作者簡介：劉玲玲（1977-），女，講師，碩士，研究方向為生物技術(shù)在作物遺傳育種中的應(yīng)用研究。

摘要：近年來，基因工程技術(shù)廣泛應(yīng)用于馬鈴薯抗病、抗菌、抗蟲、抗除草劑、品質(zhì)改良及生物反應(yīng)器的研究中并取得了一定進展。本文綜述了近20年國內(nèi)外基因工程在馬鈴薯育種上的應(yīng)用現(xiàn)狀，為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：基因工程；馬鈴薯育種；應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號：S532.035.3 文獻標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2013）06-0130-04

馬鈴薯（Solanum tuberosum）是世界上廣為種植的糧、菜、飼兼用型作物，也是我國干旱和半干旱地區(qū)重要的經(jīng)濟作物，可以加工制成各種產(chǎn)品[1]，其栽培面積僅次于小麥、水稻和玉米。全世界每年的總產(chǎn)量將近3×10⁸t，中國占了其中的18%，居世界第一位[2]。馬鈴薯以其獨特的經(jīng)濟價值受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，尤其近年來隨著生物能源的興起與開發(fā)，馬鈴薯也被視為一種新型的能源材料，從而掀起了對馬鈴薯生物學(xué)性狀及應(yīng)用的研究熱潮[3]。

馬鈴薯為同源四倍體作物，其遺傳分離復(fù)雜、后代篩選繁瑣，用常規(guī)育種方法改良品種難度極大。盡管已培育出許多食用加工的優(yōu)良品種，但至今許多優(yōu)良栽培品種仍受到多種病蟲害等的嚴(yán)重危害。近些年發(fā)展起來的植物基因工程技術(shù)，可以將各種來源的基因?qū)腭R鈴薯，使馬鈴薯基因工程取得了許多突破，顯示出誘人的前景。

1 馬鈴薯抗病基因工程

11 馬鈴薯抗病毒病基因工程

病毒病是馬鈴薯的主要病害之一，也是造成馬鈴薯退化的主要原因，嚴(yán)重危害著我國馬鈴薯的生產(chǎn)。隨著病毒檢測技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)幾乎所有馬鈴薯品種都受到一種或幾種病毒的侵染[4]。目前已報道的侵染馬鈴薯的病毒有40余種[5]，國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的專門寄生于馬鈴薯的就有9種，即馬鈴薯X病毒（PVX）、馬鈴薯Y病毒（PVY）、馬鈴薯S病毒（PVS）、馬鈴薯A病毒（PVA）、馬鈴薯M病毒（PVM）以及馬鈴薯卷葉病毒（PLRV）[6]。其中馬鈴薯Y 病毒和馬鈴薯卷葉病毒是最主要的馬鈴薯病毒[7]。而且PVY+PVX或PVY+PLRV混合侵染帶來的損失遠遠大于各病毒單獨侵染。

馬鈴薯抗病毒基因工程主要有病毒外殼蛋白（CP）基因的交叉保護作用，RNA和反義RNA介導(dǎo)的抗性，核酶、缺損的復(fù)制酶基因介導(dǎo)的抗性以及干擾運動蛋白等[8]。在以上技術(shù)中， 利用病毒外殼蛋白基因介導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性是目前馬鈴薯抗病毒基因工程的熱點之一。近十多年來，應(yīng)用生物工程技術(shù)將病毒外殼蛋白（CP） 基因?qū)腭R鈴薯的研究工作已取得重要進展[9]，有些學(xué)者鑒定了表達PVX+PVY雙價CP基因轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的抗病性，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因馬鈴薯對PVX+PVY復(fù)合感染產(chǎn)生不同程度的抗性[10]。利用反義RNA技術(shù)，有些學(xué)者用非翻譯的序列轉(zhuǎn)化植株也能產(chǎn)生抗性，RNA與反義RNA轉(zhuǎn)化阻礙翻譯的進行，導(dǎo)致基因產(chǎn)物減少[11]。馬鈴薯抗病毒基因工程的成果還有很多，隨著對病毒與植物相互作用機理的深入研究，抗病毒基因工程在育種上將會發(fā)揮更大的作用。

12 馬鈴薯抗真菌病基因工程

真菌性病害也是限制馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的主要病害之一，馬鈴薯真菌病害種類繁多，其中最主要的是晚疫病菌（Phytophthora infestans），往往造成馬鈴薯大幅度減產(chǎn)。近年來通過基因工程技術(shù)在馬鈴薯抗真菌病方面取得一定的進展。在馬鈴薯抗真菌病基因工程育種中大量使用的主要有植物病程相關(guān)蛋白、水解酶——幾丁質(zhì)酶和β-1，3-葡聚糖酶、抗真菌蛋白（肽）、抑制病原菌毒性因子的蛋白等等。付道林等[12]將攜帶有Ⅰ型煙草β-1，3-葡聚糖酶基因和Ⅰ型菜豆幾丁質(zhì)酶基因的pBLGC質(zhì)粒導(dǎo)入津引8號馬鈴薯品種中，獲得了抗病轉(zhuǎn)基因品種。Ali等[13]將人工合成的4種陽離子肽基因?qū)腭R鈴薯并對馬鈴薯病原真菌和細(xì)菌的抗菌活性進行了測試，所獲得的轉(zhuǎn)基因植株對相應(yīng)病原菌的抗性都得到一定程度的增強。

13 馬鈴薯抗細(xì)菌病基因工程

近年來植物抗細(xì)菌病基因工程研究取得的進展，主要表現(xiàn)在阻斷病原細(xì)菌的致病途徑，強化植物抗病反應(yīng)及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，植物防御基因的表達，利用非植物源抗菌蛋白和利用細(xì)胞凋亡反應(yīng)控制病害的發(fā)生等方面。Dong等[14]將克隆于芽孢桿菌的N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）水解酶基因aiiA轉(zhuǎn)入煙草和馬鈴薯，轉(zhuǎn)基因煙草和馬鈴薯對軟腐病菌（Erwinia carotovora）的抗性顯著提高。賈士榮等[15]將人工合成的Cecropin B及Shiva A基因轉(zhuǎn)入我國7個馬鈴薯主栽品種中，經(jīng)溫室和田間接種試驗鑒定，部分轉(zhuǎn)基因材料對青枯病的抗性比對照提高1～3級。

2 馬鈴薯抗蟲基因工程

在馬鈴薯的整個生育期，常常遭受各種害蟲的侵襲，如蚜蟲、馬鈴薯塊莖夜蛾、蠐螬等，直接危害地上與地下部分，造成產(chǎn)量和品質(zhì)下降，甚至導(dǎo)致死亡。迄今為止，各國研究人員已經(jīng)利用基因工程技術(shù)分離得到了不同來源的抗蟲基因，其中用于提高植物抗蟲性的主要有兩類：一類是從細(xì)菌中分離出來的抗蟲基因，如蘇云金芽孢桿菌毒蛋白基因（Bt基因）；另一類是從植物中分離出來的抗蟲基因，如蛋白酶抑制劑基因（PI基因）、淀粉酶抑制劑基因、外源凝集素基因等。其中，Bt基因和PI基因在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣[16]。Arpaia等[17]的研究結(jié)果表明，雌性科羅拉多甲蟲取食了含有cry3B的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯后，生殖能力受到了嚴(yán)重?fù)p害，不能產(chǎn)生后代。Marchetti等[18]從大豆中分離得到了幾種蛋白酶抑制劑基因（KTi3、C-Ⅱand PⅠ-Ⅳ），并將其導(dǎo)入馬鈴薯中，經(jīng)檢測在表達足夠數(shù)量抑制劑的情況下，幼蟲重量的增加降低50%。

3 馬鈴薯抗除草劑基因工程

通過化學(xué)方法控制雜草已成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分，但除草劑在殺死雜草的同時不僅污染環(huán)境，有的還會對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生傷害。而通過基因工程技術(shù)將耐除草劑基因?qū)胱魑?，增加了對除草劑的選擇性和安全性[19]。耐除草劑基因工程主要從兩個方面解決問題，一是修飾除草劑作用的靶蛋白，使其對除草劑不敏感，或使其過量表達讓植物吸收除草劑以后仍能進行正常代謝；二是引入酶或酶系統(tǒng)，在除草劑發(fā)生作用前降解或解毒。如比利時植物遺傳部門的研究人員把編碼乙酰CoA轉(zhuǎn)移酶的Bar基因?qū)腭R鈴薯，獲得耐除草劑的轉(zhuǎn)基因植株。

4 馬鈴薯抗逆基因工程

干旱、高溫、低溫、鹽脅迫等逆境條件影響馬鈴薯生長，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致死亡。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，研究者從基因組成、表達調(diào)控及信號傳導(dǎo)等方面進行深入研究，明確植物對逆境脅迫的耐（抗）性機理，將相關(guān)基因?qū)腭R鈴薯以改良脅迫抗性。例如，Goddijn等[20]成功地將大腸桿菌海藻糖合成酶基因復(fù)合體otsAB基因?qū)腭R鈴薯，明顯提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。趙映琴[21]將AtNHX1基因轉(zhuǎn)入馬鈴薯株系中，在相同鹽濃度脅迫下，轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的株高明顯高于對照，尤其是在高鹽條件下脅迫90 d時，大部分轉(zhuǎn)基因株系的株高均顯著高于對照。

5 馬鈴薯加工品質(zhì)改善基因工程

51 馬鈴薯淀粉品質(zhì)改良基因工程

在淀粉的生物合成過程中，影響淀粉品質(zhì)的關(guān)鍵酶是淀粉合成酶（SS）、淀粉分支酶（SBE）和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase），它們共同作用影響淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)和特性。利用基因工程手段改變這些酶在植物中的表達，從而獲得具有獨特性質(zhì)、新型的馬鈴薯淀粉用于食品加工或其它工業(yè)生產(chǎn)之中。宋波濤等[22]通過根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將CaMV35S驅(qū)動的正/反義sAGP基因?qū)腭R鈴薯后，轉(zhuǎn)正義sAGP基因的淀粉含量增加5%～6%，而轉(zhuǎn)反義sAGP基因淀粉含量下降達27%。在馬鈴薯中，AGPase水平降低時，直鏈淀粉含量顯著降低，而支鏈淀粉含量升高[23]。

52 馬鈴薯塊莖抗褐變基因工程

多酚氧化酶（Polyphenol oxidase，PPO）是產(chǎn)生褐變現(xiàn)象的主要原因。許多研究者運用反義RNA技術(shù)特異抑制PPO的表達，從而達到抑制馬鈴薯褐化的目的。如Bachem等[24]將反義多酚氧化酶基因?qū)腭R鈴薯，能夠有效增強塊莖的抗褐變能力。

53 馬鈴薯塊莖抗低溫糖化基因工程

據(jù)資料介紹，塊莖在低溫貯藏條件下的低溫糖化給馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)帶來的損失高達數(shù)千萬美元。于是，人們借助基因工程技術(shù)來解決這一難題。張金文[25]克隆了馬鈴薯栽培品種“甘農(nóng)薯1號”的酸性轉(zhuǎn)化酶基因，構(gòu)建了反義植物表達載體，獲得了轉(zhuǎn)基因植株。除了運用反義RNA技術(shù)外，還可通過表達自身或外源的酸性轉(zhuǎn)化酶抑制因子來改善馬鈴薯低溫糖化。如超量表達煙草酸性轉(zhuǎn)化酶抑制子的馬鈴薯在4℃低溫貯藏后塊莖中的還原糖含量與液泡酸性轉(zhuǎn)化酶的活性都顯著降低，兩者呈正相關(guān)[26]。張瓊[27]用低溫誘導(dǎo)塊莖特異表達融合啟動子pCL與pCLMlb的反義轉(zhuǎn)基因株系，結(jié)果酸性轉(zhuǎn)化酶的活性顯著降低，進而引起還原糖含量不同程度的下降。

6 馬鈴薯生物反應(yīng)器基因工程

馬鈴薯作為生物反應(yīng)器的基因工程主要有：利用馬鈴薯生產(chǎn)疫苗、植物抗體、蛋白質(zhì)多肽藥物、糖類物質(zhì)、工業(yè)可降解塑料的原料及可降解生物塑料等。Zhang等[28]利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)將人免疫缺陷Ⅰ型病毒 HIV-1p24蛋白插入馬鈴薯基因組，葉片中的表達量為35 mg/g。李晉濤等[29]報道，將人源輪狀病毒（RV）轉(zhuǎn)入馬鈴薯，并用小鼠口服該轉(zhuǎn)基因植株進行免疫應(yīng)答研究，結(jié)果顯示，人源輪狀病毒轉(zhuǎn)基因植物疫苗聯(lián)合黏膜佐劑免疫動物可誘導(dǎo)特異的系統(tǒng)與黏膜免疫應(yīng)答，且黏膜免疫強度略高于系統(tǒng)免疫。謝安勇等[30]利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)，從真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌H16染色體DNA中擴增并克隆了調(diào)控PHB生物合成的phbB和phbC基因；雍偉東等[31]將多聚β-羥基丁酸酯（PHB）合成過程中所需的2種酶phbB和phbC的編碼基因轉(zhuǎn)入到馬鈴薯體內(nèi)，并采用特定的啟動子使這些基因的編碼蛋白最后定位在細(xì)胞的葉綠體中，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因馬鈴薯葉片中PHB干物質(zhì)的含量可以達到0025～1800 g/kg，并且這些外源基因的表達并不影響馬鈴薯的生長和育性。

7 前景展望

馬鈴薯基因工程育種在短短十幾年中已取得了豐碩成果，其在抗蟲、抗病、抗逆等方面具有傳統(tǒng)育種和生產(chǎn)無法比擬的優(yōu)越性，提高了對病蟲的抵抗和防御能力，增強了對干旱高鹽的適應(yīng)性，并能減少化學(xué)農(nóng)藥的使用量及保護生態(tài)環(huán)境，為培育馬鈴薯優(yōu)良品系開辟了一條嶄新的道路。同時，作為生物反應(yīng)器，生產(chǎn)人們所需要的大量疫苗和藥物，可供人類和家畜直接使用，便捷可靠。但是，目前馬鈴薯基因工程還受許多因素的制約，如轉(zhuǎn)基因效率低和轉(zhuǎn)基因生物安全性等問題。為了更好地發(fā)展和應(yīng)用這項技術(shù)，在今后的研究中應(yīng)著重解決以下問題：首先繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新型、高效基因，并研究其機制；其次應(yīng)加強研究目的基因在轉(zhuǎn)基因植株后代中的遺傳、表達穩(wěn)定性；且深入研究基因抗性的機制并制定確實有效的反抗性措施。盡管還存在許多有待進一步解決的問題，但應(yīng)該看到，馬鈴薯基因工程的發(fā)展速度是非?？斓模鋺?yīng)用前景十分廣闊。參 考 文 獻：

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