基因工程技術改良蔬菜作物的當前趨勢

劉玉霞

摘要：近年來，在將蔬菜作物用于非生物脅迫耐受性改良方面取得了重大進展。雖然轉基因蔬菜作物商業化的進展相對緩慢，但為營養保健和藥物使用而設計的轉基因蔬菜將在不久為增值農業產量做出重大貢獻。

關鍵詞：生物技術；蔬菜作物；生物農業；非生物脅迫

在過去的二十年中，諸如生物脅迫抗性，產品質量和儲存壽命等各種重要特性已成功地應用于作物植物中。在栽培的轉基因作物植物中，除草劑耐受性一直是主要的性狀，其次是Bacillus thuriengiensis（Bt）的昆蟲抗性。耐除草劑的大豆和油菜，以及Bt玉米和棉花構成了四種主要的轉基因作物（Beaujean等，2010）。兩種商業化的轉基因蔬菜作物是延遲果實成熟的番茄和具有昆蟲和病毒抗性的馬鈴薯。近年來，分子研究表明有幾種基因可以在蔬菜作物中引入新的特性，在引入非生物脅迫耐受性方面取得了相當大的成功。

一、非生物脅迫耐受性

（一）用水效率

通過精確調節氣孔開度可以提高耐旱性和水分利用效率。為了應對干旱脅迫，植物通過ABA介導的氣孔關閉使水分流失最小化。導致氣孔關閉的信號事件在分子水平上易于發現。與野生型擬南芥相比，ABA不敏感突變體（abi1-1R3）顯示出較強的耐旱性（Gao等，2013）。突變基因（ERA1）對ABA介導的氣孔關閉引起超敏反應。在干旱脅迫下，突變體表現出增強的氣孔關閉，從而減少萎蔫（Pei等，2008）。

（二）抗氧化防御

非生物脅迫由于其對反應速率，蛋白質穩定性和膜分隔的不利影響而引起代謝異常。在這些非生物脅迫下的擾動代謝導致活性氧（ROS）的毒性水平積累，即超氧自由基，過氧化氫和羥基自由基，其導致對核酸，蛋白質和膜的不可逆損害。ROS通過非酶抗氧化劑（抗壞血酸，α-生育酚，谷胱甘肽等）和酶抗氧化劑（超氧化物歧化酶，過氧化氫酶和抗壞血酸-谷胱甘肽循環酶）是植物耐受非生物脅迫的重要策略。因此，已經進行了多次嘗試以通過增強ROS清除來改造植物脅迫耐受性的能力。通過反義RNA抑制過氧化氫酶增加了對轉基因番茄植物中氧化應激和冷害的易感性（Kerdnaimongkol和Woodson，2009）。相反，異位表達擬南芥CBF1的轉基因番茄植物顯示出對氧化脅迫的增強的耐受性，因為CBF1過表達在這些轉基因番茄植物中誘導過氧化氫酶基因的高水平表達。

（三）滲透調節劑

在細胞水平上，滲透脅迫是由干旱，高鹽度和極端溫度引起的。滲透調節是重要的細胞防御之一。滲透脅迫可能誘導離子吸收（K +），區域化（Na +進入液泡）或相容性溶質的合成，如脯氨酸，甜菜堿，多元醇和可溶性糖。這些有機相容性溶質通過滲透調節來保護植物免受壓力，這有助于維持解毒作用氧物種和蛋白質四級結構的穩定（Bohnert和Jensen，2006）。在許多作物植物的干旱下，滲透調節與作物產量的增加有關。幾種改造過量產生滲透保護劑的轉基因植物顯示出增強的非生物脅迫耐受性。然而，在蔬菜作物中，只有很少的嘗試來設計滲透保護劑。海藻糖是滲透保護劑之一，其在轉基因馬鈴薯中已經評估了其在脅迫耐受中的作用。酵母海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS1）催化海藻糖的合成，海藻糖是碳水化合物分配到糖酵解通量和應激存活策略的調節劑。轉基因馬鈴薯植物過表達酵母TPS1基因顯示出增強的耐旱性。甜菜堿是許多植物用來對抗非生物脅迫的重要的相容性溶質。番茄植物不會積累甘氨酸甜菜堿。因此，用靶向葉綠體的codA基因產生轉基因番茄植物，其編碼催化膽堿轉化為甘氨酸甜菜堿的膽堿氧化酶。這些轉基因植物在各種發育階段表現出增強的抗寒性（比其野生型對應物多10-30%）（Park等，2014）。

二、蔬菜作物品質的提高

（一）營養品質的改善

植物產生各種化合物，例如蛋白質，維生素，類黃酮等對植物具有重要功能，并且對人類營養具有重要性。然而，一些蔬菜缺乏必需氨基酸，如蛋氨酸和賴氨酸。馬鈴薯是一種重要的糧食作物。由于必需氨基酸賴氨酸，酪氨酸和含硫氨基酸蛋氨酸和半胱氨酸的缺乏，馬鈴薯蛋白的營養價值減少。為了提高馬鈴薯的營養價值，已在轉基因馬鈴薯塊莖中表達了莧菜籽白蛋白基因AmA1。這種蛋白質是非過敏性的，富含所有必需氨基酸，符合WHO人類飲食要求標準。類似地，在甘薯中引入編碼由必需氨基酸組成的儲存蛋白的292bp人工基因（asp-1）。與對照植物的貯藏根相比，其中一種轉基因品系顯示蛋白質增加了四倍（Egnin和Prakash，2017）。

（二）無籽蔬菜

在沒有授粉和受精的情況下，果實的發育被稱為單性結實。由于授粉和施肥受到諸如低溫或高溫等環境脅迫的不利影響，單性結實有利于在這些脅迫條件下的生產力穩定性。此外，單性結實果實的無籽性質增加了消費者的接受度，使蔬菜的加工更容易，并且還提高了蔬菜的質量。單性結實已顯示受生長素調節，因此，已經努力通過增加生長素產生或卵巢對生長素的敏感性來設計單性生殖器。表達由胚珠特異性啟動子驅動的iaaM基因已被證明可以將單性結實賦予轉基因番茄和茄子，并且還提高了產量（Donzella等，2010）。最近，發根農桿菌來源的基因rolB已被用作誘導番茄單性結實的替代方法。在卵巢和幼果特異性啟動子TPRP-F1的控制下用rolB基因轉化的轉基因番茄植物發育出單性結實果實。果實大小和形態，包括無籽果實的子房中的果肉填充，與親本系的種子果實相當。

三、未來的前景

當前需要解決轉基因應用中的一些限制，以便更廣泛地應用和接受轉基因技術。如環境風險，與作物密切相關的野生近緣種的交叉授粉和作用以及有關人類健康的轉基因產品需要根據具體情況仔細評估。

參考文獻：

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