基因工程在植物育种中的应用

基因工程在植物育种中的应用官玲(GUANLing)(莆田学院环境与生命科学系福建莆田351100)摘要：在现代生物技术中，基因工程作为一个重要的部分，已经在生产和生活等多方面起着重要的作用。不断成熟的基因工程技术它解决了传统育种不能突破的问题，与传统育种方法相比,基因工程技术具有独特优势可以定向修饰植物的某些目标性状并保留其它原有性状通过引入外来基因扩大基因库。本文主要综述了基因工程在药用植物和花卉植物育种中的研究状况及对以后的发展现状进行的展望。关键词：基因工程;植物育种;基因芯片技术;前景展望基因工程是指运用分子生物学技术,将目的基因或DNA片段通过载体或直接导入受体细胞,使受体细胞遗传物质重新组合,经细胞复制增殖,新的基因在受体细胞中表达,最后从转化细胞中筛选有价值的新类型,继而它再生为工程植株,从而创造新品种的一种定向育种技术。与传统育种相比,植物基因工程具有以下特点植物基因工程是在基因水平上来改造植物的遗传物质,更具有科学性和精确性,同时育种速度也大大加快能定向改造植物的遗传性状,提高了育种的目的性与可操作性植物基因工程大大地扩展了育种的范围,打破了物种之间的生殖隔离障碍,实现了基因在生物界的共用性,丰富了基因资源及植物品种。1.基因工程技术在药用植物育种中的应用由于医药事业的快速发展,野生药材资源已远远不能满足需要,尤其是许多原料性药用植物资源已面临资源枯竭的威胁,加之人工驯化和栽培的药用植物物种退化和濒危的问题极为突出。根据这些中药资源的活性成分、生长规律、生产特性,运用生物工程技术对其进行保存性研究,从而保护濒危紧缺的药用植物资源.。通过遗传转化,将目的基因（如抗逆、抗病毒、抗虫、抗除草剂等相关基因）导入药用植物以改变传统遗传性状,培育优良品种,增强药用植物抗病毒、抗虫害、抗除草剂的能力,利用植物生产异源蛋白及改变植物质量性状、保护和繁殖濒临灭绝的植物材料[1].1.1优良品种的培育刘建勋等[2]利用PCR技术克隆出青蒿素生物合成途径中的关键酶基因和东北红豆杉中紫三醇生物合成途径中起限速作用的紫三烯合成酶基因,该基因cDNA片段由2586个核苷酸组成,将该cDNA片段导入红豆杉细胞后,影响紫杉醇含量。NSFC资助的“银杏内酯合成二萜环化酶基因克隆与生物转化研究”、“水母雪莲P基因克隆及其对3-脱氧类黄酮化合物生物合成调控的研究”、“丹酚酸类化合物生物合成关键酶基因克隆与调控研究”、“重组蝎毒素基因的表达及抗肿瘤活性的研究”及“鹿茸活性多肽基因的克隆与表达”等项目对药用植物有效成分(次生代谢产物)生物合成途径中关键酶基因的克隆和表达,旨在实现对它们在植物细胞内代谢的人工调控[4].1.2DNA序列标记鉴别育种随着分子生物学和基因工程技术的发展特别是遗传图谱研究资料的积累,一种全新的育种方法———基于分子连锁图应用于育种技术相结合的分子标记辅助选择技术(MAS)应运而生。在加强药用植物传统育种的基础上,利用RFLP(限制性片断长度多态性)、RAPD(随机扩增多态性DNA)等分子遗传标记技术,构建重要药用植物遗传连锁图,开展重要药用植物QTL的研究和实践,从野生类型筛选优良目的基因,对药用植物进行遗传改良,将成为今后药用植物育种的重要方向之一[5]。国家自然科学基金资助了多项这方面的研究项目,例如2002年资助的“应用AFLP技术筛选与红花品质相关的分子标记”研究项目,就是采用DNA2AFLP、cDNA2AFLP分子标记技术,构建出DNA指纹图谱,筛选出与红花品质相关的分子标记,为探索红花品质形成的基因表达与调控机制奠定基础,为红花新品种的高效选育及药用植物品质的定向调控提供有效途径[6]。总之,DNA分子标记技术为药用植物亲缘关系鉴定、单味药材鉴别、濒危物种保护、复方质量分析、基因定位与分离、品种鉴定、资源评价等方面提供了理论依据和科学基础.1.3基因芯片技术的应用基因芯片技术是指采用点样法,将数以万计的DNA探针固化于支持物的表面上,产生二维DNA探针阵列,然后与标记样本杂交,通过检测杂交信号来实现对生物样品的检测或医学检测.该技术为解决新药开发中分离和鉴定药物有效成分这一重大障碍提供了有利手段,它可以解释药物的作用机制,分析用药前后机体不同组织器官基因表达的差异,从而发现一组病症相关基因和药物效应基因作为药物的筛选靶标.利用基因芯片找出待鉴定中药的特定DNA序列是基因芯片技术能否成功应用于药用植物鉴定的关键.朝晖等[7]在对川贝母、浙贝母、皖贝母和湖北贝母等4种主要贝母品种5SrRNA的序列分析时发现川贝母有一特异性碱基序列CTTTTGTCATCA,以此序列作为探针,制成芯片,将待检测样品提取DNA并经扩增和荧光标记后与芯片上探针进行杂交,通过荧光检测可准确鉴定出川贝母.基因序列分析已成功地用于贝母、黄芪、人参、川芎等鉴别.2.基因工程技术在花卉植物育种中的应用植物基因工程是作物改良的新型技术。目前,它不仅广泛用在农作物的改良方面,而且也是花卉改良的主要手段。植物基因工程解决了传统育种不能突破的问题,为花卉性状改良提供全新的思路。因此,人类希望在传统育种的基础上能够利用基因工程技术,培育出向往已久的奇异花卉。2.1新基因导入观赏花卉植物,改良花色花色是观赏花卉植物最重要的质量指标之一。花色的母体是花色素,主要由类胡萝卜素、类黄酮和花青素3类物质决定。花色素的形成以及花色素在花瓣中的含量和分布等都受基因控制[11]。正是由于这些基因的存在和改变,致使观赏植物花色丰富多彩、变化多样。利用常规育种技术尤其是杂交育种技术,虽然在花色改良中做出了重要贡献,但其远缘杂交亲和力差,物种生殖隔离和基因连锁难以打破,染色体重组时交换值小,创造符合人类各种需求的新种质所需的育种周期长、效率较低。通过基因工程,利用农杆菌介导和直接转移将控制花色的目的基因转入植物受体,从而使受体增加1个或几个新性状,创造出具有优良花色性状的新种质,例如对于单基因控制的花色,如果某观赏植物种或品种体内缺乏这种基因,可直接导入外源结构基因改变其花色。世界上首例基因工程改变矮牵牛花色的实验便采用此法:将玉米DFR基因导入矮牵牛R1O1突变体,产生了世界上首次出现的含花葵素的砖红色矮牵牛。基因工程技术修饰花色性状的方法有反义抑制法(antisensesuppression)和有义抑制法(sensesuppres2sion)。李艳等[14]将chsA2uidA融合基因导入矮牵牛中,得到的转基因植株花色发生了明显改变,转化概率达到100%。2.2基因技术改变花型花卉形态是花卉的重要组成部分,因此改良花卉形态长期以来一直是科学工作者研究的重点之一。花卉形态改良包括花朵的大小、花朵的分布状态等。转基因育种研究在改变形态方面也取得了进展。德国研究人员将一种基因导入蔷薇,使植株的花枝数和每枝上的花朵数量大幅度增加。研究人员还发现,金鱼草和兰花的花朵不具辐射对称是由控制花卉形状的基因所控制。现在,人们已能通过生物工程技术将雄蕊转换为花瓣,或是将萼片转为叶片等。如一些研究人员利用先进的转基因技术,成功育出2盆转基因非洲菊。与一般的非洲菊相比,转基因非洲菊的花朵更大、更饱满。第一盆非洲菊由原来的纯橙黄色转变为一半橙黄、一半金黄;而第二盆非洲菊的萼片、花瓣、花蕊等外形保持原状,花瓣为深橙色,花蕾呈浅绿色,叶脉为橘红色。转基因非洲菊花期可维持1个月左右。这一系列进展为人类利用基因工程手段修饰花卉的形态打下了良好的基础。2.3基因技术延长鲜花的寿命为提高鲜花的商业价值,不仅需要花朵美丽,尽可能延长花朵寿命也非常重要。日本研究人员成功开发出了花期相当于普通品种约3倍的康乃馨。在花卉研究所进行的试验中,普通康乃馨完全开放后5～7d就开始枯萎,而新开发的康乃馨“筑波1号”一直到第19.5天也没有枯萎。如果是在气温较低的冬季,可以保持1个月以上。花期长短的关键在于化学物质乙烯的释放量。花朵在开放一定时间后,自身就会释放出乙烯促使花瓣枯萎,这是为了保存后代而将体内能量集中到果实或种子的缘故。“筑波1号”产生的乙烯大约只有普通康乃馨的1/20,因此可以保持很长的花期[13]。3.问题与前景展望影响植物品质的因素很多,如花卉植物观赏寿命、花朵形状及大小、花香、鲜重、颜色、株型和抗性等；药用植物如抗逆、抗病毒、抗虫、抗除草剂等。基因工程技术作为植物育种的重要途径,以其特有的优越性将在植物育种上起着越来越大的作用,特别是能有效地解决杂交育种中所遇到的“杂交不亲和、杂种不育和杂种后代强烈分离”三大难题。同时,应加强对野生种质资源的研究和利用,寻求新的突破口。插入基因的稳定性及其是否稳定遗传是转基因植物商业化应注意的问题。目前通过基因工程的方法虽已获得大量植株,但由于外源基因的插入是随机的,特别是目前采用的主要方法农杆菌介导的T2DNA定点整合不稳定,导入以后往往不能稳定表达且有可能影响其它的代谢,而关于这方面研究较少。今后应加强该方面的研究。根据相关生物技术的研究成果，进一步完善基因工程技术,加快基因功能的研究,把基因工程和细胞工程结合起来以加快工业化生产的步伐,把基因工程技术和其它育种方法相结合培育优良新品种,建立高效转基因植物栽培技术体系。相信随着生物技术的发展,基因工程的前景将会越来越广泛。参考文献：[1]刘屏,王昌恩,我国中药资源基础研究的现状与热点[J].中国科学基金,2004,(1):5～9.[2]刘建勋,丛伟红.我国植物药(中药)研究的问题与建议[J].中国中药杂志,2002,27:484～484.[3]张弛,陈彩艳.基因工程技术提高药用植物次生物质产量研究进展.云南大学学报(自然科学版),2004,26(6):52～54[4]高山林.提高中药材质量和产量的思路和实践.世界科学技术[J].中医药现代化,2006,8(1):80～83.[5]唐克轩主编.中草药生物技术[M].上海:复旦大学出版社.2005,5.[6]吴英,郭安平,孔华等.药用植物基因工程研究进展.热带农业科学,2005,25(2):46～52[7]朝晖,李萍,董婷霞等.运用PCR揭示贝母属柏物5SrRNA基因间区序列的分子多样样[J].植物药,1999,65(4):360.[8]宋智青,梁运章,李玉峰等.药用植物的多倍体育种.生物学通报,2006,41(7):13～14[9]黄璐琳,胡尚钦,杨晓等.药用植物生物工程研究进展Ⅲ.分子标记、遗传转化及功能基因研究.中草药,2006,37(5)647～65.[10]MIZUKNUNIH,HAORS,TANAKAT.Nuclcoridesoqucnceof5srRNAintergeniespecerregioninAngelicaacuilogba[J].NaturalMed,1997,51:3～6.[11]张海新.基因工程在观赏植物种质创新中的应用[J].河北农业科学,2008,12(3):80～81[12]谭勇,粱宗锁,王渭玲.生物技术在中国药用植物研究中的应用[J].中国农学通报,2005,21(10):41～46.[13]李守丽,石雷,张金政等康乃馨育种研究进展[J].园艺学报,2006,33(1):203～210.[14]李艳,惠有为等.转查儿酮酶基因矮牵牛共抑制的研究[J].中国科学(C辑),2001,31(5):401～407.[15]张红梅.转基因观赏植物的研究进展[J].河北农业科学,2004,8(2):91～94.