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Progress and Prospect of Research in Transgenic Poplar

杨树转基因研究进展及展望



全 文 :林业科学研究 2016,29(1):124 132
ForestResearch
  文章编号:10011498(2016)01012409
杨树转基因研究进展及展望
丁莉萍,王宏芝,魏建华
(北京市农林科学院北京农业生物技术研究中心,农业基因资源与生物技术北京市重点实验室,北京 100097)
收稿日期:20141127
基金项目:国家“863”计划“杨树抗虫关键基因的鉴定及分子育种技术研究”项目(2013AA1027016)、北京市农林科学院青年科研基金
项目(QNJJ201415)
作者简介:丁莉萍,女,助理研究员,博士研究生,研究方向:林木基因工程;Emial:dingluo2011@126.com
 通讯作者:男,研究员,研究方向:植物基因工程;Emial:weijianhua@baafs.net.cn
摘要:杨树是重要的栽培树种,也是研究林木基因工程的重要模式植物。杨树转基因研究可以打破种属限制,具有
高效性和专一性的特点,是对杨树进行遗传改良的重要手段。为了更好的进行该方面的工作,本文介绍了杨树转基
因涉及到的抗虫、抗除草剂、木材材性改良、抗逆、抗病、激素调控、开花调控和植物修复等应用领域的研究进展及现
状,分析了影响杨树农杆菌转化效率的主要因素,并探讨了杨树转基因研究存在的问题及发展方向,希望能为后期
从事林木基因工程研究的科研工作者提供依据。
关键词:杨树;转基因;农杆菌
中图分类号:S79211 文献标识码:A
ProgressandProspectofResearchinTransgenicPoplar
DINGLiping,WANGHongzhi,WEIJianhua
(BeijingAgroBiotechnologyResearchCenter,BeijingAcademyofAgricultureandForestrySciences,BeijingKeyLaboratoryofAgricultural
GeneticResourcesandBiotechnology,Beijing 100097,China)
Abstract:Toreviewthetransgenicimprovementofpoplar,theprogressandstatusofthepoplartransgenicresearch
relatingtoinsectresistance,herbicideresistance,biomasstraits,stresstolerance,diseaseresistance,hormone
modification,floweringmodificationandphytoremediationweresummarized.ThefactorsinfluencingAgrobacterium
mediatedtransformationofpoplarwereanalyzed.Someproblemsexistedinpoplartransgenicresearchanddevelo
pingdirectionwerealsoexplored.
Keywords:poplar;transgenic;Agrobacteriumtumefaciens
杨树是世界上广泛栽培的重要树种之一,又具
有速生丰产、实用性强等特点,在城市绿化、生态建
设和木材生产中发挥着不可替代的巨大作用。杨树
基因组小,易于遗传操作;杨树有较为完善的遗传图
谱,一些重要性状已被定位[1];杨树又是根癌农杆菌
的天然寄主,便于利用根癌农杆菌介导法进行遗传
转化[2],因此杨树被认为是林木基因工程研究的模
式植物。现代植物基因工程技术定向性和预期性
强,遗传稳定性好,已广泛应用于杨树品种改良和分
子生物学研究[3]。
1 杨树转基因研究进展及现状
自1986年Parsons等[2]首次证实杨树可以进行
遗传转化和表达外源基因以来,杨树转基因应用领
域已涉及抗虫、抗除草剂、木材材性改良、抗逆、抗
病、激素调控、开花调控和植物修复等方面,详情见
表1。国外学者在杨树转基因研究中更多关注基因
功能,主要体现在改良性状、转化树种和田间试验等
方面;我国的杨树转基因研究起步较早,主要集中在
具有经济和应用价值的基因研究上。
第1期 丁莉萍,等:杨树转基因研究进展及展望
1.1 杨树抗虫转基因研究
杨树大规模种植,往往品种单一,致使虫害十分
严重。化学药剂和生物杀虫剂不仅成本高,而且易
造成严重的环境污染,因此培育抗虫品种,提高林木
自身的抗虫能力成为培育杨树新品种的必然选择。
表1 杨树转基因研究概况
性状 基因型 拉丁学名 转化受体 转化菌株 启动子/目的基因 启动子/筛选标记基因 文献
抗虫 欧洲黑杨 P.nigra 叶片或茎段 LBA4404 CaMV35S::Cry1AC Pnos::NPTⅡ [4]
741杨
P.alba×(P.davidiana+
P.simoni)×P.tomentosa
叶片 LBA4404
CaMV35S::Cry1Ac;
CaMV35S::API
NPTⅡ [5]
欧美杨 P.euramericana
叶片或
茎段
pB48.214;
pB482.15
CaMV35S::Bt NPTⅡ [6]
美洲黑杨×小叶杨 P.deltoides×P.simoni
叶片或
茎段
LBA4404 CaMV35S::Bt Pnos::NPTⅡ [7]
毛白杨 P.tomentosaCar. 叶片 LBA4404
CaMV35S::Cry1Ac;
CaMV35S::API
NPTⅡ [8]
欧洲山杨×美洲山杨 P.tremula×P.tremuloides 茎段
C58/
pMP90
Mas::cry3Aa HPT [11]
美洲黑杨×欧洲黑杨;
毛果杨×美洲黑杨
P.deltoides×P.nigra;
P.trichocarpa×P.del
toides
叶片 C58 CaMV35S::cry3Aa NPTⅡ [12]
欧洲山杨×美洲山杨 P.tremula×P.tremuIoides
叶片或
茎段
GV3101
(pMP90)
CaMV35S::OCI Pnos::NPTⅡ [13]
美洲黑杨×小叶杨 P.deltoides×P.simoni
叶片或
叶柄
LBA4404 CaMV35S::AaIT Pnos::NPTⅡ [14]
抗除草剂 银白杨×大齿杨 P.alba×P.grandidentata 叶片
C58;
LBA4404
Mas::aroA
Ocs::NPTⅡ
Mas::NPTⅡ
[15]
银白杨×欧洲山杨;毛果
杨×美洲黑杨
P.alba×P.tremula;P.
trichocarpa×P.deltoides
茎段 C58C1 RbcS::BAR Pnos::NEO [16]
欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba 茎段
C58pMP90;
82.139
PAt::crsl-1;
P70::crsl1
P70::NEO [17]
欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba 叶片
C58C1/
pMP90
CaMV35S::gshⅠ Pnos::NPTⅡ [18]
毛果杨×美洲黑杨;
欧洲山杨×银白杨;
欧洲山杨×美洲山杨
P.trichocarpa×P.deltoides;
P.tremula×P.alba;P.
tremula×P.tremuloides
叶片
ABI;
C58pMP90
FMV::CP4/EPSPS;
FMV::GOX
CaMV35S::NPTⅡ [19]
欧洲山杨 ×美洲山杨;欧
洲山杨×银白杨
P.tremula×P.tremuloides;
P.tremula×P.alba
叶片或茎段 C58
pTA29::BARNASE;
pSSUARATP::BAR
Pnos::NEO [20]
材性调控 美洲山杨 P.tremuloides 叶片 C58
Pt4CL1P::Pt4CL;
Pt4CL1P::LsCAld5H
Pnos::NPTⅡ [22]
欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba 叶或茎段
C58/
pMP90
P70::
CCoAOMT
NEO [23]
欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba 叶或茎段
C58/
pMP90
C4H::F5H CaMV35S::NPTⅡ [24]
欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba
叶片或
茎段
C58/
pMP90
CaMV35S::CAD;
CaMV35S::antiCAD
Pnos::NPTⅡ [25]
欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba 茎段 LBA4404 CaMV35S::CCoAOMT CaMV35S::NPTⅡ [26]
缘毛杨 P.ciliataWal. 叶柄
C58/
pMP90
CaMV35S::antiCAD Pnos::NPTⅡ [28]
欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba 茎段 LBA4404 CaMV35S::GS1a NPTⅡ [29]
抗逆银白杨×中东杨 P.alba×P.berolinensis 叶片 LBA4404 CaMV35S::JERFs Pnos::NPTⅡ [37]
银白杨×欧洲山杨
P.alba×P.tremulavar.
grandulosa
叶片
LBA4404;
C58
CaMV35s::AtGSk1 Pnos::NPTⅡ [39]
毛果杨;银白杨 ×中东
杨;山杨×新疆杨
P.trichocarpa;P.alba×
P.berolinensis;P.davidi
ana×P.boleana
叶片 EHA105 PtCBL10A;PtCBL10B HPT [40]
521
林 业 科 学 研 究 第29卷
  续表1
性状 基因型 拉丁学名 转化受体 转化菌株 启动子/目的基因 启动子/筛选标记基因 文献
银灰杨 P.canescens 叶片或茎段
C58C1/
pMP90
CaMV35S::PcISPS;
CaMV35S::
PcISPSRNAi
CaMV35S::NPTⅡ [42]
抗病菌 毛白杨 P.tomentosa 叶片 LBA4404
CaMV35S::
NP1
Pnos::NPTⅡ [43]
欧美杨;欧洲黑杨 ×马
氏杨
P.euramericana;P.nigra
×P.maximowizi
叶片 LBA4404
Win3.12::
ESF12/AcAMP1.2
CaMV35S::
NPTⅡ
[44]
美洲黑杨 P.deltoids 叶片 EHA105 CaMV35S::CH5B HPT [45]
毛白杨 P.tomentosaCar. 叶片
EHA105;
LBA4404
CaMV35S::Bbchit1;
pBIN::LJAMP2
HPT;NPTⅡ [46]
欧洲山杨 ×银白杨;欧洲
黑杨×马氏杨
P.tremula×P.alba;P.
nigra×P.maximowizi
叶片
C58/
pMP90
Ubi::PtWRKY23 HPT [48]
激素调控 欧洲山杨×美洲山杨
P.tremulaL.×P.tremu
loidesMichx.
茎段 GV3101
P1’2’::iaaM;
CaMV35S::iaaH
Pnos::HPT;
Pnos::NPTⅡ
[49]
欧洲山杨×美洲山杨 P.tremula×P.tremuloides 茎段 GV3101 CaMV35S::rolC NPTⅡ [50]
欧洲山杨×银白杨 P.tremulaxP.alba 叶片或茎段 AGL1
PtGA20ox7;PtGA2ox2;
PtRGL1_1;PtRGL1_2;
PtGAI1
Pnos::BAR [51]
欧洲山杨×美洲山杨
P.tremulaL.×P.tremu
loidesMichx.
叶片或茎段 GV3101 CaMV35S::AtGA20ox1 NPTⅡ [52]
欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba 叶片或茎段 EHA105 CaMV35S::PcGA2ox1 CaMV35S::NPTⅡ [53]
开花调控
欧洲山杨 ×银白杨;欧洲
山杨×美洲山杨
P.tremula×P.alba;P.
tremula×P.tremuloides
茎段
C58/
pMP90
CaMV35S::PTLF NPTⅡ [54]
欧洲山杨×美洲山杨 P.tremula×P.tremuloides 茎段 GV3103 CaMV35S::PtFT1 Pnos::NPTⅡ [55]
欧洲山杨×美洲山杨 P.tremula×P.tremuloides 叶片 EHA105
CaMV35S::PsFT1;
CaMV35S::PsFT2
HPT [56]
欧洲山杨×美洲山杨 P.tremula×P.tremuloides 茎段或叶片 GV3101 TA29::BARNASE NPTⅡ;BAR [57]
植物修复 欧洲山杨×银白杨 P.tremula×P.alba 叶片或茎段 C58C1 CaMV35S::CYP2E1 CaMV35S::NPTⅡ [58]
美洲黑杨
P.deltoides Bartr.e ×
Marsh.
叶片 C58 ACT2::merB Pnos::HPT [59]
欧洲山杨;银白杨 P.tremula;P.alba 叶片
C58C1/
pMP90
CaMV35S::gsh1 Pnos::NPTⅡ [60]
我国对杨树苏云金芽孢杆菌(Bt)抗虫转基因的
研究处于国际前列。1993年,田颖川、韩一凡等首
次将对鳞翅目昆虫有毒性的特异性 Bt基因成功转
入欧洲黑杨[4]。1994年,田间试验表明转Bt基因的
欧洲黑杨表现出了明显的抗虫效果。2002年,该转
基因杨树的一个株系(世纪杨)获得国家林业局良
种审定和商品化许可,成为世界上第一个商品化栽
培的转基因林木树种。同年年底,转双抗虫基因的
741杨也通过了商品化许可[5]。在此期间,抗虫转
基因欧美杨[6]、美洲黑杨[7]、毛白杨[8]等陆续培育
成功,为不断推出杨树抗虫新品种储备了资源。近
几年来,研究者们进行了大量的田间抗虫试验和生
态安全监测。张冰玉等[9]系统地测定了抗虫转基因
株系BGA5产生的 Cry3A蛋白对靶标昆虫、非靶标
昆虫以及节肢动物群落的毒害作用,获得了大量数
据。转基因杨树表现出对靶标昆虫有较高的抗虫
性,对非靶标昆虫没有毒杀作用,对节肢动物群落不
产生明显的负面影响;张雁等[10]分析了转 Bt基因
南林895杨株系对土壤微生物的影响,为转基因杨
树安全性评估提供参考。与此同时,国外杨树 Bt抗
虫转基因研究也在不断发展[11]。2014年,Klocko
等[12]通过对BtCry3Aa转基因植株14年跟踪调查,
发现BtCry3Aa基因能够有效地降低虫害,从而提高
杨树人工林的收益。
蛋白酶抑制剂基因和昆虫毒素基因具有高效
性、抗虫谱广,安全性好等优点,已广泛应用于杨树
抗虫转基因研究中[13-14]。双价或多价抗虫基因能
够避免单个抗虫基因产生的耐受性,增强转基因植
株的抗虫效果,成为培育杨树优良抗虫品种的重要
手段[5,8]。
1.2 杨树抗除草剂转基因研究
在转基因杨树的所有性状中,抗除草剂性状是
621
第1期 丁莉萍,等:杨树转基因研究进展及展望
杨树抗性基因工程研究取得成功的首要范例。抗除
草剂基因主要包括抗草甘膦的aroA基因[15],抗草丁
膦的 bar基因[16]和抗绿磺隆的 csr1基因[17]。2001
年,Gulner等[18]报道了转谷氨酰半胱氨酸合成酶基
因(γECS)的杨树表现出对除草剂的抗性。该转基
因杨树谷氨酰半胱氨酸和谷胱甘肽含量较高,这两
种物质可以降解酰胺类除草剂,也能作为植物修复
剂减少对土壤的污染。这些降解酶类抗除草剂基因
的应用也许是未来抗除草剂发展的重要方向。多重
除草剂抗性可使不同除草模式的新型除草剂基因混
合使用成为可能。2002年,Meilan等[19]将 CP4和
GOX基因导入3个不同杂交杨中,转基因杨树表现
出对草甘膦较高的耐受性。将抗除草剂基因和雄性
不育基因结合育成不育系,为实现高产、优质、抗除
草剂杨树杂种的育种目标奠定基础。2008年,Li
等[20]将 BAR基因和雄性不育基因 BARNASE结合
共同转化杨树无性系 INRA353-38和717-1B4,
转基因杨树在8年内均表现出稳定的除草剂抗性。
1.3 杨树木材材性改良转基因研究
纤维素和木质素含量是影响木材材质的两个主
要因素。木质素含量低的木材在制浆加工过程中需
要的化学试剂少,因此能够降低成本,改善环境。杨
树木材材性改良可通过基因工程技术将木质素合成
途径中的关键酶基因导入杨树来实现。研究表明,
编码肉桂酸4羟化酶(C4H)[21]、4香豆酸辅酶A连
接酶 (4CL)[22]、咖啡酰辅酶 AO甲基转移酶
(CcCoAOMT)[23]、阿魏酸5羟基化酶(F5H)[24]和
肉桂醇脱氢酶(CAD)[25]的基因是较为理想的用于
造纸原料植物品质改良的目标基因。近年来,利用
4CL与CcCoAOMT基因调节杨树木质素合成的研究
取得很好的进展。抑制 CCoAOMT表达的转基因杨
树中,木质素含量明显下降,紫丁香基木质素/愈创
木基木质素(S/G)比值增加,结构疏松,利于脱木质
素[23,26]。2011年,RoqueRivera等[27]发现导入反义
4CL和正义CAld5H基因的转基因美洲山杨木质素
含量下降35%,S/G比增加100 150%。2012年,
Thakur等[28]报道反义表达 CAD基因的缘毛杨转基
因植株与非转基因植株相比,木质素含量下降 3
4%。
随着研究的不断深入,一些新的木质素调控途
径被发现。2012年,Coleman等[29]报道在杨树中表
达松树胞液谷氨酰胺合成酶基因(GS1a)后,木材的
制浆性能得到了极大地改善。2013年,Lu等[30]研
究发现在毛果杨中过量表达小 RNA分子 Ptr
miR397a(这种小 RNA分子可以下调其靶向漆酶基
因的表达水平,抑制漆酶的活性),木质素的含量会
明显降低。另外,利用 MYB类、NAC类转录因子在
转录水平上调控关键基因[31]、寻找来源于微生物的
关键酶来调节碳代谢流向等[32]都是很有效的途径。
生长速度与生物量积累也是树木基因工程改良
的重要目标性状。2012年,Ko等[33]利用木质部特
异性启动子增加木材生物量。Wang等[34]发现反义
表达4CL和CCoAOMT基因的毛白杨转基因株系木
质素含量在5年内均有降低,并且CCoAOMT基因的
抑制表达能够提高糖化作用,有利于杨树生物量的
积累。Stout等[35]系统地测定了美国东南部3个不
同地理环境下种植的毛果杨转基因株系(As4CL,CH
和PT)的木质素含量、S/G比值、生长差异和生物量
变化,指出较高的总木素含量和 S/G比值与杨树地
上生物量呈正相关性,评估了转基因杨树用来作为
纤维素生物燃料的潜力。
1.4 杨树抗逆转基因研究
土壤的盐渍化和沙漠化、低温、高温是限制树木
生存生长的重要环境因子。甜菜碱可作为渗透调节
剂提高植物的耐盐性。近些年,甜菜碱在杨树上也
有一些研究,但进展缓慢[36]。在调控杨树对逆境胁
迫的应答工程中,与抗逆相关的转录因子[37]、脱水
应答元件 DREB类基因[38]等也发挥一定的作用。
另外,参与环境胁迫信号传递的蛋白激酶,在植物抗
逆过程中也起到重要作用。2013,Han等[39]将拟南
芥糖原合成酶激酶基因 AtGSK1导入银白杨和欧洲
山杨的杂交杨中。转基因杨树在盐胁迫处理后,氯
离子浓度和相对电导率明显降低,抗旱耐盐性有所
增强。2014年,Tang等[40]将钙调磷酸酶 B类似蛋
白家族的 PtCBL10A或 PtCBL10B基因导入到杨树
中,来提高杨树抗盐性。杨树抗寒、耐热的转基因研
究仍处于发展探索阶段。2006年,Benedict等[41]证
明将拟南芥CBF1基因转化到杨树基因组中可以提
高杨树的抗寒性。2007年,Behnke等[42]在杨树中
过量表达或抑制异戊二烯合成酶基因ISPS。当抑制
ISPS基因表达时,异戊二烯的排放受到阻遏,转基
因植株表现出一定的耐热性。
1.5 杨树抗病菌转基因研究
杨树受病菌侵害时,自身生长将受到严重影响。
各种外源基因如防御素[43]、抗菌肽[44]和几丁质酶
基因[45]等已被应用于林木的抗病菌改良中,这些研
721
林 业 科 学 研 究 第29卷
究对提高杨树抗病能力和减轻病害起到了积极作
用。研究发现,多个基因共转化时产生的复合产物
对真菌的抵抗能力更强[46]。2012年,Huang等[46]
将白僵菌几丁质酶基因(Bbchit1)和益母草脂质转
运蛋白基因(LJAMP2)导入中国白杨基因组中,并获
得稳定表达。转基因白杨的叶片能够抵御链格孢菌
的侵袭。
近年来,研究者们对参与植物防御反应的转录
因子如WRKY、AP2/EREBP(Ethyleneresponsiveele
mentbindingfactors)、MYB、bZIP[Basic(regionleu
cine)Zipper]等家族的调控机制的研究,为从根本
上提高植物的抗病能力开辟了新的途径[47]。2009
年,Levee等[48]从欧洲山杨 ×银白杨中克隆了 Pt
WRKY23基因并将它导入到杂种杨树中,并系统分
析了转基因植株中 PtWRKY23基因的表达和功能,
揭示了WRKY23基因参与抗杨叶锈病的调控机理,
为杨树抗病研究提供了更多典范。
1.6 杨树激素调控转基因研究
激素对植物生长发育的调控一般是通过调控细
胞的分裂、分化、伸长和死亡等方式来实现的。1995
年,Tuominen等[49]将吲哚乙酸(IAA)合成基因iaaM
和 iaaH导入白杨杂种中,其中四个转基因株系的生
长高度、茎干直径、茎节生长,叶片扩展和顶端优势
的程度受到影响;另两个株系的导管变小,木材密度
增大。1996年,Nilsson等[50]将发根农杆菌 rolC基
因导入杂交白杨,通过光谱定量分析发现转基因植
株中吲哚乙酸、细胞分裂素,赤霉素(GA)的含量发
生变化,从而诱导出植物表型的改变。
GA是一类重要的植物激素,调控种子的发
芽、茎秆的伸长、叶片的延展。2010年,Han等[51]
研究了与 GA新陈代谢相关的负调控因子 RGL、
GAI和 GA2ox和正调控因子 GA20ox对杨树生长
发育的影响。将毛果杨的 PtRGL11、PtGAI1和 Pt
GA2ox2基因导入杂交杨 INRA717-1B4中,转基
因植株生长速度减缓,树干直径和体积增大;而 Pt
GA20ox7基因的表达能够提高植株的增长速率,表
达量与增长速率呈一定的相关性。这些研究与先
前的报道一致[52-53]。激素调控能够改变植物的表
型,获得更多的突变体,为育种工作者提供了丰富
的育种材料。
1.7 杨树开花调控转基因研究
杨树开花之前需要经历一个较长的童期,因此
会减缓育种进程。通过基因工程技术可以缩短童
期,改变开花时间。FLOWERINGLOCUST/TERMI
NALFLOWER1(FT/TFL1)基因家族的某些基因对
植物开花调控起重要作用[54]。2006年,Bohlenius
等[55]通过大量实验证明毛果杨FT同源基因除调控
开花时间外,在秋季短日照条件下,还控制毛果杨停
滞生长、春季休眠芽启动以及花芽分化等一系列发
育过程。2012年,Shen等[56]将两个小叶杨中 FT同
源基因 PsFT1和 PsFT2导入幼年雄性杨树 T89中,
转基因杨树在40天内诱导开花,花分生组织出现在
腋生的花序芽的侧翼。此外,一些实验室正在进行
杨树雄性不育转基因方面的研究。2014,Eloriaga
等[57]将花药绒毡层特异性表达启动子TA29与雄性
不育基因BARNASE嵌合得到TA29BARNASE,以Ti
质粒为载体转化杂交杨(欧洲山杨 ×美洲山杨)获
得雄性不育转基因植株。转基因植株的绒毡层发育
被破坏,花药内不产生花粉。
1.8 杨树植物修复转基因研究
植物修复是指利用植物转移、隔绝和解除重金
属,杀虫剂等污染物。目前,通过基因工程技术已经
获得能够吸收汞、镉、铜、砷等重金属的转基因白杨。
这些转基因白杨对杀虫剂和一些挥发性的碳氢化合
物也具有一定的解毒作用。细胞色素 P4502E1是
卤化物代谢过程的关键酶。通过转基因技术在白杨
杂种体内过表达细胞色素 P4502E1,转基因白杨对
卤化物的代谢效率明显提高[58]。2007年,Lyyra
等[59]发现导入了汞离子还原酶基因 MerA和有机汞
裂解酶基因MerB的转基因杨树能够耐受醋酸苯汞,
并可以解毒有机汞。谷胱甘肽能够与重金属结合从
而提高植物对重金属的耐受性。2011年,Ivanova
等[60]报道了在胞液中过量表达γ-谷氨酰半胱氨酸
合成酶(γECS)基因gsh1的转基因杨树增强了重金
属耐受性。此外,植物络合素(PC)和离子转运蛋白
基因在重金属修复方面的研究也取得了一定的进
展[61]。当前环境污染日益严重,随着越来越多的修
复性蛋白基因被开发利用,人类可以利用转基因杨
树来解除重金属污染、净化空气、清洁土壤来修复日
益恶化的环境。
2 影响根癌农杆菌介导杨树遗传转化
效率的主要因素
  目前,根癌农杆菌介导法是杨树遗传转化中应
用最多,成功率最高的转化方法(表1)。该方法具
有的优点是操作简便、外源基因拷贝数低、转移片段
821
第1期 丁莉萍,等:杨树转基因研究进展及展望
大,可选择的植物组织种类多等[62]。尽管如此,优
化影响农杆菌转化的关键因子,提高转化效率,特别
是建立栽培品种的高效的遗传转化体系仍然是杨树
遗传转化所面临的问题。
2.1 基因型
基因型是影响农杆菌转化效率的决定因素,不
同基因型外植体的分化率差别很大[63]。农杆菌转
化成功的基因型大多是欧洲山杨,银白杨,黑杨以及
他们的杂交种(表1)。在我国华北地区,欧美杨和
美洲黑杨的一些优良无性系是主栽品种,但其遗传
转化体系还有待完善。
2.2 转化受体
转化受体的取材时期和生理状态对于转化能否
成功至关重要。幼小的、代谢活力强的外植体由于
组织或细胞分裂旺盛,DNA大量合成,有利于 T
DNA的摄入和整合,最易作为转化受体[62]。杨树通
常采用从成年大树上直接选取幼嫩的部分或者先复
幼后再取外植体来获得理想的转化受体。Han
等[64]研究表明从组培苗得到的受体材料比直接从
温室或大田种植的材料更易诱导愈伤组织和分化芽
苗。从表1可以看出,杨树的遗传转化中常选用叶
片和茎段作为转化受体。呈现油绿、平展、水嫩状态
的叶片,一般经农杆菌侵染后7天内,可以正常膨胀
扩展,且叶片的分化率较高[64]。
2.3 外源激素
选择合适的外源生长素和细胞分裂素的种类及
浓度可以提高植株的分化率,这是优化遗传转化体
系的关键。杨树遗传转化研究中,常选用的细胞分
裂素是 6BA、IBA、ZT、TDZ等,生长素为 NAA,
IAA[65]。6BA在杨树芽苗的分化方面应用很广。
此外,低浓度的类细胞分裂素 TDZ也常用于诱导杨
树不定芽的生成[66]。NAA和 IAA广泛用于杨树再
生植株的诱导生根过程中,能与细胞分裂素互作,促
进芽的增殖[62]。Yevtushenko等[67]分析了不同激素
TDZ,2iP,BA,Zeatin,NAA,IAA对黑杨 ×辽杨杂交
杨不定芽分化和转化效率的影响。结果显示,0.1
1μMTDZ分化出不定芽最多,但是芽苗矮小,当放
入生根培养基即被筛选剂杀死;含有 Zeatin的分化
培养基分化的芽苗鲜绿,非转基因植株逃逸少,转化
效率最高。
2.4 农杆菌菌株
EHA105、C58、GV3103三种农杆菌菌株使用频
率较高(表1)。章鱼碱型菌株LBA4404也广泛应用
于毛白杨、欧洲山杨、银白杨等杨树的遗传转化
中[7,26,37]。显然,农杆菌菌株对不同杨树基因型的
敏感度和侵染能力不同。Howe等[68]研究了5种不
同农杆菌菌株 C58(pTiC58)、A281、C58(pTiC58
Z707)、EHA101、NT1对银白杨 ×大齿杨的侵染情
况,其中 C58(pTiC58)侵染效果最好。Han等[64]研
究表明对于一些顽抗的毛白杨杂交种的转化,
EHA105菌株优于C58和LBA4404。
2.5 侵染和共培养条件
农杆菌的侵染和共培养条件包括农杆菌菌液浓
度、浸染和共培养基、共培养时间、pH值等。处于生
长对数期的农杆菌对植物的侵染能力最强,一般OD
值在0.6 0.8侵染效果好[64-65]。侵染和共培养
基通常采用 MS基本培养基,添加酚类化合物可诱
导农杆菌Vir区基因的激活和表达,且酚类物质的
诱导效果与pH值有很大关系[69]。另外,许多中性
糖也可增强 Vir区基因的诱导,如 Wu等[70]在侵染
和共培养基中均加入1%的葡萄糖,GUS瞬时表达
率提高;在侵染时添加表面活性剂可以促使菌液和
转化受体充分接触,增加菌液附着几率。合适的共
培养时间既能保证TDNA的有效侵入,又能抑制农
杆菌的过多生长,因此一般控制在农杆菌覆盖受体
材料切口面为宜。
3 问题与展望
自1987年首次培育杨树转基因植株至今,通过
基因工程技术将同源或异源的优良基因导入杨树基
因组中进行遗传改良,取得了显著的进展,但也面临
着许多挑战。
3.1 挖掘具有实用价值的功能基因
转基因技术成功应用的前提是必须拥有大量功
能明确、具有实用价值和自主知识产权的关键基因。
Bt抗虫基因和抗除草剂基因已经成功应用在杨树
转基因育种中,并显示出广阔的应用前景。杨树全
基因组序列的测定,为功能基因组学(转录组学、蛋
白组学、代谢组学)提供了条件,为杨树的遗传改良
奠定了基础。
3.2 克隆组织特异性启动子
CAMV35S组成型启动子在杨树转基因中应用
最广泛(表1),但它容易积累大量异源蛋白质或代
谢产物而产生毒害作用。虽然我们已在杨树中克隆
了维管组织、花器官发育相关基因、抗逆基因的一些
特异性启动子[71],而且对其结构和功能有了一定的
921
林 业 科 学 研 究 第29卷
认识,但这些特异性启动子在转基因和育种的实际
应用方面,还有许多问题有待解决。
3.3 发展多基因转化策略
杨树转基因研究多是利用单个目的基因改良个
别性状,我们的目标是期望得到集高产、优质、多抗
性为一体的超级杨树品种。实现多基因转化必须发
展新型载体系统,如使用大容量的 YAC,BAC人工
染色体载体系统、利用叶绿体转化来进行多基因表
达、使用独立表达框组合法、发展不依赖于限制性内
切酶的Gateway特异位点重组系统等。
3.4 提高外源基因在转基因植株体内的表达
转基因成功的关键在于外源基因能否在转化体
内稳定的遗传与表达,这反映了基因与性状间的关
系。近年来关于 MAR(核质附着区)研究常有报
道[72],利用生物信息学在杨树中克隆出 MAR序列,
可用于提高转基因杨树外源基因的表达效率。
3.5 重视合理解决标记基因生物安全问题
杨树转基因中常用新霉素磷酸转移酶基因
(NPTⅡ)和潮霉素磷酸转移酶基因(HPT)为标记基
因(表1),这些抗生素基因涉及到转基因安全问题。
利用标记基因删除技术如共转化法、转座子法、位点
特异性重组系统法等,有助于解决这些问题。我们
也可发展安全标记基因的转化系统来筛选转化植
株,如用pmi基因(6磷酸甘露糖异构酶基因)作为
标记基因,转化植株只能在以甘露糖为唯一碳源的
培养基上生长[63]。
3.6 利用基因组定点编辑技术产生杨树突变体
材料
  近年来兴起的 CRISPR/Cas基因组编辑技术可
以在多种细胞的特定基因组位点上实现定点插入、
缺失、突变或修饰,已成功应用于多种动植物物种
中[73]。该技术的特点是操作简单、成本低、效率高。
基于杨树全基因组测序已经完成,对于序列明确但
功能未知的基因,我们可以通过 CRISPR/Cas系统
研究缺失相应基因的突变体,可为基因的功能验证
提供直接证据。通过基因组编辑技术来分析与杨树
抗虫、抗病、抗逆等相关的调控基因、转录因子和下
游功能基因,这项技术的应用为杨树基因工程的发
展呈现了更加美好的前景,有助于加快培育更优质、
高产、多抗性的优良品种。
本文分析了近年来杨树转基因研究取得的进展
和存在的问题,提出应积极开发具有实用价值和自
主知识产权的新型基因,发展转基因新方法,希望能
为后期从事林木基因工程的科研工作者们提供一些
依据和参考。总之,杨树转基因研究还有许多问题
有待深入地研究,随着新的理论和技术的不断发展,
杨树转基因工作将会取得新的突破。
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