建了CCoAOMT基因反義表達載體,通過農桿菌介導法對苧麻進行轉化,得到了轉基因植株,并用PCR技術對其進行了分子檢測[18]。有人利用RT-PCR法結合cDNA末端快速擴增法(RACE)從苧麻中克隆了與木質素合成相關的COMT基因的全長cDNA序列。相似性比對結果表明,苧麻COMT全長cDNA與楊樹COMT基因的序列同源性達82%,其編碼的氨基酸序列與杏的COMT氨基酸序列同源性最高,達93%[19]。黃妤等以苧麻栽培種湘苧3號為材料,通過簡并引物RT-PCR結合RACE 技術克隆了苧麻生長素結合蛋白ABP1基因的全長cDNA分子。經基因比對及蛋白質結構分析與已報道的幾種植物生長素結合蛋白有高同源性,認為是苧麻生長素結合蛋白基因cDNA并命名為BnABP1[20]。也有人依照已克隆的苧麻CCoAOMT(咖啡酰輔酶-A-氧甲基轉移酶)基因cDNA序列,以其編碼纖維素合成酶底物結合和催化合成結構域的cDNA序列為目標,采用PCR擴增方法引入克隆的酶切位點,分別將其正、反方向克隆到植物RNA干擾表達質粒PFGC5941 T-DNA上CHSA內含子兩側,構建了植物表達苧麻CCoAOMT基因的干擾重組Ti載體[21]。

6其他方面研究

與此同時,麻類作物基因工程育種在其他方面也取得了喜人的成就。

劉燕等[22]、王玉富等[23]用微注射法將外源DNA 通過花粉管導入亞麻,并得到了過氧化物同工酶酶譜明顯變異的后代。姬妍茹等采用直接分化再生系統為轉化受體系統,通過農桿菌介導將GUS 基因導入亞麻品種雙亞5號和雙亞7號的下胚軸段中,經過不到2個月的時間即獲得再生苗。這一成果大大縮短了遺傳轉化所需時間,為亞麻轉基因育種提供了一條快捷的途徑[24]。也有研究人員用超干胚浸漬法將棉花DNA導入苧麻種子,在D1代,發現了在葉片的缺刻、茸毛上存在差異的變異株;而在D2代,則發現了在株高上有明顯不同的植株。經過RAPD驗證,發現有的變異株中出現了棉花的特異帶,有的則出現受體和供體均沒有的新帶,還有的出現了受體DNA帶在變異株中消失的情況[25]。另外,汪波等以苧麻優良品系“5041-3”子葉作為受體,利用根癌農桿菌介導法進行了綠色熒光蛋白基因的遺傳轉化研究,并將外源基因整合到苧麻基因組中[26]。陳德福等分別用根癌農桿菌C58C1和發根農桿菌A4轉化苧麻“湘苧3號”種子苗繁殖的試管苗葉切片。根癌農桿菌C58C1感染的葉切片在12d時,即有肉眼可見的的愈傷組織產生。發根農桿菌A4轉化的葉片在第21天時無愈傷組織產生,但有少量根產生[27]。

麻類作物該方面的研究為利用轉基因方法創造麻類作物新品種的育種工作,提供了豐富的前期基礎。

7展望

麻類作物是重要的纖維和油料作物,對它進行基因工程方面的研究有著重要的意義和廣闊的應用前景。通過目的基因的分離、改造、利用,培育出具有改良的纖維及種子品質的工程植株并使之應用于生產實踐,可提高農民的經濟收入,改善生態環境。目前,對麻類作的轉基因育種研究,與棉花和油料等相比,還處于深入起步階段。隨著基因工程技術的發展和完善,會有越來越多的轉基因麻類植物新品種出現,到時將大大提高麻類作物的利用價值。如在改善纖維品質方面,若能把控制品質的關鍵基因定位并加以克隆,有望大幅提升麻類纖維質量。對大麻中有毒成分THC的合成關鍵酶基因定位克隆,并對其活性進行深入的研究,則有望培育出無毒或低毒大麻,從而使大麻這種古老經濟作物的種植不再受限。可以預見,基因工程手段應用于麻類作物,具有巨大的社會與經濟效益。

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