轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高大豆耐旱性*

方義生，陳李淼，周新安**

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所，武漢 430062； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油料作物生物學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，武漢 430062）

大豆是世界重要的糧食兼油料作物，也是人類優(yōu)質(zhì)蛋白和食用油的主要來(lái)源。大豆為全球提供了近60%的植物蛋白和30%的食用油來(lái)源。我國(guó)對(duì)大豆的需求量十分巨大，國(guó)內(nèi)大豆的生產(chǎn)總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，從國(guó)外進(jìn)口的大豆總量呈逐年增加趨勢(shì)。以2018年為例，中國(guó)進(jìn)口大豆9 550萬(wàn)t，比2017年增長(zhǎng)14%[1]。目前國(guó)際上出口貿(mào)易的大豆90%以上都是轉(zhuǎn)基因大豆[2]。那么，什么是轉(zhuǎn)基因大豆呢？轉(zhuǎn)基因大豆是指將人工分離和修飾過(guò)的基因?qū)氲浆F(xiàn)有大豆基因組中，與大豆基因組整合并表達(dá)，從而達(dá)到改造大豆生物學(xué)性狀的目的[3]。但隨著分子生物學(xué)的發(fā)展和生物基因組可遺傳修飾手段的創(chuàng)新，以及各個(gè)國(guó)家對(duì)于轉(zhuǎn)基因作物的定義不同，未來(lái)對(duì)于轉(zhuǎn)基因作物的定義還需進(jìn)一步商榷，例如通過(guò)基因編輯技術(shù)獲得的作物是否屬于轉(zhuǎn)基因作物，國(guó)際上尚未達(dá)到共識(shí)，如美國(guó)已有不受轉(zhuǎn)基因相關(guān)法律監(jiān)管的基因編輯材料，我國(guó)目前在轉(zhuǎn)基因監(jiān)管上采取保守態(tài)度，對(duì)于新材料的獲得是通過(guò)轉(zhuǎn)基因方式手段獲得的，依然按照現(xiàn)行的轉(zhuǎn)基因相關(guān)法律進(jìn)行監(jiān)管[4]。

轉(zhuǎn)基因大豆是一類通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)為手段轉(zhuǎn)入不同目的基因獲得所需新性狀大豆的統(tǒng)稱。目前商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因大豆主要包括耐除草劑轉(zhuǎn)基因大豆、抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因大豆、高油酸轉(zhuǎn)基因大豆、聚合轉(zhuǎn)基因大豆4大類型。聚合轉(zhuǎn)基因大豆以耐除草劑和抗蟲(chóng)雙性狀為主。全世界大豆種植中都普遍易遭受田間雜草和蟲(chóng)害兩個(gè)限制大豆生產(chǎn)的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)具有耐除草劑和/或抗蟲(chóng)的大豆可以極大地降低生產(chǎn)成本，保障大豆生產(chǎn)。其實(shí)，耐除草劑和抗蟲(chóng)這兩種轉(zhuǎn)基因性狀是所有市場(chǎng)化轉(zhuǎn)基因作物中最常見(jiàn)的類型。目前市場(chǎng)化的轉(zhuǎn)基因大豆利用的相關(guān)基因都被國(guó)外所壟斷。國(guó)外，轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究依然火熱，除了常見(jiàn)的轉(zhuǎn)基因大豆類型外，還在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)并利用其他性狀的基因，以滿足不同種植國(guó)家生產(chǎn)實(shí)際的需要，提高大豆的適應(yīng)性。可以預(yù)見(jiàn)，以后商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因大豆還會(huì)增加新的類型。我國(guó)也十分重視轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，開(kāi)展大豆轉(zhuǎn)基因研究，抓緊開(kāi)發(fā)具有重要應(yīng)用價(jià)值和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功能基因和轉(zhuǎn)基因大豆新品種。

2008年我國(guó)啟動(dòng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項(xiàng)，2009年中央1號(hào)文件提出，“要加快推進(jìn)轉(zhuǎn)基因生物新品種培育科技重大專項(xiàng)，整合科研資源，加大研發(fā)力度，盡快培育一批抗病蟲(chóng)、抗逆、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的轉(zhuǎn)基因新品種，并促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化”，2015年中央1號(hào)文件提出“加強(qiáng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)研究、安全管理、科學(xué)普及”。2016年《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中提出要加大轉(zhuǎn)基因大豆研發(fā)力度，推進(jìn)新型抗除草劑大豆等重大產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。2019年中央1號(hào)文件提出實(shí)施大豆振新計(jì)劃，多途徑擴(kuò)大種植面積[5]。對(duì)于多途徑擴(kuò)大種植面積，則需要進(jìn)一步提高大豆的適應(yīng)性。大豆在生長(zhǎng)過(guò)程中除了遭受生物脅迫（雜草、病蟲(chóng)害等）外，還易受到非生物脅迫（環(huán)境脅迫）影響。在我國(guó)大豆種植中，干旱是主要的非生物脅迫，為提升大豆的適應(yīng)性，可以從提升大豆耐旱能力上入手。傳統(tǒng)育種方式獲得大豆耐旱新品種，育種周期漫長(zhǎng)，較難去除不利連鎖性狀，并且單一的耐旱大豆品種不能同時(shí)滿足不同氣候條件的要求。轉(zhuǎn)基因技術(shù)有利于快速聚合能夠提升耐旱能力的相關(guān)基因，轉(zhuǎn)化技術(shù)體系已經(jīng)成熟，可以快速的以當(dāng)?shù)刂髟源蠖蛊贩N為受體，導(dǎo)入具有耐旱能力的基因，獲得耐旱轉(zhuǎn)基因大豆新品種。那么，目前哪些代表性基因在轉(zhuǎn)基因研究中，可以提升大豆的耐旱能力呢？

1 耐旱植物的一般特征

自然界中的植物進(jìn)化出不同的特征達(dá)到耐旱的目的，如沙漠中的仙人掌葉子退化成針狀以減少水分蒸發(fā)，莖表面具有厚而硬的蠟質(zhì)可以保水，根系發(fā)達(dá)，可以吸取地下更多的水分。概括起來(lái)，不同耐旱植物一般具有以下部分特征[6]：（1）發(fā)達(dá)的根系，可以充分吸收土壤中的水分；（2）靈敏的氣孔調(diào)節(jié)能力，減少水分蒸騰；（3）發(fā)達(dá)的角質(zhì)層和蠟質(zhì)，可以降低太陽(yáng)輻射并減少水分非蒸騰的散失；（4）根據(jù)日光調(diào)節(jié)葉角變化，減少水分散失；（5）細(xì)胞原生質(zhì)含有豐富的滲透保護(hù)性物質(zhì)，降低植物缺水時(shí)造成的損害。

2 轉(zhuǎn)基因提高大豆耐旱能力

大豆表面的蠟質(zhì)能夠防止水分散發(fā)，因而具有耐旱作用。張海祿等研究發(fā)現(xiàn)葉片表面蠟質(zhì)的增加是植株耐旱的重要表現(xiàn)，葉片表皮蠟質(zhì)的多少和耐旱呈正相關(guān)[7]。蠟質(zhì)的合成可以分成3個(gè)階段，目前已經(jīng)鑒定出相關(guān)的基因。脂肪族化合物是蠟質(zhì)的主要成分之一，長(zhǎng)鏈?；o酶A（LACS）是其中的關(guān)鍵酶，在擬南芥中有9個(gè)LACS基因鑒定出來(lái)參與蠟質(zhì)合成[8]。還有幾種脂肪族化合物的合成需要脂肪酸延長(zhǎng)酶復(fù)合體參與，這一復(fù)合體由4種協(xié)同的酶組成，已經(jīng)鑒定出其中編碼3種酶的關(guān)鍵基因，明確了參與蠟質(zhì)合成基因（CER6、KCR1、CER10）[9]。研究發(fā)現(xiàn)，還有一些可以調(diào)控這些蠟質(zhì)合成基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，如SHN2、SHN3基因，過(guò)表達(dá)這些轉(zhuǎn)錄因子可以提高LACS1、CER6等蠟質(zhì)合成基因的表達(dá)[10]。在大豆中發(fā)現(xiàn)了GmSHN1和GmSHN9基因，將這兩個(gè)基因分別在擬南芥中過(guò)表達(dá)可以顯著提高蠟質(zhì)含量[11]。野生大豆是大豆的近緣祖先，具有很強(qiáng)的抗逆性種質(zhì)，是挖掘耐逆基因的寶貴資源。研究發(fā)現(xiàn)，在野生大豆中，GsWRKY20轉(zhuǎn)錄因子既可以激活蠟質(zhì)合成關(guān)鍵基因的表達(dá)，促進(jìn)蠟質(zhì)合成，又可以促進(jìn)植物在受到干旱時(shí)氣孔關(guān)閉，減少水分散失，提高植物的耐旱能力[12]。很多研究發(fā)現(xiàn)，DREB1A基因可以提高植株的耐旱能力[13-15]。轉(zhuǎn)DREB1A基因的大豆可以表現(xiàn)出更好的葉片運(yùn)動(dòng)，在干旱脅迫或太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，與非轉(zhuǎn)基因大豆相比，轉(zhuǎn)基因大豆可以表現(xiàn)出更強(qiáng)的避光性（降低輻射接觸的葉面積），減少蒸騰水分損失，提高大豆耐旱能力[16]。細(xì)胞膜上存在水孔蛋白，可以調(diào)節(jié)根部在干旱脅迫下的水力傳導(dǎo)，促進(jìn)水分的流動(dòng)，在轉(zhuǎn)基因植物根系中，水孔蛋白的超表達(dá)可明顯提高植株的耐旱能力[17]。Zhang等在大豆中鑒定出62個(gè)編碼水孔蛋白的基因，其中已經(jīng)確定轉(zhuǎn)Gm-TIP2;1基因的大豆可以提高耐旱性[18]。植物為了減少水分的散失，干旱等水分逆境時(shí)，一些滲透保護(hù)物質(zhì)會(huì)增加，促進(jìn)細(xì)胞保水，常見(jiàn)的滲透保護(hù)物質(zhì)有：脯氨酸、海藻糖、甘露醇、甜菜堿等，編碼這些物質(zhì)的基因過(guò)表達(dá)可以提高植株的耐旱能力[19]，同時(shí)這些滲透保護(hù)物質(zhì)也是衡量植物耐逆的常用生理指標(biāo)。印度尼西亞批準(zhǔn)的耐旱轉(zhuǎn)基因甘蔗，其基因就是編碼膽堿脫氫酶的基因（betA），其能夠積累滲透保護(hù)物甜菜堿，除了滲透保護(hù)物質(zhì)，植物滲透保護(hù)蛋白有胚胎后期發(fā)生蛋白（LEA蛋白），這類蛋白多在種子成熟期間大量合成，在種子干燥脫水過(guò)程中，可以保護(hù)種子保留最低的含水量。當(dāng)植物遭受干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)正常的代謝會(huì)被破壞，體內(nèi)活性氧自由基含量會(huì)升高，對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性，過(guò)表達(dá)能夠清除活性氧自由基的酶類，可以延緩干旱脅迫對(duì)植物的傷害。這類酶包括：超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）等[20]。

3 抗旱轉(zhuǎn)基因大豆應(yīng)用現(xiàn)狀

耐旱性狀是一種重要的和生產(chǎn)實(shí)際緊密相關(guān)的性狀。世界上主要的轉(zhuǎn)基因大豆種植國(guó)家正在積極開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)基因耐旱大豆，并逐漸進(jìn)行商業(yè)化推廣。走在前列的國(guó)家如美國(guó)、巴西、阿根廷。目前商業(yè)化耐旱轉(zhuǎn)基因作物有3種：玉米、大豆、甘蔗。美國(guó)在2013年首次種植轉(zhuǎn)基因抗旱玉米品種DroughtGardTM，其種植面積逐年增加，從2013年的5萬(wàn)hm2增加到2017年的140萬(wàn)hm2。該品種由美國(guó)孟山都公司開(kāi)發(fā)（MON87460事件），基因是編碼枯草芽孢桿菌冷激蛋白的基因（cspB）。轉(zhuǎn)基因耐旱甘蔗品種由印度尼西亞公司開(kāi)發(fā)（NXI-1T事件），基因是編碼膽堿脫氫酶的基因（betA）。雖然是在玉米、甘蔗中將這一基因進(jìn)行商業(yè)化種植，但是由于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的方便，該基因同樣可以快速轉(zhuǎn)入到大豆中去。在大豆中已有的可供出口貿(mào)易的耐旱轉(zhuǎn)基因大豆事件有一個(gè)：IND-??41?-5，該轉(zhuǎn)基因大豆導(dǎo)入向日葵的Hahb-4基因。新的耐旱轉(zhuǎn)基因大豆還在開(kāi)發(fā)中，2017年，美國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)一項(xiàng)耐旱轉(zhuǎn)基因大豆事件，可以種植并用作食品、飼料。阿根廷于2015年批準(zhǔn)了一種抗旱轉(zhuǎn)基因大豆。2014年，巴西農(nóng)牧業(yè)研究公司開(kāi)發(fā)了一種有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因耐旱大豆。我國(guó)目前并未允許轉(zhuǎn)基因大豆的商業(yè)化種植，但是國(guó)家成立了轉(zhuǎn)基因生物品種培育重大專項(xiàng)，重視相關(guān)性狀的轉(zhuǎn)基因大豆研究，注重開(kāi)發(fā)具有應(yīng)用價(jià)值和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功能基因。