甘蔗抗逆转基因研究进展

胡水凤

（广西来宾东糖凤凰有限公司，广西 来宾 546102）

转基因技术是现代农业和现代分子生物学发展的必然产物。转基因技术是指利用转基因相关技术，如农杆菌介导、基因枪等，把目标基因转到研究对象的基因组，随后研究该目标基因是否能稳定表达和遗传。转基因技术可实现不同农作物具备新的农艺性状，从而满足人们的不同需求。1996年之后，转基因的玉米、大豆、棉花、马铃薯、油菜等作物陆续进入全球商业化种植时代［1］。

甘蔗是全球重要的糖料作物之一。目前全球涉及甘蔗生产的国家中，面积和产量均较大的国家有巴西、印度、泰国和中国等。在我国，甘蔗种植主要分布在四大蔗区，即广西、云南、广东和海南，其中广西是全国最大的甘蔗糖业产区，甘蔗种植面积及蔗糖产量自1992年以来一直位居全国第一。2005年以来，广西甘蔗产量、蔗糖产量均占全国的60%以上，在保障国家食糖供给安全中具有举足轻重的地位。甘蔗品种改良的方法主要是依靠常规育种，但由于受亲本遗传基础狭窄、育种周期长等因素影响，甘蔗育种发展一直难有较大突破。常规育种需较长的周期和持续性、长期的人力财力付出，而现代生物技术在这方面具有明显优势，生物技术的应用，特别是转基因技术可克服常规育种的不足，为甘蔗抗病虫、抗旱、抗寒等分子育种提供一个新的研究途径。人们大量消费的甘蔗副产品主要有蔗糖、乙醇等，这些副产品在加工过程中，与转基因表达相关的蛋白可被去除，从而保证甘蔗转基因产品的低风险性（I级）。因此，转基因甘蔗从安全角度考虑，具有较好的研究前景和商业价值。在学术研究上，关于转基因甘蔗最早可追溯到20世纪80年代，当时的科技人员Bower等［2］就首次获得了转基因甘蔗。迄今，经过30多年的研究发展和转基因技术的不断进步，有关甘蔗抗逆性如抗病、抗虫、抗旱和抗寒等方面的转基因研究已取得了较大进展。

甘蔗抗病转基因研究主要集中在甘蔗斐济病、花叶病、黄叶病和黑穗病等病害。

甘蔗斐济病最早在1886年被发现，地点是斐济，因此叫“斐济病”。引起该病害发生的病毒是斐济病毒（Fiji leaf gall，FLG）。甘蔗斐济病是亚洲、澳洲和太平洋地区最严重的甘蔗病害［3］，在泰国、巴布亚新几内亚、菲律宾、西萨摩亚等地也有发现。甘蔗感染斐济病后，从带病蔗种长出的蔗株成簇生长，常只见短叶片，不长蔗茎，从而引起严重减产。甘蔗斐济病转基因方面，1999年美国学者Ingelbrecht等［4］获得甘蔗斐济病毒（Fiji disease virus，FDV）的外壳蛋白基因（Coat protein，CP），通过转基因技术导入甘蔗转化体系内，获得抗性转基因甘蔗植株；
澳大利亚McQualter等［5］在2001年成功获得了甘蔗斐济病毒的第一个开放性阅读框，该阅读框分布在病毒的S9片段上，通过转基因技术获得了转基因甘蔗植株，并对甘蔗斐济病病毒抗性明显。

甘蔗花叶病可造成当年甘蔗减产5%～19%，同时导致糖分下降，品质降低，是蔗区既普遍发生又危害严重的病害之一。在甘蔗花叶病转基因方面，甘蔗热带种拔地拉（Badila）易感甘蔗花叶病毒（Sugarcane mosaic virus，SCMV），姚伟等［6］通过转基因技术（基因枪法）把来源于拔地拉的甘蔗花叶病毒外壳蛋白基因（SCMV-CP）导入甘蔗，获得一批对甘蔗花叶病毒抗性的甘蔗转化系；
罗遵喜等［7］通过转基因技术（农杆菌介导法）将抗病毒蛋白基因（Pokeweed antivirual protein，PAP-c）导入主栽品种ROC22中，获得了对甘蔗花叶病毒病中抗和高抗水平的转基因植株。甘蔗黄叶病方面，外壳蛋白基因（SCYLV-CP）可编码甘蔗黄叶病毒（Sugarcane yellow leaf virus，SCYLV），Zhu等［8］通过转基因技术将SCYLV-CP基因导入甘蔗易感材料H62-4671中，成功获得甘蔗黄叶病毒转基因植株，经检测这些转基因植株的抗性水平与抗性甘蔗材料H78-4153接近。

甘蔗黑穗病是一种世界性的重要真菌病害，严重影响甘蔗的产量和品质，可使甘蔗产量损失10%～50%，糖分下降0.5%～1.0%，威胁到甘蔗产业的稳定和发展。甘蔗黑穗病转基因方面，顾丽红等［9］通过研究几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶基因，发现了抗真菌性病害的双价基因，并利用转基因技术将双价基因导入甘蔗品种ROC10和ROC22体内，获得了对甘蔗黑穗病抗性良好的转基因甘蔗材料；
杀伤毒素（Killer toxin，KP4）基因在玉米和小麦（Triticum aestivum）上表现高抗水平，孔冉［10］通过转基因技术将杀伤毒素基因导入到ROC22中，成功获得抗黑穗病显著的甘蔗转基因植株56份。

甘蔗害虫有上百种，螟害是甘蔗螟虫引起的危害严重的常见虫害，可导致甘蔗死苗、缺株、风折茎，最终有效茎数减少使甘蔗产量平均降低20%，还会影响后续宿根蔗的生长。螟虫为害还导致还原糖和酚复合物增加与蔗汁减少，引起蔗糖分的大幅度下降，直接影响出糖率，导致蔗糖减少。最经济、有效且受环境影响最小的虫害控制方法就是培育抗虫品种。转Bt抗虫基因在甘蔗转基因和防治螟虫研究中应用最广泛。Bt基因的表达产物是Cry1蛋白，能特异性毒杀多种害虫。1996年国外研究学者Arencibia等［11］首次获得转Cry1Ac基因甘蔗植株，并具有良好的抗螟虫能力。Cry1Ac基因的成功运用给甘蔗抗虫转基因研究打下了良好基础，在之后的研究工作中，Cry相关基因陆续被应用，均获得了抗螟虫性良好的转基因甘蔗植株［12］，如全球首例获批商业化种植的转Cry1Ab基因甘蔗品种［13］；
王文治等［14］利用可模拟野生螟虫自由取食特性的实验装置，证明转Cry1Ab基因后的甘蔗植株具有抗虫能力；
转Cry1Aa、Cry1Ab、Cry1Ac已被证明靶标性作用强，毒杀效果突出，特别是针对鳞翅目害虫［15，16］。此外，Nutt等［17］将马铃薯蛋白酶抑制剂II（Potato proteinase inhibitor，PiII）和GNA基因转入甘蔗，获得抗蛴螬的转基因甘蔗；
Christy等［18］获得了稳定表达的抗白螟的转牛胰蛋白酶抑制剂基因BPTI甘蔗植株。

在我国，甘蔗主产区如广西和云南，80%～90%蔗区主要分布在旱坡地，缺乏灌溉条件。因此，干旱是限制我国甘蔗产业发展的关键因素之一。20世纪90年代，有学者通过转基因技术获得了转CrylA（c）基因甘蔗植株［19，20］；
Zhang等［21］以ROC10为试验对象，通过转基因技术将具有遗传修饰作用的海藻糖合酶基因（Trehalose synthase gene，TPS gene）导入甘蔗，成功获得可正常表达的转基因甘蔗植株，同时对转基因甘蔗进行干旱胁迫试验，结果表明这些转基因甘蔗植株经历干旱环境下能进行海藻糖的合成与积累，从而导致转基因甘蔗植株抗旱性明显增强，产量比对照提高13.6%～24.2%，糖分提高1.4%。ScP5CS基因能在干旱条件下诱导脯氨酸积累，巴西学者Molinari等［22］开展转△1-吡咯琳-5-羧酸合成酶（ScP5CS）基因甘蔗植株的耐旱性试验，干旱胁迫12 d后发现甘蔗生物量仍显著提升。李健［23］也开展了ScP5CS基因研究工作，先从广西自育且抗旱性强的甘蔗品种桂糖21号中克隆到该基因，通过转基因技术导入到甘蔗和烟草，再进行转基因植株的干旱胁迫试验，筛选获得了抗旱性好的3份转基因甘蔗植株和2份转基因烟草植株；
施肖堃［24］通过转抗旱DREB基因获得了6份转基因甘蔗植株材料，在其T2代时进行干旱胁迫试验，表明这些T2代转基因甘蔗的抗旱性增强明显；
Anisur［25］利用转基因技术（农杆菌介导法）将获得了转番茄乙烯反应因子TERF1和番茄胁迫响应因子TSRF1甘蔗植株，质谱分析结果显示导入的双基因参与调控干旱胁迫的主要酸性应激蛋白，稳定性好；
印度学者Narayan［26］也通过转基因技术（农杆菌介导法）将扩展素抗旱基因（α-expansin 1 gene of Erianthus arundinaceus，EaEXPA1）导入到印度商业品种Co86032，通过检测分析表明该基因可能是与抗旱性提高相关的靶标基因，过表达EaEXPA1基因提高了转基因甘蔗的抗旱水平。

甘蔗多生长在热带、亚热带地区，喜温喜光，甘蔗的生长温度一般需15 ℃以上，最佳温度在35 ℃左右。但近年来，全球气候变化异常，极端低温天气时常出现，甘蔗生产损失惨重，对蔗糖业的稳定发展造成严重阻碍，使经济发展受到不良影响。如2008年，广西发生长时间的低温寒潮灾害，对广西16个县市的实地调查表明，广西的低温天气造成约32.2%的甘蔗作物损失，其中主栽品种新台糖22号受害面积达68.03%，统计直接经济损失达46亿元［27］。抗寒性甘蔗品种一直是我国甘蔗育种的重要目标之一。冷相应基因和相关蛋白是近年来甘蔗抗旱转基因研究的热点。Cbcor15a是一种应激反应下游冷胁迫应答基因，卢双楠等［28］通过转基因技术将Cbcor15a基因导入甘蔗并实现高效表达；
腾峥等［29］也通过转基因技术获得转Cbcor15a基因甘蔗植株。Chen等［30］从甘蔗中获得了过表达甘蔗α-微管蛋白基因（Sugarcaneα-tubulin（TUA）gene，SoTUA），结果显示SoTUA蛋白在甘蔗冷胁迫中具有重要作用。

随着生物技术的快速更新换代，甘蔗转基因技术越来越受到甘蔗科技人员的重视。目前，甘蔗转基因技术与棉花、水稻、大豆和玉米的转基因技术等相比，虽仍较落后且存在较大差距，同时甘蔗商业化也还未获得法规法制的允许开放，但甘蔗产业在保障我国食糖供给安全上意义重大。因此，需要将甘蔗转基因技术作为一种技术储备进行深入研究。相信在不久的将来，转基因甘蔗的商业化应用在解决甘蔗种植成本上升、种植效益低和促进我国蔗糖产业健康可持续发展等方面将发挥重要作用。