全 文 ：·综述与专论· 2013年第3期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
收稿日期 ：2012-10-17
基金项目 ：现代农业产业技术体系（甘蔗）建设专项资金（CARS-20-2-5），中国热带农业科学院热带生物技术研究所科研启动费项目
作者简介 ：甘仪梅，女，博士，助理研究员，研究方向 ：甘蔗育种 ；E-mail ：ganyimeigl@126.com
通讯作者 ：杨本鹏，男，研究员，研究方向 ：甘蔗细胞工程与耕作栽培 ；E-mail ：y-bp@163.com
甘蔗是世界热带和亚热带地区主要的糖料作物
和能源作物。甘蔗为无性繁殖、非整倍体的高度多
倍性，遗传背景复杂，开花难，这增加了通过有性
杂交育种进行品种改良的难度。同时，由于缺乏优
异农艺性状的育种亲本，难以通过传统的育种手段
育成有突破性的优异品种。通过基因工程技术，可
以实现将目的性状的定向转移，如对甘蔗的抗虫性、
抗病性、抗逆性及蔗糖品质甚至作为生物反应器进
行的遗传改良，为甘蔗品种改良提供了有效的途径。
近 10 年来，甘蔗遗传转化发展迅速，已获得了一批
甘蔗转基因育种研究进展
甘仪梅1  张树珍1  曾凡云2  冯翠莲1  杨本鹏1
（1. 中国热带农业科学院甘蔗研究中心 中国热带农业科学院热带生物技术研究所 农业部热带作物生物学与遗传资源利用重点实验室，
海口 571101 ；2. 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，儋州 571737）
摘 要 ： 由于复杂的遗传背景、较低的可育性和缺乏优异种质资源等因素给甘蔗品种改良带来了很大的困难，而通过转基
因技术为甘蔗品种改良提供了有效的途径。甘蔗通过转基因，不仅在其抗虫性（螟虫和蚜虫）、抗病性（白条病、花叶病和黑穗病）、
蔗糖改良（蔗糖产量、蔗糖纯度和色泽）、抗除草剂、抗旱性等方面已经取得了很大的进展，而且转基因甘蔗作为生物反应器生产
重组蛋白（GM-CSF 等）和生物塑料聚羟基丁酸酯（PHB）也取得了很好的成果。综述甘蔗主要性状遗传改良研究进展、转基因存
在的问题以及转基因安全性研究状况，并对今后的甘蔗转基因育种前景和研究方向进行分析。
关键词 ： 甘蔗 转基因 抗虫 抗病 转基因安全性
Advance in Sugarcane Transgenic Breeding
Gan Yimei1 Zhang Shuzhen1 Zeng Fanyun2 Feng Cuilian1 Yang Benpeng1
（1. Sugarcane Research Center of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology of
Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Key Laboratory of Biology and Genetic Resources of Tropical Crops，Ministry of Agriculture，
Haikou 571101 ；2. Environment and Plant Protection Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Danzhou 571737）
Abstract:  The genetic complexity of sugarcane coupled with the nonavailability of fertility and excellent resource in the germplasm bring
has made conventional breeding in sugarcane difficult. Alternatively, transgenic technology has become a handy tool for imparting objective traits
to an elite variety which is otherwise superior for most other agronomic traits. A number of transgenic sugarcane lines have been developed with
genes expressing insect resistance, disease resistance, sugar improvement, herbicide resistance, recombination protein. In this review, genetic
improvement for important agronomic traits, transgenic problem and biosafety were highlighted. Also, perspectives were discussed to analyze the
research direction of transgenic breeding in sugarcane.
Key words:  Sugarcane Transgene Insect resistance Disease resistance Biosafety of transgene
改良不同性状的转基因甘蔗植株。本研究介绍近年
来甘蔗转基因使用的主要方法及安全性，以及针对
不同农艺性状转基因的研究现状，为培育优异的甘
蔗品种打下基础。
1 甘蔗转基因策略及安全性
1.1 转基因技术
甘蔗为非整倍性的多倍体单子叶植物，基因组
大，遗传背景复杂，使得甘蔗转基因技术存在低转
化效率等问题。基因枪法（微弹轰击法）具有不受
宿主限制、靶受体类型广泛、可控度高和操作简便
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第3期2
快速的优点，是甘蔗转基因技术前期使用的主要转
基因方法［1-5］。然而，尽管基因枪法操作简单，但
是成本高、转化效率低，表达不稳定，阻碍其在甘
蔗转基因中的广泛应用。而具有成本低、成功率高、
导入的外源基因多为单拷贝，遗传稳定性好的农杆
菌介导的遗传转化方法在甘蔗转基因应用中发展迅
速［6-8］，目前已经获得了抗虫、抗病、抗除草剂和
改良糖分等性状的转基因植株。
转化效率和再生过程是植物转基因的主要难点，
近年来有许多关于提高甘蔗转基因转化及再生的研
究［9］。甘蔗外植体再生分为经过愈伤阶段的外植体
间接再生［3，10，11］和不经过愈伤阶段的外植体直接
再生［6］。Manickavasagam 等［6］采用 6 个月大的甘蔗
品种 Co92061 和 Co671 的腋芽与携带 nptII、bar 和
gus 的双元载体的农杆菌 LBA4404 和 EHA105 进行
共培养，不经过愈伤阶段，能够在 5 个月内获得再
生植株，转化效率高达 50%。此外，据报道，nptII
（neomycin phosphotransferase II）（具有对卡那霉素的
抗性）是农杆菌介导的遗传转化中最有效的标记基
因［12，13］，共培养时间、乙酰丁香酮浓度和农杆菌菌
株对转化效率有影响［6］。
1.2 转基因表达及其稳定性
在转基因育种当中，最受关注的是转基因的表
达及其稳定性。影响甘蔗转基因表达和稳定的主要
因素包括 ：选用的启动子的强度 ；基因沉默和 G+C
含量和密码子偏好等。到目前为止，应用于甘蔗转
基因最多的启动子为组成型的玉米 ubi-1，但其在
甘蔗不同器官中表达并不一致［14］。多倍体植物基
因通常含有 8-10 个等位基因，给甘蔗启动子的分
离造成较大的困难，因此甘蔗启动子克隆研究明显
滞后，相关报道不多。Damaj 等［15］利用 PCR 扩增
甘蔗 BAC 文库分离到了甘蔗的与纤维生物合成相
关的启动子 DIRIGENT 基因。王正鹏［16］克隆了甘
蔗己糖转运蛋白 PST2a 基因的启动子序列，命名为
pPST2a，马滋蔓［17］进一步构建相关表达载体，通
过 GUS 基因表达的检测，证实了 pPST2a 具有根部
特异表达特性。转基因沉默是甘蔗转基因中很容易
出现的问题，导致转基因表达不稳定。转基因沉默
主要分为转录基因沉默（TGS）和转录后基因沉默
（PTGS）。Ingelbrecht 等［18］在大多数植株的 CP 转基
因的转录区域观察到 DNA 甲基化增加，这些特性表
明了 RNA 介导的同源机制是抗病毒的基本，这两
种沉默都已经在甘蔗转基因中有报道［19-21］。高 G+C
含量不仅可以提高基因表达量，还可以提高转基因
的表达稳定性［3，4］。
1.3 安全的转基因甘蔗培育
随着转基因技术的迅速发展，转基因植物带来
了巨大的经济效益和社会效益的同时，其安全性引
起了全世界的关注。选择标记基因的安全性是转基
因植物安全性的首要问题。目前提高选择标记基因
安全性的主要策略包括 ：（1）利用无争议的生物安
全性标记基因 ；（2）在转化时使用标记基因，但获
得转基因植株后将标记基因剔除 ；（3）选择无标记
基因的转化系统。使用无争议的生物安全标记基因
是目前文献报道使用最多的标记系统［22］。与将抗
性基因作为选择标记时需要将非转化细胞杀死而转
化细胞存活的负筛选系统，应用与糖代谢相关的基
因作为选择标记可称为正筛选系统。Jain［23］首次使
用基于磷酸甘露糖异构酶（PMI，EC 5.3.1.8）/ 甘
露醇的正筛选系统，将甘蔗花叶病毒外壳蛋白基因
CP 在以甘露醇基因 manA 作为选择标记，获得了
转基因甘蔗植株，将这些转基因植株经过 PCR 和
Southern blot 分析，结果显示，有 19 株是 manA 阳性，
15 株是 CP 阳性，13 株二者均阳性。
2 甘蔗转基因育种研究
2.1 抗虫转基因甘蔗研究
螟虫是甘蔗生产中危害最严重的钻蛀性害虫。
螟虫钻进茎内取食，使化学农药防治效果有限，且
缺乏较好的抗虫品种，通过转基因手段将对螟虫有
毒害的基因导入甘蔗中，选育出抗虫品种，将是控
制螟害的经济有效的主要手段。甘蔗转基因中使用
的主要抗虫基因为苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白（Bt）
基因、蛋白酶抑制剂（PI）和植物凝集素相关基
因等。
目前已经从苏云孢杆菌中分离到多个生产 Bt 毒
素的 Cry 蛋白相关基因，并在 50 多种植物中应用
于转基因抗虫性研究，也是甘蔗抗虫基因应用最广
泛且最有潜力的基因。首次报道的转基因抗虫甘蔗
2013年第3期 3甘仪梅等 ：甘蔗转基因育种研究进展
是经过修饰的抗甘蔗螟虫（Diatraea saccharalis）的
Cry1A（b）基因［24］。转基因株系的 Cry1A（b）蛋白
表达量很低，可溶性叶片蛋白只有 0.59-1.35 ng/mg，
但是转基因甘蔗节间螟虫感染很低或中等，田间试
验中，这些转基因株系的其他农艺性状和经济性
状变异非常小［24，25］。冯翠莲等［26，27］构建了玉米
UBI 启 动 子 分 别 驱 动 Cry1Ab 和 Cry1A（c） 基 因 的
表达载体，通过农杆菌介导转化甘蔗，分别获得了
22 株和 71 株阳性植株。为提高 Cry1Ac 基因的表达
量，Weng 等［3］将其 G+C 含量从原来的 37.4% 提高
到 47.5%，通过玉米 ubi-1 启动子驱动获得转基因甘
蔗，在每毫克转基因甘蔗叶片和蔗茎的总可溶性蛋
白中，Cry1Ac 的蛋白表达整分别为 1-10 ng 和 0.2-
0.6 ng，是 Arencibia 等［24］ 报道的 7 倍，并对我国
主要螟虫条螟（Proceras venosatus）具有较高的抗
性。 后 来，Weng 等［4］ 把 G+C 值 提 高 到 54.8%，
Cry1Ac 表达量再次提高，可达到 2.2-50 ng/mg，比
2006 年所报道的提高了 5 倍，且对螟虫的抗性也随
之提高［4］。这些研究表明了适合于甘蔗密码子使用
模式的较高的 G+C 含量能够获得更高的基因表达。
Arvinth 等［28］利用玉米 ubi-1 启动子，将经过密码子
修饰的 Cry1Ab 基因单个导入甘蔗或导入已转胰蛋白
酶抑制剂基因的甘蔗中，Cry1Ab 基因在转基因甘蔗
中获得了较高的表达量，这归因于单子叶特异启动
子和较高的 G+C 含量以及低拷贝转基因。Cry1Ab 基
因表达量与二点螟（Chilo infuscatellus）引起的枯心
率成负相关。在聚合双基因的转基因甘蔗中的枯心
率更低，表明了抑制剂基因与 Cry1Ab 基因在转基因
甘蔗中存在协同效应［28］。
磷酸烯醇丙酮酸盐（PEP）羧酶在 C4 植物中的
转录和翻译受光照的调控，并积累于叶肉细胞。以
PEP-C 启动子调控的 Bt δ-内毒素基因导入到甘蔗中，
甘蔗转基因植株中 δ-内毒素自幼嫩叶片开始随着细
胞发育诱导积累，且转基因植株表现出高抗枯心的
特性，螟幼虫在取食转基因植株叶片 1 h 内被杀死，
且该蛋白没有影响到蔗汁安全性［29］。
掺有大豆蛋白酶抑制剂（PI）的饲料能够延
缓甘蔗螟虫（D. saccharalis）的生长发育［30］，因此
Falco 等［31］以玉米 ubi-1 启动子驱动，将 Kunitz 胰
蛋白酶抑制剂（SKTI）和大豆 Bowman-Birk 抑制剂
（SBBI）相关基因导入甘蔗，取离体的转基因甘蔗叶
片喂养螟幼虫，发现喂养表达 SBBI 的转基因甘蔗叶
片的螟虫死亡率没有明显变化，但喂养表达 SKTI 叶
片的螟虫死亡率升高。Christy 等［5］将编码抑制甘
蔗鳞翅目螟虫的肠蛋白酶活性的抑肽酶的合成基因
通过粒子轰击转移到 2 个甘蔗品种 CoC 92061 和 Co
86032，通过分子鉴定的转基因甘蔗的抑肽酶水平发
生变化，在生测试验中，喂养转基因甘蔗的幼虫的
重量显著降低，严重影响其生长发育。
雪花莲凝集素（Galanthus nivalis agglutinin，GNA）
是目前与害虫治理相关且研究得比较深入的一种单
子叶甘露糖结合凝集素，具有高度的特异性结合活
性。刘晓娜等［32］将经过人工改造的 gna 基因导入
甘蔗，获得转基因阳性植株。Allsopp 和 McGhie［33］
将雪莲花凝集素和小麦胚芽凝集素掺入饲料饲养甘
蔗的金龟子幼虫，发现 GNA 和小麦胚芽凝集素对
金龟子（Antitrogus parvulus Britton）幼虫具有杀虫活
性以及抑制其生长发育的作用。Sétamou 等［34］用将
表达凝集素 GNA 的转基因甘蔗对墨西哥水稻螟和小
蔗螟生长发育的影响进行连续两个世代的生物学试
验结果发现，墨西哥水稻螟的生长发育受到 GNA 的
阻碍，但小蔗螟的生长发育没有受到明显影响。为
研究表达 GNA 的抗虫转基因甘蔗是否能够通过人工
喂养传递给螟虫的天敌寄生蜂，并对寄生蜂的生长
发育产生影响，通过人工喂养试验，结果表明，寄
生蜂的生长发育由于取食墨西哥水稻螟而间接受到
了转基因甘蔗的微弱影响，但毒性不强［35］。人工饲
喂含 GNA 的饲料或喷洒含 GNA 的药水能显著降低
蚜虫的存活率［36］。因此，利用韧皮部特异启动子
RSs-1 或玉米 ubi-1 启动子驱动 GNA，通过农杆菌介
导的遗传转化将 GNA 转入甘蔗中，转基因甘蔗中的
蚜虫密度降低了 60%-80%，甚至达到 95%，转基因
甘蔗能够显著降低甘蔗棉蚜（Ceratovacuna lanigera）
的繁殖力和存活率，延缓其生长发育［12］。
2.2 抗病转基因甘蔗研究
白条病（Xanthomonas albilineans）是一种甘蔗
细菌性维管束病害，叶片病斑呈乳黄色，纵剖茎可
见节间有微小鲜明的黄色条纹，引起甘蔗减产，在
我国福建、广东等省均有发生。至今为止，抗细
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第3期4
菌性病害的转基因甘蔗研究主要是围绕抗白条病
（albicidin）进行。从防治白条病的细菌中克隆解毒
基因 albD，并使其在甘蔗中表达，获得的转基因
甘蔗植株叶片中 AlbD 酶含量增加，接种甘蔗白条
病菌后，转基因甘蔗无叶灼症状，但未转基因植株
感病严重，表明转基因植株对白条病的抗性显著增
强［37， 38］。虽然育成品种对白条病均有一定的抗性，
但未能得到完全抗白条病的品种。
目前，甘蔗抗病毒转基因的研究主要是针对
甘蔗斐济病（FDV）和甘蔗花叶病（SCMV）这两
种影响较大的病害进行的。McQualter 等［39］ 将玉
米 Ubi 启动子控制的来自人工合成甘蔗的斐济病病
毒（FDV）基因组片段转入甘蔗 Q124 品种中，转基
因植株对 FDV 表现出不同程度的抗性，并获得一个
抗性明显的株系。Ingelbrecht 等［18］将高粱花叶病病
毒 SCH 株系的外壳蛋白基因（CP）导入甘蔗，获得
了抗病毒转基因植株。Butterfield 等［40］将抗除草剂
的 bar 基因和抗高粱花叶病病毒的 hut 基因导入甘
蔗，用其与未转基因甘蔗杂交，Southern blot 分析子
代转基因分离，生物学分析除草剂抗性和 SrMV 抗
性，结果表明所有转基因都插入基因组的同一个位
点。接种 SrMV 结果表明有相当高比例的转基因子
代对花叶病敏感。由于对于抗病毒表型，转录后基
因沉默机制可能使转基因在减数分裂中重新分配，
因此基于成熟甘蔗的表型筛选比基于小苗的要更可
靠。这是甘蔗转基因分离的首个报道，转基因亲本
稳定遗传的特性可用于育种当中。姚伟等［41］将甘
蔗花叶病毒外壳蛋白基因（SCMV-CP）导入到易感
花叶病的拔地拉（Badila）甘蔗种中，获得了 53 株
抗性转化幼苗。罗遵喜等［42］通过农杆菌介导的遗
传转化将美洲商陆抗病毒蛋白基因 PAP-c 转化我国
主栽甘蔗品种 ROC22，接种甘蔗花叶病毒的转基
因甘蔗植株对甘蔗花叶病具有一定的抗性。由甘蔗
黄叶病毒（SCYLV）引起的甘蔗黄叶病是叶片中脉
变黄，进而叶片坏死和生长停止。Zhu 等［43］将编
码 SCYLV 的外壳蛋白基因遗传转化感病品种（H62-
4671），获得了抗花叶病转基因甘蔗，并分析了侵染
后发病量，与未转化易感病株系相比，9 个转基因
株系中，有 6 个获得低于 10 倍的感染率。通过侵染
症状检测其抗性水平，结果显示这些具有抗性的转
基因植株中其抗性与抗性品种（H78-4153）相似。
甘蔗黑穗病被称为甘蔗的癌症，是严重影响甘
蔗产量和质量的真菌性病害。几丁质酶和 β-1，3-葡
聚糖是许多真菌细胞壁的主要成分，能降解病原真
菌的细胞壁，抑制病原真菌孢子的萌发和菌丝的生
长，进而抑制真菌的生长。顾丽红等［44］将修饰过
的几丁质酶基因和 β-1，3-葡聚糖酶基因的双价抗病
基因导入我国甘蔗优良品种 ROC10 和 ROC22，将获
得的转基因植株进行抑菌试验，结果显示转基因甘
蔗增强了对黑穗病的抗性。孔冉［45］将在玉米和小
麦中具有高抗黑穗病能力的 KP4 基因通过农杆菌介
导转化导入甘蔗栽培品种 ROC22 号，获得 56 株阳
性转基因植株，植株的叶片粗蛋白对黑穗病菌孢子
萌发产生明显的抑制作用。沈林波［46］将具有广谱
抗菌性的紫花苜蓿防御素 MsDef1 基因通过农杆菌介
导法导入甘蔗，对 24 株转基因植株进行叶片粗蛋白
体外抑菌检测，获得了 7 株对黑穗病菌核禾谷镰刀
菌均表现强烈抑制作用的转基因植株，并通过田间
接种试验，筛选到抗病等级为 2 级的转基因植株。
2.3 抗除草剂转基因甘蔗研究
将除草剂解毒基因导入甘蔗中育成抗除草剂
品种，可以有效地使用除草剂进行蔗田除草，降低
甘蔗生产的劳动强度和生产成本，提高生产效益。
Falco 等［47］利用基因枪法将 bar 基因导入甘蔗，获
得抗除草剂的转基因甘蔗。Manickavasagam 等［6］利
用甘蔗腋芽通过根癌农杆菌介导转化获得抗草丁膦
除草剂的植株。Butterfield 等［40］将抗除草剂的 bar
基因和抗高粱花叶病病毒的 hut 基因导入甘蔗，使
其与未转基因品种杂交，后代发生性状分离，其中
大部分有 bar 基因整合的植株后代表现出对抗除草
剂抗性。2003 年 Leibbrandt 和 Snyman［48］也获得了
抗除草剂草丁膦的转基因甘蔗，他们将 pat 基因导
入甘蔗 NCo310 品种，转入基因经 3 次营养体繁殖
仍能稳定表达，其株高、茎径、有效茎数、抗病性
及产量等农艺性状没有发生改变，但对草铵膦除草
剂具有抗性，用除草剂处理，其中有两个株系的产
量有所提高。
2.4 蔗糖改良的转基因甘蔗研究
甘蔗的主要产品是糖，因此提高糖分及其品质
2013年第3期 5甘仪梅等 ：甘蔗转基因育种研究进展
始终是甘蔗育种的主要目标。降低甘蔗的转化酶活
性可以提高蔗糖积累。Ma 等［49］将甘蔗蔗糖转化酶
的反义基因导入甘蔗，抑制甘蔗酸性转化酶活性，
从而使得蔗糖积累量提高了 2 倍。Wang 等［50］将通
过叶肉细胞特异表达启动子 rbcS 驱动无机焦磷酸酶
PPi 基因获得的表达载体导入甘蔗中，转基因甘蔗
蔗茎中的蔗糖、果糖和葡萄糖的含量比对照植株分
别提高了 25%、39% 和 39%。
与提高糖分产量相比，遗传改良更多的是蔗糖
的纯度、色泽等。Vickers 等［51］将多酚氧化酶基因
（PPO）的正链和反链及菠菜磷酸蔗糖合酶基因 SPS
的正链通过基因枪法导入甘蔗 Q117 品种，获得了
稳定表达的转基因株系，证实了甘蔗中多酚氧化酶
（PPO）活性越高，蔗糖颜色越深，但其蔗糖色泽未
得到改良。Groenewald 等［52］在甘蔗中组成型表达反
义和不可翻译的焦磷酸盐基因（PFP），降低其在甘
蔗中的活性，转基因株系的未成熟节间 PFP 活性降
低，糖分积累显著增加，有利于提高整株甘蔗蔗糖
的纯度。同样，van der Merwe 等［53］也是通过降低
甘蔗中的 PFP 活性进而提高己糖磷酸盐的含量，进
一步促进未成熟节间的蔗糖的合成。Ferreira 等［54］
通过导入可降低 AGPase 活性和增加 β 淀粉酶活性
的转化载体，获得了淀粉含量显著下降而糖分没有
显著变化的转基因甘蔗。Hamerli 等［55］将对嗜中酸
假单胞菌 MX-45 基因进行修饰合成的果糖合成酶相
关基因在玉米泛素启动子控制下表达，获得生产蔗
糖异构果糖和异构蔗糖的转基因甘蔗，使蔗汁中果
糖含量增加，最高可达 600 mmol/L，且果糖产量经
过多个营养世代仍然保持。
山梨醇是蔗糖合成过程的中间产物，不仅对糖
分的形成有重要作用，还与抗逆性有相关。Chong
等［56］将苹果山梨醇 -6-磷酸盐脱氢酶基因 mds6pdh
导入甘蔗中，获得积累与糖分合成和分解相关酶
的山梨醇的转基因甘蔗，甘蔗在每毫克转基因叶
片干重和茎干重中，山梨醇的表达量分别平均为
120 mg 和 10 mg。转基因甘蔗叶片中与糖分合成和
分解相关酶的酶活性水平提高，但没有影响到蔗茎
的糖分积累，只是对甘蔗是生长有一点影响。经
GC-MS 检测和配位体交换色谱法证实，其相关化合
物为 6-O-β-d-吡喃葡萄糖 -D-山梨醇，或龙胆二糖［57］。
2.5 基于生物反应器的转基因甘蔗研究
甘蔗为 C4 植物，具有光合效率高、生物量大、
宿根性好、转基因安全性好等特点，且易于大面积
种植、成本低、有自然的蛋白储存器等优点，因此
可将甘蔗作为生物反应器进行生物合成重组蛋白或
生物塑料。目前以甘蔗作为生物反应器主要有两方
面，一是生产医药重组蛋白，如人粒细胞巨噬细胞
集落刺激因子（GM-CSF）等 ；二是生产具有塑料特
性的聚羟基丁酸酯（PHB）。
人粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）对
人类骨髓细胞（TF-1）进行细胞分裂是必需的，具
有良好的药用价值。Wang 等［58］将含 GM-CSF 基因
的不同表达载体在不同启动子调控下导入甘蔗中，
获得了代表约 200 个独立株系的超过 300 个转基因
甘蔗植株。GM-CSF 蛋白的积累达总可溶性蛋白的
0.02%，并且人类骨髓细胞能够在添加转基因甘蔗提
取物的生长介质中增殖，与商业化生产的 GM-CSF
功效一致。转基因植株 GM-CSF 积累保持稳定，这
是利用甘蔗田间生产 GM-CSF 的首次报道。
McQualter 等［59］利用来自天然植物中间体的两
个不同细菌蛋白（埃希氏杆菌属大肠杆菌分支酸丙
酮酸盐裂解酶的叶绿体相关蛋白和来自假单胞菌酮
基的 4-氢化肉桂酰基 -辅酶 A 水解酶 / 裂解酶）导入
甘蔗，获得了生产羟基苯甲酸的转基因甘蔗。
已有研究表明，半胱氨酸蛋白酶的天然抑制子
胱蛋白能够抵抗昆虫的为害。Ribeiro 等［60］将玉米
泛素启动子调控的组氨酸标记的血管能抑素基因转
入甘蔗并使之表达，获得了一株（HIS）CaneCPI-1
表达量高的转化甘蔗植株，转基因叶片的粗提物能
抑制从甘蔗象鼻虫和人类组织蛋白酶部分纯化的中
肠半胱氨酸蛋白酶的催化活性。
聚羟基丁酸酯（PHB）是与某些石油化工生产
的塑料具有相似特性的细菌性聚酯，这种基于植物
生产的生物可再生塑料与基于石油化工生产的塑料
具有很高的竞争力。Purnell 等［61］发现积累 PHB 的
几个转基因甘蔗株系存在统一的时空模式，PHB 浓
度与 PHB 生物合成酶具有正相关性。PHB 浓度最
大值是叶片干重的 1.77%，对农艺性状没有影响。
Tilbrook 等［62］通过三酶罗尔斯通氏菌 PHA 生物合
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第3期6
成途径获得了转基因甘蔗。PHB 积累在甘蔗叶片
中，遍及过氧化物酶体和液泡的大多数叶细胞类型，
其含量达干重的 1.6%-1.8%，且对植株生长中没有
明显的毒害效应。Petrasovits 等［63］ 为提高 PHB 产
量水平，使用了不同植物和病毒启动子，以及结合
多基因或单基因载体转化甘蔗。其中，玉米叶绿素
A/B 结合蛋白启动子使生产的 PHB 高达叶片干重的
4.8%，使 PHB 产量显著提高。
2.6 其他性状的转基因甘蔗研究
降低以木质纤维素作为底物水解成为发酵蔗糖
的水解纤维素酶的生产成本，是将乙醇制成具有成
本竞争力的燃料的主要策略。甘蔗渣是热带和亚热
带地区最有潜力的可转换成乙醇的木质纤维素原料，
蔗茎中的水解纤维素产量对使用甘蔗渣生产木质纤
维素乙醇的经济具有重要的影响。因此，Harrison
等［64］使用玉米 PepC 启动子而不是玉米 ubi1 启动子
来控制转基因的表达，将 3 种纤维素水解酶（CBH I、
CBH II 和 EG）积累于甘蔗叶片，这是重组子 CBH I、
CBH II 和 EG 在甘蔗中表达和积累的首次报道，也
是为经济生产木质纤维素乙醇，将纤维素水解酶在
甘蔗中的表达迈出重要的第一步。
Zhang 等［65］将海藻糖合酶基因，转入甘蔗栽培
品种 ROC10 中，获得了海藻糖合酶基因正常表达的
转基因植株，转基因植株能够合成和积累海藻糖并
提高植株的抗旱性，在自然干旱条件下转基因植株
产量比对照提高 13.6%-24.2%，含糖量比对照提高
1.4% 以上的转基因株系。这些转基因株系已通过了
安全性评估中间试验，目前正在进行环境释放试验。
武媛丽［66］通过抗逆性试验鉴定发现转果聚糖转移
酶 1-SST 基因的转基因甘蔗具有较强的抗旱性和抗
盐性。
3 展望
近年来，甘蔗转基因育种已经取得了令人鼓舞
的成果，从原来以抗虫性、抗病性和提高糖分为主
的基因改良延伸到蔗糖纯度改良，以甘蔗为生物反
应器生产重组蛋白和生物塑料，为培育第二代能源
甘蔗进行的基因改良等。改良的性状不断增多，效
果不断提高。但由于转化甘蔗本身比较困难，从甘
蔗自身克隆基因和启动子也比较困难，因此转基因
甘蔗还存在使用的启动子单一，且多为组成型启动
子 ；目的基因单一 ；转化效率不高及安全性等问题。
因此，今后的工作重点可以从以下几个方面进行考
虑 ：首先，甘蔗基因组高度复杂，通过修饰基因
的 G+C 含量等方法提高转化效率和转基因表达量及
其稳定性一直是甘蔗转基因的关键 ；其次，甘蔗有
性繁殖困难，若在前期进行多基因转化，获得多种
改良性状，将会明显提高育种效率 ；再次，分离鉴
定甘蔗组织特异性启动子和适用于甘蔗高效表达的
启动子。特别要注意的是全世界对转基因安全性问
题的密切关注，提高安全性是进行转基因甘蔗研究
需要考虑的重要问题，因此要注意选择安全的筛选
标记系统或无筛选标记系统进行转化。随着甘蔗基
因组学研究的不断深入，特别是对栽培甘蔗种全基
因组测序（http ：//sugarcanegenome.org），将为利用
转基因技术辅助甘蔗优良品种培育提供丰富的资源
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（责任编辑 狄艳红）