烟草转基因研究进展

二师兄

摘要：在深入分析烟草育种研究现状的基础上，综述了基因工程在烟草转基因育种中的研究进展，在分析了基因工程在烟草遗传育种中应用限制因素的基础上，对其未来发展趋势进行了展望。

关键词: 烟草 转基因 综述

烟草品种是中式卷烟烟叶原料和卷烟品牌发展的物质基础．直接影响到中式卷烟烟叶原料和卷烟产品的品质稳定与提高 从中国烟草发展历史来看。我国每次烟叶生产大变革都是从品种开始 近年来．中式卷烟对多样化烟叶原料的需求和特色优质烟叶原料的开发进一步提升了烤烟品种在中式卷烟中的基础地位．现代烟草农业和集约化烟叶生产的迅速发展．更 要求品种的多样性、适应性和多抗性。加之烟叶原料趋于同质化的今天．特色烤烟品种的培育及主栽品种的种植结构引起了人们的高度重视。

1 烟草育种研究现状

1．1 品种资源现状

烟草引入我国虽然只有几百年的历史．但在如此辽阔的土地上广泛分布．在各种生态环境中经历了数百年不同方向的自然选择和人工有意识选择． 已定向发展成一个较为丰富的资源库．也是一个丰富多样的烟草基因库 这类资源无论是直接开发利用方面．还是作为一种生物资源丰富遗传多样性方面，都对本行业的长期持续发展起着重要的作用在烟草品种资源考察与收集方面．我国在20世纪50年代进行了一次大规模的农作物品种资源收集工作．共收集烟草品种资源3000多份。2O世纪70年代末至今．又在湖北神农架等7个重点地区进行了烟草品种资源的补充征集．并从国外引进一批使用价值较高的优良种质 我国现已编目保存的烟草种质资源4042份，是世界烟草种质资源收集、保存量最多的国家。烟草种质资源的遗传多样性包含了烟草属66个种中的37个种．一级库核心种质859份．二级库核心种质446份．为新品种选育工作提供了丰富的遗传材料在种质资源的田间观察、抗性鉴定、烟叶化验分析及质量评价方面，已经对大部分种质的农艺性状、植物学性状进行了鉴定评价，筛选出了一批优质的品种 已完成了种质资源的原烟外观质量评价840多份．烟叶化学成分分析l700多份．原烟香吃味评吸900多份．并筛选出大自筋599等一批香吃味好、利用价值高的种质 同时．还完成了种质资源的烟草黑胫病等抗性鉴定6000多份，筛选出抗病种质400多份；烟草普通花叶病和黄瓜花叶病的抗性鉴定2000多份．筛选出抗病种质100多份：烟草害虫的抗性鉴定700多份．并筛选出一批抗蚜虫的烟草种质。 1．2 品种现状

2O世纪50年代初．我国的烟草品种选育工作就已经开始．先后选育出了红花大金元，云烟87、85、202和中烟98等烤烟品种，并大面积推广种植。同时还储备了CF、964、云烟203等一批优质抗病烤烟后备品系 并且从津巴布韦引进KRK26．从美国引进NC297等品种近年来，国内育成烤烟品种种植面积比例已从26％(1999年)上升到5O％(2002年)和68％(2006年)。近5年来，云烟85、云烟87的种植面积已占全国烤烟种植面积的40％ 以上 “十五”期间育成的中烟100、云烟201、云烟202、云烟203等烤烟新品种推广面积也较大 白肋烟品种的选育也取得了较为显著的成效．鄂烟1号等6个白肋烟品种已通过全国审定．并逐步在生产上推广应用，改变了我国白肋烟种植品种单一的问题。

2转基因育种在烟草上的研究进展

2.1 抗低温逆境分子育种

烟草原产于亚热带，因此低温对烟草的生长发育和产量品质都有不利的影响。植物的抗寒性与膜稳定相关基因、抗氧化酶基因、抗冻蛋白基因、低温信号转录因子和渗透调节物质合成基因有关。目前植物、昆虫、动物已克隆了许多抗寒基因，通过分子育种技术将有关抗

【1】

寒基因转入其它植物中，有望提高它们的抗寒性。王艳等将克隆的准噶尔小胸鳖甲抗冻蛋白基因MPAFP149，通过农杆菌介导的叶盘转化法转入烟草基因组中，对Tn代转基因烟草以一1 oC处理48 h，转基因烟草的相对电导率和表型；明显优于野生型烟草。室温恢复试验验证，转基因烟草可存活并恢复生长，而野生型烟草受到了不可逆的低温冻害，说明转基因烟

【2】

草的抗寒能力明显提高。赵LN等将水稻基OsSPX1基因分别转入烟草和拟南芥，组成型表达该基因使转基因烟草比野生型更耐寒，种子成活率更高，细胞电渗透率下降；转该基因拟南芥也同样提高了抗寒性，这些研究证明该基因是一个抗寒基因。 2.2 抗干旱逆境分子育种

干旱可以造成植物细胞严重失水，正常的细胞膜结构受到破坏，并且为了减缓水分散失而使气孔过度关闭，影响对CO 的吸收导致光合作用降低。因此干旱是造成植物减产的首要因素，严重时导致植物死亡。植物在进化过程中，也形成了许多抗旱机制，将这些抗旱基因按功能可以划分为两大类：第一类基因编码产物是在植物的抗旱性中直接起保护作用的蛋白质或合成保护物质的酶类，如合成渗透调节物质海藻糖、甘露醇、脯氨酸、甜菜碱和果聚糖等的关键酶类、具有抗氧化保护作用的酶类、保护生物大分子及膜结构的蛋白质和水通道蛋白等；第二类基因编码产物是在信号传导和抗逆基因表达过程中起调节作用的蛋白质因子，如传递信号和调控下游基因表达的转录因子、感应和转导干旱胁迫信号的蛋白激酶和与第二信使生成有关的酶类。将上述有关基因转入烟草基因组中，将有望大大提高烟草的抗旱能力。

【3】

司怀军等将克隆自菠菜甜菜碱醛脱氢酶(BADH)基因与组成型启动子CAMV 35S启动子融合，构建了植物表达质粒PBIBB，通过根癌农杆菌介导将BADH基因导人烟草，从而获得抗

【4】

旱及耐盐性提高的转基因烟草植株。覃鹏等研究发现转Mn—SOD基因的烟草比野生型、转

【5】

Fe．SOD基因的烟草抗旱能力更强。高彩球等从抗旱植物柽柳中克隆出elF1A基因，并且用转化试验证明该基因确实具有提高烟草的抗干旱能力的功能，该类基因产物能够提高蛋白质翻译的能力，使包括SOD等可溶性蛋白含量提高而发挥抗旱作用。

【6】

Ch等将干旱／ABA诱导的基因NtHSP70．1在烟草中超表达，经干旱处理后，烟草叶片的保水能力与该基因的表达水平呈正相关。更苏植物牛耳草因其独特的耐旱能力，成为研究

【7】

耐旱的模式植物。刘等从干旱处理的牛耳草叶片中克隆了两个属于LEA 4的干旱响应基因BhLEA1和BhLEA2，这两个基因被干旱和信号分子ABA诱导表达，含这两个基因的转基因烟草，经干旱处理一段时间后，叶片的相对含水量、光系统II的活力、SOD以及POD活性均比对照野生型高，而且RUBISCO大亚基、捕光复合体II和光系统II表在蛋白等也比野生型稳定。 2.3 抗盐碱逆境分子育种 土壤中过多的盐碱含量，降低了土壤溶液的渗透势使植物吸水困难，而且高浓度的盐还会破坏生物膜结构，除此之外，盐碱过多对蛋白质的合成、光合作用等都会产生破坏作用，使植物生理紊乱。因此，转人表达具有保护作用的蛋白基因，或者调节该类抗性基因表达的信号的基因也就成为抵抗盐害的主要手段。

【8】

张富丽等将克隆自麻风树的甜菜碱醛脱氢酶基因JeBD1转化到烟草基因组中，在盐胁迫下能检测到转基因植物中的甜菜碱醛脱氢酶活性以及Western杂交信号，而且其生长势明

【9】

显好于野生型对照。李艳霞等将分离自NaHCO3 胁迫下的cDNA文库的柽柳elF1A基因转入烟草基因组，对比转基因烟草和野生型，不同浓度NaC1胁迫试验，测定其相对电导率、SOD

活性和丙二醛含量，统计生根率、生长量和盐害程度，发现转基因植物均明显好于野生型，

【10】

说明转基因株系对盐害的抗性大大提高。刘甜甜等将转LEA基因烟草7个株系及非转基因 对照烟草组培苗为材料，用不同浓度的NaHCO3处理，发现转基因烟草的碱害程度、膜损伤较对照烟草小，说明LEA基因的导入提高了烟草对NaHCO3抗性。已知转beta(与甜菜碱合成有关)、AtNHX1基因(拟南芥液泡Na ／H 逆向转运因子)均能提高植物的抗盐性，Duan等¨ 通过杂交的方式获得了含这两个异源基因的转基因烟草，从细胞、整株水平进行分析，发现该株系的抗盐性比单独转入一个基因的转基因株系耐盐性更高。郭等¨ 在盐胁迫棉花cDNA文库中用差显杂交筛选到了一个锌指蛋白基因GhZFP1，在转基因烟草中超表达该基因，使得转基因烟草对盐害和纹枯病菌的抗性均有所提高。 2.4 抗重金属逆境分子育种

重金属进入环境后不易被降解，很容易被农作物吸收，继而通过食物链为害人体健康。因此对农作物人们希望少吸收重金属，这样一方面可以减轻重金属对作物生长的抑制，另一方面可以降低由于食物链的富集作用对高级消费者的毒害。对非食用的植物，人们希望尽可能多的吸收土壤中的重金属，从而起到对污染土壤的净化作用。随着人们对重金属吸收转运机制的了解，利用分子育种技术实现这些目标是可能的。

【13】

魏嵬等将克隆自印度芥菜的植物络合素合酶基因BjPCS1转化烟草，转基因株系在CdCl2 、ZnC12：、NiC12 胁迫条件下，转基因烟草植株的脯氨酸含量、可溶性糖含量、丙二醛含量、相对电导率和叶绿素含量等指标均优于未转化的对照植株，表明转化BjPCS1基因提

[14]

高了烟草对3种重金属的抗性，其中对CD的抗性最强。陈虹等将柽柳金属硫蛋白基因MT1导人烟草基因组中，获得的转基因株系在200 g．mol／L镉的培养基中，转基因烟草的生长明显好于非转基因烟草，鲜重和株高均明显优于非转基因烟草。Zhang等 从重金属超积累植物印度芥菜中克隆了一个水孔蛋白基因BjPIP1，将该基因导入烟草基因组中，发现转基因烟草株系在重金属CD处理下，对根生长抑制减弱、蒸腾作用、气孔导度变小，而且抗氧化酶活性增加、电渗透率与丙二醛降低，说明该基因通过减少失水、增强抗氧化能力、保持膜完整

【16】

性而提高对重金属CD的抗性。Li等将克隆自狗牙根的植物络合素合成酶基因CdPCS1，部 分转基因烟草株系的CD积累量达到野生型的3．21倍，说明这可以作为植物修复重金属污染土壤的候选方法。

3 烟草转基因的展望

在研究方面，烟草作为双子叶模式植物，在验证异源基因的功能方面起着重要作用；在应用方面，可以获得抗逆性提高的具有实用价值的转基因烟草株系。但由于人们对转基因植物以及转基因技术在转基因沉默、基因漂移、转基因抗病植株抗性的丧失以及抗病性转基因的生态威胁方面的担忧，使得转基技术在改良粮食作物方面存在较大的阻力。笔者认为技术上的缺陷，只有在进一步的研究中完善、改进和克服，如双价以及多价抗性基因的联合应用、质体转化技术、定位转化技术、非抗生素选择基因的应用等等，这些问题必将逐步得到解决。在这一过程中，正好利用烟草遗传转化体系成熟、非食用作物的优势，在技术完善、转基因功能验证、抗逆育种等方面得到广泛的应用和取得更大的进展。

References：

[1]王艳，邱立明，谢文娟，等．昆虫抗冻蛋白基因转化烟草的抗寒性．作物学报，2008，34(3)：397—402． [2]Zhao LN，Liu FX， WY，et a1．Increased expression of OsSPX1enhances cold／subfreezing tolerance in tobacco and Arabidopsisthaliana． Plant Biotech J，2009，7：550-561．

[3]司怀军，张宁，王蒂．转甜菜碱醛脱氢酶基因提高烟草抗旱及耐盐性．作物学报，2007，33(8)：1335

—1339．

[4]覃鹏，刘飞虎，孔治有，等．转SOD基因对烟草抗旱性和相关生理指标的影响．广西植物，2006，26(6)：621．625．

[5]高彩球，李艳霞，刘桂丰，等．翻译起始因子(elF1A)基因的获得及抗旱性分析．东北林业大学学报，2007，35(8)：6-9．

[6]Cho EK，Hong CB．Over-expression of tobacco NtHSP70-1 contributesto drought-stress tolerance in plants．Plant Cell Rep，2006，25：349．358．

[7]Liu X，Wang Z，WangLL，et a1．LEA 4 group genes from the resurrectionplant Boca hygrometrica confer dehydration tolerance intransgenic tobacco．Plant Sci，2009，176：90—98．

[8]张富丽，蔡峰，吴军，等．转麻疯树甜菜碱醛脱氢酶基因提高烟草耐盐性．中国农业科学，2008，41(12)：4030．4038．

[9]李艳霞，姜静，于影，等．转柽柳elFlA基因烟草的耐盐性分析．生物技术通讯，2006，17(3)：328—331．

[10]刘甜甜，于影，赵鑫，等．转LEA基因烟草的NaHCO 抗性分析．分子植物育种，2006，4(2)：216-222． [11]Duan XG，Song YJ，Yang AF，et a1．The transgene pyramiding to—bacco with betaine synthesis and heterologous expression of AtNHX1is more tolerant to salt stress than either of the tobacco lines withbetaine synthesis or AtNHX1．Physiologia Plantarum ，2009，135：281—295．

[12]Guo YH，Yu YP，Wang D，et a1．GhZFP1，a novel CCCH—type zincfinger protein from cotton，enhances salt stress tolerance and fungaldisease resistance in transgenic tobacco by interacting with GZ—IRD21A and GZIPR5．New Phytologist，2009，183：62-75．

[13]魏嵬，韩璐，官子楸，等．印度芥菜BjPCS1基因的表达提高烟草对重金属的抗性．中国科学院研究生院学报，2008，25(4)：51O．5l7．

[14]陈虹，姜廷波，丁宝建，等．转柽柳金属硫蛋白基因(MT1)烟草的获得及对重金属镉的抗性分析．农业生物技术学报，2007，15(2)：247—256．

[15]Zhang YX，Wang Z，Chai TY，et a1．Indian mustard aquaporin improves drought and heavy—metal resistance in tobacco．Mol Biotech，2008，40(3)：280-292．

[16]Lj JC，Guo JB，Xu WZ，et a1．Enhanced cadmium accumulation intransgenic tobacco expressing the phytochelatin synthase gene ofCynodon dactylon L．J Integ plant Biol，2006，48(8)：928—937．