基因工程育种

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基因工程在番茄育种中的应用

摘要：文章简单介绍了基因工程的概念，特点及其意义，并对基因工程在番茄抗

虫害，抗病害，抗除草剂，抗逆性，雄性不育，改善番茄品质和终结种子育种上

的原理，应用级研究进展进行了综述，同时探讨了基因工程在番茄育种中存在的

问题，解决方法和发展前景，并且对基因工程在番茄育种中的应用进行了简单总

结与概括。

关键词：基因工程；番茄；育种

基因工程是指用人工方法把不同生物的遗传物质分离出来，在

体外进行切割、拼接，然后按照人们的意愿重新组合成重组体，再把

重组体放回到宿主细胞内进行大量复制，并使遗传信息在新宿主细胞

或个体中高效表达，最终获得基因产物。这种人工创造新生物并给与

生物新功能的过程称为基因工程，或称为分子水平上的遗传工程。

基因工程又称作DNA体外重组技术。这种DNA分子的新组合克服

了固有的生物种间的限制，扩大和带来了定向创造新生物的可能。这

是基因工程的最大的特点。此外，基因工程还已经深入到细胞水平、

亚细胞水平，特别是基因水平来改造生物的本性，同时大大的扩大了

育种的范围，打破了物种之间杂交的障碍，加快了育种的进程。

学科起源:

基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于20世纪70

年代诞生的一门崭新的生物技术科学。一般来说，基因工程是指在基

因水平上的遗传工程，它是用人为方法将所需要的某一供体生物的遗

传物质--DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切

割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某

一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源遗传物质在其中"安家落

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户"，进行正常复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。

这个定义表明，基因工程具有以下几个重要特征：首先，外源核酸分

子在不同的寄主生物中进行繁殖，能够跨越天然物种屏障，把来自任

何一种生物的基因放置到新的生物中，而这种生物可以与原来生物毫

无亲缘关系，这种能力是基因工程的第一个重要特征。第二个特征是，

一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增，这样实现很少量

DNA样品"拷贝"出大量的DNA，而且是大量没有污染任何其它DNA序

列的、绝对纯净的DNA分子群体。科学家将改变人类生殖细胞DNA的

技术称为“基因系治疗”（germlinetherapy），通常所说的“基因工程”

则是针对改变动植物生殖细胞的。无论称谓如何，改变个体生殖细胞

的DNA都将可能使其后代发生同样的改变。

据统计至少已有35个科120多种植物转基因获得成功，其中包括

番茄、辣椒、茄子、马铃薯等一批重要的蔬菜作物。番茄作为一种蔬

菜作物，在基因工程拓宽种质资源上得到了极大的发展。一方面是因

为它栽培广泛；另一方面是因为它在遗传理论上的研究较为深入，为

基因工程的拓宽研究打下了坚实的基础。

迄今，利用基因工程进行番茄品种特性改良的研究取得了很大的

进展，已经获得抗虫害、抗病毒病、抗真菌病、抗除草剂、抗逆、延

长贮藏期、改善风味和雄性不育转基因番茄。文章概述了利用基因工

程技术进行番茄育种的研究进展。

1.番茄抗虫基因工程

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由于常规育种方法在抗虫育种中难以在短时间内奏效，因此，育种

家近年来把抗虫育种的重点放在利用基因工程选育抗虫新品种上，且

取得了重大进展，尤其是在番茄等蔬菜上。

1.1Bt毒蛋白基因

在蔬菜抗虫育种中，苏云金杆菌晶体毒蛋白(Bt)基因应用最为广

泛，不同类的Bt基因具有不同的杀虫谱，其抗虫机制是诱导细胞膜

产生非特异性小空，扰乱细胞的渗透平衡，引起细胞膨胀，裂解，最

后导致昆虫死亡。最早是美国Monsanto公司研究人员1987年报道的

将kiHD-B缺失的CryIAd导入番茄，转基因植株对烟草天

蛾、烟草夜蛾、番茄果蝇螟显示出了不同的抗性。大田试验结果证明，

在转基因番茄两个株系上的虫害可得到有效的控制。印度的

MandaokarAD等通过子叶外植体与农杆菌共培养，将Bt基因转入

番茄，PCR检测及Southern杂交分析证明，目的基因已被整合到番

茄的基因组中，抗性试验及酶联免疫分析结果显示，外源毒素水平可

占总可溶性蛋白的0.04%～0.41%，外源基因表达水平高的转基因植

株对番茄螟虫的幼虫的致死率可达100%，外源基因表达水平低的转

基因植株对番茄螟虫幼虫也有不同程度的抗性。同时T0代转基因植株

自交得到的T1进行抗虫试验，结果表明，部分T1代对番茄螟虫仍具

有较高的抗性。Vander等将修饰的毒蛋白基因CryIA(b)和CryIC转

入番茄中，从而产生对甜菜夜蛾、烟草夜蛾的抗性。Janns等通过

转CryIA(b)基因得到抗番茄钻心虫的转基因植株。Rhim等将毒蛋白

基因和能与内毒素抗体发生交叉反应的一种74000u蛋白质的基因整

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合转化番茄，转化植株能抗马铃薯甲虫的幼虫。梁小友将抗病毒的

CMV-CP基因和抗虫的Bt-toxin基因依次插入植物表达载体上，以土

壤农杆菌介导转化番茄，并证明得到表达。

目前已经有近180个经过改造的Bt基因被克隆和测序，经过改

造的Bt基因，其抗虫效果比改造前的提高100多倍。Crickmore等

将这些已经克隆的基因划分为30大类，CryI基因作用于鳞翅目昆虫，

CryⅡ基因作用于鳞翅目和双翅目昆虫，CryⅢ基因作用于鞘翅目昆

虫；CryⅣ基因作用于双翅目昆虫，现已经导入了很多植物中，包括

番茄、马铃薯、青花菜、结球甘蓝、白菜、菜心等。

1.2淀粉酶抑制剂基因

淀粉酶抑制剂基因主要有两类，一是来源于小麦，一是来源于菜

豆(BAAI)。将BAAI导入豌豆中，抗豆象(Callosobruchusspp.)的能

力增强了。这种淀粉酶抑制剂是通过阻断幼虫中肠的进食而起作用

的。Williamson等将野生番茄品种的抗线虫基因Mi转入普通番茄中，

转化的植株能抗根结线虫。

1.3凝集素

凝集素是另外一大类通过抗虫基因工程改造的昆虫毒素蛋白家

族，也叫做糖蛋白(Glycoprotein)。近年来比较关注的一种凝集素来

自雪花莲(Galanthusnivalis，GNA)它能抵抗蚜虫的侵害。通过基因

工程的方法在多种植物中(如马铃薯，番茄，油菜)等已经成功的表达

了这种编码凝集素蛋白的基因。这种蛋白的一个重要特性就是能组织

昆虫在植物上的穿刺和吸吮树汁，但不利的方面是只有当凝集素的表

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达量很高的时候才起作用，如在昆虫食物中需要含毫克级的量才能进

行生物学鉴定。吴昌银等通过根癌农杆菌，采用叶盘法将雪花莲外源

凝集素基因导入番茄，获得了含GNA基因的43株转化植株。抗蚜虫

试验证明，转基因番茄具有一定的抗蚜虫能力，同时证明了所导入的

外源基因在后代中稳定遗传。目前，虽然已经克隆了许多凝集素基因

并在转基因植物中得以表达，但是杀虫性能依然很低。

2.番茄抗病基因工程

2.1番茄抗病毒基因工程

在抗病基因工程中，抗病毒基因工程进展最快，取得的成果最多，

尤其是通过导入病毒外壳蛋白基因(cp)获得的抗病毒蛋白基因植株

方面，获得了很多转基因蔬菜作物，其作用机制是利用原无毒的病毒

外壳蛋白抑制病毒的复制。华盛顿大学Powell等通过植物基因工程

技术，首次将烟草花叶病毒(TobacooMosaicVirus,TMV)外壳蛋白

(Coatprotei,cp)基因转入烟草和番茄，培育出能稳定遗传的抗病毒

植株。随着研究工作的不断深入，发现马铃薯Y病毒、烟草蚀纹病毒

(TobaccoEtchVirus，TEV)、马铃薯卷叶病毒(PotatoLeaf

RollVirus，PLRV)和番茄斑萎病毒(TomotoSpottedWithVirus,TSWV)

缺失的不完整的外壳(缺失AUG密码子)或者黄瓜花叶病毒外壳基因

的反义基因整合到植物染色体上后，能使转基因植株获得很好的抗

性，甚至达到完全免疫。抗病毒型可通过自交稳定的遗传给子代，

Tumer等用苜蓿花叶病毒(AlfalfaMosaicVitusAIMV)外壳蛋白基

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因序列转化的番茄植株作试验，其自交后代对AIMV感染表现出高水

平的保护抗性。

除此外壳蛋白基因外，将病毒基因反义RNA，卫星RNA病毒复制

酶基因和来源于植物的抗病毒基因导入植物都取得了一定的进展。卫

星RNA是依赖于病毒才能复制的一类低分子量的RNA，它能干扰病毒

的复制和使症状减轻。赵淑珍利用CMV卫星RNA-1的cDNA单体基因

转化番茄，接种试验发现转基因番茄的症状减轻，田间试验也表现了

对CMV的抗性。此外，人们还利用其他的抗病毒基因获得了转基因番

茄，姜国勇等双抗表达载体的构建及番茄的转化鉴定，利用天然花粉

蛋白基因(TCS)和GUS基因偶联，通过农杆菌介导，获得了TCS-GUS

基因双双表达的再生植株，转基因植株对TMV和CMV均表现出较高的

抗性。现在，人们还试图从病毒蛋白基因、核酸裂解酶基因、病毒复

制基因等方面寻找更好的抗病毒新途径。

2.2番茄抗真菌和细菌基因工程

番茄的真菌病害种类较多，且影响面积大、农药防效差、产量损

失重，因此培育抗真菌病害的品种显得尤为重要。抗真菌的植物基因

工程目前正处于基因分离与鉴定阶段，已鉴定出几丁质酶基因、β-

萄聚糖酶基因等。Logemann等从烟草中分离出I级几丁质酶(1.5%～

4.0%可溶性蛋白)和Ⅱ级β-l，3萄聚糖酶(0.l%～2.0%可溶性蛋白)，

将其在转基因番茄中同时表达，显著提高了植物对尖镰孢菌的抗性，

在胡萝卜中也得到了类似的结果。这是因为几丁质酶和β-l，3萄聚

糖酶可分别催化几丁质和β-1，3萄聚糖的水解反应，这两类物质是

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许多真菌细胞壁的主要成分，其结果导致真菌生长受阻。此外，植保

素对某些真菌病害是有毒的，不同的植物产生不同的植保素，真菌对

非寄主植物产生的植保素很敏感，目前已经鉴定出了200多种植保

素，其中研究的最深的是类黄酮与类萜类植保素，从葡萄中分离出的

3ˊ，4ˊ，5′-三羟芪合成酶基因导入烟草后，转基因植株与对照相

比表现出对灰霉病(Botryitiscinerea)更强的抗性。转基因番茄对

灰霉病和早产疫病(Alternariasolani)的抗性都比对照强。

在抗病番茄基因工程的研究中，也做了一些抗细菌病害的研究工

作。Tansley等从秘鲁番茄中克隆出抗细菌斑点病病菌的基因pto，

该基因编码的产物是色氨酸/苏氨酸激酶型的蛋白质，可与该菌非毒

性基因产物作用，转pto基因的番茄植株能抗细菌斑点病。

3.番茄抗除草剂基因工程

在现代农业中，除草剂在控制杂草的生长繁殖方面起着重要的作

用，已经用于农业生产的除草剂至少有180种，通过使用除草剂，大

大提高了劳动效率。利用基因工程技术培育抗除草剂植物主要有两种

策略：①修饰除草剂作用的靶蛋白促使其过量表达或者对除草剂不敏

感，以便植物吸收除草剂后能正常生长发育，这类基因有抗草甘膦、

磺酰尿类、均三氮苯类的阿特拉津除草剂基因。②导入解毒蛋白基因，

降解除草剂分子，这类基因有乙酰CoA转移酶基因(bar)、2，4-D

单氧化酶基因(TfdA)和腈水解酶基因(bxn)等。

3.1修饰除草剂的靶蛋白

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草甘膦是目前使用最广泛的非选择性有机磷类除草剂，能有效抑

制76种杂草，草甘膦通过抑制细胞中5-烯醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸

合成酶(EPSPS)活性发生作用，当除草剂草甘膦与该酶结合时，阻断

了芳香族氨基酸的合成，细胞中缺少芳香族氨基酸，导致植株死亡，

EPSPS基因突变体产生对草甘膦的抗性。Fillatti将aroA突变基因

经农杆菌转入番茄，获得了抗草甘膦的转基因植株。试验结果表明转

基因植株及后代可耐受有效浓度为0.84kg·hm-2的草甘膦。Bedbrook

等将烟草SURB-Hra基因导入番茄、甜菜、油菜、苜蓿、生菜、甜瓜，

获得不同程度的抗磺酰脲除草剂的转基因植株，一些转基困烟草植株

在田间喷施32g·hm-2的药量下无毒害出现，而对照野生型植株在

8g·hm-2的药量已经出现毒害。

3.2解毒蛋白

草丁膦(G1ufosinate)除草肽和Basta(商品名)属于同一类有机

磷类除草剂，其作用机理是抑制谷氨酰胺合成酶(GS)的活性，使细胞

内氨离子含量积累，引起叶绿体降解并导致植物死亡。Murakami发

现潮霉菌(Hygroscopicas)中的bar基因编码的乙酰CoA转移酶具有

使草丁膦代谢失去活性的功能，将bar基因导入番茄中，当叶片乙酰

CoA转移酶表达量达到叶蛋白总量的0.0001%的水平，转基因番茄就

能抗草丁膦除草剂。

4.番茄抗逆境基因工程

世界性的寒冷、高温、干旱、水涝、盐渍、土壤、水质和空气污

染以及农药、除草剂的残留等，构成了植物的生存逆境，它们对农业

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生产破坏性极大。解决这些问题的途径，除了改善生产条件和控制环

境污染以外，改变植物使之适应环境即进行抗逆育种是一条经济有效

的途径。

4.1抗干旱和盐碱

干旱和盐碱对植物生长影响的共同特点是渗透胁迫。植物抗渗透

胁迫的基因工程在于调节渗透压分子及其基因相关的研究上。Singh

首次从耐盐烟草细胞中分离出相对分子质量为26ku酸性蛋白质，其

含量高达细胞总蛋白的12%以上，后来，在番茄、马铃薯、小麦、大

豆、胡萝卜、棉花和水稻中都发现了与烟草26ku渗透蛋白抗血清有

交叉反应的蛋白，其相对分子质量均在26ku左右。一些植物在受到

盐胁迫和病原体等侵犯时，体内的草酸氧化酶大量积累，并能通过其

催化的反应产物H2O2，诱导促使植物的系统抗性增加。根据这一原理，

Dessalegne等将草酸氧化酶基因转入番茄中，得到的转基因番茄在

盐胁迫情况下其产量高于对照。

4.2抗寒

Hightower等利用农杆菌将比目鱼体内的抗冻蛋白基因转入番

茄，发现转基因番茄不但稳定转录AFP的mRNA，还产生一种新的蛋

白质。这种转基因番茄的组织提取液在冰冻条件下能有效阻止冰晶的

增长。转基因植株经温室鉴定，抗冻能力明显提高。这是首例由基因

工程提高番茄抗逆性成功的报道。此外抗冻蛋白也研究的较多。在南

极或者北半球高纬度海域中生活的一些鱼类如美洲黄盖鲽鱼

(Pudopleuronectusamericanus)、床杜父鱼

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(Myoxocophalusscorpius)等具有很强的抗寒性，这与这些鱼的血液

中存在的抗冻蛋白有关。黄永芬等采用花粉管和子房注射将美洲拟鲽

afp基因转入番茄，转基因植株的致死温度比对照降低2℃。

5.番茄雄性不育基因工程

雄性不育系的获得最初主要是利用自然变异和人工选育。随着

花粉发育分子生物学研究的深入和基因工程技术的发展，人们开始利

用基因工程的手段来创制植物的雄性不育系。其基本策略是通过导入

外源基因，在特殊启动子的调控下，干扰、抑制花粉的正常发育或表

达毒性基因破坏花粉发育，来获得雄性不育系。1915年，Crane首次

在番茄上发现雄性不育现象，Mariani将P-TA29特异启动子和糖核

酸酶基因Barna连接导人番茄，培育出雄性不育的工程植株，为杂

交制种提供了方便。张宏等首先获得了番茄的基因工程雄性不育株。

他们利用TA292barna基因，用根癌农杆菌介导法，以子叶为受体，

获得了番茄的雄性不育转基因植株。

番茄雄性不育基因工程作为一个近几年发展起来的新兴技术，还

不够成熟。但随着理论研究的深入和技术上的发展，这些缺陷必将得

以解决。同传统获得雄性不育技术相结合，基因工程技术将会在番茄

育种中发挥更为重要的作用。

6.改变番茄成分来提高番茄品质的基因工程

对于不同蔬菜作物品质的要求是不一样的，归纳起来主要是蛋

白质成分、淀粉和糖类含量、脂肪酸组分、维生素水平和果实成熟期

等。目前，番茄品质研究已经取得了较大的进展，Oeller等将ACC

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合成酶cDNA的PtACC2反向插入表达载体并转化番茄，转基因番茄果

实内乙烯合成降低99.5%。果实在自然条件下不能成熟、无香味、不

变红、不变软、在外源乙烯的处理下，番茄果实能成熟。首次商业化

应用的改良转基因食品是1994年美国Calgene公司开发的转基因晚

熟番茄“FlavrSavr”，这种番茄能够在货架上摆放2周以上不变软。

7.终结种子基因工程

终结者技术(Terminatortechnology)是在有限的时期内终止种

子的生育能力或者可育性的技术，其中相关的基因被称为终结基因。

这项技术是专门针对一些已知的并可用来终结控制植物在第1代或

者以后几代中特定性状表达的基因。终结者技术原理在于应用合适的

致死基因导致第2代种子不育。终结者技术应用了3种具有不同作用

的基因：致死基因、重组酶基因、可抑制基因。据报道，通过终结种

子基因，对细胞进行遗传修饰，植株可以采用组织培养的方法进行繁

殖。当第l代种子成熟以后，经过某种化学物质(如四环素)处理才通

过市场出售给农民。结果这些种子在农民的田间可以正常萌发成健壮

的第2代植株。

当第2代植株开始产生种子时，在晚期胚胎发育阶段，LEA启动

子被激活，导致大量的核糖体失活蛋白合成，从而反馈抑制细胞中蛋

白质合成的机器一核糖体，结果产生的第2代种子不可育。这些种子

可以被用作粮食，但是不能萌发成植株。

这一技术依然处在试验性阶段，最可能出现在棉花、番茄、马铃

薯和大豆等植物的转基因种子或者杂交种子中。

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8.番茄转基因育种存在的问题及展望

基因工程在蔬菜遗传育种、品种改良上的应用前景十分诱人，

但从总体上看，转化成功的作物种类尚少，而且由于存在基因沉默

(Genesilencing)现象，转基因的表达水平不高，尤其在F1和F2植

株上表达不高甚至差异很大。基因沉默主要是转化基因的多拷贝、甲

基化和重组。另一个问题是一些转化基因的组成型表达导致植物生长

发育受到一定程度的影响。因此目前转基因工程的主要任务是寻找阻

止基因沉默的有效途径和发展可诱导的启动子，开发更多有重要应用

价值的目的基因，建立高效的再生和转化系，完善多种转化技术等，

以达到蔬菜生理抗病虫的目的。

目前，番茄的基因转化研究已由单一性状向多性状转化，并且向

生产医药保健品的方向发展。我国国家基因工程中心已获得高抗TMV、

CMV、马铃薯X病毒和抗早疫病、晚疫病两种真菌病害的番茄。随着

植物基因工程的发展，植物体可望用于生产异源蛋白，如疫苗、酶、

激素等，用这种方法可省去昂贵复杂的细胞培养和发酵等常规生产步

骤，且由植物生产的抗原作为食物时引起的人体免疫应答比注射疫苗

产生的反应要强。分子标记技术的发展促进了多种生物物种基因的定

位与克隆工作，为有目的地寻找和发掘番茄内外源基因工作奠定了基

础。随着转基因技术的深入发展和转基因植物的安全性进一步得到保

障，番茄基因转化必将更好的弥补传统育种方法的不足，促进蔬菜新

品种改良的进步和发展。

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参考文献：

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[5]王傲雪，李景富。转基因番茄的机理及现状。辽宁农业科学，

1998.33-36.

[6]百度文库。

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课程论文

题目基因工程在植物育种中的应用

学院农学院

专业农学班级农学091班

姓名阿曼古丽.卡德尔江学号093131107

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