基因工程在林业生产中的应用

谢耀坚　　　

（国家林业局桉树研究开发中心　湛江　524022）

摘要　基因工程是现代生物技术的代表,近10年基因工程的发展迅猛，林业上　已经有20多个树种的品系得到了转基因植物,基因工程在林业生产上的应用主要包括以下方　面：提高植物的光合效率；增强植物抗病虫害的能力；生物固氮；增强和改良种子贮藏蛋　白；培育抗除草剂作物等,

关键词　基因工程　生物技术　林业

  基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展的基础上于20世纪70年代诞生的一门崭　新的生物技术科学,生物技术是应用于有生命物质技术的总称，其涵盖的内　容非常广泛，可以划分为传统生物技术和现代生物技术两种,人类几千年以来使用的酿酒,　制酱,育种等技术是传统的生物技术，近20年来，随着与生物技术相关的诸多理论和技术　，特别是实验手段的发展，便产生了现代生物技术，并被列入高技术领域,基因工程是现代　生物技术的代表,林木基因工程是通过适合的基因转移技术，导入有用的外　源基因，获得转基因植物，从而进行林木遗传改良或有关的研究.

  在最近10多年内，植物基因工程已获得了一批转基因植物，其中包括改变植物品质及适　应性的转基因植物,抗病虫害的转基因植物,抗除草剂的转基因植物等等,1986～1997年期间，全世界有45个　国家在60多种植物上进行了2．5万例转基因植物的田间试验，仅1996～1997年即约有1．0万例　的报道,据估计，全球转　基因植物产品的市场销售额从1996年的不足5亿美元，到2000年将增加到70～100亿美元,在　林业上，自1987年Fillatti，J．J．等获得第一株转基因杨树植物以来，已有杨属,落叶松属,　云杉属,松属,栗属,胡桃,刺槐,恺木,桉树,苹果,李和葡萄等20多个树种得到了转基　因植物,我国科学家在＂七五＂,＂八五＂和＂九五＂攻关期间，成功地进行了杨树,松树　和桉树等树种的遗传转化，系统地掌握了各种遗传转化技术体系，为开展转基因工程的实际　应用奠定了基础.
^{1　提高作物光合效率的基因工程}

  ^{用传统的育种方法育种，并不能选育出具有高光合效率的品种，而应用植物基因工程可　以从根本上解决这一问题,光合作用通过光反应和暗反应将光能转变成化学能，并固定CO2，二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）是固定CO_２的关键酶，存在于叶绿体中的这种酶催化C　O_２与二磷酸核酮糖反应，形成磷酸甘油酸，这个固定CO_２的作用称为羧化反应,同时，R　ubisco还能催化加氧反应，即光呼吸，这一过程涉及氧的净吸收和CO_２的释放，是一个浪　费的过程，因为它不仅使已经固定的碳丢失，而且使Rubisco在CO_２的固定中发生逆转,这　决不是一种无足轻重的损失，因为当光呼吸被抑制后，CO_２净固定率可以提高50％,应用植　物基因工程技术能降低Rubisco加氧酶的功能而不影响其羧化酶的功能，即能使其它限制光　合作用的因素仍然保持不变，作物的生产能力却可以显著提高,但这在植物基因工程中是一　项艰巨的工作，需要很长时间才能收到实效.}

^{2　增强植物抗病害能力的基因工程}

  ^{利用植物基因工程来防治病毒危害，目前已取得令人瞩目的成就，主要有6种方法：（1　）向植物中转入病毒的外壳蛋白基因；（2）向植物中转入病毒的卫星RNA基因；（3）利用　病毒的反义RNA；（4）利用植物自己编码的抗病基因；（5）利用Ribozyme裂解酶病毒基因　组；（6）利用病毒上的其它基因,迄今为止，植物抗病基因工程大多是依据农杆菌Ti质粒　为载体的随机整合策略,抗细菌性病害的基因工程主要采取对病原细菌有解毒作用的解毒活　性基因和T4　溶菌酶基因等方法,抗林木病毒性病害的基因尚未很好研究和克隆,抗真菌性　的病害研究方面，目前克隆出几丁质酶基因和角质酶基因，已构建了能在杨树细胞　中表达的几丁质酶基因的表达系统,诱导和激发树木本身防卫系统启动，涉及木质素,黄酮　类色素和植保素的合成的酶类基因如苯丙氨酸裂解酶,查尔酮合成酶,水杨酸合成酶基因，　微生物源,动物（如昆虫,兔防御素基因）异源,植物异源次生代谢物合成的研究等对林木　抗病基因工程具有重要意义,目前国内外转基因的抗杨树叶锈病,抗杨树叶枯　病,抗日本山杨肿瘤病,抗栗疫病,抗南方松棱形锈病,抗桉树青枯病等转基因工程研究正　在进行中
3　增强植物抗虫能力的基因工程}

  ^{虫害是农林业生产的另一大害，化学药剂杀虫不仅成本高，而且严重污染环境,现在科　学家转向用植物基因工程的方法来达到控制虫害的目的,很早人们就知道苏云金杆菌能够杀　死一些昆虫，目前已弄清楚其杀虫机制在于这种杆菌体内有一种结晶的蛋白毒素：δ内毒素　，它能引起鳞翅目昆虫神经中毒最后死亡,1987年人们成功地从不同苏云金杆菌中分离出了　这种毒素的基因,比利时,美国和瑞士的科学家分别把基因转入烟草,番茄和马铃薯中，结　果这些转基因植物杀虫效果良好，毒素基因还能稳定遗传，而且毒素对人畜无害,除了苏云　金杆菌的δ内毒素以外，英国的科研人员还克隆了豇豆的胰蛋白抑制剂基因,将这种基因转　入植物，它产生的抑制剂能破坏虫子体内的胰蛋白酶的活性，虫子吃了转基因植物的叶片后　就会因消化不良而死亡,目前的抗虫植物基因工程，普遍遇到的困难就是毒蛋白或蛋白酶抑　制剂基因在转基因植物中的表达水平较低.}

  ^{McNabb等于1987年将Pin-Ⅱ基因导入杨树NC5399无性系，转化植株已进入田间抗虫实　验阶段,1988年美国依阿华大学利用从马铃薯中提取的蛋白抑制剂基因，以农杆菌Ti质粒为　载体转化杨树杂种无性系，获得抗卡拉酶素植株,1990年我国南京林业大学将农杆菌C58菌　株转入小叶杨和欧美杨，将农杆菌Ri质粒系统转入毛白杨分别获得成功,1991年Mcoown，B．　H．等人利用电击法将抗虫Bt基因导入银白杨与大齿杨,欧美黑杨与毛果杨的杂种中，并获得　抗虫转基因植株；美国威斯康星大学麦迪逊分校成功地将抗虫Bt基因,蛋白酶抑制剂基因（　CPTI）导入白云杉中，有效地防止了卷叶蛾的危害；伍宁丰等（1991）以欧洲黑杨为研究对　象，将Bt抗虫基因导入叶片，得到转化植株,1995年，法国树林育种实验站Gills　Pilate领　导的研究小组，将切割蛋白基因转入杨树中，所得转化植株可使食其叶片的昆虫致死率达40　％之多,1993～1997年间，中国林科院与中国科学院合作将Bt基因导入欧洲黑杨,欧美杨和　美洲黑杨中，获得对舞毒蛾有毒杀作用的杨树转化再生植株，并进入田间测定,中国科学院　,中国林科院,南京林业大学,中国农科院等单位，先后单独或合作研究获得了转抗虫基因　的黑杨,欧美杨杂种,毛白杨,美洲黑杨与小叶杨杂种NL-80106，以及转Aalt蝎神经毒素　基因的NL-80106杨树无性系，并进入田间试验阶段,初步结果表明，杨树转基因无性系的　抗虫效果显著，为防治杨树人工林大面积的虫害创造了条件.
4　生物固氮的基因工程}

^{生物固氮的基因工程是一项艰巨而又有巨大效益的研究，有可能进行基因操作的机会是　：　固氮基因从细菌转移到植物中，共生的宿主范围由豆科植物扩大到非豆科植物，增加了共生　细菌固氮的效率,固氮基因在高等植物中转移和表达很复杂，固氮酶对氧不稳定，必须有一　些防止固氮酶被氧抑制的方法,固氮菌本身靠快速呼吸降低氧的张力，并且根瘤菌瘤中豆根　瘤蛋白的存在促使氧扩散到类菌体而不使固氮酶失活,同时，需要外加的宿主基因来同化和　转运产生的氨,另外，细菌的基因调控序列还要修饰高等植物的表达，这方面的研究正在进　行中,
5　增加和改良种子贮藏蛋白的基因工程}

  ^{很多农林作物均以收获种子或果实作为目的,谷粒的营养质量完全取决于贮藏蛋白的氨　基酸成分,单子叶植物和双子叶植物的种子蛋白在氨基酸含量上有较大差异,大部分的谷类　作物，如小麦等种子中的赖氨酸含量很低，而大部分双子叶植物种子中都含有这种氨基酸，　但缺少蛋氨酸,在蛋白质的合成中当一种氨基酸处于极限时，其它氨基酸就不能被贮藏而是　被分解掉,赖氨酸是谷物中头一个极限氨基酸，因此，在一种纯谷类饮食中含有的赖氨酸处　于极限状态，其质量将是低劣的，因为谷粒蛋白质不能被人体有效地利用,同样，豆科植物　贮藏蛋白缺乏蛋氨酸,所以将双子叶植物的种子蛋白如大豆的贮藏蛋白基因转移到禾谷类　作物上，就可以达到所需的氨基酸平衡,将额外的赖氨酸密码子插入已克隆的贮藏蛋白基因　组DNA中，随后再把这种基因引入植物中，或者是将已有的基因经过碱基突变，以优先合成　极限氨基酸含量高的蛋白,目前，已对克隆的豆科植物贮藏蛋白和谷类贮藏蛋白基因，如麦　醇溶蛋白,玉米醇溶蛋白基因等，进行了序列分析，有关控制它们的表达和涉及基因数量的　知识也在不断积累，转基因的植物也已经培育出来,澳大利亚科学家将豆类蛋白质基因转　移到奶牛吃的牧草里，奶牛吃了这种牧草后所产生的奶中就含有了较多的人体必需的氨基酸.
6　培育抗除草剂作物的基因工程}

  ^{这是一项比较成功的植物基因工程，一些技术发达的国家，如美,英,法,德,比利时　等都非常重视这项技术,目前世界上采用的除草剂主要分两大类，一类主要是通过破坏氨基　酸合成途径来杀死杂草；另一类是通过破坏植物光合作用中电子传递链的蛋白来杀死杂草,　根据除草剂的不同特点，可以采用几种方法来实现抗除草剂的基因工程,第一种方法，把与　除草剂作用的酶或蛋白质的基因转进植物中，使其拷贝数增加，因而转基因植物中这种酶或　蛋白的量大大增加,如果除草剂的浓度不足以全部破坏植物体内的这种酶或蛋白，那么就不　能把植物杀死，而杂草则因为酶和蛋白被除草剂破坏而被杀死,一个成功的例子就是将EPSP　合成酶基因转入抗除草剂植物中,广谱除草剂glyphosate就是以EPSP合成酶为　目标，破坏其结构，从而破坏氨基酸的合成途径,1987年美国科学家成功地将EPSP合成酶基　因转进油菜细胞的叶绿体中，转基因植物叶绿体中EPSP合成酶活性大大提高，并能抵抗glyp　hosate的作用,第二种方法是转移一种能以除草剂为底物的酶的基因到植物中，该基因编码　的酶在转基因植物中将除草剂催化掉，从而保住植物不被杀死,这种方法成功的例子就是抗　磷酸麦黄酮的基因工程,还有一种方法，针对除草剂能识别其作用的酶上的一定位点这一特　点，人们用基因突变的方法使该位点上的相应氨基酸发生突变，但这种突变并不损失这个酶　的二级结构和酶促功能，只是除草剂不能识别它，这样转基因植物就表现出对除草剂不敏感　,Fillatti．J．J．等于1987年，以根瘤农杆菌为载体，将抗除草剂基因（aroA基因）转入杨　树NC5339无性系中，获得一批抗除草剂（草甘磷）转化植物,1987年美国首次报道成功地将抗　除草剂基因导入银白杨与大齿杨的杂种无性系中并进入田间试验，随后美国又成功地将抗除　草剂的基因转入美洲黑杨,落叶松中，引发了一场转基因工程的热潮,目前，转基因的美洲　黑杨已被密西西比河流域的一些企业应用.
7　植物基因工程在农林业生产中的其它应用}

  ^{除上述方面外，植物基因工程在农林业生产中的其它应用还包括：在作物雄性不育性研　究中的应用；利用植物基因工程提高作物抗逆性，如抗冷,抗热,抗旱,抗涝的能力等；利　用植物基因工程生产医疗保健用品等,我国在包括木本植物在内的许多植物对逆境条件的反　应研究中，取得了重要进展，已有研究表明，不同的逆境条件胁迫引起的反应有许多相似之　处，例如，干旱,盐碱和低温等不同的逆境都引起渗透胁迫,目前参与植物对渗透胁迫反应　的ABA调节调渗蛋白，与抗逆代谢相关的基因如与抗（耐）盐有关的脯氨酸合成酶基因，与　抗冻抗寒相关的鱼抗冻蛋白（AFP）基因,甜菜碱,葡萄糖合成酶，与叶绿体有关的甘油-3　-磷酸脂酰基转移酶基因，与抗旱有关的茧蜜糖合成酶基因，与树木抗污染有关的起活性氧　化解毒作用的谷光甘肽还原酶基因已被克隆，部分已被转入树木,我国的抗盐基因工程也取　得很大进展，中国科学院,中国农科院等单位克隆和合成了脯氨酸合成酶基因（proA）,山　菠菜碱脱氢酶（BADA）,磷酸甘露醇脱氢酶（mtlD）及磷酸山梨醇脱氢酶（gutD）等与耐盐相关基　因,通过转化山菠菜碱脱氢酶（BADA）,磷酸山梨醇脱氢酶（gutD）基因，获得耐盐杨树的研究　正在进行中.}

  ^{科学家预言，21世纪将是生物学的世纪，未来的10年，将是植物基因工程技术迅速发展　的10年，也是这种高技术开始显示出巨大生产力的10年，除了已获得的有重大价值的转基因　植物进入生产使用以外，还将在转基因技术,分离优良性状基因技术等方面取得重大突破,　我们相信，被认为是最具有现实意义的植物基因工程技术，必将在21世纪出现的第二次＂绿色　革命＂中发挥巨大的作用.}

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APPLICATION　OF　GENE　ENGINEERING　IN　FORESTRYXie　Yaojian　（China　Eucalypt　Research　Center，　Zhanjiang　，Guangdong，　524022）