我國蔬菜和馬鈴薯常規(guī)育種現(xiàn)狀與展望

我國蔬菜和馬鈴薯常規(guī)育種現(xiàn)狀與展望

蔬菜和馬蹄是農業(yè)的重要組成部分。2005年全國蔬菜的播種面積為1772.07萬公頃,總產量為56451.49萬噸。周年均衡地供應人們足量、優(yōu)質、品種多樣、安全的蔬菜,不僅直接關系著人們的生活質量與健康水平,同時也關系到農村經濟發(fā)展和農民就業(yè)的問題。按種植面積和總產量排序,馬鈴薯是第四大糧食作物,我國2004年栽培面積達460萬公頃,產量達7500萬噸,且我國馬鈴薯種植面積和產量仍有很大增長潛力。馬鈴薯產業(yè)的不斷發(fā)展,將對緩解我國食品安全壓力起到重要作用。通過遺傳改良提高我國蔬菜和馬鈴薯的品種水平可以從源頭上促進相關產業(yè)的發(fā)展。“七五”以來,我國蔬菜和馬鈴薯常規(guī)育種取得了巨大的成就。一代雜種的利用已經普遍替代了原有的蔬菜常規(guī)品種,產量和抗病性得到很大提高。適應于當?shù)貧夂蜃灾饔傻鸟R鈴薯品種也在逐步替代從歐美引進的原主栽品種。但是應該清醒地認識到,由于基礎較差,歷史較短,我國蔬菜和馬鈴薯常規(guī)育種水平和發(fā)達國家相比,還有很大的差距。例如我國馬鈴薯單產只有荷蘭的1/3。這種落后導致我國蔬菜和馬鈴薯育種界目前面臨國外種苗公司的緊迫壓力,需要盡快提高育種水平。常規(guī)育種受到資源和規(guī)模的制約,很難在短時間內提高。分子標記輔助育種和轉基因等新技術的誕生為迅速提高我國蔬菜和馬鈴薯的育種水平提供了契機。1.蔬菜和馬鈴薯合成淀粉粒全球第一個商業(yè)化的轉基因植物品種就是轉基因蔬菜,而非其他作物。這就是1994年美國Calgene公司推出的轉基因耐貯番茄品種FlavrSavr。這一基因工程植物的培育,是通過干涉一個與乙烯代謝有關基因的表達,抑制乙烯的合成,使番茄果實長期保持綠色硬實,便于運輸和貯藏。上市之前用外源乙烯處理,果實即成熟變軟,其顏色和風味如常。但由于其他園藝性狀并不突出,FlavrSavr并未被成功地投入商業(yè)化生產。病毒基因被導入植物基因組能夠使受體植物對病毒產生一定的抗病性,這種現(xiàn)象被稱為交叉保護,和人類接種弱毒疫苗來抵抗傳染病有相似之處。1995年,抗病毒病的轉基因南瓜品種FreedomⅡ獲美國農業(yè)部批準投入商業(yè)應用。來源于蘇云金芽孢桿菌的毒素基因(Bt)是目前應用最為成功的抗蟲基因,Bt抗蟲棉在防治棉鈴蟲上得到了普遍的推廣。Bt蛋白對蔬菜上的鱗翅目昆蟲也有強力的毒殺效力,美國康乃爾大學已經將Bt基因導入甘藍來防治主要害蟲小菜蛾。經人工改造的Bt基因對鞘翅目昆蟲也有毒殺作用,美國密西根大學和荷蘭瓦赫寧根大學已經成功獲得了抗馬鈴薯甲蟲的Bt轉基因品種。Bt馬鈴薯在美國曾占4%的面積,但近年來基本上已經退出了市場。通過基因工程提高蔬菜的品質也成為目前研究的熱點。法國和意大利等國的科學家成功地通過轉基因沉默了光信號傳導的一個關鍵基因DET1,使番茄果實中的番茄紅素、β-胡蘿卜素和類黃酮的含量均增加一倍以上。由于采用了果實特異性啟動子,DET1的沉默對番茄植株的生長和發(fā)育并無太大影響,也不影響果實的大小、可溶性固形物含量等其他經濟性狀。由于公眾對轉基因食品的關注和其他原因,轉基因蔬菜和馬鈴薯的產業(yè)化沒有取得象Bt抗蟲棉那樣巨大的成功。工業(yè)用途的馬鈴薯淀粉基因工程也許是唯一成功的例子。馬鈴薯淀粉具有極其廣泛的工業(yè)用途,其生物合成是由多種酶協(xié)同工作完成的。阻斷其中任何一個酶的功能,就將改變淀粉粒的理化性質,使其符合特殊的工藝要求。荷蘭瓦赫寧根大學通過轉基因沉默了直鏈淀粉的合成酶基因,開發(fā)出沒有直鏈淀粉(amylose-free,amf)的馬鈴薯淀粉粒。目前,amf馬鈴薯淀粉由荷蘭Avebe公司獨家生產,價格是普通淀粉的8倍(約3000歐元/噸)。歐美發(fā)達國家在蔬菜和馬鈴薯轉基因研究上仍然大大領先,在抗病、抗蟲、品質改良等方面均有成功先例。由于蔬菜和馬鈴薯直接入口且攝食量大,因此大眾對轉基因蔬菜和馬鈴薯的食品安全大為關注,其產業(yè)化受到很大影響。2.對藥物產物的抗性在轉基因蔬菜育種中,以抗病毒基因工程進展最快,陳章良科研小組培育的抗黃瓜花葉病毒(CMV)的轉基因番茄已經獲得農業(yè)部的商品化生產許可,其抗性的獲得是通過黃瓜花葉病毒外殼蛋白介導來實現(xiàn)的。中國農業(yè)科學院生物技術研究所賈士榮等通過轉入經過修飾和改造的殺菌肽基因,獲得了高抗青枯病的轉基因馬鈴薯材料。該項技術為蔬菜抗細菌性病害育種提供了一條解決抗源材料匱乏問題的新途徑。中國科學院上海植物生理研究所毛慧珠等通過轉入蘇云金芽胞桿菌的毒素基因(Bt),獲得了對鱗翅目害蟲有一定抗性的轉基因甘藍。中國農業(yè)大學張七仙等將來源于豇豆的胰蛋白酶抑制基因(CpTI)導入甘藍,通過抗小菜蛾實驗發(fā)現(xiàn),該轉基因植株較對照植株有明顯的抗蟲性。華中農業(yè)大學吳昌銀等通過導入雪花蓮凝集素(GNA),獲得了對蚜蟲具有一定抗性的轉基因番茄。優(yōu)良的品質是現(xiàn)代蔬菜育種中一個極其重要的指標。華中農業(yè)大學葉志彪等將乙烯形成酶(EFE)反義基因導入番茄,抑制果實中乙烯的活性,獲得遲熟轉基因番茄材料,再結合雜種優(yōu)勢育種,育成一代雜種華番1號。復旦大學王光清等將一段人工合成的編碼一個富含必需氨基酸的蛋白質的DNA序列轉入馬鈴薯,提高了馬鈴薯的營養(yǎng)價值。中山大學張宏等將花粉絨氈層細胞特異表達的啟動子TA29與核糖核酸酶基因(barnase)構建成的雄性不育嵌合基因轉入番茄子葉,獲得了具有雄性不育特征的轉基因番茄。利用同樣的原理,可將核糖核酸酶抑制基因(bastar)也置于TA29啟動子控制下導入番茄,培育成恢復系,應用于繁制一代雜種,可使雜種率提高到100%。中國農業(yè)科學院生物技術研究所劉德虎將乙型肝炎病毒表面抗原基因導入馬鈴薯和番茄,成功獲得轉基因抗乙肝馬鈴薯和轉基因抗乙肝番茄,將該轉基因馬鈴薯飼喂小白鼠,使小白鼠獲得了對乙型肝炎的免疫能力。相信經過更深入的研究,在不久的將來,口服一定量該轉基因馬鈴薯或番茄后,人體即可通過免疫反應獲得乙肝病毒的抗體。我國蔬菜和馬鈴薯轉基因研究起步較早,但有自主知識產權的基因較少。由于轉基因技術和傳統(tǒng)育種結合不緊密,沒有形成大的產業(yè)。3.非科學因素對蔬菜產業(yè)的影響轉基因作為一種先進的技術手段,必將在蔬菜和馬鈴薯育種中發(fā)揮更大的作用。但是如任何新生事物誕生之初會受到質疑一樣,目前轉基因蔬菜和馬鈴薯的產業(yè)化受到各種非科學因素的制約。但是隨著科普教育的普及和公眾科學意識的提高,轉基因蔬菜和馬鈴薯必將為公眾所接受,相關產業(yè)必將有跨越性的發(fā)展。3.1同源轉基因技術。在現(xiàn)代社會轉同源轉基因(Cisgenesis)和異源轉基因(Transgenesis)是相對應的概念,其主要區(qū)別為目標基因的來源不同。同源轉基因的目標基因來源于作物本身或其近緣野生種,采用無標記轉基因技術,因此同源轉基因和傳統(tǒng)育種相似,并無額外的環(huán)境釋放風險和食用安全風險。其優(yōu)勢是加快了野生優(yōu)良等位基因的利用效率,克服了傳統(tǒng)育種耗時長且難以破除連鎖累贅的缺點。隨著蔬菜和馬鈴薯基因組測序項目的開展,越來越多的優(yōu)良等位基因將會被克隆,同源轉基因技術將成為品種改良的主要手段。同源轉基因蔬菜和馬鈴薯更容易被公眾所接受,將成為轉基因產業(yè)的突破口。目前荷蘭瓦赫寧根大學和中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所正在合作,利用同源轉基因技術提高馬鈴薯對晚疫病的抗性。3.2微管相關基因的無標記轉化現(xiàn)在的轉基因技術大都是利用農桿菌介導的基因轉移,利用抗生素或除草劑來篩選陽性轉化體,因此在導入目標基因的同時也導入了抗生素抗性基因或除草劑抗性基因作為選擇標記。選擇標記基因受到了公眾的關注,因為其有可能轉移到寄生腸道的微生物或雜草中。目前已經有多項無標記轉基因技術,或僅導入目標基因,或同時導入目標基因和選擇標記,之后再去除選擇標記。無標記轉化技術的安全性將大大提高。此外,目前轉基因中目標基因多采用組成性表達的啟動子,沒有組織、發(fā)育階段或誘導表達的特異性。目前,通過選擇特異性的啟動子,可以精確地調節(jié)目標基因表達的部位和時間。例如,DETl基因組成性表達抑制導致植物矮化,產量降低,但如果在果實中特異性表達抑制,即可顯著提高番茄果實中類胡蘿卜素和類黃酮的含量,而對植物發(fā)育和產量卻沒有多大影響。又如,Bt基因只需在葉片中特異性表達就可防治馬鈴薯甲蟲,在食用器官塊莖中則沒有任何Bt蛋白。3.3農藝性狀不佳生產者和消費者對蔬菜和馬鈴薯品種的認同是一個綜合因素。轉基因可以迅速改良某一個性狀,但如果其他農藝性狀不佳,仍然沒法打開市場,第一個轉基因作物番茄品種FlavrSavr的失敗就是一個例子。孟山都是在購并岱字棉等傳統(tǒng)育種公司后才成功地將Bt棉花品種推向市場的,2004年它又購并了世界上最大的蔬菜種子公司Seminis,希望在蔬菜轉基因產業(yè)上大有作為。3.4風險—在轉基因生物安全評價上,將采用風險—收益評價體系目前在轉基因作物的安全評價上,有片面強調其風險的傾向。然而,沒有任何技術是零風險的,包括普遍為人們所接受的傳統(tǒng)育種技術。采用風險—收益評價體系可以更加客觀地衡量轉基因作物的安全性。例如,Bt馬鈴薯可能有潛在的環(huán)境釋放的風險,但是采用Bt馬鈴薯會顯著減少農藥的使用,有利于維持生態(tài)平衡,有利于保障食用安全。Bt基因的環(huán)境釋放風險是推測的,沒有試驗數(shù)據可證明,但農藥對生態(tài)環(huán)境的破壞和對食用安全的威脅卻是實實在在的。4.蔬菜和馬鈴薯生產存在的問題在確定優(yōu)先支持的領域時,應該遵循以下判斷原則:(1)是否是國家的重大需求,是否是蔬菜和馬鈴薯生產中存在的重大問題;(2)是否是通過常規(guī)育種和栽培及采后措施無法解決的問題;(3)是否已有可利用的目標基因和成熟的轉基因技術體系。在蔬菜和馬鈴薯轉基因項目中,建議優(yōu)先支持以下領域和研究重點。4.1bt馬鈴薯的種植策略馬鈴薯甲蟲是世界上著名的馬鈴薯毀滅性害蟲,一旦傳入我國,將對我國馬鈴薯產業(yè)造成重大損失。因此,Bt馬鈴薯應該成為控制這種入侵生物的重要手段。通過篩選和人工改造,國內已經獲得對馬鈴薯甲蟲有高毒性的Bt基因,為通過基因工程防治外來入侵物種打下了基礎。4.2解決小菜紅色病毒的方法我國白菜和甘藍類蔬菜的種植面積約為480萬公頃,由其主要害蟲造成的損失可達總產量的20%~30%,全國大部分地區(qū)仍以化學藥劑防治為主,造成嚴重的食用安全問題。小菜蛾作為十字花科蔬菜的主要害蟲之一,具有繁殖速度快、世代交替復雜、易產生抗藥性等特點,因而如何安全有效地防治小菜蛾已成為世界各國的研究熱點。國內已篩選到對抗性小菜蛾有高毒性的Bt基因和組合,為小菜蛾防治開辟了新的道路。4.3馬鈴薯田間抗晚疫基因多態(tài)性的構建晚疫病是馬鈴薯最嚴重的病害,我國每年損失大于100億元。晚疫病病菌屬于進化潛力最高、風險最大的病原之一。要提高馬鈴薯抗晚疫病基因持久性,必須提高田間抗病基因的多態(tài)性,這是傳統(tǒng)抗病育種所無法實現(xiàn)的。通過轉基因構建抗病基因近等混合系是實現(xiàn)馬鈴薯田間抗晚疫病基因多態(tài)性的必由之路。中國農業(yè)科學院和荷蘭瓦赫寧根大學合作已經克隆了野生馬鈴薯的多個抗晚疫病基因,通過無標記轉基因法,這些基因正在被導入我國主栽品種中。4.4抗根結線蟲病害保護地蔬菜生產對我國蔬菜的周年供應起到了至關重要的作用。番茄和黃瓜是保護地生產面積最大、農民收益最高的作物。保護地形成的小氣候適于根結線蟲的生存和繁殖,因此根結線蟲成為保護地的主要病害。由于缺乏高抗根結線蟲的蔬菜品種,生產上主要采用甲基溴熏蒸土壤或使用高毒、高殘留化學殺線劑,對蔬菜產品和環(huán)境均造成嚴重的污染,導致土壤質量嚴重退化。因此,根結線蟲的危害已成為制約我國保護地蔬菜生產可持續(xù)發(fā)展的突出問題。根結線蟲寄生于番茄和黃瓜根部,需要通過根系獲取營養(yǎng)。通過轉基因進行RNA干涉,可以沉默掉根結線蟲重要基因,導致根結線蟲死亡或不育,降低根結線蟲的危害。這種RNA干涉僅發(fā)生在根系,對產品器官并無影響,沒有食品安全之憂。4.5茉酸對藥物的調控雜交制種是大多數(shù)蔬菜的主要制種形式,雄性不育可以保證100%的雜交率,因此雄性不育是雜交制種的最理想途徑。隨著擬南芥花藥發(fā)育機制研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)了十字花科作物雄性不育性的可調控性。根據花藥發(fā)育機制在擬南芥和其他十字花科作物之間的類似性和有關基因的保守性,開展十字花科蔬菜作物的可調控雄性不育基因工程具有現(xiàn)實的可能性。甘藍和白菜通過長期的育種積累,也獲得多個雄性不育類型和大量雄性不育突變體,其中顯性雄性不育已在雜交制種技術中得到了廣泛應用。茉莉酸對花藥發(fā)育的關鍵作用是花藥茉莉酸合成突變體,表型為雄性不育,但育性可被外源茉莉酸恢復。根據十字花科作物花藥開裂受茉莉酸調控的原理,通過反義干擾花藥特異的茉莉酸等激素合成,阻止花藥特異茉莉酸形成,得到因茉莉酸不足導致的雄性不育。通過施加外源茉莉酸恢復其育性,從而能夠獲得可調控雄性不育材料。4.6素的含量的意義胡蘿卜素和番茄紅素等類胡蘿卜素是番茄中的重要營養(yǎng)成分,提高番茄中類胡蘿卜素的含量,對滿足人們的健康需求有極大的現(xiàn)實意義。目前類胡蘿卜素的代謝途徑已經比較清楚,已經克隆了多個關鍵基因,通過增強或抑制調節(jié)這些基因的表達,可以顯著提高類胡蘿卜素在番茄果實中的含量,對開發(fā)功能食品有重要意義。4.7提高淀粉含量,減少馬鈴薯生物測定的成本選育淀粉含量高的品種始終是馬鈴薯加工育種的首要任務。據統(tǒng)計,目前我國每年馬鈴薯精淀粉的需求量為40萬噸,預測2020