楊樹營養生長轉基因研究進展

楊成超

(遼寧省楊樹研究所，遼寧 蓋州 115200)

楊樹營養生長轉基因研究進展

楊成超

(遼寧省楊樹研究所，遼寧 蓋州 115200)

楊樹是研究樹木分子生物學的模式樹種，營養生長是人們在木材利用時的重點關注對象，轉基因是楊樹遺傳育種的重要手段之一。文章綜述了楊樹營養生長方面的轉基因研究進展，包括初生生長、形成層、木質素、光合作用和植物激素5個方面，還探討了研究中存在的問題，并對以后的發展做了展望。

楊樹；營養生長；轉基因；進展

楊樹(Populus)是重要的綠化和用材樹種，也是樹木分子生物學研究的模式樹種。楊樹的營養生長主要指初生生長和次生生長，包括根、莖、葉整個生長過程。轉基因技術是指將人工分離和修飾過的基因導入到生物體基因組中，由于導入基因的表達，引起生物體的性狀的可遺傳的修飾，這一技術稱之為轉基因技術?；蚬こ獭⑦z傳轉化和遺傳工程都是轉基因的同義詞?；蚬こ逃N是楊樹遺傳育種的重要的手段，自二十世紀九十年代以來，中國楊樹轉基因研究在抗蟲、抗病、耐鹽堿基因工程方面取得較大成績[1,2]，但在營養生長的轉基因方面鮮有總結。本文旨在總結楊樹營養生長基因轉化的研究情況，為提高楊樹產量和改善木材品質打下基礎。

1 與初生生長有關的基因轉化

Tzfira[3]等采用農桿菌介導法將rol基因導入歐洲山楊的嫩莖，研究了莖干生長、葉芽萌發和分枝習性。研究表明：轉rol基因植株表現為頂端優勢被打破，每個外植體產生多達4個腋芽，累積莖干長度較大和生長速率較快，莖干生長指數增加。Nilsson 等[4]的研究表明, 轉rolA 或B或C 基因的雜種楊樹生長和發育速度、生根能力均發生改變。其中轉rolC 基因的楊樹不僅表型發生改變(如頂端優勢降低、植株矮化和節間縮短), 同時植物內源激素含量下降、赤霉素合成發生變化, 而細胞分裂素水平卻升高。轉基因植株的矮化可能是細胞數的減少所導致的。Claudia等[5]研究了3年生的轉rolC基因歐洲山楊×美洲山楊的木材形成及結構特點。該轉基因植株具有明顯的莖生長減少和芽萌發提前等特點，芽萌發和葉片形成后并不立即開始形成木材，而對照卻開始形成木材；轉基因楊樹和對照的木材結構沒有明顯的區別，轉rolC基因的楊樹可以作為研究木材形成機制的一種有用的模式。

張冰玉等[6]采用農桿菌介導法，將透明顫菌血紅蛋白 Vitreoscilla hemoglobin (VHb)基因vgb導入銀腺楊。共獲得52株整合了vgb基因的再生植株。在溫室生長條件下，轉基因無性系的外部形態與對照相比無顯著差異。但在株高和地徑上，有3株轉基因無性系較對照植株有明顯增加。王建革等還把vgb轉入安托楊，也獲得了轉基因植株。

2 與形成層形成有關的基因轉化

調節頂芽分生組織的一些重要基因家系也在形成層中表達。例如KANADI轉錄因子和HD-ZIP Ⅲ 基因在歐洲山楊(PopulustremulaL.)的形成層區域表達[7]，表明形成層與頂芽分生組織在遺傳調控上具有重疊性。Busov[8]及其同事利用激活標簽(activation tagging)法進行了楊樹基因轉化，產生了大量的轉基因個體，其中有9株有明顯表型變異，其中一株對應的突變基因為赤霉酸2-氧化酶類似物。另外，增強子捕獲(enhancer trap)、基因捕獲(gene trap)、T-DNA插入和Ac/Ds轉座子等轉基因技術也正準備用于鑒定楊樹木材形成組織中基因的具體功能。

3 與木質素有關的基因轉化

Franke等[9]認為林木中過量表達F5H是對木質素生物合成進行修飾的有效代謝基因工程策略。Jouanin等[10]通過轉COMT基因，6月齡的轉基因歐洲山楊×銀白楊的木質素含量下降17%，木質素的結構得到顯著改變，幾乎沒有紫丁香基型木質素，纖維素含量提高，使木質素更容易被工業降解。Hu等[11]通過對美洲山楊轉Pt4CL1基因的研究表明：由于對Pt4CL1基因進行反義控制，生長10個月的轉基因植株木質素減少45%，纖維素增加15%，葉、根和莖生長加快，木質素和纖維素的沉積為一種補償性調控模式。至今，已將4CL、CAD和豆科植物的陽離子過氧化酶基因(Shpx6a)反義導入美洲山楊、歐洲山楊和歐洲山楊×銀白楊(P.tremulaL.×P.albaL.)。4CL表達被抑制的轉基因美洲山楊木質素含量也明顯下降，木質素下降最高達45%，同時纖維素含量增加15%。Zeliha等[12]將Shpx6a轉入歐洲山楊，使轉基因植株木質素的含量降低10%～20%。Jouanin[10]發現由于基因沉默使得再生楊樹苗中35S啟動子作用的COMT活性降低為零，木質素含量降低17%，而CAD啟動子作用下的COMT轉基因楊樹苗的纖維素含量增加，木質素縮合程度也提高，更加不利于紙漿加工。李春秀等[13]將從毛白楊中克隆到的毛白楊纖維素合成酶基因(PtoCesA1)，轉移到煙草中。

4 與光合作用有關的基因轉化

楊樹是C3植物，對楊樹光合方面的研究一般僅僅限于光合速率、葉綠素含量等生理指標的測定，在育種上一般只是研究不同品種間光合速率、葉綠素含量的比較分析，如羅青紅等[14]在胡楊、灰葉胡楊光合及葉綠素熒光特性方面進行了研究。Gallardo[15]將針葉樹GS基因導入楊樹，由于GS在轉基因植物體內過量表達，引起谷氨酸胺合成大量增加，植物的可溶性總蛋白及葉綠素含量也相應增加。與對照植物相比，轉基因幼苗的株高在2個月內增加了76.0%，6個月增加了21.3%。

在高光效育種[16]方面，還沒有見到利用C4光合途徑改造楊樹的報道。C4光合途徑[17]主要涉及3種關鍵酶，即PEPC(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)、磷酸丙酮酸二激酶(PPDK)和依賴于NAD(P)的蘋果酸酶[NAD(P)-dependent malic enzyme, NAD(P)-ME]。玉米的PEPC有C4型、C3型和根型等3種類型，高粱的PEPC基因家族也有3個成員。以后，研究人員可以嘗試將PEPC等基因轉入楊樹中提高楊樹的光合速率。

5 與植物激素有關的基因轉化

五大類植物激素幾乎都參與了木質部分化的控制，但目前對于生長素和細胞分裂素誘導木質部分化的信號轉導途徑還不清楚。生長素的一個效應因子MP可能參與了這一途徑，因為MP基因突變體導致了木質部長軸分化的偏離[18,19]。山楊轉錄因子PttHB1[20]可能在木質部分化過程中起作用。轉IAA合成酶基因白楊中發現轉基因植物的IAA濃度比野生型稍高。然而，轉基因植物的莖的直徑比野生型植物小，且主要是木質部徑向寬度的減小造成的[21]。這一試驗結果說明采用改變激素水平的方法來改變木材材性，不能獲得理想的效果。Eriksson等[22]通過轉基因使歐洲山楊×美洲山楊中的GA過量表達，提高了生長速率和生物產量。赤霉素和生長素同時施用能夠促進分生組織的活性及木質部纖維細胞的伸長，因而赤霉素是細胞縱向伸長所必需的。超量表達GA-20氧化酶的轉基因雜種白楊縱向生長和徑向生長都有所增加，同時木質部纖維的長度也有所增加。

6 存在問題與展望

我國的楊樹基因工程育種取得較大成績，培養出了抗蟲楊等一批進入田間釋放階段的品種，但也存在一些問題。主要表現在具有自主知識產權的目的基因缺乏，速生黑楊派遺傳轉化體系尚待優化，楊樹轉基因生物安全問題缺乏深入研究，轉基因楊樹推廣還需廣大林農的認可等。另外，由于樹木基因轉化后其所產生木材材性表型在多年之后才能被觀察到，因此，在楊樹材性方面的轉基因研究往往會受到時間的限制。

自1983年轉基因煙草問世以來，植物基因工程得到了快速發展。但樹木基因工程研究相對滯后。楊樹生長快、易繁殖、分布廣泛、易加工，受到人們的廣泛重視。提高楊樹的生長速率，改良它的木材性狀是楊樹育種的重要目標。楊樹基因組較小，已測序(http://genome.Jgi-psf.Org/2005-9-27/)，組織培養體系較容易建立，與其他樹種相比，在基因工程育種方面具有較大優勢，發展前景廣闊。

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1005-5215(2015)01-0067-03

2014-10-10

遼寧省農業攻關項目(2012212001)；遼寧省科學事業公益研究基金(2013002009)

楊成超(1975-)，男，遼寧黑山人，博士，高級工程師，現從事楊樹凍害生理和分子生物學研究.

S792.11

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.01.023