張婷婷,陳靜波
(1.江蘇山水建設(shè)集團(tuán)有限公司,江蘇 句容 212400;2.江蘇省中國科學(xué)院植物研究所,江蘇 南京 210014)
隨著基因工程技術(shù)的飛速發(fā)展,植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)已為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了一場新的革命。草坪草作為一類重要的運(yùn)動(dòng)場和綠化用的植物[1],在世界范圍內(nèi)有了廣泛的使用和研究,尤其在歐美發(fā)達(dá)國家[2]。旱、鹽、寒、熱等環(huán)境脅迫及病蟲草等生物脅迫的加劇,增加了栽培管理成本以及由此帶來的環(huán)境破壞。在強(qiáng)調(diào)生態(tài)、低碳的背景下,抗逆、優(yōu)質(zhì)、低養(yǎng)護(hù)草坪的新品種選育顯得越來越重要[3]。草坪草分子生物學(xué)研究已有很大發(fā)展[4],尤其是轉(zhuǎn)基因技術(shù)的飛速發(fā)展,為選育出低養(yǎng)護(hù)的草坪草新品種提供了一條的新途徑。關(guān)于草坪草的再生體系、轉(zhuǎn)化方法等已有詳細(xì)的總結(jié)報(bào)道[5-9],本研究主要從近年來轉(zhuǎn)入的外源功能基因角度來討論草坪草的轉(zhuǎn)基因問題。
轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)在許多草坪草上得到了應(yīng)用,并獲得了轉(zhuǎn)入外源基因的植株。根據(jù)轉(zhuǎn)入基因的功能,主要分為以下幾類。
1.1抗除草劑基因(bar基因) 草坪雜草的防除較耗人力、物力。人工防除雖然環(huán)境友好,但費(fèi)工費(fèi)時(shí),成本很高;除草劑防治容易污染環(huán)境,而且許多雜草與草坪草同科甚至同屬,很難用除草劑防治,并且容易對(duì)草坪草產(chǎn)生毒害。選育抗除草劑的草坪草品種,然后使用廣譜除草劑,可以殺死草坪上所有的雜草,達(dá)到快速簡捷除草的目的。草丁膦屬于有機(jī)磷類的非選擇性廣譜除草劑,具有強(qiáng)烈抑制細(xì)菌和植物的氨基酸生物合成酶——谷氨酰胺合成酶(Glutamine Synthetase,GS)的作用。GS在植物氨同化及氨代謝調(diào)節(jié)中起重要作用,抑制其活性會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氨的含量迅速積累,產(chǎn)生氨毒害,引起植物死亡。bar基因的作用是使草丁膦的自由氨基乙?;瘡亩鴮?duì)其解毒,使之不能抑制GS的活性。因此,含有該基因的植物對(duì)草丁膦具有抗性。bar基因是草坪草上早期轉(zhuǎn)入最多的一類基因,主要作為選擇標(biāo)記基因應(yīng)用,后期才逐漸用于生產(chǎn)抗除草劑方面,這也是目前草坪草上轉(zhuǎn)化最多的一個(gè)基因,已經(jīng)在高羊茅(Festucaarundinacea)[10-14]、草地早熟禾(Poapratensis)[15-16]、多年生黑麥草草(Loliumperenne)[17-19]、匍匐剪股穎(Agrostisstolonifera)[20-24]、雜交狗牙根(Cynodondactylon×C.transvaalensis)[25-26]、結(jié)縷草(Zoysiajaponica)[27-29]、巴哈雀稗(Paspalumnotatum)[30-32]等多種草坪草上得到轉(zhuǎn)Bar基因的植株。
1.2抗病基因 病害是草坪草上另一個(gè)主要的生物脅迫問題,尤其在冷季型草坪草上。草坪草的病害有很多種,不同病害一般由不同病原侵染導(dǎo)致,因此轉(zhuǎn)入草坪草的抗病基因也多種多樣。將抗真菌病的幾丁質(zhì)酶基因(Chi)和β-1,3-葡聚糖酶基因(Glu)轉(zhuǎn)入高羊茅,轉(zhuǎn)化植株表現(xiàn)出較好的抗禾谷鐮刀菌病害[33];轉(zhuǎn)入苜蓿(Medicagosativa)的AGLU1基因和青蛙(Phyllomedusasauvagei)表皮的SI基因均能使高羊茅抗灰色葉斑病和褐斑病,而轉(zhuǎn)入水稻(Oryzasativa)的Pi9基因僅能抗褐斑病[34]。轉(zhuǎn)入葡萄糖氧化酶(GO)基因后,草地早熟禾轉(zhuǎn)基因植株可以不同程度地抗褐斑病[35]。Chi基因的轉(zhuǎn)入,獲得了抗冠銹病的多花黑麥草(L.multiflorum)轉(zhuǎn)基因植株[36]。分別將類似Chi基因的cDNA(hs2)[37]和Chi基因[38]轉(zhuǎn)入匍匐剪股穎,獲得的轉(zhuǎn)基因植株可以分別抗褐斑病和幣斑病。把水稻tlpD34基因轉(zhuǎn)入匍匐剪股穎,轉(zhuǎn)基因植株的抗幣斑病能力提高[39]。用美洲商陸(Phytolaccaamericana)的抗病蛋白基因(PAP)轉(zhuǎn)化匍匐剪股穎,也證實(shí)了轉(zhuǎn)基因植株對(duì)幣斑病具有一定的抗性[40]。Guo等[41]用擬南芥(Arabidopsisthaliana)的病原相關(guān)蛋白的同源片段PR5K轉(zhuǎn)化匍匐剪股穎,對(duì)獲得的轉(zhuǎn)基因植株接種幣斑病菌,發(fā)現(xiàn)其感染日期要比野生型延后29~45 d。病毒病是一類幾乎無法用農(nóng)藥防治的病害,Xu等[42]開展的RNA介導(dǎo)的病毒抗性,把不可翻譯的多年生黑麥草花葉病毒(RgMV)的外殼蛋白基因轉(zhuǎn)入多年生黑麥草內(nèi),提高了其抗RgMV的能力。由于暖季型草坪草的抗病性較強(qiáng),有關(guān)病害的研究較少,目前鮮見暖季型草坪草轉(zhuǎn)抗病基因的報(bào)道。
1.3抗蟲基因 (Bt基因) 草坪草上蟲害的發(fā)生比病害輕,這方面的研究相對(duì)較少,目前轉(zhuǎn)入草坪草的抗蟲基因主要為Bt基因。佘建明等[43]把Bt基因轉(zhuǎn)入草地早熟禾,對(duì)獲得的轉(zhuǎn)基因植株(T0代)采用室內(nèi)人工飼喂棉鈴蟲的方法進(jìn)行抗蟲性鑒定,結(jié)果表明,轉(zhuǎn)基因植株的抗蟲性比野生型有很大提高,對(duì)1~2齡棉鈴蟲均具有抗性,其中用轉(zhuǎn)基因植株6號(hào)飼喂的棉鈴蟲幼蟲校正死亡率超過70%。匍匐剪股穎[44]和結(jié)縷草[45]也獲得了轉(zhuǎn)抗蟲基因的植株,但未做抗蟲性鑒定,其中結(jié)縷草上的研究認(rèn)為,其T1代植株抗蟲基因的分離符合孟德爾遺傳規(guī)律。
1.4抗旱基因 由于全球氣候變暖,水資源短缺,旱災(zāi)頻發(fā),而草坪草要取得較高的坪用質(zhì)量,通常需消耗大量水。因此,選育抗旱節(jié)水的草坪草品種是草坪草育種的主要目標(biāo)。轉(zhuǎn)入草坪草的抗旱基因主要有以下幾大類:第1類是與抗逆相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄因子,屬于AP2/EREBP轉(zhuǎn)錄因子家族,這類轉(zhuǎn)錄因子可激活多種抗逆基因,增強(qiáng)植株對(duì)多種逆境(旱、鹽和寒等)的抗性[46]。吳關(guān)庭等[47]和Zhao等[48]分別把來自擬南芥的CBF1和DREB1A/CBF3基因轉(zhuǎn)入到高羊茅中,獲得了抗旱性增加的轉(zhuǎn)基因植株,其中Zhao等[48]研究表明,在T1后代,外源基因可穩(wěn)定地遺傳表達(dá),且轉(zhuǎn)基因植株可提高P5CS2基因的表達(dá)水平,促進(jìn)脯氨酸合成。信金娜等[49]和韓烈保等[50]將DREB1A基因轉(zhuǎn)入草地早熟禾,但無抗性鑒定結(jié)果。楊鳳萍等將CBF1基因[51]和DREB1B基因[52]分別轉(zhuǎn)入多年生黑麥草,獲得了脯氨酸含量增加、抗旱性顯著提高的轉(zhuǎn)基因植株。張磊等[53]把ABP9基因轉(zhuǎn)入多年生黑麥草,獲得了抗旱性增強(qiáng)的植株。把擬南芥的ABF3基因轉(zhuǎn)入蒙古剪股穎(A.mongolica),干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因植株比野生型具有更低的氣孔開度、更高的葉片含水量和存活率[54]。把抗旱植物野大麥(Hordeumspontaneum)的HsDREB1A基因轉(zhuǎn)入巴哈雀稗,干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因植株存活率提高[55]。王渭霞等[56]和齊春輝等[57]也分別把CBF1基因和DREB1A基因轉(zhuǎn)入結(jié)縷草,但未做抗性鑒定。第2類是編碼滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成關(guān)鍵酶的基因,如脯氨酸合成的關(guān)鍵酶△-吡咯啉-5-羧酸合成酶的基因P5C5,已經(jīng)在高羊茅[58]和黑麥草[18]上得到轉(zhuǎn)化植株,并在高羊茅上證明正常生長條件下轉(zhuǎn)基因植株的脯氨酸含量比野生型高31%~83%,干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因植株萎蔫比野生型晚[58];海藻糖合成的關(guān)鍵基因海藻糖合酶的基因,已經(jīng)轉(zhuǎn)化到高羊茅[59]和多年生黑麥草[60];果聚糖合成關(guān)鍵酶基因果聚糖-1-果糖基轉(zhuǎn)移酶基因(Ac1-FFT)轉(zhuǎn)化到多年生黑麥草[61];甜菜堿合成的關(guān)鍵基因膽堿單氧化物酶和甜菜堿醛脫氫酶的基因已經(jīng)轉(zhuǎn)化到早熟禾[49];胚胎晚期發(fā)育蛋白(LEA)合成的基因HVA1已經(jīng)轉(zhuǎn)化到匍匐剪股穎[62],均獲得了抗旱性提高的轉(zhuǎn)基因植株。第3類是與激素合成有關(guān)的基因,如脫落酸(ABA)合成關(guān)鍵基因VuNCED1,轉(zhuǎn)入到匍匐剪股穎,干旱脅迫下ABA含量劇烈增加,存活率提高[63]。另一個(gè)關(guān)鍵的基因是細(xì)胞分裂素合成有關(guān)的基因(如異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因,ipt)。由于冷季型草坪草在夏季高溫干旱雙重脅迫下,內(nèi)源細(xì)胞分裂素合成受到抑制,植株容易衰老而死亡。通過轉(zhuǎn)入細(xì)胞分裂素合成有關(guān)的ipt基因,能提高內(nèi)源細(xì)胞分裂素含量,從而提高植株的抗旱性。目前已經(jīng)把ipt基因轉(zhuǎn)入到匍匐剪股穎上,提高其在干旱脅迫下水分使用能力和根系活性,進(jìn)而提高抗旱性[64]。
1.5抗鹽基因 鹽堿地的開發(fā)、冬季融雪鹽的使用、含鹽的非飲用水在草坪灌溉中的使用,均要求選育和使用抗鹽性強(qiáng)的草坪草品種。鹽脅迫使草坪草產(chǎn)生離子脅迫和滲透脅迫,因此,轉(zhuǎn)化的基因主要是與離子調(diào)節(jié)和滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的基因,以及前面抗旱部分講述的跟多種抗逆有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。離子調(diào)節(jié)的基因主要是Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,其作用是把鹽離子隔離在液泡中,已經(jīng)在高羊茅[65-67]和多年生黑麥草[68]上得到抗鹽性提高的轉(zhuǎn)化植株,并在高羊茅上證明,外源抗鹽基因能夠在T1和T2代穩(wěn)定遺傳[67];滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)甜菜堿合成有關(guān)的酶已經(jīng)轉(zhuǎn)化到早熟禾[49]和多年生黑麥草[69]上,并獲得了抗鹽性提高的多年生黑麥草轉(zhuǎn)基因植株;與抗逆有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子類的基因轉(zhuǎn)化到高羊茅[53]、匍匐剪股穎[70]、早熟禾[49]、結(jié)縷草[56]上,獲得了抗鹽性提高的轉(zhuǎn)基因高羊茅和匍匐剪股穎植株。
1.6延長草坪綠期(包括抗寒和抗熱)的基因 綠期是草坪質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),由于暖季型草坪草冬季枯黃和冷季型草坪草夏季枯黃甚至死亡,絕大多數(shù)草坪草無法做到單個(gè)草種四季常綠(除了一些熱帶地區(qū)),因此,提高暖季型草坪草的抗寒性和冷季型草坪草的抗熱性,在延長這兩類草坪草的綠期上具有重要作用。目前轉(zhuǎn)入到草坪草上能夠提高抗極端溫度、延長綠期的基因主要有下面幾類:第1類是與抗逆相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子類基因,已轉(zhuǎn)化到高羊茅[47]、匍匐剪股穎[54]、結(jié)縷草[56]和中華結(jié)縷草(Z.sinica)[71]等草坪草上,獲得了抗寒性或抗熱性提高的高羊茅、匍匐剪股穎和中華結(jié)縷草植株;第2類是與細(xì)胞分裂素合成有關(guān)的基因(如異戊烯基轉(zhuǎn)移酶基因ipt),因?yàn)榧?xì)胞分裂素是一種能延緩衰老的基因,已轉(zhuǎn)到高羊茅[72]、匍匐剪股穎[73]和中華結(jié)縷草[74],分別獲得了高羊茅抗寒性和匍匐剪股穎抗熱性提高以及中華結(jié)縷草綠期延長的轉(zhuǎn)基因植株;第3類是與滲透調(diào)節(jié)相關(guān)的基因,因?yàn)榈蜏叵绿岣邼B透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量,能夠增加細(xì)胞汁濃度,降低冰點(diǎn),從而提高植物抗寒性,目前已在多年生黑麥草上轉(zhuǎn)入小麥(Triticumaestivum)的果聚糖轉(zhuǎn)移酶基因wftl和wft2,其轉(zhuǎn)基因植株積累了大量的果聚糖,提高了植株抗寒力[75]。
1.7耐重金屬的基因 植物利用螯合肽(PCs)來螯合進(jìn)入植物體內(nèi)的重金屬離子,降低重金屬活性,是植物抗重金屬毒害的一種重要機(jī)制。γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(GCS)是植物螯合肽合成途徑中的一個(gè)限速酶。Zhao等[76]從耐重金屬的蘆葦(Phragmitesaustralis)中克隆到的GCS基因轉(zhuǎn)入到匍匐剪股穎上,得到了GCS轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)和PC合成增加的轉(zhuǎn)基因植株,其耐Cd2+脅迫能力有很大提高。
從目前的研究來看,草坪草上轉(zhuǎn)入的外源基因主要是一些與提高抵抗生物和非生物逆境有關(guān)的基因,并獲得了一些抗性有所提高的轉(zhuǎn)基因植株。由于抗逆性通常是一個(gè)數(shù)量性狀,由多基因控制,而且不同基因?qū)μ岣呖鼓嫘缘呢暙I(xiàn)有差異,轉(zhuǎn)入單個(gè)的功能基因,通常對(duì)提高其抗逆性比較有限。進(jìn)一步深入了解不同草坪草抵抗不同逆境的內(nèi)在機(jī)理,選擇關(guān)鍵的一個(gè)或多個(gè)抗逆基因,然后轉(zhuǎn)入草坪草,可能有利于更好地提高其抗逆性。對(duì)于草坪草而言,除提高抗逆性外,還有一個(gè)重要的性狀是降低草坪草直立生長的高度(即矮化),增加草坪密度,對(duì)于有匍匐莖的草坪草則要求增加匍匐性,這樣能降低修剪高度、減少修剪頻度和草坪養(yǎng)護(hù)成本,提高草坪質(zhì)量。另一個(gè)重要的問題是草坪上大量施用化肥引起環(huán)境富營養(yǎng)化,因此,如何提高草坪草的養(yǎng)分吸收效率,減少肥料施用和提高養(yǎng)分利用率是草坪草育種上尚未重視但很重要的一個(gè)方向。所以,轉(zhuǎn)入能夠降低草坪草高度和匍匐性的基因以及養(yǎng)分高效吸收的基因,對(duì)草坪業(yè)的發(fā)展非常重要。
草坪草轉(zhuǎn)基因研究的目的是為了解決生產(chǎn)上存在的問題,而把外源功能基因轉(zhuǎn)入草坪草體內(nèi)只是轉(zhuǎn)基因研究的第1步。就目前的研究來看,草坪草轉(zhuǎn)基因工作主要停留在把外源基因轉(zhuǎn)入各種草坪草內(nèi),部分研究做了目標(biāo)性狀的鑒定,而多數(shù)研究缺乏或很少有轉(zhuǎn)入以后的一些工作,如外源基因在后代中的分離和遺傳穩(wěn)定性、不同世代(種子繁殖型)或不同生長年限(多年生、營養(yǎng)繁殖型)外源基因的表達(dá)狀況分析、轉(zhuǎn)基因草坪草的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等,這些是以后研究的關(guān)鍵問題。 另外,盡管轉(zhuǎn)基因草坪草能夠快速改良目標(biāo)性狀,縮短育種周期,但轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)只是一種輔助的育種手段,不能代替雜交育種等其他的傳統(tǒng)育種方法,應(yīng)該與傳統(tǒng)育種手段相結(jié)合,才有真正的生存空間。
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