转基因技术研究马铃薯中糖苷生物碱综述

姜长青　吴浩昊

摘 要：随着马铃薯转基因研究的进展，国内学者对马铃薯中糖苷生物碱研究取得了很多成果。本文主要根据2012到2017五年间转基因技术研究马铃薯糖苷生物碱的研究成果进行较为系统的综述，内容涉及糖苷生物碱的研究现状、作用、前景等以及运用转基因技术调节糖苷生物碱的实验分析。

关键词：马铃薯；糖苷生物碱；转基因；RNAi；sgts

2014年东方网报：美农业部批准种转基因土豆比普通土豆在抗癌、运输上更有优势。随后在2016年日本育出转基因土豆：不发芽可长期存储。英国也在马铃薯抗病高产方面取得了巨大进步。而这些成果或多或少的涉及了马铃薯中的糖苷生物碱。糖苷生物碱，又称幽醇类糖着生物碱，是存在于茄科和百合科植物的一类重要次生代谢物，可以保护植物自身免受病虫害袭击，具有广泛的生理生态效应。因此，如何通过转基因手段改变马铃薯中糖苷生物碱的含量具有广阔的发展前景。

马铃薯中糖苷生物碱的研究同时引起了国内外学者的高度关注和研究兴趣。为了全面了解近五年学者关于马铃薯中糖苷生物碱的研究，笔者主要通过CNKI中国期刊全文数据库，以“马铃薯糖苷生物碱”为主题，进行模糊匹配检索。收集了相关文献资料约20余篇进行综述。

一、为什么要转基因？

转基因也叫基因工程，就是通过人工合成特定作用的DNA转入到特定的生物体中，以达到一定目的的过程。农业生产中为获得优良的种子，常用两种方法：一种就是生物技术育种——转基因，还有一种是常规育种。由于马铃薯中糖苷生物碱的特殊性，常规育种还不能做到维持叶片中的生物碱水平的同时做到减少块茎中生物碱水平以降低毒性。所以只能通过转基因手段从分子水平研究改变。

二、Sgt家族酶

马铃薯的SGAs的形成过程有三个阶段。第三阶段的反应物为环阿乔醇，它有两个代谢途径，当走糖基化途径时形成SGAs。此途径中末端茄啶糖基转移酶（sgt家族酶）是SGAs合成的关键酶。牛继平对Sgts氨基酸进行测序并将测序结果和茄啶糖苷转移酶家族进行对比。对比结果显示氨基酸序列同源性在99%以上，预测三个家族基因（sgt1，sgt2，sgt3）均为糖基转移酶家族成员，即具有合成类固醇糖苷生物碱的功能。后续的研究也发现通过抑制任何一个家族酶成员都可以影响SGAs的合成。验证了sgts的在SGAs合成中的重要作用。但不管怎么抑制，抑制哪种sgt家族酶，SGAs的总量都变化不大，可能家族酶成员之间存在类似互补的关系。

安然想要通过RNAi 技术，對糖苷生物碱合成代谢途径末端酶基因家族成员 Sgt1-3 在转录水平进行共调控，从而改变糖苷生物碱的含量或者组分分配，以降低块茎中SGAs的含量。实验结果：通过RNAi沉默技术虽然没有解决糖苷生物碱的总含量但是改变了它在不同部位的分布情况，到达了实验的目标——地上部分增多且地下部分减少。但是实验中转换率过低，且没有二代植株的情况，生产实践中意义不大。最好能够通过改进此种实验，提高转换率和目标基因在后代植株中的存在率以应用到实践。

郭海霞选择SGAs合成途径末端酶基因sgt3，构建绿色组织特异启动了rbcS（加氧酶小亚基基因）驱动sgt3的超表达载体，并转化马铃薯茎段获得转基因材料，以提高马铃薯地上部绿色组织中SGAs积累，培育抗逆性强和食用安全的马铃薯品种（系）。结果分析：SGAs的总含量变化不显著，叶片中含量变化显著，块茎中未有明显变化。陇薯 3 号植株叶片中 SGAs 积累较‘夏波蒂植株中较多。‘陇薯 3 号3 个转基因植株分别比野生型提高了约 32%、37 %和 21%，‘夏波蒂分别比对照提高了约 26%、28%和 20%。这表明rbcS启动了介导的sgt3能显著提高马铃薯绿色组织中的糖苷生物碱含量。虽然完成了实验目标，但是对块茎的含量改变不大。

三、问题与展望

马铃薯中糖苷生物碱是一个矛盾的集合体。目前对于其毒性和生理活性之间的相互协同机制尚不清楚，对于糖苷生物碱合成及代谢机理仍比较缺乏，尤其是对于合成中涉及的基因、酶等方面研究都较少。糖苷生物碱作为一种有毒致癌物质在食用马铃薯中理应尽量减少，但是由于其具有多种生理功效，在抗病抗虫，提高产品品质上又有至关的作用，一直给研究的进展带来很大的问题。既然改变马铃薯中糖苷生物碱总量的路途中困难太多，如何使用转基因手段分配糖苷生物碱在各部分的含量，扬其之长避其之短，就应该成为研究的关注点。14年，白江平教授采用GCE-biplot图表法，分析了红光照射对糖苷生物碱合成的主要基因的影响，发现光照时间越长，sgts家族酶表达量均下降；他还对比了糖苷生物碱合成途径中不同阶段的sgts表达量，结果显示：不同阶段的sgts家族酶表达量有显著差异。这或许能够给我们日后的研究提供一些参考、启发。

近些年研究，还推动了糖苷生物碱的特殊用涂。由于糖苷生物碱的抗菌性，多甜甜认为SGAs可以作为天然的抗菌剂，用在农业生产中。通过转基因技术的研究的深入，日后马铃薯提供给人类的可能不仅仅只是地下的食用块茎，地上叶片中的的SGAs也会被作为天然的抗菌剂用在农业生产中。