全 文 ：
综述与专论

生物技术通报
BIOTECHNOLOGY
BULLETIN 2011年第 1期
高粱遗传转化研究进展
朱莉1
郎志宏 1
李桂英 2
黃大昉 1
( 1中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081; 2中国农业科学院作物科学研究所
农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程生物质能源研究中心,北京 100081)


摘
要:
高粱是世界上仅次于小麦、水稻、玉米和大豆的重要作物之一, 然而由于其高效、稳定的遗传转化体系的建立
较难, 限制了其转基因研究进程。近年来, 随着转基因技术的不断发展和完善, 高粱转基因研究也取得了飞速的发展。从高
粱遗传转化再生系统中外植体的选择、转化方法、影响转化和基因表达效率的因素等几方面进行了综述, 并总结转基因高粱
研究进展。
关键词:
高粱
遗传转化
基因枪法
农杆菌介导法
Research Progress on Genetic Transformation in Sorghum
Zhu L i
1
Lang Zhihong1
L iGuiying2
HuangDafang1
(
1
Biotechnology Research Institute, Chinese A cademy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;
2
NationalK ey Facility of Crop Gene Resources and Genetic Imp rovem ent, Research Center for B iomass
Energy Resources, Institute of Crop Sciences, Chinese A cademy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)


Abstrac:t
Sorghum ( Sorghum bico lor L. ) w as one o f the most im portant crops in thew or ld w ith whea t, rice, m aize, and soybean.
The transgen ic study in sorghum was heav ily restricted as lacking high e fficien t and stable gene tic transfo rm ation system. In recent
years, the great prog ress in the gene ticm odifica tion of so rghum was ga ined along w ith the developm ent and perfection o f transgen ic tech-
nology. Som e key aspects of sorghum transform a tion wo rk w ere rev iew ed. The approaches and obstac les in gene ra ting transgen ic sorghum
w ere also d iscussed.
Key words:
Sorghum (Sorghum bicolor L. )
Genetic transforma tion
Partical bombardm ent
Agrobacterium-m ediated transform ation
收稿日期: 2010-09-29
基金项目:国家
863
计划项目 ( 2007AA10Z182 )
作者简介:朱莉,女,博士,农艺师,研究方向:植物基因工程; E-m ai:l xjzhu l@i caas. net. cn
通讯作者:黃大昉, E-m ai:l dfhu ang@ m ai.l caas. net. cn
利用转基因技术对高粱品种进行改良已引起广
泛的关注。虽然高粱遗传转化研究开展较早, 但与
其他重要经济价值的禾谷类作物,如水稻、小麦和玉
米等相比,由于其高频再生和高效转化体系较难建
立, 因此, 其遗传转化研究工作发展较为缓慢 [ 1 ]。
早期高粱的研究重点主要集中在组织培养和基因转
化方法的优化等方面 [ 2, 3 ] ,尽管已经取得了显著的
研究进展,然而将农艺性状有益基因成功地导入高
粱基因组的实例还很少。有关高粱遗传转化的研究
报道总结如表 1所示。
1
用于植株转化及再生的外植体
外植体具备高效再生能力是实现植株转化成功
的必要条件之一。高粱的原生质体、悬浮细胞系、未
成熟胚、幼穗、茎尖等通常被用作外植体用于外源基
因的导入。1986年, Ou-Lee等 [ 4]首次报道通过电激
法直接将 DNA导入高粱原生质体中, 接着是 Ba-t
traw和 Ha ll[ 5]也作了类似的研究。 1991年, Hag io
等 [ 6]首次将基因枪法应用于高粱悬浮细胞系遗传
转化研究。尽管以上研究都可以检测到外源基因在
转化植株中的表达, 但都未获得再生植株。第一例
转基因高粱再生植株是 1993年由 Casas等 [ 7]利用
基因枪方法转化未成熟胚获得的,自此,未成熟胚或
由其产生的愈伤被广泛用于高粱转化 [ 1, 3, 12] , 但依然
存在着转化效率偏低的问题 [ 26]。1994年, Godw in
生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2011年第 1期
表 1
高粱遗传转化研究概况
转化方法 外植体 外源基因 启动子 筛选剂 参考文献
E lectroporation P rotoplasts cat
CaMV35S / cop ia
p rom oter of d rosoph ila
Ch loram phen icol [ 4]
E lectroporation
C ell suspens ion
cu ltu re
npt
CaMV 35S K anam ycin 100 mg /L [ 5]
Partical bom bardm ent
C ell suspend-
s ion cu ltu re
npt
, hpt,
u idA
CaMV 35S /adh 1
K anam ycin /
hygrom ycin
[ 6]
Partical bom bardm ent Imm ature emb ryos bar, u idA CaMV 35S B ialophos 3m g /L [ 7]
Partical bom bardm ent
Imm ature emb ryos /
inflorescence callus
bar, u idA, lu c
B ialophos [ 8]
Partical bom bardm ent
Imm ature
in florescence
bar, u idA CaMV 35S B ialophos [ 9]
Partical bom bardm ent Imm ature emb ryo bar/ch it inase 1 CaMV 35S Basta 1- 2 m g/L [ 1]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature
em bryo cal lus
bar Ub i1 PPT 5m g /L [ 10]
Partical bom bardm ent
Imm ature
em bryo cal lus
u idA, bar, gfp
Ub i1, act1,
CaMV35S
B ialophos 2m g /L [ 2]
Partical bom bardm ent
Imm ature
em bryo cal lus
u idA
Ub i1, act1,
adh1, CaMV35S
N il [ 3]
Partical bom bardm ent
Imm ature
em bryo cal lus
u idA, bar Ub i1, act1 PPT 5m g /L [ 11]
Partical bom bard-
m ent /Ag robacterium
Imm ature emb ryo
and leaves
u idA, gfp
Ub i1, act1, adh1,
CaMV35S
GFP expression [ 12]
Partical bom bardm ent
Imm ature emb ryo
and shoot tips
u idA, bar, neo
Ub i1, act1, adh1,
CaMV35S
Geneticin
75- 100m g /L
[ 13]
Partical bom bardm ent Shootm eristem s bar/ HVA I CaMV35S Glufosinate 10 m g/L [ 14]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature emb ryo
ca llus
H pt, npt, u idA CaMV35S H ygromycin [ 15]
Partical bom bardm ent Shoot tips u idA, bar, cry1-A c m p iC 1 Basta 2m g /L [ 16]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature emb ryo
ca llus
gfp / t lp Ub i1
[ 17]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature emb ryo
ca llus
G fp /m anA Ub i1 M annose sugar [ 18]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature
em bryo
npt
, u idA
Geneticin or
Parom om ycin
[ 19]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature emb ryo hpt
H ygromycin [ 20]
M ild u ltrason ication Pol len npt
, u idA

[ 21]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature emb ryo
ca llus
gfp, manA Ub i1 M annose [ 22]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature emb ryo
ca llus
bar, sorghum lysyl
tRNA synthetase
CaMV35S, m a ize
zein CZ19 B1
PPT [ 23]
Ag robacterium-
m ed iated
Imm ature inf lore-
scen ce callus
npt II, hgh,
gu s, cry1Ab
CaMV35S, U b i1 H ygromycin [ 24]
Ag robacterium-
m ed iated
shoot ap ices u idA CaMV 35S
H ygromycin,
K anam ycin
[ 25]
cat.氯霉素乙酰转移酶; npt II.新霉素磷酸转移酶; bar.双丙氨膦抗性; gfp.绿色荧光蛋白; hpt.潮霉素磷酸转移霉; act 1.水稻肌动蛋白启动
子; ub .i玉米泛素 1启动子; adh 1.乙醇脱氢酶启动子; CaMV35S .花椰菜花叶病毒 35S启动子; PPT.膦
2
2011年第 1期 朱莉等:高粱遗传转化研究进展
和 Ch ickw amba [ 27]利用农杆菌感染高粱茎尖分生
组织,并获得了转基因再生植株,由此茎尖分生组
织也常被用作高粱转化的外植体 [ 13, 14, 25 ]。与其他
外植体相比, 以幼穗为外植体愈伤组织诱导率高、
分化率高、生长速度快, 都可获得再生植株 [ 28] , 因
而已被广泛用于高粱的遗传转化 [ 24, 29 ]。
已获得的成功转化实例表明,未成熟胚、幼穗、茎
尖以及来自未成熟胚或幼穗经诱导产生的胚性愈伤
组织均是高粱遗传转化获得成功的理 想受
体 [ 7, 9, 10, 20, 24]。近年来,又开发了一个简单易行的花粉
管转化方法 [ 21] ,即用适度的超声波处理将质粒导入
到花粉中,然后用处理过的花粉给受体基因型材料的
柱头进行授粉。综上所述,有效的体外组织培养方法
以及高效再生体系的建立将为高粱的遗传转化研究
奠定基础 [ 26, 30, 31]。
2
高粱遗传转化方法
在高粱遗传转化研究中,用于外源基因导入的
方法包括农杆菌介导法、基因枪法、电激法、花粉管
通道法、显微注射法和原生质体化学 ( PEG )处理法
等,这些转化方法都各有其特点 [ 32]。
2
1
电激法 ( electroporation)
Ou-Lee等 [ 4]于 1986年首次尝试用电激法将编
码氯霉素乙酰转移酶 ( cat)基因导入高粱原生质体
中,通过 cat基因的瞬时表达检测转化效果。 Ba-t
traw和 Ha ll[ 5]也利用电激法将 npt II基因以及 u idA
报告基因一起导入高粱的胚状悬浮细胞中。虽然获
得了 77个不同的卡那霉素抗性愈伤,但是未获得再
生植株。电激法虽然简单、快捷、费用低、不需精密
的设备,但转化率非常低, 在高粱转基因初期的研究
中,应用此法均未获得成功, 现在已不再使用这种
方法。
2
2
农杆菌介导法 (Agrobacterium-med iated transfor-
mation)
利用农杆菌介导法进行植物的遗传转化被认为
是一种比较有效的方法。由农杆菌介导的许多单子
叶植物,尤其是有重要经济价值的禾谷类作物的转化
取得了较大的进展 [ 33]。Godw in和 Ch icw amba [ 27]首
次在高粱中用农杆菌侵染高粱分生组织得成功,此
后农杆菌在高粱的应用已有不少的研究进展。 Zhao
等 [ 10]于 2000年首次成功地以高粱未成熟胚为受体
材料,通过农杆菌感染法成功地将外源基因 u idA和
bar基因导入受体材料中获得了转基因植株, 平均
转化率达到 2
1%。用同样的方法, V isarada等 [ 34]
也成功地将 u idA基因导入高粱幼穗诱导的愈伤组
织中并获得了 GU S蛋白高表达的转基因植株。
2009年, Lu等 [ 23]采用农杆菌介导法将 lysy l tRNA
合成酶基因导入高粱中, 并在其转基因植株后代中
筛选出了无选择标记的、种子中赖氨酸含量提高的
转基因高粱植株。不同的外源基因、受体材料及转
化策略都是影响农杆菌介导高粱遗传转化成功的重
要因素 [ 15]。
2
3
基因枪转化方法 ( particle bombardment)
在高粱转化研究中应用最为广泛的是基因枪
法, 因为该方法不依赖于高粱的基因型,尤其适宜于
那些农杆菌转化困难的植物。在高粱中最早使用基
因枪法的是 1991年 H ag io等 [ 6]以来自未成熟胚的
悬浮细胞系为受体材料,用包被了 u idA基因、npt

基因和 hpt基因的微弹轰击悬浮细胞系, 分子杂交
分析表明,外源基因已整合到高粱细胞基因组中,但
未获得再生植株。1993年, C asas等 [ 7]则首次报道
利用基因枪法成功地获得了抗除草剂转基因高粱的
研究工作。随后, 研究者们先后报道了采用基因枪
法, 分别对高粱未成熟胚、幼穗、幼叶与愈伤组织进
行转化并成功获得转基因再生植株, 但转化率都很
低 [ 1- 3, 9, 11, 13, 14, 16, 29]。从高粱的基因枪法转化成功实
例不难看出,影响因素很多。首先,受体材料的选择
及高效再生体系的建立是最关键的因素之一。其
次, 通过基因枪法进行转化, 微弹轰击后的组织受到
损伤,再生能力降低,这是基因枪法的最大弊端。为
了提高 DNA转化效率、减少轰击对组织的伤害, 需
要对一些参数,主要包括微弹类型及大小、微弹包被
DNA的能力、受体材料的距离、气流速率 (真空度、
孔径大小和脉冲时间 )等一些物理和生物参数进行
优化 [ 26, 35 ]。
2
4
花粉介导的超声波转化法
这种方法是由中国的 Wang等 [ 21]于 2007年提
出的,他们将构建的含 npt II和 u idA基因的载体与
来自高粱基因型 A 2V4B的花粉浸入 0
3mo l /L的蔗
糖溶液中,用适度的超声波进行处理。然后将处理
过花粉授于高粱雄性不育系 A 2V4A的柱头上获得
3
生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2011年第 1期
了转化材料。通过 GUS瞬时表达活性分析以及分
子检测,发现这两个基因都已稳定地整合到高粱基
因组中。这些研究结果表明,用适度的超声波处理
可以直接将外源基因导入花粉中。该方法避免了繁
重的体外组织培养过程,但也有缺点,即无法控制转
化基因的拷贝数。
3
高粱转化和外源基因表达的影响因素
除了建立一个稳定、高效的组织培养再生体
系外, 以下因素也在转基因植株的获得过程中至
关重要: ( 1)构建目的基因并携带有报告基因和
筛选基因的高效表达载体; ( 2 ) DNA导入植物细
胞所采用的方法 ; ( 3)鉴定转化事件所采用的有
效检测方法 (稳定整合 ) ; ( 4)解决转基因沉默问
题的策略 ,同时确保转基因后代能够稳定遗传并
能正常表达。下面将着重介绍启动子、报告基因
及筛选标记基因在高粱遗传转化中所发挥的重
要作用。
3
1
启动子在转化中的作用
外源基因的有效表达需要一个合适的启动子和
终止子。不同的启动子, 例如, 花椰菜花叶病毒
CaMV35S、水稻 actin1、玉米乙醇脱氢酶 adh1、果蝇
copia类长片段重复序列启动子、玉米 ub iqu itin1启
动子等都被应用于高粱中调控外源基因的表达,其
中来自水稻的 act in1启动子和来自玉米的 ub iqu i-t
in1启动子是两种在高粱中具有很高活性的单子叶
组成型启动子。在高粱转化研究的早期, 使用较多
的是 CaMV35S和玉米 adh1启动子。从 2000年以
后,玉米 ub i1启动子被广泛应用于高粱的遗传转化
中以提高外源基因的表达。高粱转化中所运用到的
各种启动子总结见表 1。
H il-lAmbroz和W eeks [ 3]利用 GUS瞬时表达检
测方法对 CaMV35S、actin-1、adh1和 ubiqu itin-1等
不同启动子的活性进行了比较, 发现尽管载体构
建方法相同, 但 GU S表达量在小麦幼胚中比在高
粱中高得多, 说明在高粱转化中尚未有适宜的启
动子能够高效表达、满足实际需要。同样, Ab le
等 [ 2]研究发现, 在 ub iqu it in1启动子驱动下, GUS
表达水平要比以 actin1和 CaMV35S为启动子的显
著提高。Tadesse等 [ 13]研究发现 4种启动子在高
粱中驱动 GUS表达的活性强弱依次为 ub i1> ac t1
> adh1> C aMV35S。而 Jeoung等 [ 12]发现, 在高粱
愈伤中不同启动子在驱动绿色荧光蛋白 ( GFP)的
活性强弱依次为 ubi1 > C aMV35S > HBT ( HBT-a
与 35S增强子片段嵌合的一种启动子 ) ,而在驱动
GUS表达时启动子活性强弱为 ub i1 > CaMV35S>
act1> adh1。另外, 研究还发现, 在相同的组成型
启动子 ub i1的调控下, 不同的转化基因在蛋白表
达水平上表现出显著的差异。在 T0代转基因植
株幼叶中, B t cry1A b基因表达的
-内毒素含量要
比 cry1A c基因的表达量提高 3
64倍, 而两者的核
苷酸序列相似性达到 95%。仅有的 5%核苷酸差
异却导致两个转基因的表达水平存在显著的差异
( > 3倍 ) [ 16 ]。据推测, 启动子活性弱可能是高粱
转基因效率低下的原因, 因此优化启动子序列有
助于提高高粱的转化效率 [ 3 ]。
已有人利用诱导型启动子调控转基因植物中编
码杀虫晶体蛋白的基因表达, 但在单子叶植物中还
未见成功报道。这类启动子能够节省植物能量、延
缓靶标害虫种群产生抗性 [ 36 ]。玉米蛋白酶抑制剂
基因 ( mpi)除了能在植物的各个组织中对损伤产生
正常的反应外,像其他损伤诱导型的蛋白酶抑制剂
其表达一般是在贮藏 /繁殖器官中一样, MPI蛋白主
要在玉米胚中表达积聚。这些特点使其成为转基因
植物中调控目的基因表达的候选启动子。 B reitler
等 [ 37]曾报道过在 mpi启动子的调控下 cry1B基因
表达量占到可溶性总蛋白含量的 0
1% - 0
2% ,
对高粱条螟二龄幼虫致死率达到 100%。利用相
同的启动子获得的转 mp-i cry1A c基因的转化植株
与对照相比,叶面受损率减少 60% , 幼虫体重减轻
25%, 致死率提高了 40%。同时发现,用 mpiC1损
伤诱导型启动子调控 cry1A c基因的表达量比用
ub iquitin1组成型启动子的表达量高 14
55倍 [ 16 ]。
这是首次关于损伤诱导型启动子在转基因高粱中
应用的研究。
3
2
报告基因在高粱转化中的应用
报告基因大多被用于检测转化事件。迄今为
止, 在高粱遗传转化过程中所用到的报告基因系统
大致有 4种,包括编码
-葡萄糖苷酸酶 ( GUS)的 u-i
dA基因、玉米花青素着色系统 R和 C1、荧光素酶
luc基因以及编码绿色荧光蛋白 ( GFP)的 gfp报告
4
2011年第 1期 朱莉等:高粱遗传转化研究进展
基因系统。其中 GUS是高粱转化过程中使用最早、
应用最多的报告基因系统, 从最初的转化尝试 [ 6]到
近来的研究报道 [ 21 ]都在使用这个报告基因。但使
用 GUS作为报告基因的主要缺点在于其检测对鉴
定的转化组织具有破坏性, 使之不能进一步地增殖
和再生。
第二类重要的报告基因系统是绿色荧光蛋白
GFP,因为其不必破坏组织而是通过可视化方法检
测被试材料,有利于转化材料恢复正常生长因而得
到广泛重视 [ 2, 17, 18, 22]。使用 g fp作为报告基因连同
农艺性状重要基因共同转化高粱未获成功, 原因在
于用 g fp和 bar基因共同转化幼胚并用双丙氨膦
( bia lophos)进行筛选时未形成体细胞胚,因此需要
进一步明确 GFP蛋白是否对高粱细胞有毒性 [ 2, 12 ]。
然而, 已有研究认为 GFP优于 GUS, 可用于转化事
件的早期检测, 而且结果可信。与之相反, 使用 u-i
dA作为报告基因的主要优点在于该基因的检测不
需要昂贵的设备,仅用底物 X-G luc处理后通过显色
反应就可以检测到 GUS是否表达,方法简便, 被广
泛应用于高粱转化研究中 [ 34]。在高粱转化过程中
使用玉米花青素调控元件 R和 C1[ 7]和荧光素酶 luc
基因 [ 8]作为报告基因也有过个别报道, 目前应用的
很少。
3
3
选择标记的作用
建立成功的转化策略关键在于选用的筛选体系
是否有效、简便 [ 13, 26, 38]。在转基因植物体外组织培
养过程中常用的筛选标记有 3大类: 抗生素、除草剂
和营养选择标记。在高粱转化中用到的筛选标记主
要有 5种, 包括 cat、npt II、hpt、bar和 manA基因。
新霉素磷酸转移酶 II( npt II)基因是从大肠杆菌中
分离出来的,对卡那霉素 ( kanamycin)有抗性,是高
粱转化中常用的一个筛选标记基因 [ 5, 19]。H ag io
等 [ 6]报道,同时利用潮霉素磷酸转移酶 B ( hpt)和新
霉素磷酸转移酶 II( npt II)基因可以赋予转化植物
潮霉素和卡那霉素双重抗性。
迄今为止,使用最多、应用最成功的是从吸水链
霉菌 ( S trep tomyces hygroscop icus)中分离得到的 bar
基因,编码草丁膦乙酰转移酶 ( PAT) ,对除草剂草丁
膦或其结构类似物 Basta(草氨膦的活性成分 )、双
丙氨膦 ( b ialophos)有抗性 [ 26]。在高粱的早期转化
研究中, 除了 Battraw和 H all[ 5 ]用 npt II基因, Hag io
等 [ 6]用 npt II和 hpt基因之外,几乎所有的转化都是
采用 bar基因作为筛选标记基因。 Cassas等 [ 9]曾报
道, 在筛选培养基中不加 b ialaphos筛选剂, 高粱幼
穗的形态主要是通过胚胎发生方式形成的, 而在有
除草剂的选择压力下器官发生则通过愈伤形成, 说
明筛选剂的使用能够影响高粱转基因植株的再生
途径。
近年来,利用从大肠杆菌中克隆得到的编码磷
酸果糖异构酶的 manA基因作为正向筛选标记, 并
以甘露糖做筛选剂,通过农杆菌介导法转化高粱已
取得了成功 [ 17, 18, 22]。开发和利用正向选择标记基
因是体外筛选高粱转化植株的一个有效、不具破坏
性的方法,现已得到广泛应用 [ 39]。
4
高粱转基因研究进展
随着高粱遗传转化方法的不断改进及转化效率
的逐步提高,在近 20多年里, 高粱转基因研究在抗
虫、抗病、抗除草剂和抗逆性及品质改良方面取得了
长足的发展。
4
1
除草剂抗性
迄今为止,仅有一种除草剂抗性基因 bar被用
于高粱的遗传转化。Casas等 [ 7]利用基因枪法将
bar基因导入到高粱的未成熟胚中, 首次获得了抗
除草剂的转基因高粱植株。随后, 又用同样的方
法转化幼穗诱导产生的愈伤组织 [ 9]。此后, 大约
有十几篇报道是关于用 bar基因转化高粱的研究。
据报道, 利用基因枪法将 bar基因导入高粱未成熟
胚和幼穗诱导的愈伤组织中, 被转化的受体材料
虽具有双丙氨膦抗性, 但体外培养再生频率
很低 [ 8 ]。
4
2
营养品质改良
高粱籽粒中含有丰富的淀粉,但蛋白质和脂类
含量相对较低。Tadesse和 Jacobs[ 14]通过基因枪法
将一个编码二氢吡啶二羧酸合成酶 ( DHDPS )的突
变基因 dhdps-r1基因导入到高粱的未成熟胚和茎
尖中,虽获得了 10株转化植株, 但发现转基因株系
中赖氨酸含量并无明显的提高。也有人试图将小麦
高分子量 (HMW )谷蛋白基因 1Ax1导入高粱中以
提高面筋的质量 [ 41]。为了提高高粱籽粒中的赖氨
酸含量, Lu等 [ 23 ]用农杆菌介导法将含有来自拟南
5
生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2011年第 1期
芥的优化的 tRNA lys基因和来自高粱的 lys1 tRNA
合成酶元件 ( TC2或 SKRS)基因转化由未成熟胚诱
导产生的愈伤。尽管成功地获得了转基因再生植
株,但并未报道在转基因高粱籽粒中赖氨酸或氨基
酸含量的表达情况。
4
3
抗逆性
来自大麦的 HVA1基因编码的产物 LEA组 3
蛋白在脱落酸 ( ABA )、干旱、盐碱和极端温度条
件等逆境胁迫下能够大量积累, 因此与植物的耐
旱能力相关。为了提高高粱对各种环境胁迫, 如
干旱的抵御能力, D ev i等 [ 14]将大麦 HVA 1基因
通过基因枪法导入高粱栽培品种 RW 5023茎尖
中, 获得了转基因植株, 但对其抗旱能力并未报
道。m tlD基因能够指导甘露醇的合成, 该基因的
过表达能够提高植物对水压和盐分的耐受能力。
印度科学家正在尝试利用 m tlD基因获得耐盐能
力提高的转基因高粱 [ 40 ]。
4
4
抗病性
Zhu等 [ 1]利用基因枪法直接将水稻 chitinase基
因和 bar基因导入高粱染色质中, 获得了抗菌、抗除
草剂 ( Basta)的转基因高粱植株,其中 ch itinase基因
在 T2、T3和 T4代转基因植株中均能够稳定地表
达。由于基因枪法固有的局限性, 该研究组又利用
农杆菌介导法将水稻 ch itinas G11和 tlp( Thauma tin-
like pro te in)这两个 PR ( pathogenesis related)基因也
导入到了高粱 3个不同的自交系中, 获得了对镰刀
霉茎腐病中度抗性的转基因植株 [ 14 ]。相比而言,国
内开展高粱转基因研究比较滞后, 但也取得了一定
的进展。石太渊等 [ 41]将 PYH 157基因通过花粉管
通道法导入高粱,并筛选到 4个较抗高粱丝黑穗病
的转基因植株。
4
5
抗虫性
虫害是高粱种植面临的主要问题,每年因为虫
害造成的损失大约 10亿美元 [ 42 ]。为了解决虫害问
题, G irijashankar等 [ 16 ]用基因枪法将人工合成的
ub-i cry1Ab、ub-i cry1A c和 mpiC1-cry1A c基因导入高
粱基因型 BTx62的茎尖中, 以期获得对高粱条螟
(Chilo partellus Sw inhoe)有抗性的转基因植株。结
果表明,与非转基因对照相比, 转 mp iC1-cry1A c基
因的植株中 B t蛋白的表达水平较低, 对 C. partellus
初龄幼虫具有部分抗性。而其他两个 T0代转基因
株系 ub-i cry1Ab和 ub-i cry1Ac对高粱条螟幼虫的抗
性很低, T1代转基因后代表现出对高粱条螟幼虫敏
感、无抗性。进一步研究结果表明,转基因植株对高
粱芽蝇幼虫的抗性大小依次为 mpiC1-cry1A c > ub-i
cry1Ab > ub-i cry1A c
[ 19 ]。在国内,杨立国等 [ 43]将高
粱总 DNA通过花粉管通道法导入去雄幼穗中, 培育
成了一种矮杆抗虫品种。张明州等 [ 24]利用农杆菌
介导法将杀虫晶体蛋白基因 cry1Ab导入高梁品种
115、ICSZIB和 5-27的幼穗愈伤组织中,获得的转基
因高梁植株对大螟 ( Sesam ia inferens )具有一定的
抗性。
本课题组将具有自主知识产权的 B t cry1Ah基
因分别利用农杆菌介导法和基因枪法导入到高粱品
种中,初步获得了对玉米螟有较高抗性的抗虫转基
因高粱植株,其后代遗传稳定性及抗虫性状正在进
一步检测中。
5
展望
由于高粱种质资源中可利用基因的匮乏以及因
自交不亲和造成远缘杂交的困难, 限制了传统育种
技术在高粱品种改良方面的应用。通过遗传转化技
术将其他种属的农艺性状优良的基因整合在高粱基
因组当中,以提高高粱的产量、抗病虫能力、抗逆性
及营养品质等农艺性状已成为大多数国家和国际高
粱改良项目的首要目标。目前, 高粱转基因研究工
作已取得了长足的发展, 但相比其他禾谷类作物还
相对滞后,成功的实例还比较少。遗传转化体系不
稳定、转化效率偏低、外源基因表达量低或不表达仍
然是制约高粱转基因研究进程的主要因素。在高粱
遗传转化过程中如何克服基因型的限制、解决组织
培养中褐化的问题、提高外源基因表达效率、解决转
基因沉默问题以及高粱优异基因的发掘及转化新方
法的探索,将是今后高粱转基因研究亟待解决的问
题。相信随着对其转化机理、转化方法、转化策略等
方面的不断发展和完善, 必将极大地促进高粱转基
因研究工作的发展。
参 考 文 献
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