转基因西瓜研究进展

李金超 马三梅 王永飞 孙小武

摘 要： 综述了西瓜转基因常用的方法、目前已获得的转基因西瓜性状以及转基因西瓜安全性等方面的研究进展，并提出了今后进一步的研究方向。西瓜转基因常用方法为叶盘转化法；将外源基因导入到西瓜基因组中常用的方法主要有农杆菌介导法和花粉管介导法；常采用PCR、Southern和Western等方法来检测和鉴定外源基因是否成功整合到西瓜基因组中；目前利用转基因技术改良的西瓜性状主要集中在培育抗病毒、抗枯萎病和耐旱、耐盐碱等方面；对转基因西瓜的安全性研究主要包括生态安全性和食品安全性2个方面。今后应利用转基因技术进一步提高西瓜营养品质、耐贮性和抗冻性等性状，并进一步加强对转基因西瓜安全性的研究。

关键词： 西瓜； 转基因； 安全性

西瓜[Citrullus lanatus（Thunb.）Mansfeld]是一种深受人们喜爱的经济水果，属于葫芦科植物。西瓜不但汁多味甜、清凉解暑，而且含有丰富的营养成分[1]，在夏季，世界各地对西瓜都有极大的消费量。然而，西瓜的遗传基础狭窄，种质资源有限，难以通过传统的育种手段来培育出优良性状的品种[2]。近年来，西瓜的病毒病、土壤病菌感染病等日益严重，给世界各地的瓜农带来巨大的损失[3]。另外，西瓜的抗旱能力弱也是西瓜向干旱地区推广种植的一个重要的瓶颈。

转基因技术作为农作物改良的有效手段，已被成功地应用到西瓜的品种改良上。世界各国的育种者用转基因技术培育出许多品质优良的西瓜品系，丰富了西瓜的种质资源，提高了西瓜对众多病害的抗性。同时，转基因西瓜对种植地的环境安全性和作为食品的安全性也得到重视。本文对国内外西瓜育种者通常使用的西瓜转基因方法、已获得的转基因西瓜，以及转基因西瓜的安全性3方面进行了综合归纳，旨在为西瓜的转基因研究提供一些参考。

1 西瓜转基因的方法

随着各种转基因农作物的层出不穷，植物转基因技术日趋成熟。在培育转基因西瓜方面，国内外育种者使用的转基因方法及技术基本上是相似的，其中最常用的是叶盘法[4]。图1总结了转基因西瓜培育的基本流程。

图1 转基因西瓜的基本培育流程

1.1 外源基因导入西瓜基因组的方法

将外源基因重组到西瓜基因组中最常用的方法是农杆菌介导的转染法。在转染前，通常先通过植物组织培养得到西瓜子叶的愈伤组织，随后将子叶愈伤组织与带有目标基因的农杆菌共培养一段时间完成转染，子叶愈伤组织再经组织培养即可得到转基因的西瓜苗[5-7]。另一种方法是花粉管介导的转基因，即外源基因通过花粉管通道进入西瓜雌花的卵巢中而完成转基因。Chen等[8]用此法培育出了对枯萎病有抗性的转基因西瓜。

1.2 外源基因导入的鉴定

外源基因是否成功整合到西瓜基因组中，常采用PCR、Southern-blot和western-blot等方法来检测和鉴定[9-11]。PCR可扩增外源DNA以及质粒中的其他报告基因，扩增产物再经电泳或Southern杂交鉴定。Southern-blot是指用与外源基因同源配对的基因探针对西瓜基因组中的外源基因进行检测，从DNA水平检测转基因是否成功。Western-blot用于检测转基因西瓜表达产生的外源蛋白，从蛋白质水平验证外源基因的成功导入并且表达出相应产物。

外源基因及其表达产物被检测后，还需要进一步考察转基因植株是否产生了期望的性状。例如，应奇才等[12]将西瓜花叶病毒采用磨擦接种法接种到转有该病毒外壳基因的西瓜植株的嫩叶上，通过比较转基因植株和阴性对照植株对该病毒的易感性，结果发现转基因西瓜能有效地抵御西瓜花叶病毒的感染。这表明转基因西瓜植株表现出了抗病毒的新性状。

1.3 外源基因的遗传稳定性

外源基因被成功导入西瓜基因组后，外源基因能否正常地复制表达并遗传给下一代，是决定转基因成功与否的一个关键因素。外源基因在传代过程中可能会发生分离、丢失等，不能稳定的遗传[13-14]。一般来说，转基因西瓜要进行自交，外源基因纯合后，并且能表现出相应的性状，才能说明转基因的成功。王慧中等[11]培育了转WMV-2病毒外壳蛋白基因的西瓜植株，发现WMV-2病毒外壳蛋白基因在自交子一代的分离符合孟德尔3∶1 的分离比。经过连续4代的选择和鉴定，他们最终筛选得到纯合的遗传稳定的转基因西瓜株系。

2 利用转基因技术获得的转基因西瓜

目前，国内外学者培育转基因西瓜新品种的热点主要集中在培育高抗逆性西瓜品种上，尤其是抗病毒、抗枯萎病和耐旱、耐盐碱等方面。

2.1 抗病毒的转基因西瓜

病毒病是西瓜3大主要病害之一，很容易造成西瓜大面积的减产。对西瓜种植危害最大的病毒主要有3种，分别为西瓜花叶病毒（Watermelon mosaic virus，WMV）、西葫芦黄花叶病毒（Zucchini yellow mosaic virus，ZYMV）和黄瓜花叶病毒（Cucumber mosaic virus，CMV）[15]。目前，育种者主要通过以下2种方法获得抗病毒的转基因西瓜：一是向西瓜基因组中导入病毒外壳基因。病毒外壳基因表达出病毒的外壳蛋白，现在普遍认为这些病毒外壳蛋白在西瓜中的积累可以抑制病毒侵染西瓜时的脱外壳过程[16-17]。如将西瓜花叶病毒（WMV-2）的外壳蛋白基因导入西瓜基因组，可获得对WMV-2有较好抗性的转基因西瓜[11]；将黄瓜绿斑驳花叶病毒外壳基因（CGMMV-CP）导入西瓜基因组，获得的西瓜可有效对抗CGMMV的感染[18]。Curuk等[19]培育的转ZYMV外壳蛋白基因的西瓜可以抵抗ZYMV的侵染，并且能保持西瓜原来优良的农艺性状。美国 Asgrow 种子公司将WMV、CMV 和ZYMV 這3种病毒的外壳基因一起转入与西瓜同为葫芦科植物的西葫芦植株的基因组中，获得了高抗病毒病的转基因西葫芦品种，并已获准上市[20-21]。二是向西瓜基因组中导入病毒的复制酶基因。如我国学者牛胜鸟等[15]构建了由ZYMV复制酶基因、CMV复制酶基因和WMV外壳蛋白基因组成的三价植物表达载体，通过农杆菌介导转染到西瓜植株中，得到的转基因西瓜的抗病能力普遍达到中等水平以上，并保持了受体西瓜品系原有的优良农艺性状。

2.2 抗土壤病菌的转基因西瓜

由土壤病菌造成的西瓜病害种类多、危害大。如由尖孢镰刀菌导致的西瓜枯萎病是西瓜生产上危害最严重的病害之一， 在世界各西瓜产区均造成重大损失。由于这些病菌在土壤中可长期存在，传统的防治手段如打农药、轮作等都难以有好的防治效果[22]。西瓜育种者们一直致力于运用转基因技术来提高西瓜对土壤病菌的抵抗能力。国内学者张志忠等[23]培育出了转有番茄几丁质酶基因（Chi3）的西瓜植株，这种具有合成几丁质酶能力的西瓜植株可以降解真菌细胞壁的几丁质， 从而破坏细胞壁致使病原体死亡[24-25]。张志忠等[22]培育了同时含有番茄几丁质酶基因和β-1，3-葡聚糖酶基因（Glu-Ac）的双价抗真菌西瓜植株[22]。β-1，3-葡聚糖酶可将真菌表层的多糖水解，暴露出内层的几丁质，有利于几丁质酶发挥作用，进而增强了转 Chi3基因西瓜对真菌的抗性[26-27]。

2.3 耐旱、耐盐碱的转基因西瓜

西瓜的种植需要大量的灌溉水，这不利于西瓜在干旱、盐碱地带的种植。运用转基因技术培育耐旱、耐盐碱的转基因西瓜的西瓜品种，是西瓜育种中的一个重要方向。Ellul等[28]发现，将酿酒酵母的耐盐基因HAL1转入西瓜，可有效提高西瓜对NaCl的耐受能力。Han等[29]将Ca2+/H+的逆向转运蛋白sCAX2B的基因转入用于嫁接西瓜苗的葫芦砧木中，可增强葫芦砧木根部对水分和营养盐的转运能力，从而提高了寄主西瓜苗的接穗率。Kajikawa等[30]发现生长在沙漠地区的野生型西瓜比普通的西瓜品种具有更发达强壮的根系，并且具有优越的保水抗旱能力。为此他们建立一套可高效率地对这2种西瓜根系进行基因操作的方法体系，以便对这2种西瓜根系进行对比研究，从而探明该沙漠野生西瓜根系在干旱条件下的生长及保水的分子机制。

3 转基因西瓜的安全性评价

转基因西瓜的安全性研究集中在以下2个方面：一是外源基因对种植地环境安全性的影响。西瓜中转入的外源性基因被认为可能转移到土壤中的微生物基因组中，并且存在扩散至种植地周围的近亲植物的风险。二是转基因西瓜作为食品时可能对人体产生的危害。Lee等[31]将转基因西瓜的叶子和砧木埋在西瓜田的浅层土壤，观察随着植物材料的腐败降解外源基因的消除过程，并观察外源基因被土壤微生物捕获的可能性。结果发现外源基因在3个月后已完全降解，在这些腐败的植物材料附近也没有检测到含有西瓜外源基因的微生物。Yi等[32]检测了转基因西瓜根系附近的土壤微生物群落结构，并与非转基因西瓜根系附近的土壤微生物群落结构作比较，没有发现显著的差异，说明并没有微生物可以获得西瓜的外源基因而获得生存优势。然而，值得警惕的是，Fuchs等[33]发现转有病毒外壳基因的南瓜可以将病毒基因转移到野生的近亲植物中，他们还认为转有多种病毒基因的植物可能会在植株内发生病毒基因的融合和重组，从而產生新的危险病毒。

在转基因西瓜作为食品的安全性问题方面，国内外的报道较少。我国学者应奇才等[34]用转WMV-2病毒外壳基因的西瓜饲喂小鼠，发现实验组与对照组小鼠的各项生命体征均无明显差异，初步表明了该转基因西瓜对小鼠没有毒性， 属安全食品。

4 结语与展望

综上所述，转基因西瓜的培育技术已比较成熟，基因工程应用在改良西瓜品种上也取得了许多成功，西瓜转基因的安全问题也有较多的讨论。但还有以下两个问题值得进一步研究：

第一，目前对西瓜转基因的研究主要集中在抗病性等方面，关于提高西瓜营养水平、耐贮存能力、抗冻能力等方面的研究还少见报道。目前，秋冬季节市场上还鲜有西瓜出售。若能培育出抗冻的西瓜，使之可以在秋冬季节和高纬度地区种植，即可打破西瓜种植的季节限制和纬度限制；或者提高西瓜的耐贮存能力，延迟西瓜的保藏时间，以满足大众在秋冬季节对西瓜消费的需求。

第二，关于转基因西瓜的安全问题尤其是作为食品的安全性问题研究得还不多。对于转基因食品，大众普遍过于忧虑。可以对西瓜的外源基因及其表达的蛋白质在动物体内的消化和吸收过程进行详细的研究，证明它的无害性，从而减轻大众的忧虑和担心。

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