甘蔗抗逆轉(zhuǎn)基因研究進(jìn)展

胡水鳳

（廣西來賓東糖鳳凰有限公司，廣西 來賓 546102）

0 引言

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展的必然產(chǎn)物。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是指利用轉(zhuǎn)基因相關(guān)技術(shù)，如農(nóng)桿菌介導(dǎo)、基因槍等，把目標(biāo)基因轉(zhuǎn)到研究對(duì)象的基因組，隨后研究該目標(biāo)基因是否能穩(wěn)定表達(dá)和遺傳。轉(zhuǎn)基因技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不同農(nóng)作物具備新的農(nóng)藝性狀，從而滿足人們的不同需求。1996年之后，轉(zhuǎn)基因的玉米、大豆、棉花、馬鈴薯、油菜等作物陸續(xù)進(jìn)入全球商業(yè)化種植時(shí)代［1］。

甘蔗是全球重要的糖料作物之一。目前全球涉及甘蔗生產(chǎn)的國家中，面積和產(chǎn)量均較大的國家有巴西、印度、泰國和中國等。在我國，甘蔗種植主要分布在四大蔗區(qū)，即廣西、云南、廣東和海南，其中廣西是全國最大的甘蔗糖業(yè)產(chǎn)區(qū)，甘蔗種植面積及蔗糖產(chǎn)量自1992年以來一直位居全國第一。2005年以來，廣西甘蔗產(chǎn)量、蔗糖產(chǎn)量均占全國的60%以上，在保障國家食糖供給安全中具有舉足輕重的地位。甘蔗品種改良的方法主要是依靠常規(guī)育種，但由于受親本遺傳基礎(chǔ)狹窄、育種周期長(zhǎng)等因素影響，甘蔗育種發(fā)展一直難有較大突破。常規(guī)育種需較長(zhǎng)的周期和持續(xù)性、長(zhǎng)期的人力財(cái)力付出，而現(xiàn)代生物技術(shù)在這方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，生物技術(shù)的應(yīng)用，特別是轉(zhuǎn)基因技術(shù)可克服常規(guī)育種的不足，為甘蔗抗病蟲、抗旱、抗寒等分子育種提供一個(gè)新的研究途徑。人們大量消費(fèi)的甘蔗副產(chǎn)品主要有蔗糖、乙醇等，這些副產(chǎn)品在加工過程中，與轉(zhuǎn)基因表達(dá)相關(guān)的蛋白可被去除，從而保證甘蔗轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的低風(fēng)險(xiǎn)性（I級(jí)）。因此，轉(zhuǎn)基因甘蔗從安全角度考慮，具有較好的研究前景和商業(yè)價(jià)值。在學(xué)術(shù)研究上，關(guān)于轉(zhuǎn)基因甘蔗最早可追溯到20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的科技人員Bower等［2］就首次獲得了轉(zhuǎn)基因甘蔗。迄今，經(jīng)過30多年的研究發(fā)展和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷進(jìn)步，有關(guān)甘蔗抗逆性如抗病、抗蟲、抗旱和抗寒等方面的轉(zhuǎn)基因研究已取得了較大進(jìn)展。

1 甘蔗抗病轉(zhuǎn)基因研究

甘蔗抗病轉(zhuǎn)基因研究主要集中在甘蔗斐濟(jì)病、花葉病、黃葉病和黑穗病等病害。

甘蔗斐濟(jì)病最早在1886年被發(fā)現(xiàn)，地點(diǎn)是斐濟(jì)，因此叫“斐濟(jì)病”。引起該病害發(fā)生的病毒是斐濟(jì)病毒（Fiji leaf gall，F(xiàn)LG）。甘蔗斐濟(jì)病是亞洲、澳洲和太平洋地區(qū)最嚴(yán)重的甘蔗病害［3］，在泰國、巴布亞新幾內(nèi)亞、菲律賓、西薩摩亞等地也有發(fā)現(xiàn)。甘蔗感染斐濟(jì)病后，從帶病蔗種長(zhǎng)出的蔗株成簇生長(zhǎng)，常只見短葉片，不長(zhǎng)蔗莖，從而引起嚴(yán)重減產(chǎn)。甘蔗斐濟(jì)病轉(zhuǎn)基因方面，1999年美國學(xué)者Ingelbrecht等［4］獲得甘蔗斐濟(jì)病毒（Fiji disease virus，F(xiàn)DV）的外殼蛋白基因（Coat protein，CP），通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入甘蔗轉(zhuǎn)化體系內(nèi)，獲得抗性轉(zhuǎn)基因甘蔗植株；澳大利亞McQualter等［5］在2001年成功獲得了甘蔗斐濟(jì)病毒的第一個(gè)開放性閱讀框，該閱讀框分布在病毒的S9片段上，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了轉(zhuǎn)基因甘蔗植株，并對(duì)甘蔗斐濟(jì)病病毒抗性明顯。

甘蔗花葉病可造成當(dāng)年甘蔗減產(chǎn)5%～19%，同時(shí)導(dǎo)致糖分下降，品質(zhì)降低，是蔗區(qū)既普遍發(fā)生又危害嚴(yán)重的病害之一。在甘蔗花葉病轉(zhuǎn)基因方面，甘蔗熱帶種拔地拉（Badila）易感甘蔗花葉病毒（Sugarcane mosaic virus，SCMV），姚偉等［6］通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)（基因槍法）把來源于拔地拉的甘蔗花葉病毒外殼蛋白基因（SCMV-CP）導(dǎo)入甘蔗，獲得一批對(duì)甘蔗花葉病毒抗性的甘蔗轉(zhuǎn)化系；羅遵喜等［7］通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)（農(nóng)桿菌介導(dǎo)法）將抗病毒蛋白基因（Pokeweed antivirual protein，PAP-c）導(dǎo)入主栽品種ROC22中，獲得了對(duì)甘蔗花葉病毒病中抗和高抗水平的轉(zhuǎn)基因植株。甘蔗黃葉病方面，外殼蛋白基因（SCYLV-CP）可編碼甘蔗黃葉病毒（Sugarcane yellow leaf virus，SCYLV），Zhu等［8］通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將SCYLV-CP基因?qū)敫收嵋赘胁牧螲62-4671中，成功獲得甘蔗黃葉病毒轉(zhuǎn)基因植株，經(jīng)檢測(cè)這些轉(zhuǎn)基因植株的抗性水平與抗性甘蔗材料H78-4153接近。

甘蔗黑穗病是一種世界性的重要真菌病害，嚴(yán)重影響甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)，可使甘蔗產(chǎn)量損失10%～50%，糖分下降0.5%～1.0%，威脅到甘蔗產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定和發(fā)展。甘蔗黑穗病轉(zhuǎn)基因方面，顧麗紅等［9］通過研究幾丁質(zhì)酶和β-1,3-葡聚糖酶基因，發(fā)現(xiàn)了抗真菌性病害的雙價(jià)基因，并利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將雙價(jià)基因?qū)敫收崞贩NROC10和ROC22體內(nèi)，獲得了對(duì)甘蔗黑穗病抗性良好的轉(zhuǎn)基因甘蔗材料；殺傷毒素（Killer toxin，KP4）基因在玉米和小麥（Triticum aestivum）上表現(xiàn)高抗水平，孔冉［10］通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將殺傷毒素基因?qū)氲絉OC22中，成功獲得抗黑穗病顯著的甘蔗轉(zhuǎn)基因植株56份。

2 甘蔗抗蟲轉(zhuǎn)基因研究

甘蔗害蟲有上百種，螟害是甘蔗螟蟲引起的危害嚴(yán)重的常見蟲害，可導(dǎo)致甘蔗死苗、缺株、風(fēng)折莖，最終有效莖數(shù)減少使甘蔗產(chǎn)量平均降低20%，還會(huì)影響后續(xù)宿根蔗的生長(zhǎng)。螟蟲為害還導(dǎo)致還原糖和酚復(fù)合物增加與蔗汁減少，引起蔗糖分的大幅度下降，直接影響出糖率，導(dǎo)致蔗糖減少。最經(jīng)濟(jì)、有效且受環(huán)境影響最小的蟲害控制方法就是培育抗蟲品種。轉(zhuǎn)Bt抗蟲基因在甘蔗轉(zhuǎn)基因和防治螟蟲研究中應(yīng)用最廣泛。Bt基因的表達(dá)產(chǎn)物是Cry1蛋白，能特異性毒殺多種害蟲。1996年國外研究學(xué)者Arencibia等［11］首次獲得轉(zhuǎn)Cry1Ac基因甘蔗植株，并具有良好的抗螟蟲能力。Cry1Ac基因的成功運(yùn)用給甘蔗抗蟲轉(zhuǎn)基因研究打下了良好基礎(chǔ)，在之后的研究工作中，Cry相關(guān)基因陸續(xù)被應(yīng)用，均獲得了抗螟蟲性良好的轉(zhuǎn)基因甘蔗植株［12］，如全球首例獲批商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)Cry1Ab基因甘蔗品種［13］；王文治等［14］利用可模擬野生螟蟲自由取食特性的實(shí)驗(yàn)裝置，證明轉(zhuǎn)Cry1Ab基因后的甘蔗植株具有抗蟲能力；轉(zhuǎn)Cry1Aa、Cry1Ab、Cry1Ac已被證明靶標(biāo)性作用強(qiáng)，毒殺效果突出，特別是針對(duì)鱗翅目害蟲［15，16］。此外，Nutt等［17］將馬鈴薯蛋白酶抑制劑II（Potato proteinase inhibitor，PiII）和GNA基因轉(zhuǎn)入甘蔗，獲得抗蠐螬的轉(zhuǎn)基因甘蔗；Christy等［18］獲得了穩(wěn)定表達(dá)的抗白螟的轉(zhuǎn)牛胰蛋白酶抑制劑基因BPTI甘蔗植株。

3 甘蔗抗旱轉(zhuǎn)基因研究

在我國，甘蔗主產(chǎn)區(qū)如廣西和云南，80%～90%蔗區(qū)主要分布在旱坡地，缺乏灌溉條件。因此，干旱是限制我國甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。20世紀(jì)90年代，有學(xué)者通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了轉(zhuǎn)CrylA（c）基因甘蔗植株［19，20］；Zhang等［21］以ROC10為試驗(yàn)對(duì)象，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將具有遺傳修飾作用的海藻糖合酶基因（Trehalose synthase gene，TPS gene）導(dǎo)入甘蔗，成功獲得可正常表達(dá)的轉(zhuǎn)基因甘蔗植株，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)基因甘蔗進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，結(jié)果表明這些轉(zhuǎn)基因甘蔗植株經(jīng)歷干旱環(huán)境下能進(jìn)行海藻糖的合成與積累，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因甘蔗植株抗旱性明顯增強(qiáng)，產(chǎn)量比對(duì)照提高13.6%～24.2%，糖分提高1.4%。ScP5CS基因能在干旱條件下誘導(dǎo)脯氨酸積累，巴西學(xué)者M(jìn)olinari等［22］開展轉(zhuǎn)△1-吡咯琳-5-羧酸合成酶（ScP5CS）基因甘蔗植株的耐旱性試驗(yàn)，干旱脅迫12 d后發(fā)現(xiàn)甘蔗生物量仍顯著提升。李?。?3］也開展了ScP5CS基因研究工作，先從廣西自育且抗旱性強(qiáng)的甘蔗品種桂糖21號(hào)中克隆到該基因，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入到甘蔗和煙草，再進(jìn)行轉(zhuǎn)基因植株的干旱脅迫試驗(yàn)，篩選獲得了抗旱性好的3份轉(zhuǎn)基因甘蔗植株和2份轉(zhuǎn)基因煙草植株；施肖堃［24］通過轉(zhuǎn)抗旱DREB基因獲得了6份轉(zhuǎn)基因甘蔗植株材料，在其T2代時(shí)進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，表明這些T2代轉(zhuǎn)基因甘蔗的抗旱性增強(qiáng)明顯；Anisur［25］利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)（農(nóng)桿菌介導(dǎo)法）將獲得了轉(zhuǎn)番茄乙烯反應(yīng)因子TERF1和番茄脅迫響應(yīng)因子TSRF1甘蔗植株，質(zhì)譜分析結(jié)果顯示導(dǎo)入的雙基因參與調(diào)控干旱脅迫的主要酸性應(yīng)激蛋白，穩(wěn)定性好；印度學(xué)者Narayan［26］也通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)（農(nóng)桿菌介導(dǎo)法）將擴(kuò)展素抗旱基因（α-expansin 1 gene of Erianthus arundinaceus，EaEXPA1）導(dǎo)入到印度商業(yè)品種Co86032，通過檢測(cè)分析表明該基因可能是與抗旱性提高相關(guān)的靶標(biāo)基因，過表達(dá)EaEXPA1基因提高了轉(zhuǎn)基因甘蔗的抗旱水平。

4 甘蔗抗寒轉(zhuǎn)基因研究

甘蔗多生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶地區(qū)，喜溫喜光，甘蔗的生長(zhǎng)溫度一般需15 ℃以上，最佳溫度在35 ℃左右。但近年來，全球氣候變化異常，極端低溫天氣時(shí)常出現(xiàn)，甘蔗生產(chǎn)損失慘重，對(duì)蔗糖業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展造成嚴(yán)重阻礙，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到不良影響。如2008年，廣西發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的低溫寒潮災(zāi)害，對(duì)廣西16個(gè)縣市的實(shí)地調(diào)查表明，廣西的低溫天氣造成約32.2%的甘蔗作物損失，其中主栽品種新臺(tái)糖22號(hào)受害面積達(dá)68.03%，統(tǒng)計(jì)直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)46億元［27］?？购愿收崞贩N一直是我國甘蔗育種的重要目標(biāo)之一。冷相應(yīng)基因和相關(guān)蛋白是近年來甘蔗抗旱轉(zhuǎn)基因研究的熱點(diǎn)。Cbcor15a是一種應(yīng)激反應(yīng)下游冷脅迫應(yīng)答基因，盧雙楠等［28］通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將Cbcor15a基因?qū)敫收岵?shí)現(xiàn)高效表達(dá)；騰崢等［29］也通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得轉(zhuǎn)Cbcor15a基因甘蔗植株。Chen等［30］從甘蔗中獲得了過表達(dá)甘蔗α-微管蛋白基因（Sugarcaneα-tubulin（TUA）gene，SoTUA），結(jié)果顯示SoTUA蛋白在甘蔗冷脅迫中具有重要作用。

5 展望

隨著生物技術(shù)的快速更新?lián)Q代，甘蔗轉(zhuǎn)基因技術(shù)越來越受到甘蔗科技人員的重視。目前，甘蔗轉(zhuǎn)基因技術(shù)與棉花、水稻、大豆和玉米的轉(zhuǎn)基因技術(shù)等相比，雖仍較落后且存在較大差距，同時(shí)甘蔗商業(yè)化也還未獲得法規(guī)法制的允許開放，但甘蔗產(chǎn)業(yè)在保障我國食糖供給安全上意義重大。因此，需要將甘蔗轉(zhuǎn)基因技術(shù)作為一種技術(shù)儲(chǔ)備進(jìn)行深入研究。相信在不久的將來，轉(zhuǎn)基因甘蔗的商業(yè)化應(yīng)用在解決甘蔗種植成本上升、種植效益低和促進(jìn)我國蔗糖產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展等方面將發(fā)揮重要作用。