杨树营养生长转基因研究进展

杨成超

(辽宁省杨树研究所，辽宁 盖州 115200)

杨树营养生长转基因研究进展

杨成超

(辽宁省杨树研究所，辽宁 盖州 115200)

杨树是研究树木分子生物学的模式树种，营养生长是人们在木材利用时的重点关注对象，转基因是杨树遗传育种的重要手段之一。文章综述了杨树营养生长方面的转基因研究进展，包括初生生长、形成层、木质素、光合作用和植物激素5个方面，还探讨了研究中存在的问题，并对以后的发展做了展望。

杨树；营养生长；转基因；进展

杨树(Populus)是重要的绿化和用材树种，也是树木分子生物学研究的模式树种。杨树的营养生长主要指初生生长和次生生长，包括根、茎、叶整个生长过程。转基因技术是指将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，这一技术称之为转基因技术。基因工程、遗传转化和遗传工程都是转基因的同义词。基因工程育种是杨树遗传育种的重要的手段，自二十世纪九十年代以来，中国杨树转基因研究在抗虫、抗病、耐盐碱基因工程方面取得较大成绩[1,2]，但在营养生长的转基因方面鲜有总结。本文旨在总结杨树营养生长基因转化的研究情况，为提高杨树产量和改善木材品质打下基础。

1 与初生生长有关的基因转化

Tzfira[3]等采用农杆菌介导法将rol基因导入欧洲山杨的嫩茎，研究了茎干生长、叶芽萌发和分枝习性。研究表明：转rol基因植株表现为顶端优势被打破，每个外植体产生多达4个腋芽，累积茎干长度较大和生长速率较快，茎干生长指数增加。Nilsson 等[4]的研究表明, 转rolA 或B或C 基因的杂种杨树生长和发育速度、生根能力均发生改变。其中转rolC 基因的杨树不仅表型发生改变(如顶端优势降低、植株矮化和节间缩短), 同时植物内源激素含量下降、赤霉素合成发生变化, 而细胞分裂素水平却升高。转基因植株的矮化可能是细胞数的减少所导致的。Claudia等[5]研究了3年生的转rolC基因欧洲山杨×美洲山杨的木材形成及结构特点。该转基因植株具有明显的茎生长减少和芽萌发提前等特点，芽萌发和叶片形成后并不立即开始形成木材，而对照却开始形成木材；转基因杨树和对照的木材结构没有明显的区别，转rolC基因的杨树可以作为研究木材形成机制的一种有用的模式。

张冰玉等[6]采用农杆菌介导法，将透明颤菌血红蛋白 Vitreoscilla hemoglobin (VHb)基因vgb导入银腺杨。共获得52株整合了vgb基因的再生植株。在温室生长条件下，转基因无性系的外部形态与对照相比无显著差异。但在株高和地径上，有3株转基因无性系较对照植株有明显增加。王建革等还把vgb转入安托杨，也获得了转基因植株。

2 与形成层形成有关的基因转化

调节顶芽分生组织的一些重要基因家系也在形成层中表达。例如KANADI转录因子和HD-ZIP Ⅲ 基因在欧洲山杨(PopulustremulaL.)的形成层区域表达[7]，表明形成层与顶芽分生组织在遗传调控上具有重叠性。Busov[8]及其同事利用激活标签(activation tagging)法进行了杨树基因转化，产生了大量的转基因个体，其中有9株有明显表型变异，其中一株对应的突变基因为赤霉酸2-氧化酶类似物。另外，增强子捕获(enhancer trap)、基因捕获(gene trap)、T-DNA插入和Ac/Ds转座子等转基因技术也正准备用于鉴定杨树木材形成组织中基因的具体功能。

3 与木质素有关的基因转化

Franke等[9]认为林木中过量表达F5H是对木质素生物合成进行修饰的有效代谢基因工程策略。Jouanin等[10]通过转COMT基因，6月龄的转基因欧洲山杨×银白杨的木质素含量下降17%，木质素的结构得到显著改变，几乎没有紫丁香基型木质素，纤维素含量提高，使木质素更容易被工业降解。Hu等[11]通过对美洲山杨转Pt4CL1基因的研究表明：由于对Pt4CL1基因进行反义控制，生长10个月的转基因植株木质素减少45%，纤维素增加15%，叶、根和茎生长加快，木质素和纤维素的沉积为一种补偿性调控模式。至今，已将4CL、CAD和豆科植物的阳离子过氧化酶基因(Shpx6a)反义导入美洲山杨、欧洲山杨和欧洲山杨×银白杨(P.tremulaL.×P.albaL.)。4CL表达被抑制的转基因美洲山杨木质素含量也明显下降，木质素下降最高达45%，同时纤维素含量增加15%。Zeliha等[12]将Shpx6a转入欧洲山杨，使转基因植株木质素的含量降低10%～20%。Jouanin[10]发现由于基因沉默使得再生杨树苗中35S启动子作用的COMT活性降低为零，木质素含量降低17%，而CAD启动子作用下的COMT转基因杨树苗的纤维素含量增加，木质素缩合程度也提高，更加不利于纸浆加工。李春秀等[13]将从毛白杨中克隆到的毛白杨纤维素合成酶基因(PtoCesA1)，转移到烟草中。

4 与光合作用有关的基因转化

杨树是C3植物，对杨树光合方面的研究一般仅仅限于光合速率、叶绿素含量等生理指标的测定，在育种上一般只是研究不同品种间光合速率、叶绿素含量的比较分析，如罗青红等[14]在胡杨、灰叶胡杨光合及叶绿素荧光特性方面进行了研究。Gallardo[15]将针叶树GS基因导入杨树，由于GS在转基因植物体内过量表达，引起谷氨酸胺合成大量增加，植物的可溶性总蛋白及叶绿素含量也相应增加。与对照植物相比，转基因幼苗的株高在2个月内增加了76.0%，6个月增加了21.3%。

在高光效育种[16]方面，还没有见到利用C4光合途径改造杨树的报道。C4光合途径[17]主要涉及3种关键酶，即PEPC(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶)、磷酸丙酮酸二激酶(PPDK)和依赖于NAD(P)的苹果酸酶[NAD(P)-dependent malic enzyme, NAD(P)-ME]。玉米的PEPC有C4型、C3型和根型等3种类型，高粱的PEPC基因家族也有3个成员。以后，研究人员可以尝试将PEPC等基因转入杨树中提高杨树的光合速率。

5 与植物激素有关的基因转化

五大类植物激素几乎都参与了木质部分化的控制，但目前对于生长素和细胞分裂素诱导木质部分化的信号转导途径还不清楚。生长素的一个效应因子MP可能参与了这一途径，因为MP基因突变体导致了木质部长轴分化的偏离[18,19]。山杨转录因子PttHB1[20]可能在木质部分化过程中起作用。转IAA合成酶基因白杨中发现转基因植物的IAA浓度比野生型稍高。然而，转基因植物的茎的直径比野生型植物小，且主要是木质部径向宽度的减小造成的[21]。这一试验结果说明采用改变激素水平的方法来改变木材材性，不能获得理想的效果。Eriksson等[22]通过转基因使欧洲山杨×美洲山杨中的GA过量表达，提高了生长速率和生物产量。赤霉素和生长素同时施用能够促进分生组织的活性及木质部纤维细胞的伸长，因而赤霉素是细胞纵向伸长所必需的。超量表达GA-20氧化酶的转基因杂种白杨纵向生长和径向生长都有所增加，同时木质部纤维的长度也有所增加。

6 存在问题与展望

我国的杨树基因工程育种取得较大成绩，培养出了抗虫杨等一批进入田间释放阶段的品种，但也存在一些问题。主要表现在具有自主知识产权的目的基因缺乏，速生黑杨派遗传转化体系尚待优化，杨树转基因生物安全问题缺乏深入研究，转基因杨树推广还需广大林农的认可等。另外，由于树木基因转化后其所产生木材材性表型在多年之后才能被观察到，因此，在杨树材性方面的转基因研究往往会受到时间的限制。

自1983年转基因烟草问世以来，植物基因工程得到了快速发展。但树木基因工程研究相对滞后。杨树生长快、易繁殖、分布广泛、易加工，受到人们的广泛重视。提高杨树的生长速率，改良它的木材性状是杨树育种的重要目标。杨树基因组较小，已测序(http://genome.Jgi-psf.Org/2005-9-27/)，组织培养体系较容易建立，与其他树种相比，在基因工程育种方面具有较大优势，发展前景广阔。

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1005-5215(2015)01-0067-03

2014-10-10

辽宁省农业攻关项目(2012212001)；辽宁省科学事业公益研究基金(2013002009)

杨成超(1975-)，男，辽宁黑山人，博士，高级工程师，现从事杨树冻害生理和分子生物学研究.

S792.11

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2015.01.023