基因工程在馬鈴薯育種中的應用現狀

作者簡介：劉玲玲（1977-），女，講師，碩士，研究方向為生物技術在作物遺傳育種中的應用研究。

摘要：近年來，基因工程技術廣泛應用于馬鈴薯抗病、抗菌、抗蟲、抗除草劑、品質改良及生物反應器的研究中并取得了一定進展。本文綜述了近20年國內外基因工程在馬鈴薯育種上的應用現狀，為馬鈴薯產業的大力發展提供了理論依據。

關鍵詞：基因工程；馬鈴薯育種；應用現狀

中圖分類號：S532.035.3 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2013）06-0130-04

馬鈴薯（Solanum tuberosum）是世界上廣為種植的糧、菜、飼兼用型作物，也是我國干旱和半干旱地區重要的經濟作物，可以加工制成各種產品[1]，其栽培面積僅次于小麥、水稻和玉米。全世界每年的總產量將近3×10⁸t，中國占了其中的18%，居世界第一位[2]。馬鈴薯以其獨特的經濟價值受到了國內外的廣泛關注，尤其近年來隨著生物能源的興起與開發，馬鈴薯也被視為一種新型的能源材料，從而掀起了對馬鈴薯生物學性狀及應用的研究熱潮[3]。

馬鈴薯為同源四倍體作物，其遺傳分離復雜、后代篩選繁瑣，用常規育種方法改良品種難度極大。盡管已培育出許多食用加工的優良品種，但至今許多優良栽培品種仍受到多種病蟲害等的嚴重危害。近些年發展起來的植物基因工程技術，可以將各種來源的基因導入馬鈴薯，使馬鈴薯基因工程取得了許多突破，顯示出誘人的前景。

1 馬鈴薯抗病基因工程

11 馬鈴薯抗病毒病基因工程

病毒病是馬鈴薯的主要病害之一，也是造成馬鈴薯退化的主要原因，嚴重危害著我國馬鈴薯的生產。隨著病毒檢測技術的發展，人們發現幾乎所有馬鈴薯品種都受到一種或幾種病毒的侵染[4]。目前已報道的侵染馬鈴薯的病毒有40余種[5]，國內發現的專門寄生于馬鈴薯的就有9種，即馬鈴薯X病毒（PVX）、馬鈴薯Y病毒（PVY）、馬鈴薯S病毒（PVS）、馬鈴薯A病毒（PVA）、馬鈴薯M病毒（PVM）以及馬鈴薯卷葉病毒（PLRV）[6]。其中馬鈴薯Y 病毒和馬鈴薯卷葉病毒是最主要的馬鈴薯病毒[7]。而且PVY+PVX或PVY+PLRV混合侵染帶來的損失遠遠大于各病毒單獨侵染。

馬鈴薯抗病毒基因工程主要有病毒外殼蛋白（CP）基因的交叉保護作用，RNA和反義RNA介導的抗性，核酶、缺損的復制酶基因介導的抗性以及干擾運動蛋白等[8]。在以上技術中， 利用病毒外殼蛋白基因介導植物產生抗病性是目前馬鈴薯抗病毒基因工程的熱點之一。近十多年來，應用生物工程技術將病毒外殼蛋白（CP） 基因導入馬鈴薯的研究工作已取得重要進展[9]，有些學者鑒定了表達PVX+PVY雙價CP基因轉基因馬鈴薯的抗病性，結果表明轉基因馬鈴薯對PVX+PVY復合感染產生不同程度的抗性[10]。利用反義RNA技術，有些學者用非翻譯的序列轉化植株也能產生抗性，RNA與反義RNA轉化阻礙翻譯的進行，導致基因產物減少[11]。馬鈴薯抗病毒基因工程的成果還有很多，隨著對病毒與植物相互作用機理的深入研究，抗病毒基因工程在育種上將會發揮更大的作用。

12 馬鈴薯抗真菌病基因工程

真菌性病害也是限制馬鈴薯產量和品質的主要病害之一，馬鈴薯真菌病害種類繁多，其中最主要的是晚疫病菌（Phytophthora infestans），往往造成馬鈴薯大幅度減產。近年來通過基因工程技術在馬鈴薯抗真菌病方面取得一定的進展。在馬鈴薯抗真菌病基因工程育種中大量使用的主要有植物病程相關蛋白、水解酶——幾丁質酶和β-1，3-葡聚糖酶、抗真菌蛋白（肽）、抑制病原菌毒性因子的蛋白等等。付道林等[12]將攜帶有Ⅰ型煙草β-1，3-葡聚糖酶基因和Ⅰ型菜豆幾丁質酶基因的pBLGC質粒導入津引8號馬鈴薯品種中，獲得了抗病轉基因品種。Ali等[13]將人工合成的4種陽離子肽基因導入馬鈴薯并對馬鈴薯病原真菌和細菌的抗菌活性進行了測試，所獲得的轉基因植株對相應病原菌的抗性都得到一定程度的增強。

13 馬鈴薯抗細菌病基因工程

近年來植物抗細菌病基因工程研究取得的進展，主要表現在阻斷病原細菌的致病途徑，強化植物抗病反應及其信號轉導途徑，植物防御基因的表達，利用非植物源抗菌蛋白和利用細胞凋亡反應控制病害的發生等方面。Dong等[14]將克隆于芽孢桿菌的N-酰基高絲氨酸內酯（AHL）水解酶基因aiiA轉入煙草和馬鈴薯，轉基因煙草和馬鈴薯對軟腐病菌（Erwinia carotovora）的抗性顯著提高。賈士榮等[15]將人工合成的Cecropin B及Shiva A基因轉入我國7個馬鈴薯主栽品種中，經溫室和田間接種試驗鑒定，部分轉基因材料對青枯病的抗性比對照提高1～3級。

2 馬鈴薯抗蟲基因工程

在馬鈴薯的整個生育期，常常遭受各種害蟲的侵襲，如蚜蟲、馬鈴薯塊莖夜蛾、蠐螬等，直接危害地上與地下部分，造成產量和品質下降，甚至導致死亡。迄今為止，各國研究人員已經利用基因工程技術分離得到了不同來源的抗蟲基因，其中用于提高植物抗蟲性的主要有兩類：一類是從細菌中分離出來的抗蟲基因，如蘇云金芽孢桿菌毒蛋白基因（Bt基因）；另一類是從植物中分離出來的抗蟲基因，如蛋白酶抑制劑基因（PI基因）、淀粉酶抑制劑基因、外源凝集素基因等。其中，Bt基因和PI基因在農業上應用最廣[16]。Arpaia等[17]的研究結果表明，雌性科羅拉多甲蟲取食了含有cry3B的轉基因馬鈴薯后，生殖能力受到了嚴重損害，不能產生后代。Marchetti等[18]從大豆中分離得到了幾種蛋白酶抑制劑基因（KTi3、C-Ⅱand PⅠ-Ⅳ），并將其導入馬鈴薯中，經檢測在表達足夠數量抑制劑的情況下，幼蟲重量的增加降低50%。

3 馬鈴薯抗除草劑基因工程

通過化學方法控制雜草已成為現代化農業生產中不可缺少的一部分，但除草劑在殺死雜草的同時不僅污染環境，有的還會對農作物的生長產生傷害。而通過基因工程技術將耐除草劑基因導入作物，增加了對除草劑的選擇性和安全性[19]。耐除草劑基因工程主要從兩個方面解決問題，一是修飾除草劑作用的靶蛋白，使其對除草劑不敏感，或使其過量表達讓植物吸收除草劑以后仍能進行正常代謝；二是引入酶或酶系統，在除草劑發生作用前降解或解毒。如比利時植物遺傳部門的研究人員把編碼乙酰CoA轉移酶的Bar基因導入馬鈴薯，獲得耐除草劑的轉基因植株。

4 馬鈴薯抗逆基因工程

干旱、高溫、低溫、鹽脅迫等逆境條件影響馬鈴薯生長，嚴重時甚至導致死亡。隨著分子生物學的發展，研究者從基因組成、表達調控及信號傳導等方面進行深入研究，明確植物對逆境脅迫的耐（抗）性機理，將相關基因導入馬鈴薯以改良脅迫抗性。例如，Goddijn等[20]成功地將大腸桿菌海藻糖合成酶基因復合體otsAB基因導入馬鈴薯，明顯提高了轉基因植株的抗旱性。趙映琴[21]將AtNHX1基因轉入馬鈴薯株系中，在相同鹽濃度脅迫下，轉基因馬鈴薯的株高明顯高于對照，尤其是在高鹽條件下脅迫90 d時，大部分轉基因株系的株高均顯著高于對照。

5 馬鈴薯加工品質改善基因工程

51 馬鈴薯淀粉品質改良基因工程

在淀粉的生物合成過程中，影響淀粉品質的關鍵酶是淀粉合成酶（SS）、淀粉分支酶（SBE）和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase），它們共同作用影響淀粉顆粒的結構和特性。利用基因工程手段改變這些酶在植物中的表達，從而獲得具有獨特性質、新型的馬鈴薯淀粉用于食品加工或其它工業生產之中。宋波濤等[22]通過根癌農桿菌介導法將CaMV35S驅動的正/反義sAGP基因導入馬鈴薯后，轉正義sAGP基因的淀粉含量增加5%～6%，而轉反義sAGP基因淀粉含量下降達27%。在馬鈴薯中，AGPase水平降低時，直鏈淀粉含量顯著降低，而支鏈淀粉含量升高[23]。

52 馬鈴薯塊莖抗褐變基因工程

多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）是產生褐變現象的主要原因。許多研究者運用反義RNA技術特異抑制PPO的表達，從而達到抑制馬鈴薯褐化的目的。如Bachem等[24]將反義多酚氧化酶基因導入馬鈴薯，能夠有效增強塊莖的抗褐變能力。

53 馬鈴薯塊莖抗低溫糖化基因工程

據資料介紹，塊莖在低溫貯藏條件下的低溫糖化給馬鈴薯加工產業帶來的損失高達數千萬美元。于是，人們借助基因工程技術來解決這一難題。張金文[25]克隆了馬鈴薯栽培品種“甘農薯1號”的酸性轉化酶基因，構建了反義植物表達載體，獲得了轉基因植株。除了運用反義RNA技術外，還可通過表達自身或外源的酸性轉化酶抑制因子來改善馬鈴薯低溫糖化。如超量表達煙草酸性轉化酶抑制子的馬鈴薯在4℃低溫貯藏后塊莖中的還原糖含量與液泡酸性轉化酶的活性都顯著降低，兩者呈正相關[26]。張瓊[27]用低溫誘導塊莖特異表達融合啟動子pCL與pCLMlb的反義轉基因株系，結果酸性轉化酶的活性顯著降低，進而引起還原糖含量不同程度的下降。

6 馬鈴薯生物反應器基因工程

馬鈴薯作為生物反應器的基因工程主要有：利用馬鈴薯生產疫苗、植物抗體、蛋白質多肽藥物、糖類物質、工業可降解塑料的原料及可降解生物塑料等。Zhang等[28]利用農桿菌介導將人免疫缺陷Ⅰ型病毒 HIV-1p24蛋白插入馬鈴薯基因組，葉片中的表達量為35 mg/g。李晉濤等[29]報道，將人源輪狀病毒（RV）轉入馬鈴薯，并用小鼠口服該轉基因植株進行免疫應答研究，結果顯示，人源輪狀病毒轉基因植物疫苗聯合黏膜佐劑免疫動物可誘導特異的系統與黏膜免疫應答，且黏膜免疫強度略高于系統免疫。謝安勇等[30]利用聚合酶鏈式反應（PCR）技術，從真養產堿桿菌H16染色體DNA中擴增并克隆了調控PHB生物合成的phbB和phbC基因；雍偉東等[31]將多聚β-羥基丁酸酯（PHB）合成過程中所需的2種酶phbB和phbC的編碼基因轉入到馬鈴薯體內，并采用特定的啟動子使這些基因的編碼蛋白最后定位在細胞的葉綠體中，結果表明，轉基因馬鈴薯葉片中PHB干物質的含量可以達到0025～1800 g/kg，并且這些外源基因的表達并不影響馬鈴薯的生長和育性。

7 前景展望

馬鈴薯基因工程育種在短短十幾年中已取得了豐碩成果，其在抗蟲、抗病、抗逆等方面具有傳統育種和生產無法比擬的優越性，提高了對病蟲的抵抗和防御能力，增強了對干旱高鹽的適應性，并能減少化學農藥的使用量及保護生態環境，為培育馬鈴薯優良品系開辟了一條嶄新的道路。同時，作為生物反應器，生產人們所需要的大量疫苗和藥物，可供人類和家畜直接使用，便捷可靠。但是，目前馬鈴薯基因工程還受許多因素的制約，如轉基因效率低和轉基因生物安全性等問題。為了更好地發展和應用這項技術，在今后的研究中應著重解決以下問題：首先繼續發現新型、高效基因，并研究其機制；其次應加強研究目的基因在轉基因植株后代中的遺傳、表達穩定性；且深入研究基因抗性的機制并制定確實有效的反抗性措施。盡管還存在許多有待進一步解決的問題，但應該看到，馬鈴薯基因工程的發展速度是非常快的，其應用前景十分廣闊。參 考 文 獻：

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