基因工程技术改良蔬菜作物的当前趋势

刘玉霞

摘要：近年来，在将蔬菜作物用于非生物胁迫耐受性改良方面取得了重大进展。虽然转基因蔬菜作物商业化的进展相对缓慢，但为营养保健和药物使用而设计的转基因蔬菜将在不久为增值农业产量做出重大贡献。

关键词：生物技术；蔬菜作物；生物农业；非生物胁迫

在过去的二十年中，诸如生物胁迫抗性，产品质量和储存寿命等各种重要特性已成功地应用于作物植物中。在栽培的转基因作物植物中，除草剂耐受性一直是主要的性状，其次是Bacillus thuriengiensis（Bt）的昆虫抗性。耐除草剂的大豆和油菜，以及Bt玉米和棉花构成了四种主要的转基因作物（Beaujean等，2010）。两种商业化的转基因蔬菜作物是延迟果实成熟的番茄和具有昆虫和病毒抗性的马铃薯。近年来，分子研究表明有几种基因可以在蔬菜作物中引入新的特性，在引入非生物胁迫耐受性方面取得了相当大的成功。

一、非生物胁迫耐受性

（一）用水效率

通过精确调节气孔开度可以提高耐旱性和水分利用效率。为了应对干旱胁迫，植物通过ABA介导的气孔关闭使水分流失最小化。导致气孔关闭的信号事件在分子水平上易于发现。与野生型拟南芥相比，ABA不敏感突变体（abi1-1R3）显示出较强的耐旱性（Gao等，2013）。突变基因（ERA1）对ABA介导的气孔关闭引起超敏反应。在干旱胁迫下，突变体表现出增强的气孔关闭，从而减少萎蔫（Pei等，2008）。

（二）抗氧化防御

非生物胁迫由于其对反应速率，蛋白质稳定性和膜分隔的不利影响而引起代谢异常。在这些非生物胁迫下的扰动代谢导致活性氧（ROS）的毒性水平积累，即超氧自由基，过氧化氢和羟基自由基，其导致对核酸，蛋白质和膜的不可逆损害。ROS通过非酶抗氧化剂（抗坏血酸，α-生育酚，谷胱甘肽等）和酶抗氧化剂（超氧化物歧化酶，过氧化氢酶和抗坏血酸-谷胱甘肽循环酶）是植物耐受非生物胁迫的重要策略。因此，已经进行了多次尝试以通过增强ROS清除来改造植物胁迫耐受性的能力。通过反义RNA抑制过氧化氢酶增加了对转基因番茄植物中氧化应激和冷害的易感性（Kerdnaimongkol和Woodson，2009）。相反，异位表达拟南芥CBF1的转基因番茄植物显示出对氧化胁迫的增强的耐受性，因为CBF1过表达在这些转基因番茄植物中诱導过氧化氢酶基因的高水平表达。

（三）渗透调节剂

在细胞水平上，渗透胁迫是由干旱，高盐度和极端温度引起的。渗透调节是重要的细胞防御之一。渗透胁迫可能诱导离子吸收（K +），区域化（Na +进入液泡）或相容性溶质的合成，如脯氨酸，甜菜碱，多元醇和可溶性糖。这些有机相容性溶质通过渗透调节来保护植物免受压力，这有助于维持解毒作用氧物种和蛋白质四级结构的稳定（Bohnert和Jensen，2006）。在许多作物植物的干旱下，渗透调节与作物产量的增加有关。几种改造过量产生渗透保护剂的转基因植物显示出增强的非生物胁迫耐受性。然而，在蔬菜作物中，只有很少的尝试来设计渗透保护剂。海藻糖是渗透保护剂之一，其在转基因马铃薯中已经评估了其在胁迫耐受中的作用。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应激存活策略的调节剂。转基因马铃薯植物过表达酵母TPS1基因显示出增强的耐旱性。甜菜碱是许多植物用来对抗非生物胁迫的重要的相容性溶质。番茄植物不会积累甘氨酸甜菜碱。因此，用靶向叶绿体的codA基因产生转基因番茄植物，其编码催化胆碱转化为甘氨酸甜菜碱的胆碱氧化酶。这些转基因植物在各种发育阶段表现出增强的抗寒性（比其野生型对应物多10-30%）（Park等，2014）。

二、蔬菜作物品质的提高

（一）营养品质的改善

植物产生各种化合物，例如蛋白质，维生素，类黄酮等对植物具有重要功能，并且对人类营养具有重要性。然而，一些蔬菜缺乏必需氨基酸，如蛋氨酸和赖氨酸。马铃薯是一种重要的粮食作物。由于必需氨基酸赖氨酸，酪氨酸和含硫氨基酸蛋氨酸和半胱氨酸的缺乏，马铃薯蛋白的营养价值减少。为了提高马铃薯的营养价值，已在转基因马铃薯块茎中表达了苋菜籽白蛋白基因AmA1。这种蛋白质是非过敏性的，富含所有必需氨基酸，符合WHO人类饮食要求标准。类似地，在甘薯中引入编码由必需氨基酸组成的储存蛋白的292bp人工基因（asp-1）。与对照植物的贮藏根相比，其中一种转基因品系显示蛋白质增加了四倍（Egnin和Prakash，2017）。

（二）无籽蔬菜

在没有授粉和受精的情况下，果实的发育被称为单性结实。由于授粉和施肥受到诸如低温或高温等环境胁迫的不利影响，单性结实有利于在这些胁迫条件下的生产力稳定性。此外，单性结实果实的无籽性质增加了消费者的接受度，使蔬菜的加工更容易，并且还提高了蔬菜的质量。单性结实已显示受生长素调节，因此，已经努力通过增加生长素产生或卵巢对生长素的敏感性来设计单性生殖器。表达由胚珠特异性启动子驱动的iaaM基因已被证明可以将单性结实赋予转基因番茄和茄子，并且还提高了产量（Donzella等，2010）。最近，发根农杆菌来源的基因rolB已被用作诱导番茄单性结实的替代方法。在卵巢和幼果特异性启动子TPRP-F1的控制下用rolB基因转化的转基因番茄植物发育出单性结实果实。果实大小和形态，包括无籽果实的子房中的果肉填充，与亲本系的种子果实相当。

三、未来的前景

当前需要解决转基因应用中的一些限制，以便更广泛地应用和接受转基因技术。如环境风险，与作物密切相关的野生近缘种的交叉授粉和作用以及有关人类健康的转基因产品需要根据具体情况仔细评估。

参考文献：

[1]高丽，崔崇士，屈淑平.白菜类蔬菜转基因研究进展[J].中国蔬菜，2010（12）：7-13.

[2]牛义，王志敏，张盛林，宋明，王小佳.转基因技术在中国蔬菜育种中的应用研究进展[J].中国农学通报，2006（02）：78-82.