水稻转基因育种研究进展王彩芬,安永平,韩国敏,张文银,马 静(宁夏农林科学院农作物研究所,宁夏永宁 750105)摘要:对水稻转基因技术在抗虫、抗病、抗逆及改良米质等方面的进展进行了综述。
关键词:水稻; 转基因育种; 进展中图分类号:S511.035.3 文献标识码:A 文章编号:1002-204X(2005)06-0055-03 20世纪下半叶以来,由于分子生物学研究的巨大成就,使生物学成为自然科学的带头学科,它的理论和方法已渗透到生命科学的许多领域,为生命科学的研究带来新的思维方式和研究手段。
基因工程技术在植物遗传育种上应用很广泛,并取得了显著成就。
水稻是最重要的粮食作物之一,世界上约有一半以上的人口以稻米为主食。
据专家预测,到2025年在现有稻谷产量的基础上再增加60%才能满足需要(K hush,1995)。
随着人口的增长和耕地面积的减少,世界尤其是我国将面临粮食问题的严峻挑战,培育优良品种是提高稻谷产量的主要途径。
传统的育种技术已为培育水稻新品种做出了巨大贡献,并将在今后继续发挥主导作用,但由于品种资源的贫乏,单靠传统育种已很难有大的突破。
基因工程技术为水稻分子标记辅助育种、水稻转基因育种提供了一条新途径。
转基因技术可以将水稻基因库中不具备的抗病、抗虫、抗除草剂、抗旱、耐盐、改善品质、提高产量等基因转入水稻,从而实现水稻种质创新和为生产提供优良品种。
自1988年以来,国内外已得到了许多水稻转基因植株,涉及到抗虫、抗病、抗除草剂、抗旱、耐盐、改良品质等重要农艺性状,有些已进入田间试验和应用阶段。
1 水稻转基因育种进展植物转基因育种是利用遗传工程的手段,有目的地将外源基因或DNA构建导入植物基因组,通过外源基因的直接表达,或通过对内源基因表达的调控,甚至通过直接调控植物相关生物如病毒的表达,使植物获得新的性状的一种品种改良技术。
在植物分子生物学研究的众多材料中,水稻不仅是世界重要粮食作物,而且由于其基因组较小、重复序列较少的优点而成为一种重要的分子遗传学研究的单子叶模式植物,基因组测序已完成。
自1988年首次获得转基因水稻以来,水稻转基因技术已获得突飞猛进的发展,目前已成功获得籼稻、粳稻、爪哇稻的转基因植物。
随着基因枪转化技术的建立和根癌农杆菌介导转化法的成功,水稻基因转化技术日益完善。
而且转移目标基因已从报告基因或筛选标记基因进入改良水稻抗性和适应性,以及改善品质,提高产量等重要基因的利用。
1.1 抗虫转基因水稻育种水稻是虫害最多的大田作物,稻螟虫和稻飞虱危害最为严重,水稻中抗虫资源贫乏,转基因技术为抗虫品种的培育提供了一条新途径。
自从1989年实现苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis,简称Bt)抗虫基因转化水稻并得到再生植株以来,转抗虫基因水稻的研究取得了很大进展。
转抗虫基因水稻包括转Bt基因、转蛋白酶抑制基因和转凝集素基因。
在转Bt基因的研究方面,中国农科院生物技术中心杨虹等(1989)将Bt基因导入水稻品种台北309、中花8号的原生质体并获得再生植株;Fujim oto等(1993)通过电激法将cry LAb 基因导入水稻,首次报道了转Bt基因水稻对二化螟和稻纵卷叶螟的抗性。
项友斌等(1999)利用农杆菌介导实现了苏云金杆菌抗虫基因cryI A(b)和cryI A(c)在水稻中的转化;黄健秋等(2000)利用农杆菌介导获得转(Bt)基因秀水11和春江11植株;薛庆中等(2002)利用农杆菌介导获得转双价抗虫基因(cryI Ac和豇豆胰蛋白酶抑制基因C pTI)浙大19植株;朱常香等(2002)获得Bt和X a21共转化水稻(C48)植株。
近几年转Bt基因研究越来越多,进展很快,在籼稻、香稻、爪哇稻、杂交稻、深水稻中获得成功,选育出克螟稻1号、2号、3号(舒庆尧等,1998)。
转Bt基因水稻在我国已进入环境释放阶段,有望培育出应用于生产的抗虫品种。
在转蛋白酶抑制剂基因水稻研究方面,通过电激介导原生质体转化,Xu等(1996)把豇豆胰蛋白酶抑制剂基因C pT i转入粳稻品种台北309,转基因植株对大螟和二化螟2种水稻虫害都具有抗性;通过基因枪介导马铃薯蛋白酶抑制剂基因PinⅡ转化水稻,Duan等(1996)获得了Nipponbare、台南67和Pi4等3个粳稻品种的抗大化螟转基因株系;Lee等(1999)利用PEG介导法将大豆K units胰蛋白酶抑制剂(SK TI)的cDNA转入粳稻Nagdongbyeo的原生质体,再生转基因植株的后代抗褐飞虱。
曾黎琼等(2004)利用农杆菌介导将马铃薯蛋白酶抑制剂基因(PinⅡ)导入玉优1号、HT-7中;孔维文等(2004)利用农杆菌介导将PT A和马铃薯高赖氨酸蛋白基因(S B401)同时转入超级杂交稻亲本材料1826中。
在转凝集素基因水稻研究中,主要是转雪莲花凝集素(G NA)基因,采用基因枪法,英国John Innes Centre(Maqbool等,1999;Rao等,1998;Sudhakar等,1998)把G NA基因导入AS D16、M5、M7、M12、FX92D、Basmati370等籼稻品种中,得到200多株转基因植株,G NA在水稻中呈高水平的组成性表达(用Ubi启动子)或韧皮部专一性表达(用Rssl启动子),转基因植株抗褐飞虱。
在我国,傅向东等(1997)用G NA基因枪转化水稻IR72、IR76、珍汕97和秀水11等品种,部分转基因植株子代对褐飞虱有一定抗性;T ang(唐克轩等,1999)通过基因枪介导实现了G NA 基因和X a21基因的共转化,得到了转基因植株。
唐克轩等(2003)利用农杆菌介导将半夏凝集素基因(pta)导入粳稻鄂宛105、中花12和籼稻E优532中,获得7个转基因纯系。
1.2 抗病转基因水稻育种抗病转基因水稻包括转抗病毒基因、抗真菌病害基因和抗细菌病害基因。
抗病毒转基因已开展了8种病毒的转基因研究,包括水稻通枯罗病毒(rice tungro disease)、水稻齿叶矮缩病毒(rice ragged收稿日期:2005-07-21作者简介:王彩芬(1968-),女,副研究员,从事水稻花培育种研究。
T el:0951-*******E-mail:caifen-68@stunt dwar f virus,RRS V)、水稻条纹叶枯病毒和其它病毒,如水稻黄矮病毒(RY S V)、水稻矮缩病毒(RDV)等,取得了一定进展。
在真菌病害中,危害最严重的是稻瘟病和纹枯病。
几丁质酶是研究最广泛的一种病程相关蛋白(pathogensis-related,PR),Nishizawa 等(1991)从水稻中克隆了3个几丁质酶基因,并通过农杆菌介导将它们转入2个粳稻品种(Nishizawa等1999),转基因植株对2个稻瘟病生理小种具有显著抗性。
在我国,田文忠等(1998)采用基因枪法将葡萄的芪合成酶基因转入6个水稻材料,获得了54株转基因植株,不但抗稻瘟病,而且抗白叶枯病;明小天等(2000)采用农杆菌介导法,将单链核糖体灭活蛋白(ribos ome-inactivating protein,RIP)基因—天花粉蛋白基因转移到粳稻品种中花8号中,转基因植株对稻瘟病有明显的延迟发病抗性。
孙敬三等(2003)将具有广谱抗性作用的葡萄糖氧化酶(G O)基因,利用pC AG1301/LBA4404转化粳稻日本晴,获得抗稻瘟病植株;毛碧增等(2003)将几丁质酶基因(RCH10)和苜蓿β-1,3-葡聚糖酶基因(AG LU)串联构建于表达质粒pZ100,经农杆菌转化粳稻台北309获得对纹枯病具有较高抗性的T1植株。
白叶枯病是世界水稻生产中广泛发生,危害最严重的细菌性病害。
在水稻中,至少已鉴定了19个抗白叶枯病的基因(K inoshita, 1995)。
在我国,中国科学院遗传所与中国农业科学院、扬州大学等合作(翟文学等,2000),采用农杆菌介导法将X a21转到了1个杂交稻保持系、2个恢复系和2个常规稻5个材料中,得到了117个独立转化株系,有望培育出能在生产上应用的抗白叶枯病水稻品种。
朱常香等(2002)利用农杆菌介导获得Bt和X a21共转化水稻(C48)植株,类似的研究很多。
1.3 抗除草剂转基因水稻育种在抗除草剂转基因水稻研究中,大多使用的是Bar基因,也有个别报道使用的是als基因,国外在这方面研究较早,Christou等(1991)首先报道了他们利用基因枪法把Bar基因转入6个水稻品种中,且Bar基因能够正常表达。
在我国,中国农科院生物技术中心范云六先生实验室用CaM V35S引导的Bar基因,通过电激法介导实现了广亲和系02428的原生质体转化,得到了抗除草剂PPT的转基因植株(Wu等1996);中国水稻研究所通过基因枪法将Bar基因转入水稻品种京引39、中百4号、春江4号、春江03和秀水11的幼胚中,得到了转基因植株,而且Bar基因是可稳定遗传的(朱冰等, 1996;吴名国等,1999);通过基因枪介导法,上海农科院邓晓梅等(1998)也获得了转Bar基因的粳稻抗除草剂植株。
该领域有的已进入产业化应用研究之中。
孙宗修等(2000)利用农杆菌介导将外源Bar基因转入杂交水稻恢复系R181和秀水04;陈锦清等(2003)利用农杆菌介导将外源Bar基因转入秀水11、秀水072、和ZH9905,转基因植株对BAST A具有高度抗性;王松文,孙宗修等(2004)利用农杆菌介导将细菌阿特拉津氯水解酶基因转入津稻107,转基因植株对除草剂阿特拉津具有抗性。
1.4 抗逆转基因水稻育种这方面研究主要有转LE A(后期胚胎发生丰富蛋白)基因、甜菜碱醛脱氢酶(BADH)基因、吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)基因等。
中国科学院遗传所用基因枪将山菠菜的BADH cDNA导入中花8号、中花10号和中远1号(郭岩等,1997),获得耐盐转基因植株;中国水稻研究所王慧中等(2000)将1-磷酸甘露醇脱氢酶基因(MT LD)和6-磷酸山梨醇脱氢酶基因(G UT D)同时转入籼稻,获得了双价转基因耐盐植株。
Y okoi等(1998)利用农杆菌介导将拟南芥甘油3-磷酸酰基转移酶(G PAT)的cDNA转入粳稻中,转基因植株叶片的不饱和脂肪酸含量比对照高28%,耐冷能力提高,低温(17℃)下净光合速率提高20%。
1.5 转基因改良稻米品质研究包括改良淀粉、改良种子贮藏蛋白和氨基酸、改变种子维生素组成、增加稻米胚乳铁含量等。
稻米中参与淀粉合成的酶有焦磷酸化酶(AG PP)、颗粒凝结型淀粉合成酶(G BSS)、淀粉分支酶(S BE)和淀粉去分支酶(DBE),编码这几种酶的基因或cDNA都已被克隆(徐军望等,2000),苏军等(2004)将淀粉分支酶基因导入一些籼稻品系,转基因材料的淀粉性状得到改善。