劉玉霞

摘要：近年來，在將蔬菜作物用于非生物脅迫耐受性改良方面取得了重大進(jìn)展。雖然轉(zhuǎn)基因蔬菜作物商業(yè)化的進(jìn)展相對緩慢，但為營養(yǎng)保健和藥物使用而設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)基因蔬菜將在不久為增值農(nóng)業(yè)產(chǎn)量做出重大貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù)；蔬菜作物；生物農(nóng)業(yè)；非生物脅迫

在過去的二十年中，諸如生物脅迫抗性，產(chǎn)品質(zhì)量和儲(chǔ)存壽命等各種重要特性已成功地應(yīng)用于作物植物中。在栽培的轉(zhuǎn)基因作物植物中，除草劑耐受性一直是主要的性狀，其次是Bacillus thuriengiensis（Bt）的昆蟲抗性。耐除草劑的大豆和油菜，以及Bt玉米和棉花構(gòu)成了四種主要的轉(zhuǎn)基因作物（Beaujean等，2010）。兩種商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因蔬菜作物是延遲果實(shí)成熟的番茄和具有昆蟲和病毒抗性的馬鈴薯。近年來，分子研究表明有幾種基因可以在蔬菜作物中引入新的特性，在引入非生物脅迫耐受性方面取得了相當(dāng)大的成功。

一、非生物脅迫耐受性

（一）用水效率

通過精確調(diào)節(jié)氣孔開度可以提高耐旱性和水分利用效率。為了應(yīng)對干旱脅迫，植物通過ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉使水分流失最小化。導(dǎo)致氣孔關(guān)閉的信號(hào)事件在分子水平上易于發(fā)現(xiàn)。與野生型擬南芥相比，ABA不敏感突變體（abi1-1R3）顯示出較強(qiáng)的耐旱性（Gao等，2013）。突變基因（ERA1）對ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉引起超敏反應(yīng)。在干旱脅迫下，突變體表現(xiàn)出增強(qiáng)的氣孔關(guān)閉，從而減少萎蔫（Pei等，2008）。

（二）抗氧化防御

非生物脅迫由于其對反應(yīng)速率，蛋白質(zhì)穩(wěn)定性和膜分隔的不利影響而引起代謝異常。在這些非生物脅迫下的擾動(dòng)代謝導(dǎo)致活性氧（ROS）的毒性水平積累，即超氧自由基，過氧化氫和羥基自由基，其導(dǎo)致對核酸，蛋白質(zhì)和膜的不可逆損害。ROS通過非酶抗氧化劑（抗壞血酸，α-生育酚，谷胱甘肽等）和酶抗氧化劑（超氧化物歧化酶，過氧化氫酶和抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)酶）是植物耐受非生物脅迫的重要策略。因此，已經(jīng)進(jìn)行了多次嘗試以通過增強(qiáng)ROS清除來改造植物脅迫耐受性的能力。通過反義RNA抑制過氧化氫酶增加了對轉(zhuǎn)基因番茄植物中氧化應(yīng)激和冷害的易感性（Kerdnaimongkol和Woodson，2009）。相反，異位表達(dá)擬南芥CBF1的轉(zhuǎn)基因番茄植物顯示出對氧化脅迫的增強(qiáng)的耐受性，因?yàn)镃BF1過表達(dá)在這些轉(zhuǎn)基因番茄植物中誘導(dǎo)過氧化氫酶基因的高水平表達(dá)。

（三）滲透調(diào)節(jié)劑

在細(xì)胞水平上，滲透脅迫是由干旱，高鹽度和極端溫度引起的。滲透調(diào)節(jié)是重要的細(xì)胞防御之一。滲透脅迫可能誘導(dǎo)離子吸收（K +），區(qū)域化（Na +進(jìn)入液泡）或相容性溶質(zhì)的合成，如脯氨酸，甜菜堿，多元醇和可溶性糖。這些有機(jī)相容性溶質(zhì)通過滲透調(diào)節(jié)來保護(hù)植物免受壓力，這有助于維持解毒作用氧物種和蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定（Bohnert和Jensen，2006）。在許多作物植物的干旱下，滲透調(diào)節(jié)與作物產(chǎn)量的增加有關(guān)。幾種改造過量產(chǎn)生滲透保護(hù)劑的轉(zhuǎn)基因植物顯示出增強(qiáng)的非生物脅迫耐受性。然而，在蔬菜作物中，只有很少的嘗試來設(shè)計(jì)滲透保護(hù)劑。海藻糖是滲透保護(hù)劑之一，其在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯中已經(jīng)評估了其在脅迫耐受中的作用。酵母海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS1）催化海藻糖的合成，海藻糖是碳水化合物分配到糖酵解通量和應(yīng)激存活策略的調(diào)節(jié)劑。轉(zhuǎn)基因馬鈴薯植物過表達(dá)酵母TPS1基因顯示出增強(qiáng)的耐旱性。甜菜堿是許多植物用來對抗非生物脅迫的重要的相容性溶質(zhì)。番茄植物不會(huì)積累甘氨酸甜菜堿。因此，用靶向葉綠體的codA基因產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因番茄植物，其編碼催化膽堿轉(zhuǎn)化為甘氨酸甜菜堿的膽堿氧化酶。這些轉(zhuǎn)基因植物在各種發(fā)育階段表現(xiàn)出增強(qiáng)的抗寒性（比其野生型對應(yīng)物多10-30%）（Park等，2014）。

二、蔬菜作物品質(zhì)的提高

（一）營養(yǎng)品質(zhì)的改善

植物產(chǎn)生各種化合物，例如蛋白質(zhì)，維生素，類黃酮等對植物具有重要功能，并且對人類營養(yǎng)具有重要性。然而，一些蔬菜缺乏必需氨基酸，如蛋氨酸和賴氨酸。馬鈴薯是一種重要的糧食作物。由于必需氨基酸賴氨酸，酪氨酸和含硫氨基酸蛋氨酸和半胱氨酸的缺乏，馬鈴薯蛋白的營養(yǎng)價(jià)值減少。為了提高馬鈴薯的營養(yǎng)價(jià)值，已在轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖中表達(dá)了莧菜籽白蛋白基因AmA1。這種蛋白質(zhì)是非過敏性的，富含所有必需氨基酸，符合WHO人類飲食要求標(biāo)準(zhǔn)。類似地，在甘薯中引入編碼由必需氨基酸組成的儲(chǔ)存蛋白的292bp人工基因（asp-1）。與對照植物的貯藏根相比，其中一種轉(zhuǎn)基因品系顯示蛋白質(zhì)增加了四倍（Egnin和Prakash，2017）。

（二）無籽蔬菜

在沒有授粉和受精的情況下，果實(shí)的發(fā)育被稱為單性結(jié)實(shí)。由于授粉和施肥受到諸如低溫或高溫等環(huán)境脅迫的不利影響，單性結(jié)實(shí)有利于在這些脅迫條件下的生產(chǎn)力穩(wěn)定性。此外，單性結(jié)實(shí)果實(shí)的無籽性質(zhì)增加了消費(fèi)者的接受度，使蔬菜的加工更容易，并且還提高了蔬菜的質(zhì)量。單性結(jié)實(shí)已顯示受生長素調(diào)節(jié)，因此，已經(jīng)努力通過增加生長素產(chǎn)生或卵巢對生長素的敏感性來設(shè)計(jì)單性生殖器。表達(dá)由胚珠特異性啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的iaaM基因已被證明可以將單性結(jié)實(shí)賦予轉(zhuǎn)基因番茄和茄子，并且還提高了產(chǎn)量（Donzella等，2010）。最近，發(fā)根農(nóng)桿菌來源的基因rolB已被用作誘導(dǎo)番茄單性結(jié)實(shí)的替代方法。在卵巢和幼果特異性啟動(dòng)子TPRP-F1的控制下用rolB基因轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)基因番茄植物發(fā)育出單性結(jié)實(shí)果實(shí)。果實(shí)大小和形態(tài)，包括無籽果實(shí)的子房中的果肉填充，與親本系的種子果實(shí)相當(dāng)。

三、未來的前景

當(dāng)前需要解決轉(zhuǎn)基因應(yīng)用中的一些限制，以便更廣泛地應(yīng)用和接受轉(zhuǎn)基因技術(shù)。如環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，與作物密切相關(guān)的野生近緣種的交叉授粉和作用以及有關(guān)人類健康的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品需要根據(jù)具體情況仔細(xì)評估。

參考文獻(xiàn)：

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