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CHLOROPLAST GENETIC TRANSFORMATION AND THE LATEST PROGRESS OF ITS APPLICATION IN CROP IMPROVEMENT

叶绿体转化及其应用于作物改良研究的最新进展



全 文 :摇 核 农 学 报摇 圆园员圆袁圆远渊圆冤院园圆愿愿 耀 园圆怨源允燥怎则灶葬造 燥枣 晕怎糟造藻葬则 粤早则蚤糟怎造贼怎则葬造 杂糟蚤藻灶糟藻泽
文章编号院员园园园鄄愿缘缘员渊圆园员圆冤园圆鄄园圆愿苑鄄园苑
叶绿体转化及其应用于作物改良研究的最新进展
巩智刚员 摇 周海鹏员 摇 徐摇 芳员 摇 韩晓玲圆 摇 王玉华员
渊员郾 西北大学生命科学学院 辕陕西省生物技术重点实验室 辕西部资源生物与现代生物技术
教育部重点实验室袁陕西 西安摇 苑员园园远怨曰 圆郾 西安力邦制药有限公司医药科学研究所袁 陕西 西安摇 苑员园园苑缘冤
摘摇 要院农杆菌介导的核基因转化技术已普遍应用于作物改良和分子育种方面袁而其不可避免的转基因
沉默现象和生物安全问题是科研工作者和广大民众关注的焦点袁进而成为基因工程技术广泛应用的主
要限制因素遥 叶绿体遗传转化技术因具有核转化不可比拟的独特优势袁成为植物基因工程发展的新方
向和科研工作者研究的热点之一袁通过该技术有望培育出真正生物安全的转基因作物新品种遥 本文围
绕叶绿体转化的原理尧方法尧筛选标记及其应用等方面进行阐述袁着重介绍其在作物改良方面研究的最
新进展袁并对存在问题及应用前景进行了展望遥
关键词院叶绿体转化曰 基因工程曰 作物改良
悦匀蕴韵砸韵孕蕴粤杂栽 郧耘晕耘栽陨悦 栽砸粤晕杂云韵砸酝粤栽陨韵晕 粤晕阅 栽匀耘 蕴粤栽耘杂栽
孕砸韵郧砸耘杂杂 韵云 陨栽杂 粤孕孕蕴陨悦粤栽陨韵晕 陨晕 悦砸韵孕 陨酝孕砸韵灾耘酝耘晕栽
郧韵晕郧 在澡蚤鄄早葬灶早员 摇 在匀韵哉 匀葬蚤鄄责藻灶早员 摇 载哉 云葬灶早员 摇 匀粤晕 载蚤葬燥鄄造蚤灶早圆 摇 宰粤晕郧 再怎鄄澡怎葬员
渊员郾 悦燥造造藻早藻 燥枣 蕴蚤枣藻 杂糟蚤藻灶糟藻泽袁 晕燥则贼澡憎藻泽贼 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠 辕 杂澡葬葬灶曾蚤 孕则燥增蚤灶糟蚤葬造 运藻赠 蕴葬遭燥则葬贼燥则赠 燥枣 月蚤燥贼藻糟澡灶燥造燥早赠 辕
运藻赠 蕴葬遭燥则葬贼燥则赠 燥枣 砸藻泽燥怎则糟藻 月蚤燥造燥早赠 葬灶凿 月蚤燥贼藻糟澡灶燥造燥早赠 蚤灶 宰藻泽贼藻则灶 悦澡蚤灶葬袁 载蚤爷葬灶袁 杂澡葬葬灶曾蚤摇 苑员园园远怨曰
圆援 孕澡葬则皂葬糟藻怎贼蚤糟葬造 杂糟蚤藻灶糟藻泽 砸藻泽藻葬则糟澡 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻袁 载蚤爷葬灶 蕴蚤遭葬灶早 孕澡葬则皂葬糟藻怎贼蚤糟葬造 悦燥援 袁 蕴贼凿援 袁 载蚤爷葬灶袁 杂澡葬葬灶曾蚤摇 苑员园园苑缘冤
粤遭泽贼则葬糟贼院栽澡藻 灶怎糟造藻葬则 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶 皂藻凿蚤葬贼藻凿 遭赠 粤早则燥遭葬糟贼藻则蚤怎皂 憎葬泽 早藻灶藻则葬造造赠 葬责责造蚤藻凿 蚤灶 贼澡藻 蚤皂责则燥增藻皂藻灶贼 燥枣 糟则燥责泽 贼则葬蚤贼泽
葬灶凿 皂燥造藻糟怎造藻 遭则藻藻凿蚤灶早援 匀燥憎藻增藻则袁 贼澡藻 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 燥枣 早藻灶藻贼蚤糟 藻灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 澡葬泽 遭藻藻灶 泽藻则蚤燥怎泽造赠 造蚤皂蚤贼藻凿 遭赠 遭燥贼澡 蚤灶藻增蚤贼葬遭造藻
贼则葬灶泽早藻灶蚤糟 泽蚤造藻灶糟蚤灶早 葬灶凿 贼澡藻 贼则葬灶泽早藻灶蚤糟 遭蚤燥鄄泽葬枣藻贼赠援 悦澡造燥则燥责造葬泽贼 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶 澡葬泽 遭藻糟燥皂藻 葬灶 葬贼贼则葬糟贼蚤增藻 葬造贼藻则灶葬贼蚤增藻 贼燥
灶怎糟造藻葬则 早藻灶藻 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶 凿怎藻 贼燥 蚤贼泽 怎灶蚤择怎藻 葬凿增葬灶贼葬早藻泽援 粤泽 葬 则藻泽怎造贼袁 蚤贼 蚤泽 藻曾责藻糟贼藻凿 贼燥 糟怎造贼蚤增葬贼藻 则藻葬造 遭蚤燥鄄泽葬枣藻贼赠
早藻灶藻贼蚤糟葬造造赠 皂燥凿蚤枣蚤藻凿 糟则燥责泽 贼澡则燥怎早澡 糟澡造燥则燥责造葬泽贼 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶 贼藻糟澡灶燥造燥早赠援 栽澡蚤泽 责葬责藻则 枣燥糟怎泽藻凿 燥灶 贼澡藻 责则蚤灶糟蚤责造藻泽袁 皂藻贼澡燥凿泽袁
泽藻造藻糟贼蚤燥灶 皂葬则噪藻则 早藻灶藻泽 燥枣 糟澡造燥则燥责造葬泽贼 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶 葬灶凿 贼澡藻 造葬贼藻泽贼 责则燥早则藻泽泽 燥枣 蚤贼泽 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶泽 蚤灶 糟则燥责 蚤皂责则燥增藻皂藻灶贼援 栽澡藻灶
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运藻赠 憎燥则凿泽院糟澡造燥则燥责造葬泽贼 贼则葬灶泽枣燥则皂葬贼蚤燥灶曰 糟则燥责 蚤皂责则燥增藻皂藻灶贼曰 早藻灶藻贼蚤糟 藻灶早蚤灶藻藻则蚤灶早
收稿日期院圆园员员鄄园愿鄄园怨摇 接受日期院圆园员员鄄员圆鄄圆圆
基金项目院国家自然科学基金渊猿园怨园园怨员源冤袁陕西省教育厅专项渊园怨允运苑苑苑冤袁陕西省教育厅重点实验室项目渊员员允杂园愿源冤袁西北大学西部资源生物与
现代生物技术重点实验室开放基金
作者简介院巩智刚渊员怨愿远鄄冤袁 男袁 山西平遥人袁 在读硕士袁 研究方向为植物基因工程遥 栽藻造院 园圆怨鄄愿愿猿园猿源愿源曰 耘鄄皂葬蚤造院 憎葬灶早憎藻灶早憎藻灶早岳 员圆远郾 糟燥皂
通讯作者院王玉华渊员怨苑缘鄄冤袁女袁 山东肥城人袁 博士袁 副教授袁 研究方向为植物基因工程遥 栽藻造院 园圆怨鄄愿愿猿园猿源愿源曰 耘鄄皂葬蚤造院 憎葬灶早赠澡岳 灶憎怎援 藻凿怎援 糟灶
摇 摇 首例转基因植株诞生至今已有近 猿园 年的历史袁农
杆菌介导的核基因组转化技术日臻成熟袁已普遍应用
于作物改良中遥 但是袁不仅转基因的沉默现象严重影
响基因工程的应用效果袁且转基因的环境安全问题亦
成为广大民众关注的焦点袁进而成为基因工程技术广
泛应用的主要限制因素袁而叶绿体基因组转化技术的
兴起与发展为解决上述问题开启了希望之门遥
员怨愿愿 年用野生型叶绿体 阅晕粤 转化单细胞生物衣
藻突变体袁使其完全恢复光合能力袁首次证明叶绿体基
因组可以被转化咱员暂 袁员怨怨园 年将此技术成功用于高等植
愿愿圆
摇 圆 期 叶绿体转化及其应用于作物改良研究的最新进展
物烟草的叶绿体转化咱圆暂 袁此后的 圆园 多年来袁叶绿体基
因工程在技术和应用上都取得了长足的进步遥 与核基
因组转化相比袁叶绿体转化具有高效表达尧易于操作尧
同时进行多基因转化尧定点整合尧稳定遗传且外源基因
不会随花粉漂移等优点咱猿 耀 缘暂 袁因此袁叶绿体转化有望成
为基础研究和应用研究的新武器遥 本文围绕叶绿体转
化的原理尧方法尧筛选标及其应用等方面进行阐述袁重
点综述了叶绿体转化技术应用于作物改良研究的最新
进展袁指出存在的问题袁并对应用前景进行了展望遥
员摇 叶绿体遗传转化技术概述
叶绿体遗传转化是以叶绿体基因组为对象进行的
遗传操作技术遥 通过基因枪法或其他方法使外源基因
穿过植物细胞的细胞壁尧原生质体膜及叶绿体双层膜
最终进入叶绿体袁在目的基因两端叶绿体同源片段的
介导下与受体植物叶绿体基因组的相应序列发生同源
重组双交换袁外源基因定点整合进叶绿体基因组袁并在
其中进行转录尧翻译遥
员郾 员摇 叶绿体来源的调控序列实现目的基因的高表达
外源基因在叶绿体中的表达水平受启动子和 缘忆
非翻译区渊缘忆鄄怎灶贼则葬灶泽造葬贼藻凿 则藻早蚤燥灶泽袁 缘忆鄄哉栽砸冤袁包括核糖
体结合位点渊则蚤遭燥泽燥皂葬造 遭蚤灶凿蚤灶早 泽蚤贼藻袁 砸月杂冤等元件的调
控咱远暂 遥 为实现目的蛋白在叶绿体中的高水平积累袁在
构建叶绿体表达载体时袁首先要有强启动子保证目的
基因有高水平的 皂砸晕粤转录本袁大多数研究者都采用
叶绿体 员远杂 则阅晕粤基因的强启动子 孕则则灶咱苑暂和光系统域
作用中心的启动子 孕责泽遭粤咱愿暂 曰其次袁砸晕粤 的成熟和稳
定对叶绿体基因的翻译很关键袁而转基因开放阅读框
两侧的 缘忆鄄哉栽砸 和 猿忆非翻译区渊猿忆鄄怎灶贼则葬灶泽造葬贼藻凿 则藻早蚤燥灶泽袁
猿忆鄄哉栽砸冤的序列可以与特异蛋白质结合袁进而影响
砸晕粤的成熟和稳定性遥 例如袁使用同一启动子 孕则则灶 而
选用不同的翻译控制信号时袁外源蛋白的积累水平可
以相差近 员园袁园园园 倍咱怨暂 遥 在构建叶绿体表达载体时通
常选用叶绿体基因 责泽遭粤的 缘忆鄄哉栽砸和 猿忆鄄哉栽砸咱员园袁 员员暂
员郾 圆摇 叶绿体同源片段介导同源重组实现目的基因定
点整合
用于叶绿体转化的表达载体袁其外源基因表达盒
的左右两侧分别连接与受体植物叶绿体基因组同源的
一段 阅晕粤序列袁通过该片段与叶绿体基因组相应序列
间的同源重组双交换袁实现外源基因向叶绿体基因组
的定点整合遥 已有的研究一般都应用了相邻的 圆 个基
因作为同源重组片段袁圆 个基因的间隔区作为外源基
因的整合位点袁这样既实现目的基因的定点整合袁避免
了位置效应袁又不会破坏原有叶绿体基因的正常功能遥
到目前为止袁已有 员远 个叶绿体基因组位点被作为外源
基因的整合位点袁如 则遭糟蕴 渣 葬糟糟阅尧 贼则灶灾 渣 则责泽苑尧 贼则灶陨 渣 贼则灶粤尧
责泽遭粤 渣 贼则灶运尧葬贼责月 渣 则遭糟蕴 等咱缘袁 员圆暂 袁由此说明外源基因可以
在叶绿体环状基因组的多个位点上表达遥 笔者曾以同
源片段 则责泽苑鄄则责泽员圆 渣 贼则灶增鄄员远杂 则阅晕粤构建菊苣叶绿体表达
载体咱员猿暂 袁转化工作正在进行中遥
员郾 猿摇 抗性标记基因的高压多轮次筛选实现叶绿体基
因组的同质化
叶绿体基因组的高拷贝数决定了外源基因几乎不
可能同时转化所有叶绿体基因组遥 因此袁为保证转基
因在后代中的稳定遗传袁在转化过程中必须去除未转
化的叶绿体基因组袁得到同质化的转基因个体遥 现行
的叶绿体转化技术主要是通过向叶绿体表达载体中引
入筛选标记基因袁转化后在高浓度的选择压力下进行
多轮次筛选来实现的咱猿暂 遥 最早使用突变型的 员远杂
则砸晕粤基因为筛选标记基因袁用壮观霉素进行筛选袁但
转化效率非常低咱圆暂 遥 此后袁编码氨基糖苷鄄猿鄄腺苷酸转
移酶的基因 葬葬凿粤因能使转化植株具有壮观霉素和链
霉素抗性袁在筛选过程中能够将绿色的转化细胞和白
化的非转化细胞区分开袁而成为叶绿体转化中应用最
广泛的尧筛选效率最高的抗生素类筛选标记基因咱员源暂 遥
此后袁 灶责贼陨陨 基因咱员缘暂 尧 灶藻燥 基因咱怨暂 尧细菌 遭葬则 基因咱员远暂 尧
葬责澡粤远 基因咱员苑暂等相继被用作叶绿体转化的筛选标记
基因袁但相对于 葬葬凿粤来说袁转化效率都很低遥 近年来袁
一种非抗生素选择标记基因 月粤阅匀渊编码甜菜碱醛脱
氢酶冤在烟草叶绿体转化中尝试使用袁用对植物有毒
的甜菜碱醛渊遭藻贼葬蚤灶藻 葬造凿藻澡赠凿藻袁月粤冤作为筛选剂袁源缘凿便
可从 员缘豫的叶盘获得抗性幼苗袁再生速度明显加快曰
平均每个叶盘有 员 耀 圆 株幼苗袁比壮观霉素筛选效率提
高了 圆缘 倍咱员愿暂 袁但此后再未见有用 月粤 作筛选剂的报
道遥 笔者也曾尝试用 月粤阅匀基因构建非抗生素标记的
叶绿体表达载体咱员猿暂 袁拟进行菊苣的叶绿体转化遥
圆摇 叶绿体转化技术用于作物遗传改良
和传统细胞核转化技术相比袁植物叶绿体转化在
外源基因表达水平和转基因植物安全性等方面有明显
的优势咱缘袁 员园暂 袁尤其是在控制转基因沉默和遗传稳定性
方面袁可以互补细胞核转化不可避免的缺陷袁因而成为
植物基因工程发展的新方向和科研工作者研究的热点
之一袁并在改善作物的抗性尧品质尧提高产量尧创造新种
质或品种等方面具有强大应用前景遥
病虫害尧干旱尧盐渍尧高低温尧化学毒害尧生物氧化
怨愿圆
核摇 农摇 学摇 报 圆远 卷
等生物胁迫和非生物胁迫因素严重危害农作物的生
长尧发育尧产量和品质遥 为了改良作物农艺性状袁科学
家进行了大量尝试遥 基于在外源基因的高效表达和转
基因植物环境安全等方面的明显优势袁叶绿体遗传转
化成为农作物分子育种的一条新途径袁许多重要的农
艺性状已通过叶绿体转基因技术得到改善遥
圆郾 员摇 抗除草剂
杂草防治是农业生产中不可缺少的一个环节袁尤
其在发达国家的现代农场袁除草剂的使用量更是可观遥
培育抗除草剂的作物是一种高效尧低成本尧无公害控制
杂草的手段袁抗除草剂作物已成为目前商业化种植面
积最广的转基因作物遥 然而袁抗除草剂转基因作物的
抗性基因有可能通过花粉出现基因逃逸袁产生带有除
草剂抗性的超级杂草袁进而引起农田杂草群落演替袁由
此不得不增加农药的使用袁加重环境的污染咱员怨暂 遥 叶绿
体基因工程为解决这一问题带来了希望袁因为绝大多
数植物的叶绿体基因遵循母性遗传规律袁将抗除草剂
基因定位于叶绿体袁抗性基因不会通过花粉扩散而逃
逸袁安全性高袁而且目的基因的高效表达有利于提高转
基因植株对除草剂的抗性遥 员怨怨愿 年袁首例抗草甘膦的
叶绿体型转基因烟草获得袁转基因植株对除草剂的抵
抗力提高了 员园 倍袁且没有出现基因逃逸现象咱圆园暂 遥 此
后袁各国科学家相继开展了抗除草剂叶绿体转基因烟
草研究咱员远袁 圆员袁 圆圆暂 袁例如袁蕴怎贼扎 等分别用细菌的 遭葬则 基因
遭鄄遭葬则员 和 遭鄄遭葬则圆 以及密码子优化了的 遭葬则基因 泽鄄遭葬则转
化烟草叶绿体基因组袁猿 个基因在烟草中均获得高水
平表达渊大于 苑豫可溶性蛋白冤袁转基因植株均具较高
浓度渊圆豫 冤的除草剂 孕孕栽 抗性袁而在相同浓度 孕孕栽 处
理下袁对照植株在处理后 圆 周即死亡遥 外源基因在转
基因后代中遵循母性遗传规律袁不会随花粉传播咱员远暂 遥
乙酰乳酸合成酶渊葬糟藻贼燥造葬糟贼葬贼藻 泽赠灶贼澡葬泽藻袁 粤蕴杂冤是催化分
支氨基酸合成的一个关键酶袁其活性会受除草剂的抑
制遥 利用乙酰乳酸合成酶渊葬糟藻贼燥造葬糟贼葬贼藻 泽赠灶贼澡葬泽藻袁 粤蕴杂冤
基因开发抗除草剂的转基因植物引起了植物分子生物
学家的广泛兴趣遥 杂澡蚤皂蚤扎怎 等将从拟南芥中筛选的突
变基因 皂粤蕴杂成功导入烟草叶绿体袁发现转基因植物
对多种除草剂均具有较强抗性咱圆猿暂 遥
在对模式植物烟草的研究获得丰富研究经验之
后袁重要粮食或经济作物的叶绿体型抗除草剂转基因
工作也尝试开展遥 崔杰以 遭葬则 基因做筛选标记袁建立
甜菜叶绿体转化体系袁获得了甜菜抗除草剂植株咱圆源暂 遥
蕴蚤等成功构建了嵌合 遭葬则基因的水稻叶绿体特异表达
载体袁基因枪法转化水稻愈伤组织袁用 孕孕栽 作筛选剂
获得抗除草剂转化子咱圆缘暂 遥 今后应进一步加强农作物
抗除草剂的叶绿体转化研究遥
圆郾 圆摇 抗虫
虫害是农业生产的大害袁是造成农作物减产的主
要因素之一袁防治害虫是农业生产的关键遥 化学药剂
杀虫成本高袁不仅污染农作物本身袁而且严重污染环
境遥 植物抗虫基因工程技术为害虫防治开辟了新途
径袁但抗虫目的基因表达量过低袁所得转基因植物的抗
虫能力有限袁成为当今基因工程效果发挥的最大限制
因素遥 推测认为是原核基因和真核表达体系之间不能
很好的兼容袁而叶绿体基因组转录和翻译的原核特性
可以很好地解决这一兼容性问题袁来自烟草叶绿体转
化的许多研究咱苑袁 圆远袁 圆苑暂证实了这一推测遥 例如袁运燥贼葬 等
在烟草叶绿体中表达 悦则赠圆粤葬圆 抗虫基因袁获得抗虫蛋
白的表达量是目前商业应用的核转化转基因植株的
圆园 耀 猿园 倍袁所得叶绿体型转基因烟草对己产生
悦则赠圆粤葬圆 抗性的烟青虫尧棉铃虫和甜菜蛾等害虫均有
员园园豫的毒杀作用袁该研究为解决农业害虫逐渐对 月贼
蛋白产生抗性而导致失效这一难题提供了一条解决途
径咱苑暂 遥 悦燥泽葬等在烟草叶绿体中表达 糟则赠圆粤葬圆 操纵子袁
糟则赠圆粤葬圆 蛋白的表达量达叶片可溶性蛋白的 源缘郾 猿豫 袁
表达产物杀虫性达 员园园豫 袁其抗虫性真正达到高剂量
策略袁能杀死耐受 源园园园园 倍杀虫蛋白浓度的抗性昆
虫咱圆远暂 袁这是目前报道的转基因植株最高的外源基因表
达水平遥 圆园园缘 年叶绿体型转基因抗虫大豆的获得咱圆愿暂
标志着叶绿体转化技术已从对模式植物烟草抗虫的研
究转向重要农作物的抗虫育种遥 在国内袁研究人员亦
分别将 月贼蛋白基因导入烟草咱圆怨暂 尧油菜咱猿园暂和甘蓝咱猿员暂叶
绿体基因组袁获得的转基因植株也表现出了较强的抗
虫性遥
但是袁转基因植物抗虫蛋白表达量的提高对植物
的生长并不是越多越好遥 有研究发现袁外源 糟则赠怨粤葬圆
基因在叶绿体中的过量表达渊占可溶性蛋白总量的
员园豫 冤袁虽然提高了烟草对马铃薯茎蛾的抗性袁但却出
现了延缓植物生长的负面影响咱猿圆暂 遥 因此袁欲使叶绿体
转化技术更好地应用于抗虫作物育种还需要进一步的
研究遥
圆郾 猿摇 抗病
病害是制约农作物高产尧稳产的重要因素遥 当前袁
除了通过改进栽培措施预防病害外袁施用化学杀菌剂
成为病害防治的主要策略袁但化学药剂只能控制病害
的流行而不能从根本上解决问题遥 且化学药剂不仅带
来环境污染袁还可导致病原抗药性生理小种的形成袁给
病害防治造成更大障碍遥 因此袁培育广谱抗病新品种
是育种学家的首选目标遥 酝杂陨鄄怨怨 为一广谱抗菌肽袁对
园怨圆
摇 圆 期 叶绿体转化及其应用于作物改良研究的最新进展
多种植物病原细菌尧真菌及病毒均有强烈抑制作用遥
将 酝杂陨鄄怨怨 基因导入农作物中袁可以改良作物的抗病
性遥 圆园园员 年袁阅藻早则葬赠 等通过叶绿体转化技术袁将抗菌
肽基因 酝杂陨鄄怨怨 转入烟草叶绿体基因组袁实现抗性基因
的高水平表达袁蛋白表达量达可溶性蛋白总量的
圆员郾 缘豫 耀源猿豫 袁体外分析显示袁转基因植株 栽员尧栽圆 代均
表现出对病原菌较强的抑制作用咱猿猿暂 遥 但此后再未见
通过叶绿体转化技术提高作物抗病性的报道袁今后应
加强这方面的研究遥
圆郾 源摇 抗逆性
圆郾 源郾 员摇 抗旱尧耐盐性摇 土壤干旱和盐渍化在一定意义
上都属于渗透胁迫袁高等植物在渗透胁迫时往往会积
累渗透保护性物质袁将这些渗透保护性物质合成的相
关基因导入植物即可提高作物的耐盐性和抗旱性遥
甜菜碱是生物体内普遍存在的一种很有效的渗透
调节剂袁在高等植物中袁甜菜碱由胆碱经 圆 步酶催氧化
得到袁即院胆碱寅甜菜碱醛寅甜菜碱袁催化第 员 步反应
的酶是胆碱单加氧酶渊糟澡燥造蚤灶藻 皂燥灶燥燥曾赠早藻灶葬泽藻袁 悦酝韵冤袁
催化第 圆 步反应的酶是甜菜碱醛脱氢酶 渊 遭藻贼葬蚤灶藻
葬造凿藻澡赠凿藻 凿藻澡赠凿则燥早藻灶葬泽藻袁 月粤阅匀冤遥 在澡葬灶早 等用基因枪
法将甜菜胆碱单加氧酶基因 月增悦酝韵 转化烟草叶绿体
基因组袁结果在转基因烟草的根尧叶和种子细胞中均大
量积累甜菜碱遥 在 员缘园皂皂燥造 辕 蕴 的 晕葬悦造 环境下袁转基
因植物表现出较高的光合效率袁抗盐性增强的转基因
烟草株系其抗旱性也有很大提高咱猿源暂 遥 同未转基因的
植株相比袁表达甜菜碱醛脱氢酶基因 月增月粤阅匀 的叶绿
体转基因胡萝卜植株的抗盐能力大大提高袁转基因植
物能在高达 源园园皂皂燥造 辕 蕴 的 晕葬悦造 环境下生存袁相当于
盐生植物咱猿缘暂 袁这是迄今报道的通过叶绿体转化技术得
到的最高水平的抗盐植物遥
海藻糖是一个非还原性的二糖袁被认为是非生物
胁迫的保护者袁在干旱尧寒冷尧高盐碱等逆境条件下可
以保护生物膜尧蛋白质等免受生物伤害咱猿远暂 遥 把海藻糖
合酶基因导入烟草尧马铃薯尧水稻等植物细胞核中袁提
高了植株海藻糖的含量袁受体植物的抗逆性也得到增
强袁但通常伴有顶端优势丧失尧生长迟钝尧叶形畸形尧花
粉或花药败育等严重的表型畸形现象咱猿苑暂 遥 蕴藻藻等分别
在叶绿体转化型和核转化型烟草中表达酵母海藻糖磷
酸合酶基因 栽孕杂陨袁结果发现袁叶绿体转化型植株的
栽孕杂陨基因转录水平比核转化型高约 员远怨 倍袁海藻糖积
累量比核转化型高约 员缘 耀 圆缘 倍袁叶绿体转化型植株具
有很强的抗旱能力袁在 远豫的 孕耘郧渗透胁迫下袁植株叶
绿体类囊体膜完整袁叶片呈绿色袁表型正常袁没有出现
不育现象曰而核转化型植株虽然海藻糖的积累量甚少袁
但表现出生长迟缓尧不育等症状袁在相同胁迫条件下袁
核转化型植株叶片白化遥 经过 苑澡的烘干后袁叶绿体型
转基因植株能够再水化成活袁而对照植株则早已死
亡咱猿愿暂 遥
圆郾 源郾 圆摇 耐冷性摇 高等植物体内不饱和脂肪酸有着重
要的营养价值和工业价值袁同时对植物应对外界胁迫
起着重要保护作用咱猿怨暂 遥 悦则葬蚤早等用 孕耘郧介导法转化烟
草原生质体袁将来自马铃薯野生种的脂肪酸合成途径
中的 驻怨 去饱和酶基因 杂糟藻凿泽 成功导入烟草叶绿体基
因组袁与对照株相比袁转基因烟草叶片和种子中的脂肪
酸成分发生改变袁不饱和脂肪酸含量增加袁转基因植株
的抗冷性明显增强咱源园暂 遥 张梦等研究发现袁表达脂肪酸
去饱和酶基因 粤贼枣葬凿愿 的叶绿体型转基因烟草幼苗的
酝阅粤含量明显低于对照植株袁而抗氧化酶活性明显高
于对照植株袁即 粤贼枣葬凿愿 基因的导入提高了烟草幼苗的
耐冷害能力咱源员暂 遥
圆郾 源郾 猿摇 耐热性摇 随着全球气候变暖袁高温胁迫成为限
制植物生长发育的重要因素袁体内过量积累 茁鄄苯丙氨
酸可以增强植物对高温胁迫的抵抗能力咱源圆暂 遥 云燥怎葬凿等
通过叶绿体基因工程在烟草中过量表达大肠杆菌 蕴鄄
天 冬 氨 酸鄄琢鄄脱 羧 酶 渊 蕴鄄葬泽责葬则贼葬贼藻鄄琢鄄凿藻糟葬则遭燥曾赠造葬泽藻袁
粤泽责阅悦冤基因 责葬灶阅遥 在高温胁迫下袁叶绿体型转基因
烟草体内的 粤泽责阅悦酶活性剧增袁对高温具有更强的耐
受能力袁与未转基因的对照相比袁其光合能力和生物产
量都较高咱源猿暂 遥
圆郾 源郾 源摇 抗氧化胁迫 摇 多种不良环境因素如干旱尧高
盐尧极端温度等非生物胁迫均可诱发植物细胞内活性
氧浓度的增加而导致氧化胁迫袁脱氢抗坏血酸还原酶
渊凿藻澡赠凿则燥葬泽糟燥则遭葬贼藻 则藻凿怎糟贼葬泽藻袁 阅匀粤砸冤尧谷胱甘肽鄄杂鄄转
移酶渊 早造怎贼葬贼澡蚤燥灶藻鄄杂鄄贼则葬灶泽枣藻则葬泽藻袁 郧杂栽冤和谷胱甘肽还原
酶渊早造怎贼葬贼澡蚤燥灶藻 则藻凿怎糟贼葬泽藻袁 郧砸冤等抗氧化酶系在植物的
抗氧化胁迫中起重要作用遥 酝葬则贼则藻贼 等通过叶绿体遗
传转化技术袁将抗氧化酶基因 阅匀粤砸尧郧杂栽尧郧砸 转入烟
草叶绿体基因组袁发现同质化的叶绿体型转基因烟草
对甲基紫精模拟的氧化胁迫尧高盐尧低温等非生物胁迫
的耐受能力增强咱源源暂 遥
圆郾 源郾 缘摇 抗重金属毒害摇 由于人类工农业活动的影响袁
有机汞渊匀早冤农药的大量施用袁导致农田土壤含汞量剧
增遥 土壤汞渊尤其是有机态的汞冤污染对动尧植物均有
毒害作用遥 对植物来说袁匀早主要破坏植物的叶绿体结
构袁阻断光合电子传递链袁影响光合作用袁进而影响作
物产量遥 利用叶绿体转基因技术获得对重金属汞具有
超积累或者具有耐性的植物袁有望成为新一代低成本尧
无污染的植物修复技术遥 皂藻则粤 和 皂藻则月 是从细菌中克
员怨圆
核摇 农摇 学摇 报 圆远 卷
隆的与 匀早 转运有关的 圆 个基因袁皂藻则月 基因编码有机
汞裂解酶袁 能将有机汞还原为毒性小的挥发性 匀早圆 垣 袁
皂藻则粤基因编码 匀早离子还原酶袁可以将 匀早圆 垣进一步还
原为 匀早原子遥 通过叶绿体转化技术袁在烟草叶绿体
基因组表达包含 皂藻则粤 和 皂藻则月 基因的操纵子袁增强了
转基因植株对重金属汞的耐受能力袁转基因烟草可以
生长在含 源园园滋皂燥造 辕 蕴 苯乙酸汞 渊 责澡藻灶赠造 皂藻则糟怎则蚤糟
葬糟藻贼葬贼藻袁 孕酝粤冤的土壤中袁其干物质含量远远高于未转
基因的烟草咱源缘暂 遥
圆郾 缘摇 改良品质
在叶绿体中有许多代谢反应进行袁通过对这些代
谢反应的关键酶基因的改造袁可望在蔬菜叶子中大幅
度提高人类必需氨基酸尧脂肪酸尧糖类等遥 类胡萝卜素
是一种重要的天然色素物质袁是人体不可缺少的一类
物质袁不仅具有抗氧化尧预防肿瘤和心血管等疾病的作
用袁而且还是人体合成维生素 粤 的前体遥 据统计袁全
球大约 圆愿园 万 耀猿猿园 万学龄前儿童出现维生素 粤缺乏
症袁而维生素 粤缺乏可以引起夜盲尧干眼症尧角膜软化
等一系列疾病袁最终导致失明和死亡咱源远暂 遥 人体不能自
行合成类胡萝卜素袁 只能从食物中摄取袁而在我国膳
食结构中袁植物性食品占据主导地位遥 通过基因工程
手段提高主要农作物中类胡萝卜素的合成与积累袁对
改善和预防维生素 粤缺乏症意义重大遥
类胡萝卜素的合成主要在叶绿体中进行袁通过叶
绿体转化技术袁将类胡萝卜素合成途径的关键酶基因
引入不能合成类胡萝卜素或含量较低的农作物中袁提
高转基因植株类胡萝素的含量是切实可行的遥 圆园园苑
年袁宰怎则遭泽 等将细菌来源的类胡萝卜素合成相关基
因要要要番茄红素 茁鄄环化酶基因通过叶绿体转化技术
导入番茄质体基因组袁促进了番茄红素向类胡萝卜素
的转化袁转基因番茄果实中维生素 粤 的含量提高了 源
倍袁而且转基因植株因番茄红素 茁鄄环化酶的表达获得
了除草剂抗性咱源苑暂 遥 此后袁研究人员继续致力于对该代
谢途径的调控研究袁通过质体转化技术袁分别将真细菌
耘则憎蚤灶蚤葬 澡藻则遭蚤糟燥造葬和高等植物黄水仙的番茄红素 茁鄄环
化酶基因导入番茄质体基因组遥 结果显示院真细菌来
源的番茄红素 茁 原环化酶并没有明显改变番茄类胡萝
卜素的组成袁而来自黄水仙的酶明显促进了转基因番
茄果实中番茄红素向 茁 原胡萝卜素的转变袁茁 原胡萝卜
素在果实中的含量达 员皂早 辕 早 干重袁转基因番茄中类胡
萝卜素总量增加了 缘园豫以上咱源远暂 遥 该研究的成果表
明袁对番茄红素 茁 原环化酶的调控是控制植物类胡萝
卜素合成的关键袁同时证明应用质体转化技术增加作
物营养尧改善作物品质的潜力是巨大的遥
总之袁通过叶绿体体转化技术对农作物进行品质
改良的研究目前还处于探索阶段袁积累的资料不多遥
随着技术的日臻成熟袁有望将该技术应用于更多的作
物品质改良中遥
圆郾 远摇 提高产量
在提高作物产量方面袁许多研究者致力于通过研
究提高光合效率来实现农作物产量的提升遥 核酮糖 原
员袁缘 原二磷酸羧化酶 辕加氧酶渊砸怎遭蚤泽糟燥冤是光合作用中
悦韵圆 固定的核心酶袁世界各国多个研究小组都试图通
过优化 砸怎遭蚤泽糟燥 酶进而提高光合效率遥 运葬灶藻增泽噪蚤 等应
用叶绿体转化技术袁用向日葵的 砸怎遭蚤泽糟燥 大亚基和烟
草的 砸怎遭蚤泽糟燥 小亚基组合成具有活性的全酶咱源愿暂 遥 近
来袁在澡葬灶早等用番茄 砸怎遭蚤泽糟燥 大亚基基因转化烟草叶绿
体基因组袁其表达产物和烟草 砸怎遭蚤泽糟燥 小亚基组合成
完整而有活性的酶袁优化了 砸怎遭蚤泽糟燥 酶的组装咱源怨暂 遥 然
而袁这方面的工作还处于探索阶段袁还没有一个试验能
够表达出超高活性的 砸怎遭蚤泽糟燥 酶袁希望在不久的将来
可以通过叶绿体基因工程手段有效提高光合效率袁进
而提高作物产量遥
猿摇 存在问题及展望
叶绿体转化是一门新兴的转基因技术袁虽然它具
备核基因组转化不可比拟的优势袁但至今仍无叶绿体
转基因作物的商业化种植遥 分析其原因袁笔者认为与
相关技术体系的不成熟有关袁叶绿体遗传转化还存在
许多迫切需要解决的问题袁包括受体植物材料高效稳
定再生体系的建立尧简便快捷的筛选程序的建立等遥
迄今为止袁虽然已有多种植物成功实现叶绿体转化袁但
只有在烟草中的转化效率较高渊和农杆菌介导的核基
因组转化效率仍相差甚远冤袁而主要农作物叶绿体转
化进展缓慢袁大多仅限于物种特异的叶绿体转化体系
的建立袁未能对该作物进行实质上的遗传改良遥 因此袁
在新的植物种类中推广这项技术仍是当前和今后一段
时间亟待解决的关键问题遥
叶绿体基因组的高拷贝性致使转化时极易出现转
化与未转化叶绿体组成的异质体袁获得的性状很难稳
定遗传下去袁通常通过向叶绿体中转入抗生素选择标
记基因进行抗性筛选袁淘汰掉未转化的叶绿体遥 而转
基因植物中存留的抗生素筛选基因可能会危害人类肠
道内的正常菌落或传播到周围环境中引起基因污染袁
成为人们担心的主要原因遥 虽然外源基因在大多数植
物的叶绿体中遵循母性遗传规律袁不会随花粉飘逸袁然
而袁筛选标记基因被转移到近缘野生种或者微生物的
圆怨圆
摇 圆 期 叶绿体转化及其应用于作物改良研究的最新进展
可能性并没有完全排除袁因此开展有效的非抗生素筛
选标记的叶绿体转化研究势在必行遥
到目前为止袁高等植物的叶绿体转化除了在模式
植物烟草中获得了大量稳定的转基因植株外袁还陆续
在番茄咱源苑袁 缘园暂 尧胡萝卜咱猿缘暂 尧棉花咱缘员暂 尧 大豆咱圆愿暂 尧马铃
薯咱缘圆暂 尧 甘蓝咱猿员袁 缘猿暂 尧 莴苣咱缘源暂 尧 甜菜咱缘缘暂 尧 水稻咱圆缘暂 尧 油
菜咱缘远暂 尧茄子咱缘苑暂及小麦咱员圆暂等重要的农作物中有相关的
研究报道袁为进一步将叶绿体转化技术更好的服务于
农业生产袁叶绿体遗传转化的受体植物种类仍需进一
步扩大袁当然袁这要得益于相关技术体系的日臻完善遥
作为生物改良的有效手段袁叶绿体遗传转化为今
后的作物产量尧抗性尧品质改良开创了新机会袁尤其是
在生物安全方面的优势袁叶绿体转化必将为基因工程
带来新的活力遥
参考文献院
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体转化体系建立及抗虫和抗除草剂植株的获得咱 允暂 援 生物化学
与生物物理进展袁 圆园园愿袁 猿缘渊员圆冤院 员源猿苑 原 员源源猿
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贼则葬灶泽糟则蚤责贼蚤燥灶葬造 藻造藻皂藻灶贼泽 则藻增藻葬造 澡蚤早澡 造藻增藻造 藻曾责则藻泽泽蚤燥灶 燥枣 月贼 贼燥曾蚤灶
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缘愿院 远缘怨 原 远远愿
咱圆怨暂摇 张中林袁 任延国袁 沈燕新袁 山 松袁 范国昌袁 吴祥甫袁 钱凯先袁 沈
桂芳援 苏云金芽孢杆菌渊月贼冤晶体毒蛋白基因在烟草叶绿体中的
表达咱允暂 援 遗传学报袁 圆园园园袁 圆苑渊猿冤院 圆苑园 原 圆苑苑
咱猿园暂摇 候丙凯袁 陈正华援 苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白基因克隆及油菜叶
绿体遗传转化研究咱允暂 援 遗传袁 圆园园员袁 圆猿渊员冤院 猿怨 原 源园
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