轉(zhuǎn)基因技術(shù)在竹類植物育種中的應(yīng)用前景

王海霞 彭九生 李江 程平

(江西省林業(yè)科學(xué)院 江西南昌 330032)

轉(zhuǎn)基因技術(shù)在竹類植物育種中的應(yīng)用前景

王海霞 彭九生 李江 程平

(江西省林業(yè)科學(xué)院 江西南昌 330032)

綜述了轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。結(jié)合我國竹類植物研究現(xiàn)狀，探討了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在竹類植物新品種培育中的應(yīng)用前景。

轉(zhuǎn)基因；竹類；育種

竹類植物是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其生長快、用途廣[1]，具有重要的經(jīng)濟(jì)價值、良好的水源涵養(yǎng)和水土保持功能，竹林則被公認(rèn)為21世紀(jì)世界上最重要的植物資源之一[2]，竹類植物的研究和開發(fā)利用也愈來愈受到重視。竹筍因其生長環(huán)境無污染、高蛋白、低脂肪、食用纖維多、礦質(zhì)營養(yǎng)元素豐富，逐漸被國內(nèi)外公認(rèn)為理想的綠色食品。同時，隨著世界天然林資源的銳減以及人工林資源消耗的不斷加劇，木材供需矛盾日益尖銳。竹子作為一種重要的森林資源，以其生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)好等特點在工程原料領(lǐng)域占據(jù)重要的位置，逐漸成為了木材的替代品[3]。

雖然竹類植物廣泛分布于地球的北緯46°至南緯47°之間，在中國分布于浙江、福建、江西、四川、湖南、湖北、廣西等地區(qū)共39屬近500種[4]，但由于受生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性約束，主要材用、筍用及觀賞用經(jīng)濟(jì)竹種，區(qū)域生長性強(qiáng)，受氣候、立地等因素等影響較大，這在一定程度制約了竹類植物的大面積栽培和利用。而常規(guī)育種手段受生長周期長、性狀分析難度大等生物學(xué)特點制約,育種周期較長,成為竹類植物遺傳改良的最大障礙。利用現(xiàn)代生物技術(shù),通過目的性非常強(qiáng)的基因操作改良竹類植物的經(jīng)濟(jì)性狀,是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)良新品種培育的有效手段。

1 轉(zhuǎn)基因的概念

轉(zhuǎn)基因工程育種是指不經(jīng)過有性過程，克隆一些特有性狀的基因，并通過生物、物理和化學(xué)等方法，將外源基因(DNA)導(dǎo)入受體植物細(xì)胞，通過組織培養(yǎng)育出轉(zhuǎn)基因植物的生物技術(shù)，主要包括以下5方面內(nèi)容：①目的基因分離；②尋找或構(gòu)建克隆載體；③重組載體導(dǎo)入植物受體細(xì)胞，并整合到寄主染色體的基因組上；④使帶有重組載體DNA的植物細(xì)胞或組織，再生成形態(tài)正常的健康可育的植株；⑤在理想情況下，使這些植物能夠通過有性過程，將外源目的基因持續(xù)地傳給后代[5]。

與傳統(tǒng)育種相比，轉(zhuǎn)基因育種具有傳統(tǒng)育種無法比擬的優(yōu)越性,主要表現(xiàn)在:①在基因水平上改造植物，更具精確性；②能夠定向修飾部分性狀，培育出新品種，提高育種的目的性和可操作性；③能夠創(chuàng)新種質(zhì)，打破物種之間的生殖隔離障礙,為定向育種提供更先進(jìn)的技術(shù)保障；④縮短育種周期和時間，提高育種效率[6]。

2 轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用概況

自從1983年首例轉(zhuǎn)基因植物問世以來,轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。經(jīng)過多年的實踐和優(yōu)勝劣汰,形成了以農(nóng)桿菌介導(dǎo)法和基因槍法占主導(dǎo)地位的兩大植物轉(zhuǎn)基因體系，迄今為止,媒介農(nóng)桿菌法獲得的轉(zhuǎn)基因植物占轉(zhuǎn)基因植物總數(shù)的85%左右。轉(zhuǎn)基因成功的物種在不斷擴(kuò)大，目前已涉及到35個科的50多個物種,共120多種植物。品種改良包括抗蟲、抗病(病毒、細(xì)菌和真菌病害)、抗除草劑、抗逆(寒冷、鹽堿、重金屬等)、品質(zhì)改良(碳水化合物、油脂和蛋白質(zhì)等)、發(fā)育調(diào)控、營養(yǎng)吸收等各個方面[7]。

我國轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究及應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面已取得顯著的成績，如目前已經(jīng)建立的棉花、水稻、油菜、玉米、大豆、花生、西紅柿等農(nóng)作物品種的轉(zhuǎn)基因育種體系，在開展主要農(nóng)作物轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系和功能基因轉(zhuǎn)化研究的同時,轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花、油菜等作物新品種在生產(chǎn)上的產(chǎn)業(yè)化面積逐年增加，特別是轉(zhuǎn)基因棉花的大面積推廣，不僅使農(nóng)民獲得了客觀的收益，還減少了大量農(nóng)藥的排放[8]。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)引入林業(yè)較晚，初期主要集中在觀賞植物及部分樹種的改良上，如花卉的花色、花香、花型、株形、花期和抗性等性狀改良[9]，花卉基因工程研究國外開展得很早，并取得了令人矚目的成就。我的花卉基因工程育種剛剛起步，尚處于探索階段。

由于大多數(shù)林木如針葉樹種的組培技術(shù)和基因?qū)爰夹g(shù)還不很成熟，加上林木分子生物學(xué)研究的落后所造成的可用于林木改良的基因貧乏等因素，導(dǎo)致林木生物技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用相對滯后。轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于林木起步于1980年代末，開始主要是利用一些標(biāo)記基因研究樹木的轉(zhuǎn)化，即探索將外源基因引入林木基因組中的技術(shù)、基因表達(dá)情況和經(jīng)組織培養(yǎng)再生為完整植株的方法。進(jìn)入1990年代，具有經(jīng)濟(jì)價值的基因如抗蟲、抗除草劑基因等被導(dǎo)入了一些組培和轉(zhuǎn)化都已成熟的雙子葉林木中。楊樹抗蟲，蘋果、梨、葡萄等果樹抗除草劑、抗病蟲害，以及木瓜抗病毒等的轉(zhuǎn)基因植株已陸續(xù)進(jìn)入田間試驗階段[10]。

我國科研工作者于1990年在歐洲黑楊上成功轉(zhuǎn)化了蘇云金芽孢桿菌內(nèi)毒素基因，獲得了較高殺蟲活性的工程植株并定植于苗圃，1993年在新疆通過扦插營造了試驗林[11]。2005年南京林業(yè)大學(xué)抗寒、抗旱、耐鹽堿楊樹、桉樹、鵝掌楸、相思樹、四倍體刺槐植株的獲得，標(biāo)志著我國樹木轉(zhuǎn)基因技術(shù)取得了新的突破[12]。

國外的轉(zhuǎn)基因林木主要是楊樹，更多的是用來研究基因的功能。例如瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)通過引入來自農(nóng)桿菌的生長素合成酶基因如rolc等，改變了歐美山楊的木材材性[13]。在歐洲，經(jīng)優(yōu)化轉(zhuǎn)化條件和篩選適宜細(xì)胞系，獲得了挪威云杉、落葉松等難度較大的針葉樹種轉(zhuǎn)基因植株[14]。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于竹子的遺傳改良起步更晚，但也取得了一定的進(jìn)展。如俄羅斯形態(tài)遺傳學(xué)研究所的專家利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，培育出橫截面為方形的竹子[15]，浙江省林科院卓仁英等利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法獲得6株含GUS基因表達(dá)的陽性麻竹植株等[16]，其他方面的研究尚未見報道。

3 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在竹類植物育種中的應(yīng)用前景

由于竹子開花周期長，且花期不一致，很難產(chǎn)生大量有生命力的種子，常規(guī)方法進(jìn)行遺傳變異研究和育種改良有較大的難度，目前主要以無性繁殖為主，繁殖系數(shù)較低，無性系選育雖然能在一定程度上選出較好的品系，但周期長、速度慢，不能及時滿足生產(chǎn)的需要；而長期的無性繁殖，會導(dǎo)致竹種退化等等，這一系列的問題在很大程度上限制了竹種的引種、推廣和應(yīng)用，竹林的高效、豐產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)?；蚬こ虒⑹墙鉀Q這些問題的有力手段，通過基因轉(zhuǎn)移，將有效改善竹類植物的抗逆性，獲得優(yōu)良新品種。

目前，獲得與抗逆性有關(guān)的基因很多，特別是在水稻等禾本科植物領(lǐng)域，如抗蟲基因CryIA(b)、CryIA(c)、CpTI、GNA、AaI、GNA等，抗病基因Xa21[18]，抗除草劑的bar基因[19]，耐鹽堿性較強(qiáng)的codA和betA基因，耐淹基因pdcI、pdcII、pdcIII等[20]。實現(xiàn)轉(zhuǎn)基因的手段也比較多，如電擊法、電擊法結(jié)合PEG法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、超聲波輔助農(nóng)桿菌介導(dǎo)法等，農(nóng)桿菌介導(dǎo)法是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、較成熟的方法。

然而，轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用與竹類植物的育種尚處于起步階段，很多領(lǐng)域還處于空白，有待進(jìn)一步的研究。

3.1 竹類植物組織培養(yǎng)技術(shù)

組織培養(yǎng)和植株再生途徑是植物轉(zhuǎn)基因研究的基礎(chǔ)，因此，要實現(xiàn)竹轉(zhuǎn)基因，首先要攻克散生竹種特別是珍稀觀賞、優(yōu)良筍材用等散生竹種的組織培養(yǎng)技術(shù)，解決竹類植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究的瓶頸。

3.2 竹轉(zhuǎn)基因轉(zhuǎn)化體系的建立

竹類植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究尚處于起步階段，有效的基因轉(zhuǎn)化體系特別是散生竹種的轉(zhuǎn)化體系亟待建立。農(nóng)桿菌介導(dǎo)法是應(yīng)用最廣泛的植物轉(zhuǎn)基因方法。該方法具有轉(zhuǎn)化效率高、外源插入片段明確、單拷貝整合等優(yōu)點,但轉(zhuǎn)化效果極大地依賴于物種、基因型、外植體以及其它一些未知因素。活體植株農(nóng)桿菌浸花轉(zhuǎn)化法在擬南芥中應(yīng)用的非常有效,種子成熟后在選擇培養(yǎng)基上萌發(fā)或苗期噴灑選擇劑,即可獲得轉(zhuǎn)基因植株[21]。然而，竹類植物開花和種子的獲得十分困難，因此，將該法方法成功用于竹類植物繞過組織培養(yǎng)環(huán)節(jié)難以實現(xiàn)，必須通過其他方法建立簡單、高效的基因轉(zhuǎn)化體系。

3.3 竹類植物的基因測序

在分子生物學(xué)研究中，基因是 DNA 分子上攜帶有遺傳信息的功能片斷，是生物傳遞遺傳信息的物質(zhì)。DNA的序列分析是進(jìn)一步研究和改造目的基因的基礎(chǔ)。目前用于測序的技術(shù)主要有Sanger等（1977）發(fā)明的雙脫氧鏈末端終止法和Maxam和Gilbert（1977）發(fā)明的化學(xué)降解法[22]，Sanger測序法得到了廣泛的應(yīng)用。

在公共數(shù)據(jù)庫中，禾本科的大多數(shù)亞科（超過100個種類）都有大量相應(yīng)的基因組信息或表達(dá)信息，而亞科植物僅有少量的序列信息。目前，關(guān)于竹類植物的基因組測序[23]已取得了一些成績，但仍是一項十分艱巨而又緊迫的任務(wù)。

3.4 功能基因的分離與鑒定

對分離植物的功能基因是方便人類對基因的結(jié)構(gòu)和表達(dá)進(jìn)行研究，以便于利用經(jīng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)對已有植物的某些性狀進(jìn)行改良，并對引入基因進(jìn)行表達(dá)檢驗，使其在滿足人們的要求。

基因分離技術(shù)包括mRNA差別顯示技術(shù)(DDRT-PCR)、抑制型差減雜交(SSH)、cDNAAFLP技術(shù)、圖位克隆技術(shù)及目前應(yīng)用廣泛且分離效率較高的基因芯片技術(shù)、基因文庫技術(shù)、插入突變分離克隆目的基因、基于生物信息學(xué)的分離基因的技術(shù)等[24]，其總的發(fā)展趨勢是由復(fù)雜、低效、速度慢到簡單、高效、快速。

由于竹類植物的糖類和酚類含量高，一般很難提取到適合研究用的RNA或DNA[25]。因此竹類植物功能基因提取和鑒定的方法有待于進(jìn)一步改良，基因的提取和鑒定工作方能得到長足發(fā)展。

3.5 轉(zhuǎn)基因植株檢測及功能鑒定

轉(zhuǎn)基因植株獲得后進(jìn)行嚴(yán)格的分子生物學(xué)檢測和科學(xué)的功能鑒定,以保證轉(zhuǎn)基因品種的生物安全性。

3.6 竹類植物分子設(shè)計育種

與常規(guī)育種方法相比，分子設(shè)計育種首先在計算機(jī)上模擬實施，考慮的因素更多、更周全，因而所選用的親本組合、選擇途徑等更有效，更能滿足育種的需要，可以極大地提高育種效率。值得指出的是，分子設(shè)計育種在未來實施過程中將是一個結(jié)合分子生物學(xué)、生物信息學(xué)、計算機(jī)學(xué)、作物遺傳學(xué)、育種學(xué)、栽培學(xué)、植物保護(hù)、生物統(tǒng)計學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程。

植物的一些主要特性表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳，如產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等，均由多基因控制。將來自于其他植物或其它生物中的與上述性狀相關(guān)的多個基因或大片段DNA導(dǎo)入，按照意愿開展分子設(shè)計育種，有效改良竹類植物的品質(zhì)。

3.6.1 培育高品質(zhì)的觀賞竹種

現(xiàn)有的觀賞竹種，特別是大型觀賞竹種如龜甲竹、花毛竹等，大多屬于自然變異的竹種，產(chǎn)生純屬偶然，不僅觀賞性較單調(diào)，特征穩(wěn)定性也較低、容易退化，且資源量少，對氣候、土壤的自然條件要求較高，適應(yīng)能力較差。若通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，可省去常規(guī)育種技術(shù)的移植、田間觀測等眾多復(fù)雜、漫長的環(huán)節(jié)，同時可將多個觀賞功能基因引入同一竹種，培育出具有多種觀賞特性的新種，提升竹種的觀賞價值及經(jīng)濟(jì)價值；或者，將個別極具觀賞價值的基因引入適應(yīng)于不同地區(qū)生長的多個竹種，解決部分竹種對氣候的不適應(yīng)性問題，實現(xiàn)基因的廣泛運(yùn)用與推廣，不僅大幅提高觀賞竹種的運(yùn)用范圍，還能為市場輸送更多具有推廣價值的種苗，有效緩解觀賞竹市場供不應(yīng)求的局面。

3.6.2 定向培育材用、筍用新種

根據(jù)生產(chǎn)目的培育新竹種，如培育徑級、高度整齊、纖維含量高、紙漿得率高/力學(xué)性能好等建筑、制漿造紙、車船等材用竹種，高氨基酸、高鋅、高營養(yǎng)品質(zhì)、口感好的等供產(chǎn)業(yè)化提取或食用的筍用竹種，推進(jìn)現(xiàn)代竹產(chǎn)業(yè)定向培育目標(biāo)的實現(xiàn)。

3.6.3 提高竹種的抗逆性

抗寒、抗旱、抗病、抗蟲等抗逆性強(qiáng)新品種的培育，是現(xiàn)代苗木的發(fā)展趨勢，尤其是抗寒、抗旱新品種培育，將極大的豐富北方樹種，尤其對于實現(xiàn)“南竹北移”工程將起到巨大的推動作用。

4 小結(jié)

林木種苗是林業(yè)生產(chǎn)最基本的生產(chǎn)資料，是保證造林綠化和生態(tài)環(huán)境建設(shè)、提高營林質(zhì)量、加速資源增長、實現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[26]，也是加快林業(yè)全面發(fā)展的重要保證，在林業(yè)生態(tài)建設(shè)中具有舉足輕重的作用和地位。為充分發(fā)揮林業(yè)生態(tài)建設(shè)的“三大效益”，既要不斷提升生態(tài)建設(shè)水平、拓寬產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、調(diào)整和增加農(nóng)民收入[27]，而且要提高種苗特別是育苗環(huán)節(jié)的科技含量，逐步壯大種苗產(chǎn)業(yè)實力。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的引入，正順應(yīng)了這一發(fā)展趨勢，轉(zhuǎn)基因新竹種的培育，不僅為市場提供高品質(zhì)竹種，推進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，還將有力、穩(wěn)步推進(jìn)種苗建設(shè)工程建設(shè)的發(fā)展。

1 劉合勝.我國竹子工業(yè)化加工利用新技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國科技成果,2004(16):14-15.

2 石明旺，龐延軍,王修強(qiáng)，等.竹類植物分子生物學(xué)研究進(jìn)展及展望[J].經(jīng)濟(jì)林研究，2006,24(2):63-68.

3 汪佑宏，王善，王傳貴，等.不同海拔高度及坡向毛竹主要物理力學(xué)性質(zhì)的差異[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008(1):20-22.

4 胡嬌麗,張巖,湯定欽.竹子基因組序列研究及應(yīng)用[J].竹子研究匯刊，2008(2):1-6.

5 吳乃虎.基因工程原理[M].(第2版).北京:科學(xué)出版社,2001:172-173.

6 胡雁春,曾洪,肖雍琴,等.基因工程在花卉育種中的應(yīng)用進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù),2006(11):49-52.

7 葉興國，王艷麗，丁文靜.主要農(nóng)作物轉(zhuǎn)基因研究現(xiàn)狀和展望[J].中國生物工程,2006,26(5):93-100.

8 http://www.gcagri.gov.cn/Article.asp.NewsID=955.農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因品種利用現(xiàn)狀.

9 王俠禮.轉(zhuǎn)基因技術(shù)在觀賞植物育種中的應(yīng)用[J].北方園藝，2005(6):14-15.

10 盧孟柱,韓一凡,杜生明.林木基因工程風(fēng)險評估和安全管理現(xiàn)狀[J].林業(yè)科學(xué)研究1999,12(3):325-331.

11 田穎川,本太原,莽克強(qiáng),等.抗蟲轉(zhuǎn)基因歐洲黑楊的培育.生物工程學(xué)報,1993,9(4):219-227.

12 http://www.99sj.com/Article/9597.htm.南京林業(yè)大學(xué)培育成功轉(zhuǎn)基因新樹種.

13 Nilsson O,Moritz T,Sundberg B,et al. Expression of the Agrobacterium rhizogenesrocl gene in a deciduous forest tree alters growth and development and leads to stem fasciation. Plant Physiology,1996,112:493, 502.

14 Charest P J,Duchesne L C. Recent progress in forest biotechnology in Canada. Petawawa National Forestry Institute,Inf. Rep., 1995,PI-X-120.144.

15 樓一平.竹子:非草非木的傳奇[J].中國國家地理, 2004(3):98-106.

16 卓仁英,劉曉光.影響麻竹基因轉(zhuǎn)化的幾個因子研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,26(4):551-554.

17 Gatehouse. Genetic engineering of rice for resistance to homopteran inset pests resistance to inset by gene engineering[J].Theor Appl Genet,1997, 25: 189-200

18 Tu J, One I, Zhang Q, et al Transgenic rice variety IRF-2 with Xa21 is resistant to bacterial blight. Theor Appl Genet,1998, 97: 31-36.

19 黃大年,朱冰,楊緯,等.抗菌肽B基因?qū)胨炯稗D(zhuǎn)基因植株的鑒定[J].中國科學(xué)(C輯),1997, 27: 55-62

Discussion on the Application of Transgene Technology to Bamboo Breeding

Wang Haixia, Peng Jiusheng, Li Jiang, Cheng Ping
(Jiangxi Academy of Forestry, Nanchang, Jiangxi 330032)

The application and advances in the transgene technology at home and abroad were summarized in this paper. With attention to the bamboo researches in China, utilization prospect of the transgene technology in bamboo breeding were discussed.

transgene technology, bamboo, breeding

王海霞（1981-）女，助理研究員，主要從事竹類資源利用及培育研究。