王海霞 彭九生 李江 程平

(江西省林业科学院 江西南昌 330032)

转基因技术在竹类植物育种中的应用前景

王海霞 彭九生 李江 程平

(江西省林业科学院 江西南昌 330032)

综述了转基因技术的应用现状。结合我国竹类植物研究现状，探讨了转基因技术在竹类植物新品种培育中的应用前景。

转基因；竹类；育种

竹类植物是地球陆地生态系统的重要组成部分，其生长快、用途广[1]，具有重要的经济价值、良好的水源涵养和水土保持功能，竹林则被公认为21世纪世界上最重要的植物资源之一[2]，竹类植物的研究和开发利用也愈来愈受到重视。竹笋因其生长环境无污染、高蛋白、低脂肪、食用纤维多、矿质营养元素丰富，逐渐被国内外公认为理想的绿色食品。同时，随着世界天然林资源的锐减以及人工林资源消耗的不断加剧，木材供需矛盾日益尖锐。竹子作为一种重要的森林资源，以其生长快、产量高、材质好等特点在工程原料领域占据重要的位置，逐渐成为了木材的替代品[3]。

虽然竹类植物广泛分布于地球的北纬46°至南纬47°之间，在中国分布于浙江、福建、江西、四川、湖南、湖北、广西等地区共39属近500种[4]，但由于受生物学、生态学特性约束，主要材用、笋用及观赏用经济竹种，区域生长性强，受气候、立地等因素等影响较大，这在一定程度制约了竹类植物的大面积栽培和利用。而常规育种手段受生长周期长、性状分析难度大等生物学特点制约,育种周期较长,成为竹类植物遗传改良的最大障碍。利用现代生物技术,通过目的性非常强的基因操作改良竹类植物的经济性状,是实现优质、高产、抗逆性强等优良新品种培育的有效手段。

1 转基因的概念

转基因工程育种是指不经过有性过程，克隆一些特有性状的基因，并通过生物、物理和化学等方法，将外源基因(DNA)导入受体植物细胞，通过组织培养育出转基因植物的生物技术，主要包括以下5方面内容：①目的基因分离；②寻找或构建克隆载体；③重组载体导入植物受体细胞，并整合到寄主染色体的基因组上；④使带有重组载体DNA的植物细胞或组织，再生成形态正常的健康可育的植株；⑤在理想情况下，使这些植物能够通过有性过程，将外源目的基因持续地传给后代[5]。

与传统育种相比，转基因育种具有传统育种无法比拟的优越性,主要表现在:①在基因水平上改造植物，更具精确性；②能够定向修饰部分性状，培育出新品种，提高育种的目的性和可操作性；③能够创新种质，打破物种之间的生殖隔离障碍,为定向育种提供更先进的技术保障；④缩短育种周期和时间，提高育种效率[6]。

2 转基因技术应用概况

自从1983年首例转基因植物问世以来,转基因技术得到了迅速的发展。经过多年的实践和优胜劣汰,形成了以农杆菌介导法和基因枪法占主导地位的两大植物转基因体系，迄今为止,媒介农杆菌法获得的转基因植物占转基因植物总数的85%左右。转基因成功的物种在不断扩大，目前已涉及到35个科的50多个物种,共120多种植物。品种改良包括抗虫、抗病(病毒、细菌和真菌病害)、抗除草剂、抗逆(寒冷、盐碱、重金属等)、品质改良(碳水化合物、油脂和蛋白质等)、发育调控、营养吸收等各个方面[7]。

我国转基因技术的研究及应用在农业方面已取得显著的成绩，如目前已经建立的棉花、水稻、油菜、玉米、大豆、花生、西红柿等农作物品种的转基因育种体系，在开展主要农作物转基因技术体系和功能基因转化研究的同时,转基因大豆、玉米、棉花、油菜等作物新品种在生产上的产业化面积逐年增加，特别是转基因棉花的大面积推广，不仅使农民获得了客观的收益，还减少了大量农药的排放[8]。

转基因技术引入林业较晚，初期主要集中在观赏植物及部分树种的改良上，如花卉的花色、花香、花型、株形、花期和抗性等性状改良[9]，花卉基因工程研究国外开展得很早，并取得了令人瞩目的成就。我的花卉基因工程育种刚刚起步，尚处于探索阶段。

由于大多数林木如针叶树种的组培技术和基因导入技术还不很成熟，加上林木分子生物学研究的落后所造成的可用于林木改良的基因贫乏等因素，导致林木生物技术的发展与应用相对滞后。转基因技术应用于林木起步于1980年代末，开始主要是利用一些标记基因研究树木的转化，即探索将外源基因引入林木基因组中的技术、基因表达情况和经组织培养再生为完整植株的方法。进入1990年代，具有经济价值的基因如抗虫、抗除草剂基因等被导入了一些组培和转化都已成熟的双子叶林木中。杨树抗虫，苹果、梨、葡萄等果树抗除草剂、抗病虫害，以及木瓜抗病毒等的转基因植株已陆续进入田间试验阶段[10]。

我国科研工作者于1990年在欧洲黑杨上成功转化了苏云金芽孢杆菌内毒素基因，获得了较高杀虫活性的工程植株并定植于苗圃，1993年在新疆通过扦插营造了试验林[11]。2005年南京林业大学抗寒、抗旱、耐盐碱杨树、桉树、鹅掌楸、相思树、四倍体刺槐植株的获得，标志着我国树木转基因技术取得了新的突破[12]。

国外的转基因林木主要是杨树，更多的是用来研究基因的功能。例如瑞典农业大学通过引入来自农杆菌的生长素合成酶基因如rolc等，改变了欧美山杨的木材材性[13]。在欧洲，经优化转化条件和筛选适宜细胞系，获得了挪威云杉、落叶松等难度较大的针叶树种转基因植株[14]。

转基因技术应用于竹子的遗传改良起步更晚，但也取得了一定的进展。如俄罗斯形态遗传学研究所的专家利用转基因技术，培育出横截面为方形的竹子[15]，浙江省林科院卓仁英等利用农杆菌介导法获得6株含GUS基因表达的阳性麻竹植株等[16]，其他方面的研究尚未见报道。

3 转基因技术在竹类植物育种中的应用前景

由于竹子开花周期长，且花期不一致，很难产生大量有生命力的种子，常规方法进行遗传变异研究和育种改良有较大的难度，目前主要以无性繁殖为主，繁殖系数较低，无性系选育虽然能在一定程度上选出较好的品系，但周期长、速度慢，不能及时满足生产的需要；而长期的无性繁殖，会导致竹种退化等等，这一系列的问题在很大程度上限制了竹种的引种、推广和应用，竹林的高效、丰产和稳产。基因工程将是解决这些问题的有力手段，通过基因转移，将有效改善竹类植物的抗逆性，获得优良新品种。

目前，获得与抗逆性有关的基因很多，特别是在水稻等禾本科植物领域，如抗虫基因CryIA(b)、CryIA(c)、CpTI、GNA、AaI、GNA等，抗病基因Xa21[18]，抗除草剂的bar基因[19]，耐盐碱性较强的codA和betA基因，耐淹基因pdcI、pdcII、pdcIII等[20]。实现转基因的手段也比较多，如电击法、电击法结合PEG法、农杆菌介导法、超声波辅助农杆菌介导法等，农杆菌介导法是当前应用最广泛、较成熟的方法。

然而，转基因技术应用与竹类植物的育种尚处于起步阶段，很多领域还处于空白，有待进一步的研究。

3.1 竹类植物组织培养技术

组织培养和植株再生途径是植物转基因研究的基础，因此，要实现竹转基因，首先要攻克散生竹种特别是珍稀观赏、优良笋材用等散生竹种的组织培养技术，解决竹类植物转基因技术研究的瓶颈。

3.2 竹转基因转化体系的建立

竹类植物转基因技术的研究尚处于起步阶段，有效的基因转化体系特别是散生竹种的转化体系亟待建立。农杆菌介导法是应用最广泛的植物转基因方法。该方法具有转化效率高、外源插入片段明确、单拷贝整合等优点,但转化效果极大地依赖于物种、基因型、外植体以及其它一些未知因素。活体植株农杆菌浸花转化法在拟南芥中应用的非常有效,种子成熟后在选择培养基上萌发或苗期喷洒选择剂,即可获得转基因植株[21]。然而，竹类植物开花和种子的获得十分困难，因此，将该法方法成功用于竹类植物绕过组织培养环节难以实现，必须通过其他方法建立简单、高效的基因转化体系。

3.3 竹类植物的基因测序

在分子生物学研究中，基因是 DNA 分子上携带有遗传信息的功能片断，是生物传递遗传信息的物质。DNA的序列分析是进一步研究和改造目的基因的基础。目前用于测序的技术主要有Sanger等（1977）发明的双脱氧链末端终止法和Maxam和Gilbert（1977）发明的化学降解法[22]，Sanger测序法得到了广泛的应用。

在公共数据库中，禾本科的大多数亚科（超过100个种类）都有大量相应的基因组信息或表达信息，而亚科植物仅有少量的序列信息。目前，关于竹类植物的基因组测序[23]已取得了一些成绩，但仍是一项十分艰巨而又紧迫的任务。

3.4 功能基因的分离与鉴定

对分离植物的功能基因是方便人类对基因的结构和表达进行研究，以便于利用经转基因技术对已有植物的某些性状进行改良，并对引入基因进行表达检验，使其在满足人们的要求。

基因分离技术包括mRNA差别显示技术(DDRT-PCR)、抑制型差减杂交(SSH)、cDNAAFLP技术、图位克隆技术及目前应用广泛且分离效率较高的基因芯片技术、基因文库技术、插入突变分离克隆目的基因、基于生物信息学的分离基因的技术等[24]，其总的发展趋势是由复杂、低效、速度慢到简单、高效、快速。

由于竹类植物的糖类和酚类含量高，一般很难提取到适合研究用的RNA或DNA[25]。因此竹类植物功能基因提取和鉴定的方法有待于进一步改良，基因的提取和鉴定工作方能得到长足发展。

3.5 转基因植株检测及功能鉴定

转基因植株获得后进行严格的分子生物学检测和科学的功能鉴定,以保证转基因品种的生物安全性。

3.6 竹类植物分子设计育种

与常规育种方法相比，分子设计育种首先在计算机上模拟实施，考虑的因素更多、更周全，因而所选用的亲本组合、选择途径等更有效，更能满足育种的需要，可以极大地提高育种效率。值得指出的是，分子设计育种在未来实施过程中将是一个结合分子生物学、生物信息学、计算机学、作物遗传学、育种学、栽培学、植物保护、生物统计学、土壤学、生态学等多学科的系统工程。

植物的一些主要特性表现为数量性状遗传，如产量、品质、抗逆性等，均由多基因控制。将来自于其他植物或其它生物中的与上述性状相关的多个基因或大片段DNA导入，按照意愿开展分子设计育种，有效改良竹类植物的品质。

3.6.1 培育高品质的观赏竹种

现有的观赏竹种，特别是大型观赏竹种如龟甲竹、花毛竹等，大多属于自然变异的竹种，产生纯属偶然，不仅观赏性较单调，特征稳定性也较低、容易退化，且资源量少，对气候、土壤的自然条件要求较高，适应能力较差。若通过转基因技术，可省去常规育种技术的移植、田间观测等众多复杂、漫长的环节，同时可将多个观赏功能基因引入同一竹种，培育出具有多种观赏特性的新种，提升竹种的观赏价值及经济价值；或者，将个别极具观赏价值的基因引入适应于不同地区生长的多个竹种，解决部分竹种对气候的不适应性问题，实现基因的广泛运用与推广，不仅大幅提高观赏竹种的运用范围，还能为市场输送更多具有推广价值的种苗，有效缓解观赏竹市场供不应求的局面。

3.6.2 定向培育材用、笋用新种

根据生产目的培育新竹种，如培育径级、高度整齐、纤维含量高、纸浆得率高/力学性能好等建筑、制浆造纸、车船等材用竹种，高氨基酸、高锌、高营养品质、口感好的等供产业化提取或食用的笋用竹种，推进现代竹产业定向培育目标的实现。

3.6.3 提高竹种的抗逆性

抗寒、抗旱、抗病、抗虫等抗逆性强新品种的培育，是现代苗木的发展趋势，尤其是抗寒、抗旱新品种培育，将极大的丰富北方树种，尤其对于实现“南竹北移”工程将起到巨大的推动作用。

4 小结

林木种苗是林业生产最基本的生产资料，是保证造林绿化和生态环境建设、提高营林质量、加速资源增长、实现林业可持续发展战略的重要物质基础[26]，也是加快林业全面发展的重要保证，在林业生态建设中具有举足轻重的作用和地位。为充分发挥林业生态建设的“三大效益”，既要不断提升生态建设水平、拓宽产业结构、调整和增加农民收入[27]，而且要提高种苗特别是育苗环节的科技含量，逐步壮大种苗产业实力。

转基因技术的引入，正顺应了这一发展趋势，转基因新竹种的培育，不仅为市场提供高品质竹种，推进竹产业的良性发展，还将有力、稳步推进种苗建设工程建设的发展。

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2 石明旺，庞延军,王修强，等.竹类植物分子生物学研究进展及展望[J].经济林研究，2006,24(2):63-68.

3 汪佑宏，王善，王传贵，等.不同海拔高度及坡向毛竹主要物理力学性质的差异[J].东北林业大学学报，2008(1):20-22.

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6 胡雁春,曾洪,肖雍琴,等.基因工程在花卉育种中的应用进展[J].农业生物技术,2006(11):49-52.

7 叶兴国，王艳丽，丁文静.主要农作物转基因研究现状和展望[J].中国生物工程,2006,26(5):93-100.

8 http://www.gcagri.gov.cn/Article.asp.NewsID=955.农业转基因品种利用现状.

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11 田颖川,本太原,莽克强,等.抗虫转基因欧洲黑杨的培育.生物工程学报,1993,9(4):219-227.

12 http://www.99sj.com/Article/9597.htm.南京林业大学培育成功转基因新树种.

13 Nilsson O,Moritz T,Sundberg B,et al. Expression of the Agrobacterium rhizogenesrocl gene in a deciduous forest tree alters growth and development and leads to stem fasciation. Plant Physiology,1996,112:493, 502.

14 Charest P J,Duchesne L C. Recent progress in forest biotechnology in Canada. Petawawa National Forestry Institute,Inf. Rep., 1995,PI-X-120.144.

15 楼一平.竹子:非草非木的传奇[J].中国国家地理, 2004(3):98-106.

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17 Gatehouse. Genetic engineering of rice for resistance to homopteran inset pests resistance to inset by gene engineering[J].Theor Appl Genet,1997, 25: 189-200

18 Tu J, One I, Zhang Q, et al Transgenic rice variety IRF-2 with Xa21 is resistant to bacterial blight. Theor Appl Genet,1998, 97: 31-36.

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Discussion on the Application of Transgene Technology to Bamboo Breeding

Wang Haixia, Peng Jiusheng, Li Jiang, Cheng Ping
(Jiangxi Academy of Forestry, Nanchang, Jiangxi 330032)

The application and advances in the transgene technology at home and abroad were summarized in this paper. With attention to the bamboo researches in China, utilization prospect of the transgene technology in bamboo breeding were discussed.

transgene technology, bamboo, breeding

王海霞（1981-）女，助理研究员，主要从事竹类资源利用及培育研究。