高 丽 崔崇士 屈淑平
(东北农业大学园艺学院,黑龙江 哈尔滨 150030)
白菜类蔬菜是十字花科芸薹属中最重要的蔬菜作物,全国各地普遍栽培。长期以来,我国大白菜〔Brassica campestris L.ssp.pekinensis(Lour)Olsson〕主要是通过常规育种进行品种改良,随着组织培养和DNA重组技术的建立和不断完善,现代生物技术在许多作物的种质创新和新品种选育中日益得到广泛应用。自Ooms等(1985)利用农杆菌介导法在甘蓝型油菜上获得了第1株芸薹属的转基因作物以来,芸薹属作物的遗传转化获得了很大成功。白菜类蔬菜由于携带不易再生的 AA基因组型(Palmer,1992),因此是芸薹属作物中最难转化的种,但是随着转化技术的发展,白菜类蔬菜的遗传转化也获得了较大进步。笔者主要对大白菜、普通白菜(Brassica campestris L.var.communis Tsen et Lee)和菜薹(Brassica campestris L.var.utilis Tsen et Lee)3个种的转基因研究进展进行了概述。
目前,在白菜类蔬菜上转化的目的基因种类越来越多,导入白菜类蔬菜的基因按功能来分主要有抗虫基因、抗病基因、抗逆基因、抗除草剂基因、雄性不育基因、筛选基因和品质改良基因等。
白菜类蔬菜的害虫主要有鳞翅目的菜青虫、小菜蛾。目前,对抗虫基因的克隆和转化的研究最多。已用于和正用于抗虫白菜类蔬菜培育的基因主要有外源凝集素基因(Leetin,Lee)、蛋白酶抑制剂基因(Proteinase inhibitor,Pin)和外源毒素基因。
外源凝集素存在于植物中,它是能够与多糖类复合物上的糖基结合的蛋白质。其抗虫原理是与昆虫消化道中肠道周围细胞膜上的糖蛋白结合,从而影响营养的吸收,达到杀虫目的。杨广东等(2003)将雪花莲凝集素基因gna转入大白菜,抗蚜性试验表明,与对照相比,转基因植株表现出明显的对蚜虫生长的抑制作用,平均能抑制蚜虫密度达 20%。张扬勇等(2003)将gna基因转入菜薹45天油青菜心,经检测表明外源基因已经整合到菜薹基因组中。邓智年等(2007)将带有核基质结合区(Matrix Attachment Region,MAR)序列的野苋菜凝集素(Amaranthus viridis L.agglutinin,AVA)基因转入大白菜丰顺,结果表明转基因大白菜对桃蚜的平均抑制率达到55.8 %。
蛋白酶抑制剂是一类广泛存在于植物中的天然抗虫蛋白质。最常用的蛋白酶抑制剂有豇豆胰蛋白酶抑制剂(Cowpea trypsin inhibitor,CpTI)、马铃薯蛋白酶抑制剂(Potato inhitor,Pin)和慈姑蛋白酶抑制剂(Arrowhead Proteinase inhibitor,API)。
豇豆胰蛋白酶抑制剂是一类由80个左右的氨基酸残基构成的小分子多肽,属于丝氨酸蛋白酶抑制剂类。它的抗虫谱广泛,对包括鳞翅目、鞘翅目以及直翅目的许多昆虫都有毒性。佘健明等(2000)将cpti基因转入普通白菜中脚黑叶和矮脚黑叶,通过分子检测证实抗虫基因已被整合到转化植株的基因组,并能在自交后代植株中遗传传递。为了提高CpTI蛋白的含量,杨广东等(2002)在 cpti基因上添加内质网滞留信号 KEDL编码序列,构成了修饰的 cpti基因(Signal-CpTI-KEDL,即sck)并将其转入大白菜自交系GP-11和一代杂种中白4号。抗虫性鉴定证明,转基因植株对菜青虫具有一定抗性。
马铃薯蛋白酶抑制剂属于丝氨酸蛋白酶抑制剂类,抗虫谱与CpTI相似。Pin可以分为2种:PinⅠ和 PinⅡ。PinⅠ的成熟肽只能抑制胰凝乳蛋白酶;PinⅡ成熟肽可分别抑制胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶,PinⅡ基因是一类损伤诱导表达型基因,可以利用它来调控其他外源基因,达到定时表达的目的(张军杰,2002)。所以 PinⅡ比 PinⅠ更有应用价值。张军杰(2002)将马铃薯胰蛋白酶抑制剂(PinⅡ)基因分别转入大白菜北京80号、福山大包头、97-9(2)、小杂66号、小杂3号、小杂5号、小杂8号、小杂12号、小杂13号和菜薹49菜心,最终获得了5株转基因大白菜和41株抗性菜薹,大白菜表现出抑虫效应。
慈姑蛋白酶抑制剂是一种可抑制多种蛋白酶的抑制剂,具有比活力高、稳定、抗虫谱广泛的特点,也是抗虫基因工程中常用的材料。张智奇等(1999)首次将慈姑蛋白酶抑制剂基因转入普通白菜浦东矮箕菜和矮抗青,获得了转基因植株。饲虫试验表明,转基因植株对鳞翅目害虫菜青虫的生长发育有一定的抑制作用。
苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringicnsis)的毒蛋白基因是目前植物基因工程应用最为广泛的抗虫基因。因为与其他抗虫基因相比,在同等表达量之下,Bt类基因产物的抗虫能力最强。Cho等(2001)将人工合成的苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白基因 cry1C转入大白菜,结果表明转基因植株对小菜蛾的抗性增强。
蜘蛛杀虫肽(SIP)属于一种昆虫毒素,具有专一性和毒性大的特点。自 1995年开始,陈章良先生领导的研究人员人工合成了能编码具有37个氨基酸残基的蜘蛛杀虫肽的基因,并将其成功导入烟草(蒋红 等,1995),获得的3株转基因烟草对棉铃虫的杀虫率可达30%~45 %,并能显著抑制昆虫蜕皮和生长发育,表现出明显的抗虫作用(蒋红 等,1996)。
有研究表明,以转抗虫基因植物为食的害虫有可能逐步对抗虫蛋白产生抗性(李洪山,2007;丁如贤,2007)。由此,研究者提出了通过导入2种以上具不同抗性机制基因来延缓害虫产生抗性的策略,其效果在棉花(郭三堆和崔洪志,1998)及烟草(王志斌和郭三堆,1999)转基因作物上已得到验证。曹传增(2003)、徐恒戬(2004)分别将蜘蛛杀虫蛋白SIP和马铃薯蛋白酶抑制剂PinⅡ基因同时转入菜薹49菜心,经检测证实,2种基因已全部整合到了转基因白菜的基因组中。
在植物抗病毒基因工程中,外壳蛋白(CP)基因策略是最早获得成功,也是至今应用最为广泛的一种策略。这一策略已在10个属逾30种病毒上获得成功(朱常香 等,2001)。白菜类蔬菜最早见报道的转入基因就是此类基因。Jun等(1995)将番茄花叶病毒 L基因衣壳蛋白(TMV-L-CP)基因转入Brassica campestris ssp.ekinensis cv.Spring Flavor,获得了6株转基因植株,该基因得到了表达并在后代中稳定遗传。芜菁花叶病毒(Turnip mosaic virus,TuMV)是马铃薯Y病毒组的一个成员,是引起白菜病毒病的主要病原。朱常香等(2001)将芜菁花叶病毒的 CP(TuMV-CP)基因导入大白菜福山包头,获得转化植株,抗病性测定结果显示,转基因植株具有明显的抗病毒侵染能力。马伟(2002)将 TuMV-CP基因转入大白菜二牛心,经病毒接种试验表明:转基因Tl植株发病率和病情指数明显低于对照品种,但各个单株病情指数差别较大,且随着时间的增加,抗病性有所减弱。莴苣花叶病毒(Lettuce mosaic potyvirus,LMV)也属于马铃薯Y病毒组的一个种,研究表明,LMV-CP基因具有广谱抗性,且异源抗性比同源抗性更有效。成细华(2000)将 LMV-CP基因转入到结球白菜中,获得了 3株转基因植株。此外,张广辉等(1998)将花椰菜花叶病毒(CaMV)基因转入大白菜丰抗70,经抗病性鉴定表明:48.08 %的转基因植株对CaMV强株系Cabb B-JI具有较强的抗性,51.92 %的转基因植株表现为敏感(巩振辉等,2001)。
在植物抗病毒基因工程路线上,利用植物病毒复制酶基因也是一个很有前途的方法。于占东等(2006)将芜菁花叶病毒复制酶(TuMV-Nib)反义基因转入大白菜福山包头,经检测表明,TuMV-Nib反义基因不仅整合到大白菜基因组中,而且获得表达,转基因植株的接种测试结果表明,转基因植株具有明显的抗病特性。
Wang等(2002)将抗菌肽基因导入大白菜,获得转基因植株,抗病性测试表明转基因植株对软腐病表现出明显的抗性。
为了获得广谱抗性,也有研究者将多价基因转到白菜类蔬菜中。陈敏敏(2007)将融合基因InBING(由AFP2、TAP、Metch和BuforinⅡ 4个基因构成)转入普通白菜苏州青。其中AFP2是萝卜的抗真菌基因,TAP亦为抗真菌基因,Metch为来自果蝇的富含Pro的小肽基因,它同时抗真菌和细菌,BuforinⅡ为欧洲蟾蜍的抗菌肽基因。经检测该融合基因已经整合到植物基因组中。
此外,Zhao等(2006)将抗虫的豇豆胰蛋白酶抑制剂基因和抗病的抗菌肽基因构成双价基因转入大白菜,从而获得同时具有抗病性和抗虫性的转基因大白菜。
白菜类蔬菜生长经常面临低温、高盐和缺水等环境胁迫,因此逆境也成为影响白菜类蔬菜产量的一大因素。近年来,一些研究者开始考虑将抗胁迫基因转入白菜类蔬菜。有研究表明,植物在受到环境胁迫时,晚期胚胎发生富集(LEA)基因,会表达并增强植株的抗逆性。Park等(2005)将 LEA基因转入大白菜,增强了大白菜对盐和干旱的抗性。Tseng等(2007)将玉米Cu/Zn超氧化物歧化酶基因和过氧化氢酶基因转入大白菜Tropical Pride的叶绿体,结果显示转基因植株的抗盐和抗SO2胁迫的能力增强。
雄性不育系是杂种优势利用的最理想方式,雄性不育系的选育一直深受重视。而雄性不育与花粉发育相关。余沛涛等(2000)将雄性不育基因Barnase(一种嵌合的细胞核编码RNA酶基因)与 TA29启动子连锁,转入大白菜,获得转基因植株。对转化苗进行解剖镜观察发现花的发育较正常,但弱小,有时不能展开,雄蕊个别发育较差,花药中花粉发育不完全,有些花药中没有花粉。刘乐承(2006)将花粉发育相关基因转入菜薹油青45菜心,获得了148株转基因植株株系,利用RNA干涉基因沉默技术可导致转基因植株的部分花粉败育。范爱丽等(2008)将胞质雄性不育系相关线粒体基因CMS7311-orf 224导入大白菜,获得2株大白菜转基因植株。
bar基因编码草丁膦(phosphinotricin,PPT)乙酰基转移酶的基因,它能将PPT转化为无毒的乙酰化形式,从而解除PPT的毒害。目前,已有很多成功获得转bar基因的例子。例如,刘凡等(1998)将 bar基因转入大白菜小孢子胚状体,获得 4株抗除草剂植株;张军杰(2002)将 bar基因转入菜薹49菜心,获得了9株转基因植株;曹传增(2003)将bar基因转入菜薹49菜心,获得5株转基因植株。
筛选基因的表达产物容易检测,便于追踪基因的表达过程和筛选被转化细胞。从一定意义上来讲,bar基因也属于一种筛选基因。目前在植物表达载体中使用最多的筛选基因除了bar基因外,还有抗生素抗性基因和 GUS基因。Christey等(1997)将新霉素磷酸转移酶(neomycin phosphotransferase Ⅱ,NOS-NPTⅡ-NOS)基因转入大白菜,获得了卡那抗性的大白菜植株。GUS基因编码β-葡萄糖苷酸酶(β-glucuronidase,GUS),该酶是一种水解酶,能催化许多编码β-葡萄糖苷酯类物质的水解。当底物 X-Gluc进入被测组织,若该组织发生了 GUS基因转化,表达生成GUS酶,在适宜条件下,该酶可将X-Gluc水解成蓝色物质,后经氧化形成一种肉眼可见的靛蓝色物质,沉积在叶片具有GUS活性的部位或位点。Zhang等(2000)用根癌农杆菌EHA101介导GUS基因转入大白菜。方斌(2001)将GUS基因转入大白菜浙江早熟和50天快菜,分别获得5株和4株转基因植株,并通过鉴定。王火旭等(2001)将gusA基因转入大白菜自交系AB-81,获得了转基因植株。
另外,Min等(2007)将编码磷酸甘露糖异构酶的 pmi基因转入大白菜作为筛选基因,从而为大白菜转基因提供了一条新的筛选方法。
转化改良白菜类蔬菜品质的基因报道得很少。目前,转入白菜类蔬菜的品质改良基因有叶球发育相关基因(BcpLH)。薛万新(2001)将BcpLH正义基因和BcpLH反义基因分别转入普通白菜上海黑叶四月慢和大白菜Da508,有4株被确定有外源基因的导入。转BcpLH反义基因大白菜出现先期抽薹变异,转BcpLH正义基因普通白菜无明显表型变化。
农杆菌转化法是最成熟、最理想的双子叶植株转基因方法,目前已获得成功的转化植物中有80%是采用这种方法。利用农杆菌转化白菜类蔬菜的例子已有很多,利用得最多的是章鱼碱型根癌农杆菌 LBA4404,但是农杆菌侵染外植体后,会大大降低外植体的分化能力,从而影响转化频率。
针对白菜类蔬菜难分化这一特点,人们开始将研究转向那些不借助组织培养的转化方法。近年来,许多非组织培养途径的遗传转化方法在白菜类蔬菜上进行了尝试并取得了成功。薛万新(2001)分别采用原位真空抽滤法、子房注射法、种子共培养法、花粉管通道法、蘸花法、喷花法、种子抽滤法、滴涂法将目的基因转入大白菜和普通白菜。其中,在普通白菜的转化中,只有原位真空抽滤法和子房注射法得到了抗性苗,比率分别为0.77 %和1.8 %;而在大白菜的转化中,只有原位真空抽滤法和花粉管通道法得到了抗性苗,两者的比率分别为0.63 %和0.067 %,从而可以看出真空抽滤法是对大白菜和普通白菜都有效的方法。而真空渗入法是迄今为止所用得最多的不依赖于组织培养的转化方法。刘凡(2004)用真空渗入法将目的基因转入菜薹49菜心,不同处理得到的种子转化率为0.032 %~0.267 %,植株转化率为3.45 %~80.00%,明显高于种子转化率,影响这些转化率的因素主要是处理的季节和农杆菌的类型。徐恒戬(2004)用真空渗入法转化大白菜,得到的种子转化率为0~0.0065 %,植株转化率为0~4.6 %,而其影响转化率的因素为大白菜的品种和植株的生长状态。曹传增(2003)采用真空渗入和花序浸渍两种方法转化菜薹49菜心,其中真空渗入法的种子转化率为0~0.236 %,植株转化率为0~13.64 %。花序浸渍法得到的种子转化率为0.179 %,植株转化率为3.45 %。目前,这些非组织培养途径的遗传转化方法的转化条件尚不成熟,还没有得到大规模的应用。
白菜类蔬菜的遗传转化虽取得了一些进展,但还存在着很多问题。由于白菜类蔬菜再生率低,受基因型影响大,使得白菜类蔬菜的转化效率很低。因此建立高频再生体系一直是研究者探索的重要课题。
转基因白菜类蔬菜目的基因的检测系统不健全且检测内容不完全。目前所做的检测基本上都停留在基因整合阶段,绝大多数都进行了 PCR检测,PCR-Southern和 Southern检测比率分别为37.93 %和55.17 %。PCR检测的假阳性率较高,不能有效说明目的基因已整合到植物基因组中,相应的PCR-Southern检测也只能作为一个佐证,不能像核基因组DNA的Southern杂交那样成为直接证据。由于在转基因研究中,基因沉默是一个重要问题,因此对基因进行转录和翻译水平的检测是至关重要的。但是使用了检测基因转录水平的RT-PCR和Northern的比率只有20.69 %和27.59 %,国内研究基本使用RT-PCR检测,而绝大多数国外发表的文献中均采用Northern方法。对基因翻译的检测就更少了,其中Western杂交仅见一例(Jun et al.,1995),采用ELISA的有两篇(朱常香 等,2001;于占东 等,2006)。由此可见转基因白菜类蔬菜的检测还存在着很多问题,相当一部分转基因白菜类蔬菜还需进一步确定。
随着转基因白菜类蔬菜研究的进一步深入发展,转基因白菜类蔬菜的安全性问题也日益得到人们的关注。转基因的安全性包含了食用安全性和环境安全性。
3.3.1 食用安全性 大多数转基因白菜类蔬菜转入的都是抗虫和抗病等有毒基因,这些转基因白菜类蔬菜中会包含有毒物质。这些物质会不会通过长时间量的积累对人体的健康造成影响,目前还无法判断。但是,目前在转基因油菜籽中已发现对人体有害的成分(Witt et al.,1991)。转基因白菜类蔬菜的毒性虽未见报导,但其食用安全性还有待进一步研究。
3.3.2 环境安全性 植物容易与它的近缘种甚至其他种之间发生基因漂移现象。如果所转入的抗病虫或抗除草剂基因向其他的近缘种杂草或者是其他物种发生漂移,将会产生超级杂草、超级病菌。因此研究转基因白菜类蔬菜的基因漂移现象是非常必要的。刘凡(2004)将转 bar基因大白菜分别与诸葛菜、芝麻菜、野芥菜、黑芥、埃塞俄比亚芥等9种十字花科常见杂草及大白菜、芜菁、白菜型油菜、芥菜、甘蓝型油菜、萝卜、结球甘蓝等7个栽培种进行人工授粉杂交试验,结果表明,bar基因只侵入了杂草的黑芥,对于芸薹属中的几种蔬菜,如白菜型油菜、大白菜、芜菁,入侵率达100%;甘蓝型油菜和芥菜入侵率分别为9 %和0.03 %~6.70%;bar基因向结球甘蓝和萝卜中的入侵率为0。由此可见,转基因大白菜还是有向其他近缘种间发生基因漂移的可能。
综上所述,转基因白菜类蔬菜的研究近十年来虽取得一定成就,但目前尚不成熟。再生困难是制约转基因白菜类蔬菜发展的重要因素,相信未来一段时间对白菜类蔬菜转基因的研究重点仍会停留在建立高频再生体系和摸索其他有效方法上。此外,转基因白菜类蔬菜的基因漂移和对其他非靶生物的影响以及对人类健康有无影响也会是热点研究问题。而这些问题将会成为转基因白菜类蔬菜研究的动力,推动其向更成熟更完善的方向发展。
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