沈金萍(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院茶學(xué)系,廣州 510642)
茶葉基因工程研究進(jìn)展
沈金萍
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院茶學(xué)系,廣州 510642)
基因工程目前在各行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用,在茶學(xué)領(lǐng)域中起步較晚,但應(yīng)用前景廣闊。本文介紹了基因工程技術(shù)和茶葉中的生物活性物質(zhì)及其功能。簡(jiǎn)述了在茶樹(shù)育種中應(yīng)用基因工程改良茶樹(shù)品種或提高茶葉品質(zhì)的情況和發(fā)展前景,以及利用基因工程降低茶葉中咖啡堿的情況。
茶樹(shù)育種;基因工程;茶葉;應(yīng)用
中國(guó)是茶的故鄉(xiāng),也是世界茶葉生產(chǎn)、消費(fèi)和出口大國(guó),有綠茶、紅茶、黑茶、黃茶、白茶、青茶等六大茶類(lèi)。茶是世界三大飲料之一,而中國(guó)是世界茶產(chǎn)量第一大國(guó)、出口第二大國(guó)。茶學(xué)是我國(guó)一門(mén)較成熟的傳統(tǒng)學(xué)科,然而隨著科技日新月異的高速發(fā)展,傳統(tǒng)茶葉生產(chǎn)技術(shù)在質(zhì)量、產(chǎn)量、新產(chǎn)品研發(fā)及綜合利用等方面顯得十分乏力,必須進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。目前基因工程在各行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用,在茶學(xué)領(lǐng)域起步較晚,但大大推動(dòng)了茶學(xué)領(lǐng)域的研究,在茶學(xué)上展現(xiàn)了廣闊的前景,有望解決傳統(tǒng)茶葉面臨的許多難題。例如,利用基因工程來(lái)提高茶葉品質(zhì)、進(jìn)行茶樹(shù)抗病蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因育種等。
基因工程是在分子水平上對(duì)DNA進(jìn)行操作的技術(shù),是采用類(lèi)似工程設(shè)計(jì)的方法,按照人類(lèi)的特殊需要,將具有遺傳性的目的基因(DNA片段)在離體條件下進(jìn)行剪切、組合、拼接(需要工具酶),在將人工重組的基因(重組NDA),通過(guò)載體(微生物質(zhì)粒、噬菌體和病毒)導(dǎo)入受體細(xì)胞,進(jìn)行無(wú)性繁殖(克隆),并使目的基因在受體細(xì)胞中高速表達(dá),產(chǎn)生出人類(lèi)所需要的產(chǎn)品或組建成新的生物類(lèi)型?;蚬こ碳夹g(shù)在茶業(yè)上的應(yīng)用較滯后,目前還處于基因組NDA提純和鑒定階段,其應(yīng)用主要包括:RAPD分子標(biāo)記技術(shù)、茶樹(shù)基因的分離和克隆、茶樹(shù)遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。DNA分子標(biāo)記技術(shù)能直接反映出茶品種基因組DNA間的差異。目前在茶研究中應(yīng)用比較多的是RAPD、AFLP。目前,一些與茶葉品質(zhì)密切相關(guān)的基因已被克隆。轉(zhuǎn)基因技術(shù)在茶研究中起步較晚。據(jù)報(bào)道,用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將Bt基因、lntron GUS基因和NPT1基因轉(zhuǎn)入茶樹(shù)中,獲得了Gus瞬間表達(dá)。通過(guò)對(duì)根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)茶樹(shù)轉(zhuǎn)化研究,報(bào)道了茶樹(shù)較為適宜的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。然而由于茶樹(shù)原生質(zhì)體培養(yǎng)尚處在研究階段,農(nóng)桿菌介導(dǎo)法等轉(zhuǎn)基因技術(shù)目前難以取得更大的進(jìn)展,還沒(méi)有轉(zhuǎn)基因茶樹(shù)的報(bào)道?;蚬こ淘诓鑼W(xué)中的應(yīng)用主要包括:DNA分子標(biāo)記技術(shù)、基因的分離和克隆及轉(zhuǎn)基因技術(shù)。
在大眾日益關(guān)心自身健康的同時(shí),許多健康食品也應(yīng)運(yùn)而生,其中茶可說(shuō)是最佳的健康食品。近年來(lái),由于科技進(jìn)步及科學(xué)家們亟欲解開(kāi)茶的生理功效之謎,進(jìn)行了各項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn),甚至臨床實(shí)驗(yàn),皆證實(shí)茶葉確實(shí)具有多種保健及預(yù)防疾病之功效。茶葉中的功效成分主要有維生素類(lèi)、茶多糖、茶氨酸、茶多酚、生物堿、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)等。茶葉的主要保健功能有:
(1)清除自由基、抗氧化功能。茶葉中的抗氧成分主要是維生素C和茶多酚中的兒茶素。
(2)抗衰老功能。茶葉中的茶多酚(起主要作用的是兒茶素)不但自身能夠清除過(guò)剩的自由基,抑制機(jī)體內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化,降低細(xì)胞內(nèi)LPO的含量,延緩心肌細(xì)胞LF的形成,而且還能提高細(xì)胞的GSH-Px 和SOD活性。因而,茶多酚具有抗衰功能。
(3)抗癌、抗腫瘤、抗突變功能。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)茶葉抗癌、抗腫瘤、抗突變的研究,均取得了很大進(jìn)展。現(xiàn)已表明,茶多酚中的兒茶素(尤其是酯型兒茶素)和茶色素均有明顯的抗癌、抗腫瘤、抗突變功能。
(4)抗輻射功能。一種說(shuō)法是,茶多酚(起主要作用的是兒茶素)和維生素C等抗輻射功能的途徑之一就是通過(guò)提高GSH-Px和SOD的活性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另一種說(shuō)法是,茶多酚、茶多糖、維生素C等組分的協(xié)調(diào)作用可以吸收放射性物質(zhì),并使之通過(guò)糞便排出體外,從而實(shí)現(xiàn)抗輻射功能。
基因工程的研究在茶樹(shù)上還處于起步階段,基因的克隆是第一步。Kato等從茶葉中成功克隆了咖啡堿合成酶基因的cDNA。利用這項(xiàng)科研成果,將來(lái)有可能通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育出不含咖啡堿合成酶的茶樹(shù)。茶功能成分如茶多酚、生物堿、茶氨酸、茶多糖等都是茶樹(shù)的次生代謝產(chǎn)物。對(duì)茶樹(shù)次生代謝的研究已逐步從生理生化水平向分子生物學(xué)水平發(fā)展。目前已在茶樹(shù)上分離和克隆了一些與茶葉天然生理活性物質(zhì)合成及茶葉品質(zhì)相關(guān)的基因和基因片段。但已有的研究也表明,這些次生代謝產(chǎn)物并非由單一基因控制,往往涉及生化代謝途徑中眾多相關(guān)因子,而這些因子關(guān)聯(lián)著眾多基因,亟待用基因芯片技術(shù)進(jìn)行研究。
目前,RAPD、AFLP技術(shù)已在茶樹(shù)遺傳育種研究中得到廣泛應(yīng)用,用以進(jìn)行親子鑒定研究、品種識(shí)別、連鎖遺傳圖譜構(gòu)建以及茶樹(shù)品種資源的評(píng)價(jià)等。AFLP ( Amplified Fragment Length Polymorphism)是從RAPD技術(shù)發(fā)展來(lái)的一種較先進(jìn)的分子標(biāo)記技術(shù),其特點(diǎn)是把RFLP和PCR結(jié)合了起來(lái)。AFLP技術(shù)既具有RAPD自動(dòng)化程度高,操作簡(jiǎn)單,不受時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境等因素干擾的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又克服了RAPD標(biāo)記只作為顯性標(biāo)記的缺點(diǎn),可提供更多的共顯性標(biāo)記。這項(xiàng)技術(shù)在茶樹(shù)育種研究上已開(kāi)始應(yīng)用,為進(jìn)一步克隆和轉(zhuǎn)移這些目的基因奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。農(nóng)殘是制約我國(guó)茶葉出口的主要因素,特別是2000年7月1日歐盟實(shí)施農(nóng)殘新標(biāo)準(zhǔn)后,問(wèn)題更加嚴(yán)重,茶葉降殘就成為了我國(guó)茶葉科研急需解決的一大難題。要達(dá)到茶葉降殘的目的,除采取常規(guī)的技術(shù)和管理措施外,我們可以運(yùn)用基因工程技術(shù)將抗蟲(chóng)基因轉(zhuǎn)入茶樹(shù)之中,使茶樹(shù)自身具有抵抗蟲(chóng)害的能力,以減少每年因蟲(chóng)害造成的損失和施用農(nóng)藥的巨大開(kāi)支。另外通過(guò)基因工程技術(shù)研究確定兒茶素和茶氨酸等茶葉保健功能成分的目的基因,并將其轉(zhuǎn)入某些工程菌,然后,采用發(fā)酵工程技術(shù)高效生產(chǎn)。這種基因工程和發(fā)酵工程等生物工程技術(shù)的綜合研究,將為茶葉保健功能成分的開(kāi)發(fā)利用開(kāi)辟輝煌的前景。
咖啡堿(1,3,7-三甲基黃嘌呤)是茶葉中嘌呤堿的主體成分,攝入過(guò)量的咖啡堿會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生短期的負(fù)面作用,也限制了以保健和治療為目的茶和茶制品的攝入劑量。近20年來(lái),國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)研究了茶葉脫除咖啡堿技術(shù),開(kāi)發(fā)了溶劑萃取法、熱水脫除法、超臨界CO2萃取法等理化方法,并開(kāi)始培育低咖啡堿茶樹(shù)品種等,尤其是通過(guò)基因工程創(chuàng)造低咖啡堿茶葉新材料的分子育種呼之欲出。
由于基因工程育種可以按人們的設(shè)想定向地、有目的地改變植物的基因型,且較常規(guī)育種用時(shí)少,因此自1983年首次獲得轉(zhuǎn)基因煙草植株以來(lái),植物基因工程研究得到了蓬勃發(fā)展。一個(gè)完整的植物基因工程理論和技術(shù)體系已基本建立。利用基因工程的方法可以在短時(shí)間內(nèi)培育低咖啡堿的茶樹(shù),而且不會(huì)影響轉(zhuǎn)基因植株的其它生化成分??Х葔A的生物合成途徑已基本清楚,但是對(duì)于茶樹(shù)來(lái)說(shuō),茶樹(shù)基因工程尚處于起步階段,其遺傳轉(zhuǎn)化受到茶多酚的自毒作用和殺菌作用的嚴(yán)重干擾,目前這方面的研究還鮮有報(bào)道。茶樹(shù)咖啡堿合成酶基因cDNA的克隆,為可以利用反義RNA技術(shù)和雙鏈RNA技術(shù)抑制咖啡堿合成酶基因的表達(dá)和培育低咖啡堿茶樹(shù)奠定了基礎(chǔ)。與理化處理方法不同的是,遺傳操作有希望直接解決茶葉的咖啡堿含量問(wèn)題,但傳統(tǒng)育種又受到基因型缺乏的限制,應(yīng)用基因工程方法培育低咖啡堿茶樹(shù)是解決茶葉咖啡堿含量問(wèn)題的根本途徑。但至今尚沒(méi)有成功的報(bào)道,茶樹(shù)的高效遺傳轉(zhuǎn)化將成為首要解決的瓶頸問(wèn)題。此外,采用人工誘導(dǎo)突變(如EMS、紫外線、中子、X射線等處理)創(chuàng)造低咖啡堿突變體,結(jié)合生化標(biāo)記和分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行輔助育種,是解決茶葉咖啡堿問(wèn)題的另一個(gè)重要策略。
我國(guó)是茶葉的發(fā)源地,是世界產(chǎn)茶大國(guó),但與世界茶葉先進(jìn)水平相比,仍有很大的差距。我們要充分利用世界生物技術(shù)迅猛發(fā)展的契機(jī),重視茶葉生物技術(shù)研究,利用基因工程,不斷探索基因工程在茶樹(shù)育種中改良茶樹(shù)品種或提高茶葉品質(zhì)的應(yīng)用,促進(jìn)我國(guó)傳統(tǒng)茶業(yè)的改革及產(chǎn)業(yè)化,實(shí)現(xiàn)我國(guó)茶業(yè)“高產(chǎn)高質(zhì)高效低耗”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,鞏固和提高我國(guó)茶葉的國(guó)際地位及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
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