轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究馬鈴薯中糖苷生物堿綜述

姜長青　吳浩昊

摘 要：隨著馬鈴薯轉(zhuǎn)基因研究的進展，國內(nèi)學者對馬鈴薯中糖苷生物堿研究取得了很多成果。本文主要根據(jù)2012到2017五年間轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究馬鈴薯糖苷生物堿的研究成果進行較為系統(tǒng)的綜述，內(nèi)容涉及糖苷生物堿的研究現(xiàn)狀、作用、前景等以及運用轉(zhuǎn)基因技術(shù)調(diào)節(jié)糖苷生物堿的實驗分析。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；糖苷生物堿；轉(zhuǎn)基因；RNAi；sgts

2014年東方網(wǎng)報：美農(nóng)業(yè)部批準種轉(zhuǎn)基因土豆比普通土豆在抗癌、運輸上更有優(yōu)勢。隨后在2016年日本育出轉(zhuǎn)基因土豆：不發(fā)芽可長期存儲。英國也在馬鈴薯抗病高產(chǎn)方面取得了巨大進步。而這些成果或多或少的涉及了馬鈴薯中的糖苷生物堿。糖苷生物堿，又稱幽醇類糖著生物堿，是存在于茄科和百合科植物的一類重要次生代謝物，可以保護植物自身免受病蟲害襲擊，具有廣泛的生理生態(tài)效應(yīng)。因此，如何通過轉(zhuǎn)基因手段改變馬鈴薯中糖苷生物堿的含量具有廣闊的發(fā)展前景。

馬鈴薯中糖苷生物堿的研究同時引起了國內(nèi)外學者的高度關(guān)注和研究興趣。為了全面了解近五年學者關(guān)于馬鈴薯中糖苷生物堿的研究，筆者主要通過CNKI中國期刊全文數(shù)據(jù)庫，以“馬鈴薯糖苷生物堿”為主題，進行模糊匹配檢索。收集了相關(guān)文獻資料約20余篇進行綜述。

一、為什么要轉(zhuǎn)基因？

轉(zhuǎn)基因也叫基因工程，就是通過人工合成特定作用的DNA轉(zhuǎn)入到特定的生物體中，以達到一定目的的過程。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為獲得優(yōu)良的種子，常用兩種方法：一種就是生物技術(shù)育種——轉(zhuǎn)基因，還有一種是常規(guī)育種。由于馬鈴薯中糖苷生物堿的特殊性，常規(guī)育種還不能做到維持葉片中的生物堿水平的同時做到減少塊莖中生物堿水平以降低毒性。所以只能通過轉(zhuǎn)基因手段從分子水平研究改變。

二、Sgt家族酶

馬鈴薯的SGAs的形成過程有三個階段。第三階段的反應(yīng)物為環(huán)阿喬醇，它有兩個代謝途徑，當走糖基化途徑時形成SGAs。此途徑中末端茄啶糖基轉(zhuǎn)移酶（sgt家族酶）是SGAs合成的關(guān)鍵酶。牛繼平對Sgts氨基酸進行測序并將測序結(jié)果和茄啶糖苷轉(zhuǎn)移酶家族進行對比。對比結(jié)果顯示氨基酸序列同源性在99%以上，預(yù)測三個家族基因（sgt1，sgt2，sgt3）均為糖基轉(zhuǎn)移酶家族成員，即具有合成類固醇糖苷生物堿的功能。后續(xù)的研究也發(fā)現(xiàn)通過抑制任何一個家族酶成員都可以影響SGAs的合成。驗證了sgts的在SGAs合成中的重要作用。但不管怎么抑制，抑制哪種sgt家族酶，SGAs的總量都變化不大，可能家族酶成員之間存在類似互補的關(guān)系。

安然想要通過RNAi 技術(shù)，對糖苷生物堿合成代謝途徑末端酶基因家族成員 Sgt1-3 在轉(zhuǎn)錄水平進行共調(diào)控，從而改變糖苷生物堿的含量或者組分分配，以降低塊莖中SGAs的含量。實驗結(jié)果：通過RNAi沉默技術(shù)雖然沒有解決糖苷生物堿的總含量但是改變了它在不同部位的分布情況，到達了實驗的目標——地上部分增多且地下部分減少。但是實驗中轉(zhuǎn)換率過低，且沒有二代植株的情況，生產(chǎn)實踐中意義不大。最好能夠通過改進此種實驗，提高轉(zhuǎn)換率和目標基因在后代植株中的存在率以應(yīng)用到實踐。

郭海霞選擇SGAs合成途徑末端酶基因sgt3，構(gòu)建綠色組織特異啟動了rbcS（加氧酶小亞基基因）驅(qū)動sgt3的超表達載體，并轉(zhuǎn)化馬鈴薯莖段獲得轉(zhuǎn)基因材料，以提高馬鈴薯地上部綠色組織中SGAs積累，培育抗逆性強和食用安全的馬鈴薯品種（系）。結(jié)果分析：SGAs的總含量變化不顯著，葉片中含量變化顯著，塊莖中未有明顯變化。隴薯 3 號植株葉片中 SGAs 積累較‘夏波蒂植株中較多。‘隴薯 3 號3 個轉(zhuǎn)基因植株分別比野生型提高了約 32%、37 %和 21%，‘夏波蒂分別比對照提高了約 26%、28%和 20%。這表明rbcS啟動了介導(dǎo)的sgt3能顯著提高馬鈴薯綠色組織中的糖苷生物堿含量。雖然完成了實驗?zāi)繕耍菍K莖的含量改變不大。

三、問題與展望

馬鈴薯中糖苷生物堿是一個矛盾的集合體。目前對于其毒性和生理活性之間的相互協(xié)同機制尚不清楚，對于糖苷生物堿合成及代謝機理仍比較缺乏，尤其是對于合成中涉及的基因、酶等方面研究都較少。糖苷生物堿作為一種有毒致癌物質(zhì)在食用馬鈴薯中理應(yīng)盡量減少，但是由于其具有多種生理功效，在抗病抗蟲，提高產(chǎn)品品質(zhì)上又有至關(guān)的作用，一直給研究的進展帶來很大的問題。既然改變馬鈴薯中糖苷生物堿總量的路途中困難太多，如何使用轉(zhuǎn)基因手段分配糖苷生物堿在各部分的含量，揚其之長避其之短，就應(yīng)該成為研究的關(guān)注點。14年，白江平教授采用GCE-biplot圖表法，分析了紅光照射對糖苷生物堿合成的主要基因的影響，發(fā)現(xiàn)光照時間越長，sgts家族酶表達量均下降；他還對比了糖苷生物堿合成途徑中不同階段的sgts表達量，結(jié)果顯示：不同階段的sgts家族酶表達量有顯著差異。這或許能夠給我們?nèi)蘸蟮难芯刻峁┮恍﹨⒖?、啟發(fā)。

近些年研究，還推動了糖苷生物堿的特殊用涂。由于糖苷生物堿的抗菌性，多甜甜認為SGAs可以作為天然的抗菌劑，用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究的深入，日后馬鈴薯提供給人類的可能不僅僅只是地下的食用塊莖，地上葉片中的的SGAs也會被作為天然的抗菌劑用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。