生物技术在林木遗传育种中的应用_毕影东
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Abstract : T his paper g iv es a brief in troduction o f developm ent and ach ievem ent in forest tree breed ing in China , presents a com prehensiv e rev ie w of the current situation and prog ress o f forest genet ic m arking techn ique , forest genom e study , application of genetic eng ineering in the f ie ld s o f insectresistance , stress to lerance , adverse cond ition resistance , gene tic transforr m at io n and o ther qua lity m provem ent of forest trees in th e recent decades i , and d iscusses the relat io nship betw een biotechnol ogy and forest tree breedin g . K ey w ord s : b io techno lo gy, genetic eng in eering , forest tree genetic breeding 林木遗传育种学是探索林木遗传改良的理 论与技术的 科学。世界林 木遗传育 种约有 200 年的发展历史 , 目前, 全球已有约 100 个国家和 地区开展了林木育 种工作
*
摘要 : 简要介绍了我国林木育种的发展历程及取得的主要成就 , 综述 了近年来 林木遗传标 记技术 、 林木基因 组研究 、 林木抗虫 、 抗病 、 抗逆境 、 品质改良 、 遗传转化等基因工程技术在林木遗 传育种中的 应用进展 , 并探讨 了生物技术与林木常规 育种的关系 。 关键词 : 生物技术 , 基因工程 , 林木遗传育种 中图分类号 : S 722. 3 文献标识 码 : A 文章编号 : 1001- 4241( 2007) 06- 0023- 06
第 20 卷 第 6 期 2007 年 12月
世 界 林 业 研 究 W orld Fo restry R esearch
V o.l 20 N o . 6 D ec 2007
生物技术在林木遗传育种中的应用
毕影东 杨传平
( 东 北林业大学 , 林木遗传育种黑龙江省重点实验室 , 哈尔滨 150040)
[ 21 ]
。通过筛选鉴别与目标基因性
状紧密连锁的分子标记是否存在 , 可以进行辅助 选择 , 1995 年美国华盛顿大学构建了毛果杨 ( P. trichocarpa T orr & G ray ) 美洲 黑杨 ( P. deltoid s ) 遗传图谱 , 并得出后代树高、 胸径、 材积 等性状的变异主要受几个主要基因控制的结论。 随后, 在杨树、 杉木、 桉树中也有构建连锁图谱的 报道, 并探讨了木材密度、 性别分化的基因定位。 黄烈健等通过 对美洲黑杨 ( P. deltoid es ) 青杨 ( P. cathayana ) 的无性系研究, 分析了与木材材 性有关的木材密度、 纤维长、 纤维宽以及微纤丝 角等性状, 研究结果表明 : 纤维长有明显的杂种 优势, 控制该性状表现的基因之间具有正效应的 互作, 控制木材基本密度的基因之间具有负效应 的互作
。近年来 , 世界
范围内的林木遗传改良活动随着经济发展的需 要和相关基础研究的深入而有了较大发展 , 林木 遗传育种也成了林学学科中研究最为活跃的领 域和龙头学科, 但是林木生长周期长 , 必须依靠 现代生物技术并与常规育种技术相结合 , 进而缩 短育种周期, 加速育种进程, 创造选育新品种。现 代生物技术和分子生物学研究方法与常规育种研 究成果的结合, 拓展了林木遗传育种学科研究工 作的深度和广度, 为 21世纪林木遗传改良的高效 可持续发展, 奠定了良好的理论和技术基础
A pp lication and A dvancem en t of B iotechnology in Forest Tree G en etic Breeding B iY ingdong Y ang Chuanp ing
( Schoo l o f Fo restry of N o rtheast Fo restry U niv ers ity , K ey L aboratory of G enetic Breed ing of Forest T ree ofH eilonjiang P rov ince , H arb in 150040, China)
[ 14]
。虽然传统分子标记具有其潜在的优
势 , 但还存在诸如数量性状分子标记在不同遗传 背景中易受影响、 表现不稳定、 能确凿鉴别数量 性状的位点极少等问题。随着杨属植物基因组 计划的实施 , 杨树全基因组信息将会为其他林木
3 林木基因工程
基因工程是生物技术的核心 , 为林木遗传改 良开辟了一条新的途径。林 木基因工程具有目 的性强、 时间短的特点 , 可打 破种间杂交不亲和
[ 5- 7]
。
*
收稿日期 : 2007- 03- 29 作者简介 : 毕影东 ( 1974 - ) , 男 , 黑龙江哈尔滨人, 东北林业大学林木遗传育种专业在读博士 , E - m ai: l ydb i308 @ 163. com
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世
界
林
业
研
究
第 20 卷
1 遗传标记技术与林木基因组研究
遗传标记包括形态标记、 细胞学标记、 同功 酶标记和分子标ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ等 , 分子标记是以 DNA 分子 多态性为基础的遗传标记 , 是指能反映生物个体 或种群 间基 因组 特 异性 的 DNA 片 段, 也 称为 DNA 的指纹 (带型 )图谱
第 6期
毕影东
杨 传平 : 生物技术在林木遗传育种中的应用
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的界限 , 加速林木新品种的培育 , 已成为现代林 [ 22- 23] 木生物技术 的核 心内 容 。 1987 年 , F illatti 等 首先将除草甘膦抗性基因通过根癌农杆菌导 入杨树 NC5339 无性系中 , 所获得转基因植株具 有抗除草剂效应 , 随后 , 林木基因工程进入快速 发展阶段
[ 1- 2]
树、 杉木、 马尾松 ( P inus m assoniana) 、 桉树等重要 树种遗传图谱研究 。林木遗传资源保存在林 木遗传资源保护方面得到了高度重视, 在种群分 布、 濒危状况、 繁殖方式、 遗传多样性、 保存对策 等方面取得了显著的研究进展
[ 4] [ 3]
。我 国林木遗传
改良起步晚 , 通过多年的研究 , 主要在地理变异 及种源选择、 种子园多世代改良、 无性系选育等 方面取得较大进展。开展了杨树 (P opulus sp . )、 杉木 ( Cunningham ia lanceolata ) 多个主要造林树 种的良种繁育, 多倍体良种培育工作也有了突破 性进展 , 先后培育出桑树 (M orus alba )、 刺槐 (R o binia p seudoacacia ) 和毛白杨 ( P. tom entosa) 同源 及异源三倍体。树种的引种工作有了飞速的发 展 , 成功引进了国外桉 ( Eucalyp tus sp. ) 、 杨、 松 ( P inus sp . )、 相思 ( A cacia sp . ) 等优良用材、 抗逆 和经济林树种。 20 世纪 90 年代以来, 开展了杨
[ 24]
因已整合到杨树基因组中, 室内抗虫生物学鉴定 表明, 与对照相比 , 转基因株系 BGA - 5 对光肩 星天牛具有一定的毒杀和显著的生长抑制作用, 其杀虫率达 到 30 % , 对幼虫的 生长抑制 率达 [ 29] 78 . 46% 。 3 . 3 抗逆基因工程 应用于林木抗逆的基因主要有抗旱、 耐盐、 抗冻等基因。抗旱、 耐盐基因主要是与渗透压调 节分子 ( 脯氨酸、 甘露醇、 甜菜碱、 肌醇等 ) 合成 有关的基因 ( 脯氨酸合成酶基因、 甜菜碱合成酶 基因、 乙醇脱氢酶基因、 胆碱脱氢酶基因等 ), 在 抗寒冻方面 , 已在鱼类抗冻基因途径、 脂肪酸去 饱和途径、 超氧物歧化酶 ( SOD ) 基因途径、 糖类 基因途径的研究上取得了成果。但由于植物的 抗寒性状是由多基因控制的, 靠转单个基因来提 [ 22 - 24] 高抗寒性的程度相当有限 。杨传平等以小 黑杨无菌苗叶片为转化受体材料 , 通过根癌农杆 菌 ( Agrobacterium tum efacien) 介导法将外源基因 Bet2A ( 编码胆碱脱氢酶, 催化胆碱生成甘氨酸甜 菜碱 ) 导入小黑杨 (P. si m on ii P. nigra ) 。对获 得的 11 株转化苗进行了 PCR 扩增检测和斑点杂 交检测, 其 中 3 株杂交 斑点明亮的转 化子进行 Southern 印迹杂交分析, 结果证实外源基因已整 合到小黑杨基因组中
[ 8]
基因组研究提供有价值的参考 , 单核苷酸多态性 标记技术、 基于表达序列标签的表达谱分析以及 RNA 干涉技术的应用 , 使人们从全基因组水平分 析基因的功能成为可能 , 将会大大加快分子育种 [ 15 - 17] 技术的发展 。
。林木中常用的分子
2 林木的遗传转化
建立一个有效的遗传转 化体系是林木基因 工程的基本前提。遗传转化 的过程是综合性的 工作。包括 : 建立高效的组培再生系统、 构建携 带外源基因的合适载体系统、 建立高效的基因转 化系统。林木遗传转化主要有 2 个受体系统: 器 官发生和体胚发生。而胚状 体再生系统由于其 具有接受外源 DNA 的能力强 , 转基因植株嵌合 体少, 体胚发生繁殖效率高 , 可进行大规模生产 等优点而成为目前比较理想的基因转化受体系 统。 目前, 林木主要采用农杆菌介导进行遗传转 化 , 随着对 V ir 基因在转化中的重要功能的深入 了解, 使农杆菌介导转化频率得以极大 提高, 携 带经修饰过的 V ir 基因的农杆菌成为针叶树遗传 转化的最佳途径之一
[ 13] [ 12]
。 Andre e Noe l等将
内切几丁质酶基因 ech 42 通过农杆菌介导法转化 云杉和杨树 ( P. nig ra P. max im o w iczii )。 North ern 杂交分析表明 , 转基因植株中内切几丁质酶 基因转录水平均有所升高, 在转基因杨树和云杉 中内切几丁质酶活性分别为对照的 55 ~ 115 倍 和 2~ 8 倍。研究结果表明 , 几丁质酶基因的组 成型表 达 有助 于提 高树 木对 一 些真 菌 病的 抗 性 。近年来 , 在提高遗 传转化效率方 面发展 了一 些 新 技 术, 如 超 声 波 辅 助农 杆 菌 介 导 法 ( SAAT: Son icat io n Assisted Agrobacterium m ed ia ted T ransform ation) 、 低 能离子 束 ( low energy ion bea m )与农杆菌介导结合法、 基因枪与农杆菌介 导结合法以及负压与农杆菌介导结合法等 , 均可 增强农杆菌浸染, 提高转化效率。 2003 年 , Z ara goza等将抗除草剂基因 bar 通过 SAAT 转入刺槐 [ 19] (Robinia p seudoacacia ) , 获得了转基因植株 。
[ 18- 20 ]
标记方法主要有 : 限制性片段多态性 ( RFLP ) 、 随 机 扩 增 多 态 性 ( RAPD ) 、扩 增 片 段 多 态 性 ( AFLP ) 、 简单重复序列 ( SSR ) 等, 广泛应用于遗 传育种、 高密度遗传图谱的构建、 基因定位和克 隆、 亲缘 关 系鉴 别 及遗 传 多 样性 研 究等 领 域
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。遗传图谱是遗传学的重要研究内容 , 又
是研究种质资源、 选育良种及基因克隆等的理论 依据和基础。张蕴哲等利用毛新杨 (P. tom ento sa C arr P. alba L. var . pyram idalis Bge . ) 毛 白杨 ( P. tom entosa C arr . ) 的 杂 交群 体 构 建 了 AFLP 分子遗传图谱 , 该群体对杨树溃疡病的抗 性是正态分布。在双亲整合的图谱中, 239 个标 记形成 22 个含 4 个以上标记的连锁群 , 总图距 4 418 c M, 标记间的平均图距是 1 815 c M。此外还 得到 15 个属于双亲共有的只有 2 ~ 3 个标记的 小连锁群, 13 个父本独有的连锁群和 21 个母本 独有的连锁群