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小麦转基因技术研究进展



全 文 :·技术与方法·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2012年第2期
收稿日期 : 2011-08-23
基金项目 : 河南省 2007 年基础与前沿技术研究计划资助项目(072300430120)
作者简介 : 周岩 , 女 , 博士 , 教授 , 研究方向 : 植物基因组学及分子生物学 ;E-mail:yanzhou68@126.com
小麦转基因技术研究进展
周岩1 薛晓锋1 魏琦超1 张洁1 何男男2 游建1
(1河南科技学院,新乡 453003 ;2新疆生产建设兵团农六师红旗农场,昌吉 831702)
摘 要 : 小麦是我国的主要粮食作物,对其进行基因工程改良已成为研究的热点。近年来,利用转基因技术以提高小麦产量、
改善品质、增强抗病虫和抗逆能力等相关研究日趋深入广泛。主要对目前小麦转基因研究现状进行综述,包括表达载体、报告基
因与选择标记基因、目标基因、受体材料及转化方法等 ;并对当前小麦转基因技术存在的问题及育种潜力分析和展望。
关键词 : 小麦 转基因技术 研究进展
Advances in Wheat Transgenic Technology Research
Zhou Yan1 Xue Xiaofeng1 Wei Qichao1 Zhang Jie1 He Nannan2 You Jian1
(1College of Life Science and Technology,Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003 ;2Hong Qi Farm of the Sixth
Agricultural Division,Xinjiang Production and Construction Corps,Changji 831702)
Abstract: Wheat is one of the most main crop in China. Wheat improvement by genetic engineering has become a hot research topic
because of its importance as one of the most main crop in China. In the recent years, applications of wheat genetic engineering have been
widely used to improve the yield and quality, increase the resistance of disease, pest and stress. In this article, main issues involved current
wheat research were highlighted, including expression vectors, report genes, selectable resistant genes, the target genes, explant materials and
transformation methods. The existing problems and future prospects of the application in wheat genetic engineering were discussed.
Key words: Wheat Transgenic technology Advance
1992 年 Vasil 等[1]以长期培养的胚性愈伤组织
为外植体,利用基因枪将 gus 和 bar 基因导入小麦品
种“Pavon”,获得了世界上第一例转基因小麦。迄
今为止,在获得的转基因小麦植株报道中,基因枪
法占绝大多数,其次是根癌农杆菌介导法,转化率
通常为 1%-8%。小麦转基因技术的广泛应用实现了
外源基因定向转移,在一定程度上补充或改进了传
统的育种方法,打破基因流的界限,大大缩短育种
年限,为快速培育小麦新品种提供了一条有效的新
途径。小麦是转化难度较大的单子叶植物之一,其
转基因技术研究起步较晚,近 20 年来经过许多学者
的不懈努力,已取得了长足的进展。利用不同的转
化方法已将抗病虫、抗逆性、改善品质和雄性不育
基因等导入小麦,并获得一批转基因小麦品系,部
分品系已经进入环境释放阶段。
由于小麦是异源六倍体,其基因组相对较大,
遗传背景复杂,基因型依赖性强等,目前转化率仍
然较低。本文论述了当前小麦遗传转化的表达载体
(如启动子及选择标记基因)、转化目标基因、受体
材料以及主要转化方法等方面的研究进展,针对当
前小麦转基因研究存在的问题进行讨论,为利用基
因工程对小麦进行遗传改良研究提供参考。
1 小麦表达载体
小 麦 遗 传 转 化 常 用 的 表 达 载 体 主 要 是 由
pBI121、pMON505、pCAMBIA3301、pRTL2 和
pPZP212 系列改造形成的。Cheng 等[2]首次利用农
杆菌介导法将携带有双元表达载体 pMON18365 质粒
导入小麦,获得了转基因小麦。李艳等[3]用玉米磷
酸烯醇式丙酮酸羧化酶 PEPC 基因片段替换双元表
达载体 pCAMBIA3301 上的 GUS 基因,构建双元表
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第2期54
达载体 p33012pepc,通过基因枪介导法将其导入小
麦,实时定量 PCR 分析表明玉米 PEPC 基因已整合
到小麦基因组中,且外源基因在转基因植株中既有
单拷贝插入,也有多拷贝整合。李根英等[4]成功地
构建了植物高效表达载体 pFUBPaPb,该载体携带
籽粒硬度 Pina、Pinb 融合基因,以 Ubiqutin 为启动
子,Ω和 poly(A)为增强子,bar 基因为筛选标记。
通过基因枪转化也获得了转基因植株。在小麦遗传
转化的表达载体构建上,以玉米 Ubi-1、CaMV 35S
和水稻 Act1 作为启动子较为普遍,以 β-葡萄甘酸酶
基因 GUS 和氯酶素乙酰转移酶基因 CAT 等为报告
基因。转基因小麦选择标记基因通常有 bar、nptII、
manA (pmi)、Cah、gst 27、mopat、popat、CP4 和
GOX,筛选剂一般使用 Bialaphos、Glufosinate、G418
和 Glyphosate 等[5]。邢莉萍等[6]构建由 Ubi-1 强启
动子控制下的 Ta-Tlp 基因的表达载体 pAHC-TlP,并
通过基因枪法转化扬麦 158 的幼胚愈伤组织,经过
除草剂筛选和 T0、T1 和 T2 子代相关性状分析表明,
转基因后代能够延缓白粉病的发病进程。
然而这些选择标记基因属于抗生素或除草剂
类,人们担忧它们的存在会给环境和食品安全带来
潜在的危害。选择并利用无标记基因或者花色素苷
基因作为选择标记基因,从而避免引入抗生素或除
草剂基因。Chawla[7]将花青苷调控基因 B 和 C1 利
用基因枪法转入小麦,通过对转化受体及其细胞的
颜色来选择转化子。Xuan 等[8]利用基因枪法轰击
预处理过的小麦幼胚盾片,将携带有新型标记基因
AtMYB12 质粒 pBI121-MYB12 转移至小麦中,经过
大约 6 周的培养,获得了胚芽鞘为紫色再生植株。
与 GUS 和 GFP 相比,AtMYB12 基因作为筛选标记,
对再生植株的检测更清晰、更方便。因此,利用
AtMYB12 基因作为小麦转化体筛选的标记基因,安
全简便,廉价高效。
2 用于小麦遗传转化目标基因
随着人们对小麦转基因技术的深入的研究,一
些有重要利用价值的基因被应用于小麦遗传转化。
按转入目标基因的功能可分为以下几种类型 :(1)
抗除草剂基因,如 bar、EPSPs、Bxn、CP4 和 GOX
等。世界上第一株转基因小麦——抗除草剂基因 bar
小麦,是由美国科学家 Vasil 于 1992 年通过基因枪
法获得的。(2)改良品质基因,如高分子量谷蛋白
亚基基因 1Ax1、1Dx5、1Dx10、重组高分子量谷蛋
白亚基 Dy10-Dx5 基因、籽粒硬度基因 Pina 和 Pinb 等。
Martin 等[9] 将 Pina-D1a 转入小麦品种 Bobwhite,3
个转基因小麦株系随着 Pina 在转录水平表达量升高,
籽粒硬度明显变软。(3)抗病虫基因,如病毒外壳
蛋白基因、雪花莲凝集素基因、藜芦醇合成酶基因、
玉米 Ds 与 Ac 转座子及大麦 Mlo 反义基因等。燕飞
等[10]构建以 Emu 启动子的高效表达载体 pPPI45(携
带由 BYDV-GPV 株系复制酶基因部分序列和外壳蛋
白基因序列构建成复合发夹 RNA 结构),利用基因
枪法转化小麦幼胚愈伤组织细胞,获得了整合有外
源基因的小麦再生植株,对再生植株进行接种大麦
黄矮病毒感染试验,其中 6 株表现为高度抗性。(4)
抗逆及提高产量相关基因,如 BADH、DREB 转录因
子、拟南芥 Na+/H+ 逆向转运蛋白基因 AtNHX1、IPT
基因等。奚亚军等[11]利用花粉管通道法将叶片衰
老抑制基因 PSAG12-IPT 导入普通小麦西农 1376,通
过对再生植株的叶片细胞分裂素含量、叶绿素含量、
叶片衰老进程及农艺性状分析,初步证明 PSAG12-IPT
基因在部分转基因小麦的衰老叶片中特异表达,能
够明显的抑制叶片的衰老。(5)雄性不育基因,如
核糖核酸酶类基因 Barnase 等。王瑞霞等[12]利用改
良的穗茎注射法将反义 PLD-γ 基因导入普通小麦兰
考 906,获得的转基因植株经特异 PCR 扩增和 PCR-
Southern 杂交技术分析表明,该基因已整合到小麦
的基因组中。转基因株系的成熟期明显比受体提早
4-8 d ;转化株系后代中存在完全的雄性不育现象。
3 小麦遗传转化受体
小麦遗传转化的受体有幼胚、成熟胚、幼胚或
成熟胚的胚性愈伤组织、悬浮细胞、盾片组织、幼
穗、茎尖组织和花粉等[13]。高效的再生体系是获
得转基因小麦的前提,因此建立高效、完善的小麦
组织培养体系,对小麦转基因研究至关重要。在早
期的小麦转基因技术研究中,由于悬浮细胞及原生
质体再生困难,致使电击法介导的小麦遗传转化受
到了限制。幼胚、幼胚愈伤组织和成熟胚与其他的
组织作为外植体相比,在愈伤组织的诱导和再生频
2012年第2期 55周岩等 :小麦转基因技术研究进展
率方面具有更强的优势,在根癌农杆菌介导的基因
转移中常用这三种材料作为转化受体。成熟胚作为
外植体具有取材方便,不受季节限制等优点,是小
麦遗传转化常用的外植体,然而其再生体系研究尚
未成熟,植株再生率较低。幼胚的愈伤组织诱导率
和植株再生率均较高,被认为是比较理想的受体材
料,已报道的转基因小麦基本上以幼胚为主。然而
由于幼胚取材受到季节的限制,所取材料的生理状
态不能保持一致,给遗传转化工作带来许多不便。
Cheng 等[2]以幼胚、幼胚愈伤组织和成熟胚为受体
材料,利用根癌农杆菌介导法成功地获得了转基因
植株。付永彩等[14]利用根癌农杆菌介导法将大麦
黄矮病病毒 CP 基因转入到小麦不同的外植体中(幼
胚、茎尖、成熟胚和花药),拓宽了农杆菌转化的受
体范围。董福双等[15]尝试以小麦芽生长点为受体,
利用基因枪法将外源基因 GUS 和 BADH/BAR 导入
到小麦基因组中,获得了再生植株。GUS 瞬时表达
表明,以生长点数统计,转化率达 5.7%-8.6% ;再
生植株 PCR 扩增分析表明外源基因已整合至小麦基
因组中。
4 小麦转基因技术
小麦转基因方法主要有农杆菌介导法、基因枪
法及花粉管通道法等。目前在小麦遗传转化中应用
最多、效果最好的仍然是基因枪法,绝大多数转基
因小麦是采用该方法获得的。农杆菌法在转基因小
麦中的应用也日趋成熟,而花粉管通道法也以其特
有的优点受到重视。近年来,随着低能离子束介导
转基因技术研究的不断深入,目前已在小麦遗传转
化中也逐步得到了应用。
4.1 基因枪法
基因枪法又称微弹轰击法,以火药爆炸、高压
放电或高压气体为驱动力,将载有外源 DNA 的金粉
(或钨粉)等金属微粒加速射入受体细胞或者组织
中,从而将外源 DNA 分子导入受体细胞。自 1992
年 Vasil 等[1]利用基因枪轰击获得世界上第一株转
基因小麦以来,基因枪法仍然是当今小麦转基因技
术的主流方法。Becker 等[16]分别以未成熟胚和幼
胚盾片为外植体,通过基因枪法获得了抗除草剂转
基因小麦。基因枪法的建立推动了小麦转基因技术
的发展,利用基因枪法已将耐除草剂、抗病、抗虫、
品质改良及雄性不育等基因导入小麦中。许多因素
影响基因轰击后转基因植株的再生,其中最关键的
是轰击盾片组织时,不能伤害受体组织,以免体细
胞胚发生能力的下降。刘永伟等[17]采用基因枪共
转化法将双功能基因(小麦黄花叶病毒的复制酶基
因 Nib8 和具有广谱抗病性的 ERF 基因 W17)转入
小麦扬麦品种,获得具有综合抗病性的转基因材料。
王华忠等[18]在转化试验前,利用玉米花青素苷合
成调节基因 C1-Lc 作为报告基因,通过 GUS 瞬间表
达后愈伤组织表面红色斑点的统计分析,并对基因
枪法遗传转化的参数进行优化,基因枪参数组合为
金粉直径 1 μm ;每枪金粉用量 500 μg ;氦压 1 100
psi ;可裂膜与受体膜距离 9.5 mm ;载体膜与阻挡
网距离 16 mm ;受体与阻挡网距离 9 cm ;真空度 28
cm Hg,所获得的小麦基因瞬间表达频率最高。
基因枪法以其受体来源广泛,方法简单等优点,
成为迄今为止小麦转基因的主要方法。然而基因枪
法尚存在一些不足,如易形成嵌合体、多拷贝整合
过程中会出现共抑制和基因沉默现象、外源基因在
后代中易丢失、试验所需的费用昂贵等,限制了基
因枪法的普遍应用。
4.2 农杆菌介导法
1983 年 Zambryski 等利用农杆菌介导法获得了
世界上第一例转基因植物——烟草。Horch 等建立
了农杆菌介导的叶盘转化法,该法在双子叶植物遗
传转化中得到了广泛的应用,先后成功获得了转基
因马铃薯、番茄和拟南芥等。过去认为对于单子叶
植物,特别是以小麦为主的禾本科作物,不是根癌
农杆菌的天然寄主,不能转入 Ti 质粒上的 T-DNA,
因而使用农杆菌转化单子叶植物较难成功。随着对
农杆菌转化植物细胞的原理深入系统的研究,发现
农杆菌对单子叶植物侵染的不敏感性,可能是由于
单子叶植物创伤后,在伤口附近往往发生木质化或
硬化,造成内源信号分子相对不足,不能形成足够
的诱导 vir 区基因表达的酚类化合物[19]。但通过添
加外源信号物质如乙酰丁香酮(AS)及其衍生物等
可以促进农杆菌在小麦培养细胞上的吸附性,从而
大大提高遗传转化率[20,21]。1997 年 Cheng [2]利用根
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2012年第2期56
癌农杆菌 C58(质粒 pMON18365 携带 GUS 基因和
NPT Ⅱ基因),分别侵染小麦的幼胚、幼胚愈伤组织
和成熟胚,经过培养后,3 种外植体均获得了再生
植株。组织化学检测以及 Southern bolt 杂交分析表明,
外源基因已整合至小麦植株中,并能在小麦中稳定
表达和遗传。陈立国等[22]利用农杆菌法将携带有
BG2 基因和 GUS 基因导入到成熟胚愈伤组织,研究
表明运用超声波处理或真空处理可以提高转化效率。
小麦转基因技术也常用于进行新基因功能的分析,
Daniel 以小麦的幼胚为受体,利用根癌农杆菌介导
法将 GBSSI 基因(限制性淀粉粒合成酶)转移至小
麦中,Southern blot 杂交分析表明,外源基因已整合
至小麦基因组中[23]。
农杆菌介导法与基因枪法相比,具有操作简单、
成本低、可转移较大片段 DNA,外源基因的整合多
为单拷贝,遗传稳定性好,后代多数符合孟德尔遗
传规律等优点,在小麦转基因研究中被广泛应用。
然而在根癌农杆菌介导的小麦遗传转化中,由于受
到外植体基因型、农杆菌侵染浓度、侵染时间、共
培养时间、载体类型及筛选方式等因素的影响,目
前仍然存在转化率低的问题。
4.3 花粉管通道法
20 世纪 80 年代初,我国学者周光宇成功地将
外源海岛棉 DNA 导入陆地棉,培育出抗枯萎病的栽
培品种,创立花粉管通道法。1993 年曾君祉等[24]
报道了利用花粉管通道法将携带 GUS 标记基因的质
粒 pBI121 转化普通小麦小山 3 号,获得了转基因
小麦,对转基因植株后代进行 GUS 组织化学分析和
Southern blot 杂交鉴定,证明 GUS 基因已整合到小
麦植株中,并能在植物体中表达。欧巧明等[25]通
过花粉管通道法将长穗偃麦草 DNA 导入到冬小麦
陇鉴 127 中,对后代产生的变异类型进行连续选择
和抗病性鉴定。结果表明,D1、D2 代各性状产生
变异明显,D3 代基本趋于稳定 ;抗病性鉴定表明,
变异后代有个别表现对条锈病免疫或高抗,部分材
料兼抗白粉病。梁高峰等[26]利用花粉管通道法将
Prd29A:DREB1A 融合基因(调控对干旱、高盐、低
温逆境应答相关基因表达的蛋白质)导入到温麦
19,获得了含有外源基因的转基因植株。通过 GUS
组织化学分析和 PCR 检测证明,融合基因 Prd29
A:DREB1A 已经整合至再生植株的基因组中。王永
芳等[27]利用花粉管通道法,将谷子抗逆相关基因
DNA j 转入小麦中,并对授粉方式、柱头处理方式、
质粒 DNA 浓度及 DNA 稀释试剂等因素对结实率的
影响进行了对比。结果显示,授粉方式对结实率的
影响有显著差异,而其他条件下结实率均未无显著
差异 ;对所获转化体 PCR 检测表明,仅有 1 株小麦
扩增到目的基因片段。
花粉管通道法在小麦遗传转化中有效地利用了
自然生殖过程,不受受体基因型和愈伤分化能力的
限制,在整株水平上进行转化,难度小,简便易行,
在大田、温室盆栽中即可进行,因此受到了越来越
多小麦育种工作者的青睐。但花粉管通道法介导的
小麦转基因技术易受大田环境条件影响,经验性强,
重复性差,转基因植株后代情况复杂,给转化体的
筛选带来很大的难度。
4.4 低能离子束介导法
该方法 1989 年由余增亮[28]提出,1993 年运用
到水稻转基因中。2000 年吴丽芳等[29]利用低能离
子束介导法将携带有 GUS 基因的质粒导入到小麦的
成熟胚愈伤组织中,并获得了抗性植株。PCR 扩增
和 Southern blot 杂交检测证明,外源基因 GUS 已整
合到小麦的基因组中,首次证明了离子束介导小麦
遗传转化的可行性。同年,利用该方法将水稻几丁
质酶基因 RCH8 转入 3 个小麦品种中,分别获得了
转基因植株,经 Southern blot 交证实外源 RCH8 基
因整合至小麦中,再生植株的叶片提取物质,表现
出对小麦赤霉病的抑制作用[30]。聂利红等[31]借助
离子束介导法将大豆 DNA 转移至普通小麦中,并对
影响离子束介导的遗传转化因素如受体小麦品种、
供体大豆品种、DNA 浓度和浸泡时间进行了正交试
验。方差分析表明,受体小麦品种对转化效果的影
响较大,其余因素对转化效果的影响均较小。
低能离子束介导的外源 DNA 直接转化技术,离
子注入之后经 DNA 处理的小麦种子,直接发芽成苗,
获得转化植株。该方法不仅绕开了繁琐的组培过程,
而且以小麦成熟种子为受体,取材不受季节和小麦
生长期的制约,是其他方法所不具备的优点[30]。然
2012年第2期 57周岩等 :小麦转基因技术研究进展
而离子束注入过程需要在真空条件下进行,这就使
得一些含水量较高的受体材料受到了限制。目前该
技术的生物学机理和应用研究起步较晚,还有待于
从其广度和深度上进一步研究。
5 小麦转基因存在的问题、对策及展望
虽然小麦转基因技术已经开展很多年,目前小
麦遗传转化的效率仍然较低,至今还没有培育出用
于生产的转基因小麦品种,主要原因如下 :(1)小
麦本身为异源六倍体植物,遗传背景复杂,阻碍了
小麦遗传转化的进程。(2)缺乏有效的受体及高效
的受体再生体系,限制了小麦转基因研究快速发展。
小麦组织培养再生率低,且有较强的基因依赖性,
从而导致转化率低下。目前所用的小麦受体仅限制
在“Bobwhite”和“Pavn”有限基因型中,而这些品
种的农艺性状和品质性状较差。(3)缺乏高效表达
载体。目前小麦遗传转化技术,常用的高效表达启
动子局限于玉米 Ubi-l、CaMV 35S 等。(4)小麦遗
传转化涉及到的基因多数集中在报告基因或标记基
因上,转化经济安全的目的基因成功的例子较少。(5)
缺乏理想的选择标记基因。目前用于小麦转基因的
筛选基因多为抗生素基因,其生物安全性仍是社会
对转基因生物争议的焦点。(6)小麦大而复杂的基
因组导致的转基因后沉默现象,影响外源基因在受
体细胞中的稳定表达。
拓宽小麦遗传转化的受体范围,利用适应当地
生态环境的小麦品种作为受体是研究的方向之一。
近年来小麦育种工作者从小麦主产区的推广品种中
筛选到了一些再生能力强、适宜进行转化的小麦品
种,如科农 199、扬麦 158、扬麦 12 等,并获得一
大批转基因小麦材料。研究适宜于不同遗传背景品
种外植体的高效再生体系及遗传转化体系是小麦转
基因技术突破的关键。加强对小麦遗传转化机理的
研究,特别是外源基因在小麦染色体中的整合方式,
以及与其他基因的互作效应等,可以有效地控制转
基因在某一位点的整合,尽可能的克服转基因后的
沉默现象。利用已发布的其他植物全基因组序列,
挖掘和克隆有重要利用价值的基因,特别是与高产、
优质及抗病等农艺性状相关的基因,构建高效的小
麦表达载体,从而实现外源基因对小麦的成功转化。
各种转基因技术的有机组合可改善技术本身的
弱点,有利于小麦转基因技术的进一步成熟和完善,
更有效的提高转化效率,为小麦转基因技术甚至是
小麦分子育种提供更有效的方法。基因枪法、电击
法与农杆菌介导法的有机结合,已获得了部分小麦
转基因植株。Janice 等[32]采用农杆菌介导的侵染
花序方法将携带选择标记基因 NPTII 成功转化了小
麦,对所获得的转基因 T0、T1 和 T2 再生苗的 PCR
扩增和 Southern blot 分析表明外源基因已整合至小
麦基因组中。对后代的选择标记基因 NPTII 的 RT-
PCR 和 ELISA 检测表明,外源基因在小麦的后代能
够稳定地遗传。农杆菌介导的侵染花序遗传转化方
法避免了愈伤组织培养过程,可节省大量的时间,
为小麦遗传改良开拓了一条快速获得转化体的新途
径[33]。转基因技术自身的改进,仍然是小麦转基因
研究的重要方向。从推广的主栽品种中,筛选出适
合小麦遗传转化的基因型,建立其高效的组织培养
再生体系和遗传转化体系,对实现转基因小麦的产
业化具有重要意义。克隆具有重要价值的基因、挖
掘专一性强的启动子及安全廉价的选择标记基因,
构建高效的小麦表达载体,将推动小麦转基因技术
的快速发展。加深对小麦遗传转化基础理论的研究,
尤其是外源基因在植物染色体中的整合方式及与其
他基因的互作,将有助于我们消除转基因后沉默现
象。尽管目前小麦转基因技术仍存在许多问题,但
在提高小麦抗病虫、抗逆性、改善品质等方面展示
出良好的应用前景。相信随着小麦遗传转化技术和
转化体系日臻完善,新的具有重要利用价值的基因
的逐步转化,小麦分子育种与常规育种相结合,将
培育出集高产、优质及高抗于一体的小麦新品系,
满足小麦生产上的需求。
参 考 文 献
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(责任编辑 狄艳红)