全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (5): 427~436 427
收稿 2011-04-01　　修定 2011-04-11
资助 国家高技术研究发展计划(2009AA10Z102)、国家重点基
础研究计划(2007CB108805)和上海市绿化和市容管理局
专项(G102410)。
* 通讯作者(E-mail: zhangpeng@sibs.ac.cn; Tel: 021-54924096)。
甘薯遗传转化及其在分子育种中的应用
杨俊1, 张敏2, 张鹏1,2,3,*
1中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室, 上海200032; 2中国科学院合成生物
学重点实验室, 上海200032; 3中国科学院上海辰山植物科学研究中心, 上海辰山植物园, 上海201602
摘要: 甘薯是全球重要的块根类作物, 不仅为人类提供了粮食, 同时也是动物饲料、淀粉及燃料乙醇等工业加工的原材
料。建立甘薯遗传转化体系不仅是开展甘薯重要基因功能验证的平台, 同时也是甘薯转基因分子育种的必要手段。本
文对甘薯遗传转化技术的发展及应用进行了综述。
关键词: 甘薯; 植株再生; 遗传转化; 应用
Genetic Transformation of Sweet Potato and Its Application in Molecular Breeding
YANG Jun1, ZHANG Min2, ZHANG Peng1,2,3,*
1National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biologi-
cal Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China; 2Key Laboratory of Synthetic Biology of Chinese Academy
of Sciences, Shanghai 200032, China; 3Shanghai Chenshan Plant Science Research Center, Chinese Academy of Sciences, Shang-
hai Chenshan Botanical Garden, Shanghai 201602, China
Abstract: Sweet potato is an important root crop for food production world-wide and serves as raw material for
the processing of feeds, starches and bioethanol in various industries. Establishment of efficient genetic
transformation system in sweet potato not only provides a platform for functional verification of important
genes, but also is an essential tool for molecular breeding in sweet potato improvement. This review presents
the development and application of genetic transformation in sweet potato.
Key words: sweet potato; plant regeneration; genetic transformation; application
甘薯(Ipomoea batatas Lam.)是全球重要的粮
食作物, 其块根富含淀粉, 茎叶可食用, 因此综合
利用价值非常高。甘薯具有产量高、稳产性好、
耐逆境能力强等诸多优点, 可在多种生态环境下
种植。我国是全球甘薯种植面积和产量最大的地
区, 以不足总种植面积50%的土地生产了全世界
80%的甘薯(FAO 2010)。因此, 甘薯不仅是我国粮
食安全的重要保障之一和健康膳食的构成部分,
同时也是当前生产燃料乙醇的重要原材料之一,
在国家生物质能产业发展中起着重要的作用(张鹏
2006)。随着工业加工的大量需求及各种病毒病和
植食性昆虫的危害, 培育高产、优质、抗病虫、
耐储藏的优良甘薯新品种已成为甘薯育种工作的
主要目标。常规育种在我国甘薯产业发展上曾经
发挥了重要的作用, 利用从南美洲和日本等引进
的种质资源培育出多个优良品种, 包括‘徐薯18’、
‘南薯88’等, 然而甘薯的异源六倍体(2n=6x=96)遗传背
景、高度雄性不育、自交不亲和、低结实率及后
代严重分离等特点, 导致常规育种效率低下, 严重
制约了甘薯产业的发展(Srisuwan等2006)。转基因
育种技术则不受上述特点的制约, 可以在较短时
间内有针对性地改良现有品种的农艺性状, 实现
种质创新和品种改良。本文针对甘薯遗传转化体
系中高效植株离体再生和与之相配套的目的基因
有效整合两大关键技术及问题进行了探讨, 并对
已经取得的转基因分子育种成果进行了总结。
1 甘薯离体植株再生
1.1 器官发生途径
在早期的甘薯组织培养中多利用器官发生途
径实现离体植株再生, 由愈伤组织直接成芽或经
不定根再出芽完成植株再生。Gunckel等(1972)对
3个品种(‘Yellow Jersey’、‘Jersey Orange’和‘Cen-
tennial’)的块根切片进行了培养, 发现愈伤组织和
植物生理学报428
不定根的形成与多个因素相关, 包括基因型、组
织极性、外植体方位和培养基附加物(包括IAA、
NAA、2,4-D、硫酸腺素、KT、GA3和椰子汁等),
并在‘Yellow Jersey’和‘Centennial’两个品种上获得
了再生小植株。Sehgal (1975)报道在添加10~20
mg·L-1腺嘌呤或0.1~0.5 mg·L-1 KT的MS培养基上
叶源愈伤组织可获得根和芽器官; 在添加10或20
mg·L-1腺嘌呤和1 mg·L-1 2,4-D的MS培养基可以诱
导花粉和花粉壁形成愈伤组织并最终再生成未减
数的植株(Sehgal 1978)。Litz和Conover (1978)研
究了两个模式品种‘White Star’和‘PI315343’对不
同浓度激素的响应以及愈伤组织形成效率, 表明
附加IAA的MS培养基可以诱导‘White Star’的愈伤
组织形成, 而活性炭可抑制愈伤组织生长; 1 mg·L-1
BAP有助于芽器官的增殖, 1 mg·L-1 NAA则加快再
生过程和根系生长。Hwang等(1983)从3个品种的
叶柄诱导出了芽器官, 并从其中一个品种的根切
片诱导出了不定芽。Carswell和Locy (1984)在培
养甘薯的叶片、茎和块根外植体时也发现先形成
不定根 , 再从不定根上出芽的独特再生方式。
Scaramuzzi (1986)通过甘薯茎尖分生组织培养获
得了根器官和芽器官; Belarmino等(1992)也从
‘Tamayutaka’等品种的叶片愈伤组织获得了较高
频率的植株再生, 这些再生植株也是由较粗的不
定根产生的。最近, 多个品种实现了基于叶片或
叶柄的植株再生(Cheng和Yeh 2003; Santa-Maria等
2009), 并建立了基于芽器官发生的遗传转化体系
(Song等2004; Luo等2006)。
1.2 体细胞胚胎发生途径
甘薯体细胞胚胎发生最早是Tsay和Tseng
(1979)在花药培养中发现的, 随后在茎尖、叶片、
叶柄、茎及块根的离体培养中都观察到了体细胞
胚胎发生(Jarret等1984; Liu和Cantliffe 1983, 1984a,
b; Chee和Cantliffe 1987a, b, 1988a, b)。其中, 美国
Cantliffe实验室的研究工作最为突出, 他们利用
‘White Star’这个早期模式品种, 先后筛选了含有分
生组织的根、茎、叶、叶柄、茎尖等多种外植体
并测试了多种培养基, 观察到了甘薯的体细胞胚
胎发生过程并实现了植株的低频率再生(Liu和
Cantliffe 1983)。随后, 又系统研究了不同外植体
在各种培养基上的响应(Liu和Cantliffe 1984a, b),
从根、茎、叶、茎尖等各种不同外植体都获得了
胚性愈伤组织, 并指出利用茎尖诱导胚性愈伤组
织的效率最高; 组织学研究表明胚性愈伤组织来
源于顶端分生组织外周和叶原基, 从第1对叶原基
到第3对叶原基胚性愈伤组织的生成频率从90%下
降至30%, 并且2,4-D的使用浓度是胚性愈伤组织
形成的关键因素(Chee和Cantliffe 1987a, b)。甘薯
胚性愈伤组织表现为黄色、不透明、表面有瘤状
突起的致密结构 , 而非胚性愈伤组织则具有白
色、透明、易碎的特征, 两种愈伤组织一般同时
存在(Chee和Cantliffe 1988a, b); 随后建立了在固
体培养基上人工挑选胚性愈伤组织和在液体培养
基中增殖愈伤组织的方法, 并间接证明了甘薯胚
胎发育的极性建成是IAA极性运输的结果, 为外源
生长素诱导胚性愈伤组织的产生和增殖提供了一
定的理论依据(Chee和Cantliffe 1989a, b, c; Chee等
1988)。甘薯体细胞胚胎发育与典型双子叶种子发
育差别较大, 有三类胚状体能够很快发育成完整
植株, 包括鱼雷胚、子叶胚和长下胚轴鱼雷型胚
状体(Schultheis等1990)。值得注意的是甘薯体细
胞胚胎的子叶常呈畸形管状, 子叶、子叶柄、下
胚轴没有明显的区分, 各种胚状体成簇生长, 这些
胚状体形态学的准确界定为此后甘薯体细胞胚胎
发生和植株再生的研究带来了极有价值的依据(图
1)。通过后续进一步的优化, 基于模式品种‘White
Star’的离体植株再生体系发展成熟。借助于该体
系Cantliffe实验室还发展了制备甘薯人工种子的
方法(Chee和Cantliffe 1992; Chee等1992; Cantliffe
1993), 以及利用胚性愈伤组织开展液体培养的生
物反应器系统(Bieniek等1995), 并最终在1996年利
用农杆菌介导实现了‘White Star’的转基因操作
(Gama等1996), 探讨了生长素对甘薯胚胎发育能
力的调控机理(Torres等2001)。
日本科研人员在甘薯的组织培养方面也进行
了非常系统的研究。早期Shimada实验室于1987
开展了甘薯叶肉原生质体培养的研究(Otani等
1987); 1993年利用发根农杆菌侵染甘薯叶盘并从
发状根诱导出了转基因甘薯小植株(Otani等1993);
1996年完成品种‘Kokei14’的胚性愈伤组织诱导和
植株再生(Otani和Shimada 1996), 并基于此植株再
生系统在1998年了实现农杆菌介导的甘薯遗传转
杨俊等: 甘薯遗传转化及其在分子育种中的应用 429
图1 甘薯体细胞胚胎发生过程中各种形态的胚状体
Fig.1 Different types of embryoids during somatic embryogenesis of sweet potato
A: 鱼雷胚; B: 管状子叶胚; C: 管状子叶伸长的胚状体; D: 管状子叶胚的成簇生长。Bar=1 mm。
化(Otani等1998)。随后, 该团队获得了不含直链淀
粉的糯性甘薯(Kimura等2001; Otani等2007)、表
达NtFAD3 (Wakita等2001)、抗除草剂(Otani等
2003)、表达抗糖尿病蛋白(Berberich等2005)、提
高直链淀粉含量(Shimada等2006)等一系列转基因
甘薯。
我国甘薯遗传转化研究相对滞后, 以食用品
种‘栗子香’为研究材料, 刘庆昌等建立了甘薯的悬
浮培养体系并实现了离体植株再生(Liu等1998);
2001年优化了植株再生条件使得再生频率显著提
高(Liu等2001), 并于2004年成功获得了转OsOCI基
因的甘薯再生植株(蒋盛军等2004)。经过多年的
发展, 基于‘栗子香’悬浮培养的遗传转化体系实现
了高效率转化(Yu等2007), 并随后获得了抗除草剂
的转基因甘薯(Zang等2009)。利用类似体系表达
Oryzacystatin-I提高了‘徐薯18’的抗茎线虫能力
(Gao等2011)。
甘薯的体细胞胚胎发生及遗传转化对基因型
的依赖性很强, 经过对上述系统的不断优化, Yang
等(2011)建立了十几个甘薯主栽品种的高效率甘
薯体细胞胚胎发生和胚性悬浮培养体系, 实现了
多品种转基因植株的大量制备, 为甘薯的功能基
植物生理学报430
因组学研究及遗传改良提供了平台。
综上所述, 甘薯体细胞胚胎发生和植株再生
在全世界范围内已经取得很大进展, 并且体细胞
胚胎发生要比器官形成途径较易调控, 效率也较
高, 更能满足甘薯遗传转化体系的要求。体细胞
胚胎发生所用的材料可以是茎尖、叶片、叶柄、
茎或块根等, 但大多数研究表明: 茎尖分生组织是
诱导体细胞胚胎发生的最理想材料, 尤以只包含
1~2片叶原基的茎尖(约0.5 mm)最为合适。诱导甘
薯体细胞胚胎发生的一般流程如图2所示: (1)外植
体的准备。大田或盆栽甘薯经常规消毒灭菌后,
建立无菌组培苗并继代扩繁。(2)体细胞胚胎发
生。取茎尖(图2-A)分生组织于诱导培养基上诱导
胚状体的形成, 使用的培养基一般为添加2,4-D的
MS培养基, 根据基因型的不同可适当调整2,4-D的
浓度, 一般在0.2~3.0 mg·L-1之间; 一周左右即可先
观察到非胚性愈伤组织的产生, 随后致密的胚性
愈伤组织在2~8周内从茎尖组织直接形成或在非
胚性愈伤组织中产生, 根据二者的区别将胚性愈
伤组织(图2-B)挑选出来并在同样的培养基上继代
图2 甘薯体细胞胚胎发生以及遗传转化流程示意图
Fig.2 Illustration of somatic embryogenesis and genetic transformation in sweet potato
A: 茎尖(箭头指示0.5 mm挑取部分); B: 诱导的与非胚性愈伤组织共存的初生胚状体; C: 初生胚状体继代纯化后的胚性细胞团; D: 利
用胚性细胞团建立的悬浮培养, 左下角为放大的胚性细胞团, 右上角是农杆菌共培养后得到的GUS阳性胚性细胞团; E: 抗性愈伤组织筛选
及瞬时GUS表达(右下); F: 抗性细胞团逐步发育成心型胚, 并由紫红色向绿色转变; G: 抗性鱼雷胚及长管状鱼雷胚; H: 抗性胚状体的GUS
验证; I: 转化胚状体萌发再生成苗, 左上角示意转GUS阳性苗的鉴定。
杨俊等: 甘薯遗传转化及其在分子育种中的应用 431
扩繁(图2-C)。(3)胚性悬浮细胞团的建立。可利用
继代扩繁的胚性愈伤组织建立悬浮培养体系, 从
而可在较短时间内获得大量胚性愈伤组织 (图
2-D), 为遗传转化提供足够的受体材料, 这个阶段
也是与农杆菌共培养的阶段; 而对于一些体细胞
胚胎发生困难的甘薯品种, 可以尝试贝考啉酸(pi-
colinic acid)、KT、4FA、Picrolam和Dicamba等不
同的激素或激素组合(Desamero等1994)进行胚状
体诱导和悬浮培养体系的建立。(4)胚状体萌发与
植株再生。甘薯悬浮细胞团在再生培养基上培养
一段时间形成簇状胚状体(图2-F、G)后能够很快
发育成完整植株(图2-I)。
2 甘薯遗传转化研究与进展
2.1 受体材料
新鲜块根、茎段、叶片、叶柄、原生质体、
愈伤组织、胚性愈伤组织和胚性悬浮细胞系都曾
用作甘薯转基因的受体材料。早期的研究主要以
较易获得的叶片和叶柄为主(Prakash和Varadarajan
1992; Dessai等1995), 但普遍存在再生效率低下的
问题。随着研究的深入, 发现甘薯经由体细胞胚
胎发生过程的再生频率很高, 转基因受体材料逐
渐偏向于胚性愈伤组织和胚性悬浮细胞系(Gama
等1996; Otani等1998; Wakita等2001; Yu等2007;
Mitchell等1998; Yang等2009, 2011)。这就要求首
先获得胚性愈伤组织, 如前所述茎尖顶端分生组
织是诱导胚性愈伤组织的最佳外植体, 并在多个
品种中得以证实(Yang等2011)。虽然近年来陆续
有利用叶片或叶柄经芽器官发生或胚胎发生获得
转基因甘薯的报道, 但甘薯遗传转化主流路线仍
然是利用茎尖诱导出胚性愈伤组织后, 经固体或
液体培养基扩繁后作为转化受体材料, 通过体细
胞胚胎发生途径获得转基因植株(图2)。
2.2 转化方法
最早应用于甘薯转化的方法是基因枪法 ,
Prakash等(1991)用钨弹轰击甘薯叶片和叶柄获得
了GUS阳性的愈伤组织和根器官, 通过优化方法
次年又获得了两个品种‘Jewel’和‘TIS-70357’的转
基因植株(Prakash和Varadarajan 1992); Lawton等
(2000)和Winfield等(2001)则研究了GFP作为报告
基因的基因枪法转化条件; Okada等(2002)利用基
因枪法也成功获得了转基因甘薯。
发根农杆菌介导的甘薯遗传转化由Otani等
(1993)首次报道, 甘薯叶片与发根农杆菌共培养获
得的发状根进一步诱导获得转基因甘薯; 随后的
研究显示发根农杆菌株系和外植体的类型均会影
响发状根的形成。由于经发状根诱导植株形成较
困难, 并且转基因植株可能出现顶端优势紊乱、
叶变小、节间变短、块根膨大受阻等不良表型,
目前发根农杆菌鲜有用于甘薯转基因研究。
在甘薯原生质体培养研究的基础上, 电击法
也曾用于甘薯的遗传转化。Xue (1995)评价了电
场参数和供体DNA状态对GUS瞬间表达的影响;
Murata等(1997)获得了GUS阳性的转基因甘薯;
Lawton等(2000)获得了1% GFP阳性的愈伤组织;
Winfield等(2001)获得了3% GFP阳性的愈伤组织;
Okada等(2001)获得了表达甘薯羽状斑驳病毒(SP-
FMV) CP蛋白的抗病毒转基因甘薯。
虽然基因枪法、发根农杆菌介导法、电击法
先后都有成功获得转基因甘薯植株的范例, 但是
效率都不是很高, 获得的株系数量有限, 难以达到
实际应用的要求。而利用农杆菌介导的以胚性愈
伤组织为受体材料的转基因体系的建立大大推动
了甘薯转基因技术的成熟, Cantliffe的团队1996年
利用该方法获得了‘White Star’品种的转基因植株
(Gama等1996); Shimada的团队1998年完成了
‘Kokei14’的转基因操作(Otani等1998); Kim团队
2007年获得了品种‘Yulmi’抗除草剂的转基因株系
(Choi等2007; Yi等2007)。
在很长一段时期, 获得足够的胚性愈伤组织
成为了制约甘薯转基因技术高效率应用的瓶颈。
刘庆昌团队建立的甘薯胚性悬浮细胞系因可快速
大量繁殖而基本解决了该问题(Liu等1998), 以‘栗
子香’的胚性悬浮细胞系为受体材料, Yu等(2007)
较全面地优化了农杆菌介导的甘薯转基因技术。
最近张鹏团队报道了多个我国主栽甘薯品种的胚
性悬浮细胞系的建立及转化, 突破了基因型的限
制(Yang等2011)。因此, 目前甘薯转基因植株获得
的最可行方法是基于胚性悬浮细胞团为材料的农
杆菌介导法。其基本流程如下: 过夜培养的农杆
菌以适当接种量(如1:50)振荡培养至OD600值在
0.5~1.0后离心收集菌体, 利用胚性愈伤组织悬浮
培养用的液体培养基清洗一遍后将菌体均匀分散
植物生理学报432
至添加乙酰丁香酮(AS, 200 μmol·L-1)的胚性愈伤
组织培养基中调节OD600至1.0; 移取胚性悬浮细胞
团浸没于上述菌液中, 侵染10 min左右(抽真空可
以提高侵染效率), 然后控干菌液并平铺于共培养
培养基表面的滤纸上 , 共培养培养基是含200
μmol·L-1 AS的愈伤组织诱导培养基或基本培养基;
共培养3~4 d后, 冲洗愈伤组织表面残留菌体, 可随
机选取部分愈伤组织作GUS瞬时表达(图2-E右下)
分析, 然后转移至含适当抗生素的再生培养基上
进行筛选(图2-E); 待观察到心型胚(图2-F)、鱼雷
胚(图2-G)、子叶胚和长下胚轴鱼雷型胚状体(图
2-H)大量出现后, 将抗性胚状体转移至含适当抗生
素的再生培养基上完成植株再生(图2-I)。农杆菌
介导的甘薯遗传转化流程可总结为图3所示的六
大关键步骤, 如何解决各个步骤中的一些细节问
题, 做到前后衔接、平稳过渡是整个甘薯遗传转
化体系成功与否的关键。
Wakita等2001; Berberich等2005; Shimada等2006;
Yu等2007; Yang等2009, 2011), 从已经报道的研究
结果来看 , 潮霉素的筛选效果明显优于卡那霉
素。此外将目标农艺性状(抗除草剂)和筛选标记
相结合的策略也被证明是可行的(Choi等2007; Yi
等2007; Zang等2009)。但出于转基因植物环境安
全性问题的考虑, 不依赖于抗生素和除草剂的筛
选技术是甘薯遗传转化中亟需研究和解决的问
题。Kim等(2010)利用甘薯MYB1基因作为植物遗
传转化可见筛选标记的研究给出了很好的思路和
应用可能性。
3 利用转基因改良甘薯农艺性状的研究
甘薯遗传上的高度杂合性和种间、种内广泛
存在的杂交不亲和性, 限制了甘薯育种中亲本的
自由选配, 造成传统育种时遗传资源匮乏、遗传
基础狭窄、优异近缘野生种利用困难等等问题;
同时, 甘薯营养和淀粉品质与马铃薯等其他作物
有明显差距, 营养成分还有强化的空间(b-胡萝卜
素、花青素、铁等微量营养元素), 淀粉品质有待
改良; 甘薯病虫害、病毒病危害严重(Guo等2006),
制约了甘薯的生产和产业发展, 也是当前亟待解
决的问题。利用分子育种技术, 将控制重要农艺
性状的基因直接导入现有主栽甘薯品种, 有望实
现品种改良从而解决这些问题。
抗除草剂作物可以节约田间除草劳动成本,
为实现大规模机械化种植提供有利条件, 因此利
用转基因技术将抗除草剂基因导入甘薯对促进甘
薯种植业发展十分重要, 同时除草剂抗性基因还
可以作为遗传转化体系的筛选标记。Otani等
(2003)报道了利用潮霉素作为筛选标记获得了表
达bar基因的转基因甘薯, 浸泡过1 000 mg·L-1除草
剂bialaphos后, 转基因植株的叶片没有出现坏死并
且植株生长正常; Yi等(2007)则直接利用基因枪轰
击甘薯顶端分生组织来源的胚性愈伤组织 , 5
mg·L-1除草剂PPT筛选并诱导器官发生的方法获得
了多个转基因植株, 但检测结果显示外源基因大
多为多拷贝插入, 喷施0.3% Basta试验表明一些转
基因植株对除草剂有抗性; Choi等(2007)利用农杆
菌侵染甘薯胚性愈伤组织, 除草剂PPT直接筛选获
得了少量株系并证明外源基因拷贝数在1~3个之
间, 转基因植株可抗0.5% Basta喷施; Zang等(2009)
2.3 筛选方法
回顾甘薯遗传转化目前已取得的主要成果
(表1)可以发现: 早期甘薯转化中使用的筛选抗生
素主要是卡那霉素 , 存在假阳性率偏高的问题
(Gama等1996; Otani等1993; Prakash和Varadarajan
1992; 蒋盛军等2004)。目前比较成熟和应用最广
泛的筛选标记是潮霉素抗性基因hpt (Otani等1998,
2003, 2007; Kimura等2001; Okada等2001, 2002;
图3 根癌农杆菌介导的基于胚性悬浮细胞团为材料的
甘薯遗传转化流程
Fig.3 Agrobacterium-mediated genetic transformation sched-
ule of sweet potato using embryogenic suspension cultures
杨俊等: 甘薯遗传转化及其在分子育种中的应用 433
采用‘栗子香’胚性悬浮细胞团为受体材料, 利用农
杆菌介导和除草剂筛选的转化体系获得了大量的
抗除草剂PPT转基因甘薯, 在喷施1 000~2 000
mg·L-1 PPT时转基因植株仍能表现很好的生长状
态, 为抗除草剂甘薯的推广应用打下了坚实的基
础。
甘薯淀粉是优良的食用淀粉, 但如何进一步
提升其工业利用价值、拓宽其应用领域是甘薯育
种工作者长期考虑的问题和育种目标。普通甘薯
淀粉中含有20%~30%的直链淀粉(amylose)和
70%~80%的支链淀粉(amylopectin), 直链淀粉的合
成主要依赖于颗粒束缚型淀粉合成酶(ground-
表1 甘薯遗传转化研究进展
Table 1 Advances in genetic transformation of sweet potato
　品种 　　受体材料 转化方法 　　载体信息 筛选方式 农艺性状 研究深度* 　　文献
‘Jewel’, 叶和叶柄 基因枪 pBI221 (uidA, nptII) 卡那霉素 — GUS, PCR Prakash和
‘TIS-70357’ Varadarajan 1992
5个品种 叶盘 发根农杆菌 pBI121 (uidA, nptII) 卡那霉素 — GUS Otani等1993
‘Jewel’ 块根切片 根癌农杆菌 pCT15, pPCG6 卡那霉素 — GUS,SB Newell等1995
‘White Star’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 uidA, nptII 卡那霉素 — GUS, PCR, SB Gama等1996
‘Jewel’ 叶片来源愈伤组织 电击法 uidA — — 瞬时表达 Mitchell等1998
‘Jewel’ 叶盘 根癌农杆菌 pDEBTT (CryIIIA) 卡那霉素 抗虫 PCR, SB, Morán等1998
抗蚁象
‘Kokei 14’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 pIGl21-Hm (uidA, hpt) 潮霉素 — GUS, SB Otani等1998
‘Beauregard’ 原生质体, 愈伤组织 基因枪 GFP — — 瞬时表达 Lawton等2000
‘Kokei 14’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 35S::GBSSI, hpt 潮霉素 降低直链 碘染, PAGE Kimura等2001
淀粉含量
‘Chikei 682-11’ 原生质体 电击法 CP, hpt 潮霉素 抗病毒 NB, WB, Okada等2001
抗病毒
‘Beauregard’ 原生质体, 愈伤组织 基因枪 GFP — — GFP Winfield等2001
‘Kokei 14’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 35S(35S-E12)::NtFAD3, 潮霉素 提高不饱和 脂肪酸组成 Wakita等2001
hpt 脂肪酸 分析
‘Kokei 14’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 bar, hpt 潮霉素 抗除草剂 抗除草剂 Otani等2003
‘Beniazuma’ 茎段等 根癌农杆菌 pIG121Hm 卡那霉素 — GUS, SB Song等2004
‘栗子香’ 胚性悬浮细胞团 根癌农杆菌 pBinh (nptII, OsOCI) 卡那霉素 抗病虫害 PCR 蒋盛军等2004
‘Kokei 14’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 mouse adiponectin, hpt 潮霉素 生物反应器 PCR, SB, WB Berberich等2005
‘Jewel’ 叶片 根癌农杆菌 pCIP45 (Ntdhdps-r1) 卡那霉素 — PCR, SB Luo等2006
‘Kokei 14’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 35S::SBEIIRNAi, hpt 潮霉素 提高直链 碘染, 直链含量 Shimada等2006
淀粉含量
‘Yulmi’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 pCAMBIA3301 草胺膦 抗除草剂 PCR, SB, RT Choi等2007
(uidA,bar)
‘Kokei 14’ 胚性愈伤组织 根癌农杆菌 35S::GBSSIRNAi, hpt 潮霉素 降低直链 碘染, PAGE Otani等2007
淀粉含量
‘Yulmi’ 胚性愈伤组织 基因枪 uidA,bar 草胺膦 抗除草剂 GUS, 抗除草剂 Yi等2007
‘栗子香’ 胚性悬浮细胞团 根癌农杆菌 pCAMBIA1301 潮霉素 — PCR, SB Yu等2007
(uidA, hpt)
‘栗子香’ 胚性悬浮细胞团 根癌农杆菌 pCAMBIA3300 草胺膦 抗除草剂 GUS, PCR, SB Zang等2009
(uidA, bar)
7个主栽品种 胚性悬浮细胞团 根癌农杆菌 pCAMBIA1301 潮霉素 — GUS, PCR, SB Yang等2011
(uidA, hpt)
‘徐薯18’ 胚性悬浮细胞团 根癌农杆菌 pCAMBIA1301-OCI 潮霉素 抗茎线虫 GUS, SB, WB Gao等2011
(uidA, hpt)
　　*GUS: histochemical staining with X-Gluc, X-Gluc组织学染色; PCR: polymerase chain reaction, 聚合酶链式反应; SB: Southern blot,
Southern杂交; PAGE: polyacrylamide gel electrophoresis, 聚丙烯酰胺凝胶电泳; WB: Western blot, Westren印迹; GFP: green fluorescent pro-
tein, 绿色荧光蛋白; NB: Northern blot, Northern杂交; RT: RT-PCR, 反转录聚合酶链式反应。
植物生理学报434
bound starch synthase, GBSS)基因, 支连淀粉的合
成则主要是淀粉分支酶(starch branching enzyme,
SBE)完成的。Kimura等(2001)在过表达甘薯内源
GBSSI的株系中意外发现直链淀粉缺失的糯性转
基因甘薯, 推测是由于插入基因的高表达导致共
抑制的结果; 此后通过改变策略构建抑制GBSSI的
发夹结构导入甘薯来获得糯性甘薯(Otani等2007);
Shimada等(2006)基于同样的策略干扰了甘薯
SBEII(淀粉分支酶II)的表达以提高直链淀粉含量
也获得了一定的效果, 但离商业化应用一般所要
求的直链淀粉含量60%还有一定距离。
甘薯常见病虫害包括甘薯蚁象、茎线虫、羽
状斑驳病毒等。在抗虫方面, Newell等(1995)采取
在转基因甘薯中表达蛋白酶抑制剂来降低昆虫取
食的策略, 达到抗虫目的; Morán等(1998)则采用更
普遍的表达苏云金杆菌杀虫毒蛋白的方式; 蒋盛
军等(2004)导入了水稻来源的巯基蛋白酶抑制剂
基因以期提高甘薯的抗虫能力。这些研究都获得
了一定数量的转基因植株但抗虫效果均缺乏有力
的证据。在提高甘薯抗甘薯羽状斑驳病毒病方面,
Okada等(2001)将该病毒的外壳蛋白导入到甘薯中
获得了抗该病毒的转基因株系, 并对外源基因的
稳定性进行了验证(Okada等2002)。最近, Gao等
(2011)报道了在甘薯‘徐薯18’中表达水稻巯基蛋白
酶抑制剂(Oryzacystatin I)基因可明显提高甘薯对
茎线虫的抗性, 为提高甘薯抗茎线虫的能力提供
了有益的尝试。
此外将烟草的FAD3导入甘薯提高其不饱和
脂肪酸含量也已实现(Wakita等2001), 而利用甘薯
作为生物反应器表达小鼠来源的抗糖尿病蛋白的
研究也有报道(Berberich等2005)。总结目前已获
得的转基因甘薯株系, 由于利用的是一些非主栽
品种获得的结果, 这些成果直接应用于生产种植
的可能性很小, 但是通过与传统育种相结合或者
在主栽品种中对经过验证的策略重新转化, 有望
逐步实现甘薯转基因育种并解决甘薯产业化中的
实际问题和挑战。
4 存在问题和技术展望
尽管甘薯转基因技术已趋于成熟, 但是由于
甘薯品种繁多, 已成功的多不是主栽品种, 并且在
转化技术细节上存在较大的差异, 缺乏一个适应
多个品种的转化体系, 这在一定程度上制约了甘
薯转基因技术的实际应用。随着甘薯育种向专用
型方向的发展, 更需要建立一个非基因型依赖性
的遗传转化体系。经过近几年的深入研究和探索,
适宜甘薯多品种的遗传转化体系已建立(Yang等
2011), 为甘薯的分子生物学研究及遗传改良提供
了技术储备。但从商业化和生物安全性的角度出
发, 目前的转基因体系还需要作进一步的改进, 急
需解决伴随常规筛选标记的环境安全性问题, 如
引入正筛选或标记基因删除技术等。导入基因在
甘薯中的稳定性以及在杂交后代中的遗传规律也
需要作进一步的深入研究。同时, 随着甘薯功能
基因组学的发展, 需要利用甘薯遗传转化平台开
展重要基因的功能验证工作, 为甘薯遗传改良提
供理论基础和备选目标基因。
5 结束语
我国是甘薯生产大国, 利用常规育种培育的
甘薯优良品种在国家粮食安全及生物质能开发方
面都发挥了重要作用, 解决了关系国计民生的重
大问题, 产生了积极的社会影响和经济效益。利
用分子育种技术实现甘薯种质创新, 开发甘薯基
因资源和潜在利用价值, 促进甘薯产业化的发展,
将是当前面临的机遇和挑战。
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