我国麻类作物基因工程育种研究进展

李仕金 辛培尧 周 军

摘要对国内外几种主要的麻类作物基因工程研究进行了综述,并对今后麻类作物在该领域的工作提出了展望。

关键词麻类作物;基因工程;育种;研究进展

中图分类号S563;Q789文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)08-0105-02

麻是一种古老的纤维植物,主要有红麻(Hibiscus cannab-inus)、黄麻(Corchorus capsularis)、亚麻(Linum numusitatissimum)、苎麻(Boehmeria nivea)、大麻(Cannabis stative)等,它们在植物分类中并不属于同一科或属,但它们都有质地坚韧的纤维,可作为纺织业和造纸业的原材料。我国是世界主要产麻国之一,也是麻类作物品种最多的国家。麻类作物还是包装及绳索等制造工业的重要原料,是一种重要的经济作物。因此,愈来愈多的科研工作者对麻类作物进行了利用各种手段改良其产量及品质的研究工作。

基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其他载体分子,构成遗传物质的新组合,并使之渗入到原先没有这类分子的寄主细胞内,且能持续稳定的繁殖[1]。自1983年利用基因工程手段首次获得转基因植株以来(烟草),这一技术在短短的20多年时间里得到了迅猛发展。到2001年,全球共正式批准各种转基因植物120多个品种(系),已有15个以上的国家种植转基因植物,总面积已超过5 200万公顷[2]。1983年Hepburn等用根癌农杆菌侵染亚麻上胚轴得到亚麻肿瘤株系,自此开始了麻类作物基因工程的育种研究。基因工程应用于麻类作物,在其种质资源的创新中逐渐显示出了强大的生命力和巨大的发展潜力。

1抗病虫害基因工程方面的研究

经过多年的相关研究,国内外研究工作者在红麻、亚麻、苎麻等麻类作物的抗病虫害转基因研究中取得了可喜的成就。其中以红麻转抗病虫基因工程研究居多。

中国农业科学院麻类研究所与国际黄麻组织(IJO)合作,用农杆菌介导法将抗真菌病害基因(几丁质酶基因与β-1, 3-葡聚糖酶基因)和抗虫基因(Bt基因)导入红麻子叶细胞,得到了转基因后代植株[3]。据报道,福建农林大学的研究者利用双价抗虫基因Pta-3300-Bt混合导入红麻优良品种中,已获得1 500多个转基因品系,正在进行株系的田间和实验相结合的系统鉴定,有望选育出抗虫转基因红麻新品种[4]。祁建民等用花粉管法将抗虫质粒DNA导入受体红麻品种福红952,在受体品种中获得了Bt抗虫目的基因的表达。分别用PCR和Southern杂交技术,对所转化的红麻转基因4个世代的株系进行分子验证,结果在4个世代中都检测到Bt抗虫目的基因片段,说明外源基因已经整合到红麻的基因组中并获得了稳定遗传[5]。

亚麻方面,王毓美等用含有几丁质酶(rc24)基因(上游为CaMV35S启动子和Act1启动子,下游为NOS终止子)和新霉素磷酸转移酶(npt 1I)基因的农杆菌LBA4404内含已去除了T-DNA上致癌基因的pYAO24质粒为供体进行亚麻转化,得到了具有100mg/L抗性的转化植株;对植株叶片愈伤组织的过氧化物酶及酯酶同工酶分析表明转化株与对照系具有明显的差异,推断几丁质酶基因已经进入亚麻基因组[6]。

苎麻抗病虫害转基因研究也取得了一定的进展。陈建荣等用农杆菌LBA4404(pBI121-antiBNCCoA OMT)侵染苎麻的试管苗叶片,建立了苎麻叶片遗传转化体系,并获得了抗卡那霉素植株[7]。孔华等通过含有轮状病毒外壳抗原蛋白VP4基因的根癌农杆菌,用叶盘转化法转化苎麻栽培品种圆叶青,初步获得了轮状病毒外壳蛋白VP4的转基因苎麻植株[8]。另有研究者通过农杆菌介导法将Bt基因导入苎麻体内,获得了16株转化植株,经点杂交和PCR-Southern分析,有12株苎麻转化植株基因组中整合有外源Bt基因[9]。上述研究成果,为麻类作物抗病虫害转基因新品种以及种质资源的创新奠定了初步的物质基础,也为该领域的研究提供了经验以及理论基础。

2抗除草剂转基因研究

麻类作物中,抗除草剂转基因研究目前只在红麻、亚麻中取得了一些成就,其他麻类作物的研究鲜见报道。

曹德菊等用花粉管法将外源抗除草剂Bar基因导入红麻,并对有效导入方法及参数进行了研究,通过PCR检测及Southern杂交对所获得的转抗除草剂基因红麻进行了分子水平的验证,发现外源抗除草剂基因已整合进红麻基因组中[10,11]。王玉富等以纤维用亚麻品种黑亚11号为材料,利用农杆菌介导法将Bar基因转入亚麻,经检测发现目的基因已经整合到亚麻基因组中[12]。随着除草剂的广泛使用,其药害已经成为影响农业生产的重要因素之一,危害仅次于有害生物造成的损失。因此,开展抗除草剂育种,是作物育种的新育种目标之一,该方面的研究有待加强。作为一种新的育种辅助手段,基因工程凭借其目的性强的优越性,必将在这一研究领域取得更大的成功。

3抗逆性转基因研究

干旱、病虫害、草害、冻害及盐碱害等胁迫因子给农业生产带来的危害相当巨大,每年造成的直接经济损失可达数万美元,且有逐年增加的趋势。因此,培育抗逆性作物新品种,是未来农业发展的必由之路,在目前全球气候恶化的情况下,更具有长远意义。目前,各种作物都已开展了抗逆性转基因育种,并取得一定的成就,而麻类作物的抗逆性转基因研究主要在红麻、亚麻中有见报道。

福建农林大学用花粉管通道法将耐盐基因SaNHXP导入优良红麻品种福红992,从1 500个转基因株系中筛选出5个耐7‰盐碱度的抗盐碱植株,目前正在进行田间和室内鉴定试验[4]。康庆华等用农杆菌介导法将抗盐和低温胁迫基因HY15CS导入单倍体亚麻,获得抗性再生植株24株,从15株生长健壮的再生植株中用PCR检测到3株阳性植株,阳性率达20%[13]。

4品质育种转基因研究

麻类作物品质育种基因工程方面的报道较少,仅红麻和黄麻各1例。浙江省萧山棉麻研究所以改良红麻纤维品质为目的的外源DNA导入红麻获得了成功[14]。林荔辉等将黄麻基因组DNA通过花粉管通道法导入红麻中,并首次获得2份茎秆光滑无刺的稀有红麻早熟突变体901和902,并通过杂交、回交和多代定向选择的遗传改良,育成了茎杆光滑无刺的红麻新型品种金山无刺,并从中选育出中偏迟熟油麻兼用红麻新型品种金光1号[15]。

5麻类作物相关基因克隆方面

麻类作物基因克隆的研究内容,主要集中于亚麻和苎麻2种作物。亚麻是一种重要的韧皮纤维作物,木质素对亚麻纤维的性能和品质具有较大影响。高原等以亚麻茎杆表皮细胞的mRNA为模板,利用木质素合成途径中关键酶基因的同源基因保守序列设计简并引物,通过RT-PCR扩增,获得了8个关键酶基因新的片段序列。进一步生物信息学分析结果表明,这些新片段分别属于3个基因家族。他们推测亚麻中这几个木质素代谢关键调控酶基因存在多基因家族。新获得的基因片段序列为进一步克隆全序列和了解调控亚麻木质素的生物合成奠定了基础[16]。另有研究者以亚麻为材料,研究木质素代谢的关键酶亚麻肉桂醇脱氢酶基因序列。分离了高纯度的RNA,以RNA为模板,用简并引物以RT- PCR的方法,克隆了亚麻CAD基因cDNA部分序列,长度为477bp,编码159个氨基酸残基,此cDNA序列为亚麻CAD基因序列[17]。

苎麻方面,陈建荣等用RT-PCR方法克隆了娴草木质素合成关键酶咖啡酰甲基转移酶(eafeoyl-CoA 3-O-methyltransferase,CCoAOMT)基因,构建了CCoAOMT基因反义表达载体,通过农杆菌介导法对苎麻进行转化,得到了转基因植株,并用PCR技术对其进行了分子检测[18]。有人利用RT-PCR法结合cDNA末端快速扩增法(RACE)从苎麻中克隆了与木质素合成相关的COMT基因的全长cDNA序列。相似性比对结果表明,苎麻COMT全长cDNA与杨树COMT基因的序列同源性达82%,其编码的氨基酸序列与杏的COMT氨基酸序列同源性最高,达93%[19]。黄妤等以苎麻栽培种湘苎3号为材料,通过简并引物RT-PCR结合RACE 技术克隆了苎麻生长素结合蛋白ABP1基因的全长cDNA分子。经基因比对及蛋白质结构分析与已报道的几种植物生长素结合蛋白有高同源性,认为是苎麻生长素结合蛋白基因cDNA并命名为BnABP1[20]。也有人依照已克隆的苎麻CCoAOMT(咖啡酰辅酶-A-氧甲基转移酶)基因cDNA序列,以其编码纤维素合成酶底物结合和催化合成结构域的cDNA序列为目标,采用PCR扩增方法引入克隆的酶切位点,分别将其正、反方向克隆到植物RNA干扰表达质粒PFGC5941 T-DNA上CHSA内含子两侧,构建了植物表达苎麻CCoAOMT基因的干扰重组Ti载体[21]。

6其他方面研究

与此同时,麻类作物基因工程育种在其他方面也取得了喜人的成就。

刘燕等[22]、王玉富等[23]用微注射法将外源DNA 通过花粉管导入亚麻,并得到了过氧化物同工酶酶谱明显变异的后代。姬妍茹等采用直接分化再生系统为转化受体系统,通过农杆菌介导将GUS 基因导入亚麻品种双亚5号和双亚7号的下胚轴段中,经过不到2个月的时间即获得再生苗。这一成果大大缩短了遗传转化所需时间,为亚麻转基因育种提供了一条快捷的途径[24]。也有研究人员用超干胚浸渍法将棉花DNA导入苎麻种子,在D1代,发现了在叶片的缺刻、茸毛上存在差异的变异株;而在D2代,则发现了在株高上有明显不同的植株。经过RAPD验证,发现有的变异株中出现了棉花的特异带,有的则出现受体和供体均没有的新带,还有的出现了受体DNA带在变异株中消失的情况[25]。另外,汪波等以苎麻优良品系“5041-3”子叶作为受体,利用根癌农杆菌介导法进行了绿色荧光蛋白基因的遗传转化研究,并将外源基因整合到苎麻基因组中[26]。陈德福等分别用根癌农杆菌C58C1和发根农杆菌A4转化苎麻“湘苎3号”种子苗繁殖的试管苗叶切片。根癌农杆菌C58C1感染的叶切片在12d时,即有肉眼可见的的愈伤组织产生。发根农杆菌A4转化的叶片在第21天时无愈伤组织产生,但有少量根产生[27]。

麻类作物该方面的研究为利用转基因方法创造麻类作物新品种的育种工作,提供了丰富的前期基础。

7展望

麻类作物是重要的纤维和油料作物,对它进行基因工程方面的研究有着重要的意义和广阔的应用前景。通过目的基因的分离、改造、利用,培育出具有改良的纤维及种子品质的工程植株并使之应用于生产实践,可提高农民的经济收入,改善生态环境。目前,对麻类作的转基因育种研究,与棉花和油料等相比,还处于深入起步阶段。随着基因工程技术的发展和完善,会有越来越多的转基因麻类植物新品种出现,到时将大大提高麻类作物的利用价值。如在改善纤维品质方面,若能把控制品质的关键基因定位并加以克隆,有望大幅提升麻类纤维质量。对大麻中有毒成分THC的合成关键酶基因定位克隆,并对其活性进行深入的研究,则有望培育出无毒或低毒大麻,从而使大麻这种古老经济作物的种植不再受限。可以预见,基因工程手段应用于麻类作物,具有巨大的社会与经济效益。

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