基因工程技術(shù)改良蔬菜作物的當(dāng)前趨勢

劉玉霞

摘要：近年來，在將蔬菜作物用于非生物脅迫耐受性改良方面取得了重大進展。雖然轉(zhuǎn)基因蔬菜作物商業(yè)化的進展相對緩慢，但為營養(yǎng)保健和藥物使用而設(shè)計的轉(zhuǎn)基因蔬菜將在不久為增值農(nóng)業(yè)產(chǎn)量做出重大貢獻。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù)；蔬菜作物；生物農(nóng)業(yè)；非生物脅迫

在過去的二十年中，諸如生物脅迫抗性，產(chǎn)品質(zhì)量和儲存壽命等各種重要特性已成功地應(yīng)用于作物植物中。在栽培的轉(zhuǎn)基因作物植物中，除草劑耐受性一直是主要的性狀，其次是Bacillus thuriengiensis（Bt）的昆蟲抗性。耐除草劑的大豆和油菜，以及Bt玉米和棉花構(gòu)成了四種主要的轉(zhuǎn)基因作物（Beaujean等，2010）。兩種商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因蔬菜作物是延遲果實成熟的番茄和具有昆蟲和病毒抗性的馬鈴薯。近年來，分子研究表明有幾種基因可以在蔬菜作物中引入新的特性，在引入非生物脅迫耐受性方面取得了相當(dāng)大的成功。

一、非生物脅迫耐受性

（一）用水效率

通過精確調(diào)節(jié)氣孔開度可以提高耐旱性和水分利用效率。為了應(yīng)對干旱脅迫，植物通過ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉使水分流失最小化。導(dǎo)致氣孔關(guān)閉的信號事件在分子水平上易于發(fā)現(xiàn)。與野生型擬南芥相比，ABA不敏感突變體（abi1-1R3）顯示出較強的耐旱性（Gao等，2013）。突變基因（ERA1）對ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉引起超敏反應(yīng)。在干旱脅迫下，突變體表現(xiàn)出增強的氣孔關(guān)閉，從而減少萎蔫（Pei等，2008）。

（二）抗氧化防御

非生物脅迫由于其對反應(yīng)速率，蛋白質(zhì)穩(wěn)定性和膜分隔的不利影響而引起代謝異常。在這些非生物脅迫下的擾動代謝導(dǎo)致活性氧（ROS）的毒性水平積累，即超氧自由基，過氧化氫和羥基自由基，其導(dǎo)致對核酸，蛋白質(zhì)和膜的不可逆損害。ROS通過非酶抗氧化劑（抗壞血酸，α-生育酚，谷胱甘肽等）和酶抗氧化劑（超氧化物歧化酶，過氧化氫酶和抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)酶）是植物耐受非生物脅迫的重要策略。因此，已經(jīng)進行了多次嘗試以通過增強ROS清除來改造植物脅迫耐受性的能力。通過反義RNA抑制過氧化氫酶增加了對轉(zhuǎn)基因番茄植物中氧化應(yīng)激和冷害的易感性（Kerdnaimongkol和Woodson，2009）。相反，異位表達擬南芥CBF1的轉(zhuǎn)基因番茄植物顯示出對氧化脅迫的增強的耐受性，因為CBF1過表達在這些轉(zhuǎn)基因番茄植物中誘導(dǎo)過氧化氫酶基因的高水平表達。

（三）滲透調(diào)節(jié)劑

在細(xì)胞水平上，滲透脅迫是由干旱，高鹽度和極端溫度引起的。滲透調(diào)節(jié)是重要的細(xì)胞防御之一。滲透脅迫可能誘導(dǎo)離子吸收（K +），區(qū)域化（Na +進入液泡）或相容性溶質(zhì)的合成，如脯氨酸，甜菜堿，多元醇和可溶性糖。這些有機相容性溶質(zhì)通過滲透調(diào)節(jié)來保護植物免受壓力，這有助于維持解毒作用氧物種和蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定（Bohnert和Jensen，2006）。在許多作物植物的干旱下，滲透調(diào)節(jié)與作物產(chǎn)量的增加有關(guān)。幾種改造過量產(chǎn)生滲透保護劑的轉(zhuǎn)基因植物顯示出增強的非生物脅迫耐受性。然而，在蔬菜作物中，只有很少的嘗試來設(shè)計滲透保護劑。海藻糖是滲透保護劑之一，其在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯中已經(jīng)評估了其在脅迫耐受中的作用。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應(yīng)激存活策略的調(diào)節(jié)劑。轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植物過表達酵母TPS1基因顯示出增強的耐旱性。甜菜堿是許多植物用來對抗非生物脅迫的重要的相容性溶質(zhì)。番茄植物不會積累甘氨酸甜菜堿。因此，用靶向葉綠體的codA基因產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因番茄植物，其編碼催化膽堿轉(zhuǎn)化為甘氨酸甜菜堿的膽堿氧化酶。這些轉(zhuǎn)基因植物在各種發(fā)育階段表現(xiàn)出增強的抗寒性（比其野生型對應(yīng)物多10-30%）（Park等，2014）。

二、蔬菜作物品質(zhì)的提高

（一）營養(yǎng)品質(zhì)的改善

植物產(chǎn)生各種化合物，例如蛋白質(zhì)，維生素，類黃酮等對植物具有重要功能，并且對人類營養(yǎng)具有重要性。然而，一些蔬菜缺乏必需氨基酸，如蛋氨酸和賴氨酸。馬鈴薯是一種重要的糧食作物。由于必需氨基酸賴氨酸，酪氨酸和含硫氨基酸蛋氨酸和半胱氨酸的缺乏，馬鈴薯蛋白的營養(yǎng)價值減少。為了提高馬鈴薯的營養(yǎng)價值，已在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖中表達了莧菜籽白蛋白基因AmA1。這種蛋白質(zhì)是非過敏性的，富含所有必需氨基酸，符合WHO人類飲食要求標(biāo)準(zhǔn)。類似地，在甘薯中引入編碼由必需氨基酸組成的儲存蛋白的292bp人工基因（asp-1）。與對照植物的貯藏根相比，其中一種轉(zhuǎn)基因品系顯示蛋白質(zhì)增加了四倍（Egnin和Prakash，2017）。

（二）無籽蔬菜

在沒有授粉和受精的情況下，果實的發(fā)育被稱為單性結(jié)實。由于授粉和施肥受到諸如低溫或高溫等環(huán)境脅迫的不利影響，單性結(jié)實有利于在這些脅迫條件下的生產(chǎn)力穩(wěn)定性。此外，單性結(jié)實果實的無籽性質(zhì)增加了消費者的接受度，使蔬菜的加工更容易，并且還提高了蔬菜的質(zhì)量。單性結(jié)實已顯示受生長素調(diào)節(jié)，因此，已經(jīng)努力通過增加生長素產(chǎn)生或卵巢對生長素的敏感性來設(shè)計單性生殖器。表達由胚珠特異性啟動子驅(qū)動的iaaM基因已被證明可以將單性結(jié)實賦予轉(zhuǎn)基因番茄和茄子，并且還提高了產(chǎn)量（Donzella等，2010）。最近，發(fā)根農(nóng)桿菌來源的基因rolB已被用作誘導(dǎo)番茄單性結(jié)實的替代方法。在卵巢和幼果特異性啟動子TPRP-F1的控制下用rolB基因轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)基因番茄植物發(fā)育出單性結(jié)實果實。果實大小和形態(tài)，包括無籽果實的子房中的果肉填充，與親本系的種子果實相當(dāng)。

三、未來的前景

當(dāng)前需要解決轉(zhuǎn)基因應(yīng)用中的一些限制，以便更廣泛地應(yīng)用和接受轉(zhuǎn)基因技術(shù)。如環(huán)境風(fēng)險，與作物密切相關(guān)的野生近緣種的交叉授粉和作用以及有關(guān)人類健康的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品需要根據(jù)具體情況仔細(xì)評估。

參考文獻：

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[2]牛義，王志敏，張盛林，宋明，王小佳.轉(zhuǎn)基因技術(shù)在中國蔬菜育種中的應(yīng)用研究進展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2006（02）：78-82.