现代生物技术在蔬菜育种中的应用

现代生物技术在蔬菜育种中的应用

摘要 从基因工程、细胞工程方面概述了生物技术在我国蔬菜育种中的研究现状，简要分析了我国蔬菜育种中存在的问题，并对生物技术在我国蔬菜育种中的发展趋势进行了展望。

关键词 生物技术；蔬菜育种；应用

近年来，随着生物技术的发展，人们用于改造蔬菜作物遗传特性的方法越来越多。生物技术在蔬菜育种中的应用也逐渐广泛。生物技术(bioteehnology)是指利用生物学原理，对生物进行一些遗传操作，改良作物的遗传特性，获得某些适用于人们特殊需要的新品种的技术。生物技术包括基因工程(gene engineering)、细胞工程(cell engineering)、蛋白质工程(protein engineering)、发酵工程(ferment engineering)和酶工程(enzyme engineering)。

1 基因工程在蔬菜育种上的应用

基因工程是以植物组织、细胞或原生质体为受体系统，导人目的基因，改良作物农艺性状的一种育种方法，使育种目标更明确、操作更直接、程序更精简。目前，基因工程在蔬菜育种中的应用主要有抗病毒基因的转化、抗虫基因的转化、抗逆基因的转化、抗除草剂基因的转化及在品质改良方面的应用。

1.1 抗病毒基因的转化 蔬菜抗病毒基因的转化是通过遗传转化将病毒外壳蛋白编码基因转入受体细胞中表达，目前这种技术已在辣椒、甘蓝、菠菜、芥菜、马铃薯、豌豆、番茄、黄瓜、南瓜、甜瓜和生菜等蔬菜上应用。近10年来，人们利用转基因技术在植物抗病毒病育种研究上取得了较大进展，1986年英国科学家Harrison等首次将黄瓜花叶病毒(CMV)的Sat—RNA反转录成eDNA后转入植物中，获得了抗CMV的转基因植株。1993年McGarvey等利用卫星RNA技术得到了抗CMV的番茄。1990年赵淑珍等利用卫星RNA的互补DNA(cDNA)单体和双体基因构造成抗黄瓜花叶病毒(CMV)的转基因番茄。这种番茄能够干扰CMV的复制，表现出对CMV的显著抗性，且这种抗病特性可以遗传。此外，将西瓜花叶病毒1号(WMV—1)cP基因导入西瓜，将芜菁花叶病毒的CP基因(TuMV—CP)导入大白菜等也有报道。毕玉平等构建了烟草花叶病毒外壳蛋白基因TMV—CP和CMV—CP双价质粒载体，通过农杆菌介导转化辣椒栽培品种农大40和湘研1号，获得了对TMV和CMV同时表现免疫的辣椒植株。

1.2 抗虫基因的转化 虫害是制约农作物高产的重要因素，通过基因工程手段培育抗虫新品种可从根本上解决常规化学农药容易对环境造成污染、生物农药成本昂贵的问题，具有广阔的应用前景。当前应用于蔬菜抗虫育种的抗虫基因主要有2类：即来源于苏云金芽孢杆菌的毒素基因(Bt)和来源于植物的蛋白酶抑制因子基因(Pt)，目前研究较多的是Bt基因。1986年PGS公司首次进行Bt基因的烟草田间试验。2005年吴涛通过农杆菌介导法，用含有转β-葡糖醛酸酶(GUS)基因和抗卡那霉素的新霉素磷酸转移酶nptⅡ基因的双元载体质粒pKUC将cry

I(c)基因导入辣椒外植体，然后在含有卡那霉素的选择培养基上进行筛选培养，获得了一批转Bt基因植株。在我国，只有转Bt基因的抗虫棉得到商品化生产，蔬菜转基因的抗虫品种还没有用于生产的报道。生产中获得的蔬菜转基因植株的有番茄、甘蓝等。

1.3 抗逆基因的转化 目前抗逆基因工程的研究主要集中在逆境条件下才能表达的某些基因的研究上，现已分离出大量与抗逆代谢相关的基困，如与耐盐有关的脯氨酸合成酶基因(proA)；与抗冻有关的鲽鱼的抗冻蛋白基因(AFPs)、抗冻糖蛋白基因(AFGPs)及昆虫的温衡蛋白基因；与抗旱有关的肌醇甲基转移酶基因、茧蜜糖合成酶基因等。由于植物的抗冻基因主要是鱼类的抗冻蛋白，有人利用农杆菌将比目鱼体内的抗冻蛋白(AFP)基因转入番茄，发现转基因番茄不但稳定转录AFP的mRNA，还产生一种新的蛋白质。这种转基因番茄的组织提取液在冰冻条件下能有效地阻止冰晶的增长，转基因植株经鉴定，抗冻能力明显提高。王淑芳等将催化胆碱生成甘氨酸甜菜碱的胆碱脱氢酶基因转入番茄，获得了耐盐性高于对照的转基因番茄植株。

1.4 抗除草剂基因工程 通过化学方法来控制杂草已成为现代化农业生产中不可缺少的一部分。但除草剂在杀死杂草的同时污染环境，对其他的农作物有时会产生不可预测的后果。而通过基因工程，增加了对除草剂的选择性和安全性，就能有效地解决这些问题。抗除草剂基因转化有2条途经，一是使除草剂的敏感性改变，二是导入外援基因使除草剂解毒。蔬菜作物中，对番茄耐除草剂的研究开展得较早。Fillatti等将aroA突变基因编码EPSP合成酶经农杆菌导入番茄，获得了抗草甘膦的转基因植株。钟蓉等将溴苯腈除草剂(bar)基因导人了甘蓝型油菜(B.napus L.)，获得了抗溴苯腈的植株。金红等将从潮湿霉菌(S.hygroscopicus)中分离克隆的bar基因导入到黄瓜制种亲本中，获得转基因抗除草剂亲本。

1.5 基因工程在蔬菜品质改良上的应用 蔬菜品质改良已成为蔬菜选育的主要目标，一些有价值的外源基因的导入无疑是一条有效的途经。1997年中国第一个获准进行商品化生产的基因工程番茄品种华番1号，解决了由于番茄具有呼吸跃变期而难以贮藏的难题，大大延长了保鲜期。实践证明，利用基因工程可以有效改善作物的品质，目前已取得了很好的效果。2002年郑回勇等将人乳铁蛋白基因插入pBINl21质粒Xba和Sac之间，经农杆菌介导转入胡萝卜受体，经PCR检测，初步确定抗性植株为转入乳铁蛋白基因植株。

2 细胞工程在蔬菜育种上的应用

细胞工程是以细胞为基本单位，在离体条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞的某些生物学特性按人们的意志发生改变，从而改良生物品种和创造新品种，加速动物和植物个体的繁殖，或获得某些有用的物质的过程，主要包括单倍体育种、组织快繁、人工种子、突变体筛选等几个方面。

2.1 单倍体育种 利用单倍体植株快速培育纯系在作物育种中可以缩短育种年限，加速育种进程，降低误选。因此，利用植物游离小孢子培养获得单倍体植株已成为现代育种技术中的一个重要手段。自从19年印度学者Guha和

Ma—heshwari成功地将毛叶曼陀罗(Datura irmoxia Mill)的成熟花药离体培养获得单倍体植株以来，植物花药单倍体育种技术得到了快速发展。目前已有40种以上植物的花粉或花药发育成单倍体。在花药单倍体育种方面，邓立平等选花粉发育为单核中期的花药进行离体培养，通过愈伤组织及胚状体的途径获得了花粉植株，培育出了抗病、高产、质佳的茄子新品系86—1植株。花粉(小孢子)培养是指把花粉从花药中分离出来，以单个花粉粒作为外植体进行离体培养的技术。1998年有学者利用小孢子培养技术，建立了完善的大白菜游离小孢子培养体系，且获得一大批纯系，迅速地组配出适合春、夏、秋季栽培的系列大白菜品种(杂交种)。

2.2 组织快繁 蔬菜生产中有的是以无性繁殖的方式繁衍后代的，如马铃薯、大蒜、姜等，尤其以马铃薯的栽培面积大，种薯退化严重为首。马铃薯栽培过程中，易感染多种病毒，目前尚没有药剂能不伤害马铃薯只杀死其植株体内的病毒，唯一的方法是利用马铃薯茎尖组织培养技术，获得脱毒植株和种薯。目前这种方法在农业生产和商业生产中取得巨大成功。近年来对蔬菜的组织培养研究中，雄性不育系和自交不亲和系研究较多，李春玲等采用芽繁芽的组培方式，将韭菜雄性不育单株迅速繁殖为雄性不育无性系并用于杂交育种工作。

2.3 人工种子 人工种子的概念是由美国生物学家穆拉希格(Murashige)于1978年在国际园艺植物学术讨论会上首先提出的，它是指将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织(芽、愈伤组织、胚状体等)包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。人工种子与天然种子非常相似，包括具有活力的体细胞胚、人工胚乳和人工种皮，又称合成种子、人造种子或无性种子。植物人工种子具有生产不受环境影响、节约良田、提高育种效率、缩短育种时间、节约劳动力等优点。在植物生物技术领域中新近发展起来的人工种子技术具有诱人的前景。我国从1987年开始将人工种子研究纳入国家高新技术发展计划项目，先后在胡萝卜、苜蓿、芹菜等蔬菜的开发应用上获得了阶段性成果。此外，汤绍虎等人以蕹菜小叶品种带芽节段为繁殖体，用质量分数4％的海藻酸钠包裹制作了人工种子。沈颖等以抱子甘蓝下胚轴为外植体诱导再生植株，并制作人工种子，为抱子甘蓝及人工种子制作的推广应用奠定了基础。

2.4 突变体筛选 近年来在园艺植物上研究较多的是抗盐和抗病突变体的筛选，在突变体筛选时多采用离体培养。中国科学院植物研究所利用细胞工程，通过体细胞培养突变体筛选和抗盐基因转化等途径开展生物技术培育抗盐耐海水蔬菜的研究，目前已获得突破，先后培育出芹菜等10余种能够在1/3甚至1/2海水中正常生长的蔬菜。并且，相对于淡水对照，获得减产率低于20％的抗盐耐海水蔬菜材料。针对茄子黄萎病育种中缺乏高抗材料，刘君绍等利用细胞工程技术，开展了茄子抗黄萎病突变体的离体筛选，并获得了一株黄萎病抗性为中抗(病情指数为23.0)、农艺性状较好的“三月茄”突变体(142-E)，其自交群体的染色体也与三月茄野生型相同。抗病突变体的筛选方法主要分为一步选择法(即在选择培养基上用致死培养基只选1次)和多步选择法(即用足够长的时间多次在选择培养基上选择，剂量逐步加大)。在番茄的子叶、下胚轴愈伤组织培养基中分别加入制霉菌素的临界致死浓度(仅存活2％微型愈伤组织时的浓度)，筛选出了番

茄抗晚疫病突变体。