转基因杨树的研究及其生物安全评价

分子植物育种，２００８年，第６卷，第１期，第１２３－１２７页

ＭｏｌｅｃｕｌａｒＰｌａｎｔＢｒｅｅｄｉｎｇ，２００８，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１，１２３－１２７

专题介绍

Ｒｅｖｉｅｗ

转基因杨树的研究及其生物安全评价

杨利艳１，２，３孙毅１＊谢莉琴１

１山西省农业生物技术研究中心，太原，０３００３１；２山西大学生物技术研究所，太原，０３０００６；３山西师范大学生命科学学院，临汾，０４１００４

＊通讯作者，ｓｕｎｙｉ６９２００３＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ

摘要杨树基因组测序的完成使杨树成为研究林木分子生物学最重要的模式植物，为杨树基因工程的发展提出了巨大的机遇与挑战。本文简要介绍了世界转基因作物的发展状况以及安全性评估，重点从杨树抗虫、抗逆及改善材质的基因工程等方面综述了杨树基因工程的发展及其相关安全评价，指出对转基因杨树的安全评价应遵循有关转基因法规结合自身特点进行，重点考察其生态风险。本文针对杨树基因工程发展中存在的问题，提出应积极开发具有我国自主知识产权的新型基因，发展转基因新方法，推进我国杨树基因工程的健康发展。

关键词转基因，杨树，生物安全，评价

ＲｅｖｉｅｗｓｏｎＴｒａｎｓｇｅｎｉｃＰｏｐｌａｒａｎｄＢｉｏｓａｆｅｔｙＥｖａｌｕａｔｉｏｎ

ＹａｎｇＬｉｙａｎ１，２，３ＳｕｎＹｉ１＊ＸｉｅＬｉｑｉｎ１

１ＴｈｅＡｇｒｉ－ＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｒｅｏｆＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００３１；２ＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｈａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３０００６；３ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｈａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉｎｆｅｎ，０４１００４

＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，ｓｕｎｙｉ６９２００３＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ

ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｏｆｐｏｐｌａｒｇｅｎｏｍｅｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ，ｐｏｐｌａｒｗｏｕｌｄｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｏｄｅｌｐｌａｎｔｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｒｅｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｉｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｂｒｏｕｇｈｔｔｈｅｇｒｅａｔｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｆｏｒｐｏｐｌａｒｇｅ－ｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｉｎｔｈｉｓｒｅｖｉｅｗ，ｗｅｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｗｏｒｌｄｇｅ－ｎｅｔｉｃｍｏｄｉｆｉｅｄｃｒｏｐｓａｎｄｔｈｅｉｒｂｉｏｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｗｉｔｈｅｍｐｈａｓｉｓｏｎｔｈｅｐｏｐｌａｒｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｂｉｏｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｉｎｓｅｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｓｔｒｅｓｓｔｏｌｅｒａｎｃｅａｎｄｔｉｍｂｅｒｑｕａｌｉｔｙ．Ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈａｔｐｏｐｌａｒｂｉｏｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｈｏｕｌｄｆｏｌｌｏｗｔｈｅｉｓｓｕｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂａｓｅｄｏｎｉｔｓｓｐｅｃｉｆｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｓ．ＩｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙａｎｄｕｒｇｅｎｔｔｏｄｅｖｅｌｏｐｏｕｒｏｗｎｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｒｉｇｈｔｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｈｅａｌｔｈｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｏｐｌａｒｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＣｈｉｎａ．

ＫｅｙｗｏｒｄｓＴｒａｎｓｇｅｎｉｃ，Ｐｏｐｌａｒ，Ｂｉｏｓａｆｅｔｙ，Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ

根据农业生物技术应用国际服务组织（ＩＳＡＡＡ）于２００７年发布的年度报告，２００６年全球转基因作物的种植面积猛增了１．２×１０７ｈｍ２，较２００５年增幅为１３％，达到了１．０２×１０８ｈｍ２，首次突破了１．０×１０８ｈｍ２大关，种植转基因作物的农户数量迅猛增长，首次超过了１０００万户，从２００５年的８５０万户增加到了１０３０万户。转基因作物将有助于提高能效，满足对日益增长的可替代能源的需求，同时在满足日益增长的食物和燃料需求方面，转基因作物可以发挥关键作用。经济发展和环境保护方面的优势促进了转基因作物在全球的广泛增长。转基因作物在各大洲都有主要增长中心，美国继续推进转基因作物在北美乃至全球的增长，在２００６年取得了最高的绝对面积增长率，种植面积增加了４．８×１０６ｈｍ２。而印度正在成为亚洲的一个主要领先国，该国取得了全球最高增长率，达１９２％，即５．０×１０５ｈｍ２，总面积达到了３．８×１０６ｈｍ２，首次超过了中国，成为了全球第五大转基因作物种植国。２００６年，中国６８０万农户种植了３．５×１０６ｈｍ２的抗虫棉，转基因抗虫棉的种植面积增长了２．０×１０５ｈｍ２，转基因棉花品种面积稳定在６６％的比例。除了在棉花种植中应用生物技术外，中国国家农业转基因生物安全委员会还在２００６年建议批准了抗番木瓜环

基金项目：本研究由山西省攻关项目（２００６０３１０１５）资助

分子植物育种

ＭｏｌｅｃｕｌａｒＰｌａｎｔＢｒｅｅｄｉｎｇ

斑病毒（ＰＲＳＶ）的转基因番木瓜，中国还正在考虑批准转基因水稻的种植（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｓａａａ．ｏｒｇ／ｉｓａａａ－ｂｒｉｆ－ｅ－３６－２００６．ｐｄｆ）。相比而言，大多数林木的组培技术和基因导入技术还不很成熟，加上林木分子生物学研究的落后造成的可用于林木改良的基因贫乏等因素，林木生物技术的发展与应用相对滞后。本文重点从杨树抗虫、抗逆及改善材质的基因工程等方面综述了杨树基因工程的发展及其相关安全评价，指出对转基因杨树的安全评价应遵循有关转基因法规结合自身特点进行，重点考察其生态风险。本文针对杨树基因工程发展中存在的问题，提出应积极开发具有我国自主知识产权的新型基因，发展转基因新方法，推进我国杨树基因工程的健康发展。

１转基因杨树的研究现状

杨树是一种在全世界广为种植的速生树木，在理想的条件下大约４年即可成材，是重要的建筑用材和造纸原料。此外，杨树还能成为可再生能源的原料。杨树的基因组相对简单，遗传学家一直将其作为模式植物加以研究。自Ｆｉｌｌａｔｔｉ等（１９８７）利用根癌农杆菌介导法首次将从沙门氏菌中分离出来的ａｒｏＡ基因对杨树ＮＣ－５３３９无性系进行遗传转化并获得了一批抗除草剂草甘膦植株以来，杨树基因工程育种开始发展起来，利用基因工程技术，打破种属间的界限，将目的基因转入杨树，可以在短期内达到改良杨树品种的目的。２００６年，黑杨（Ｐｏｐｕｌｕｓｔｒｉｃｈｏｃａｒｐａ）的基因组草图被绘出，这是首个被测出基因组序列的树木。科学家们完成了７６０万次随机测序，搭起了杨树基因组２４４７个框架，组装起来大概４１０Ｍｂ的基因组草图，发现了４５０００个蛋白编码序列（略多于拟南芥）。这项新的研究成果发表在了２００６年９月１５日出版的《Ｓｃｉｅｎｃｅ》上（Ｔｕｓｋａｎｅｔａｌ．，２００６）。杨树全基因组测序的完成为林木基因工程改良奠定了基础，并为采用蛋白质组学技术、全基因组芯片技术分析杨树抗旱、耐盐、抗病、抗冻、抗虫有关的调控基因、转录因子及下游功能基因提供了条件，还有助于精细分析杨树发育过程中某些基因表达谱的变化，特别是基因之间的相互作用即基因调控网络，从而能够筛选克隆到起关键作用的基因。对这些基因可以通过转基因技术进一步确定其对杨树某些性状的作用，并进而用于对杨树和其他植物的改造。

中国是杨树起源中心，杨树是我国重要的造林绿化、工业用材树种，我国天然林面积约３．０×１０６ｈｍ２，杨树人工林的面积已接近７．０×１０６ｈｍ２，远远超过世界上其他所有国家杨树人工林面积之和，在我国特别是北方的生态建设和商品林建设中占有不可替代的地位。但由于人工林的大规模种植，品种单一，虫害发生严重。目前杨树人工用材林和生态防护林都遭受了重大危害，被称为“绿色长城”的三北防护林每年发生虫害面积达１．０×１０５ｈｍ２，严重危害的面积５．３３×１０４ｈｍ２以上，直接经济损失达１亿元以上，成为“不冒烟的森林火灾”，生态损失则无法估算。化学药剂和生物制剂杀虫不仅成本高，且易造成严重的环境污染。提高林木自身的抗虫能力是更为有效的途径，培育抗虫品种已成为生态环境建设的迫切需求。我国是从事杨树基因工程研究最早的国家之一，我国对抗虫转基因杨树研发处于国际前列，１９８９年我国首次报道了转基因欧洲黑杨，１９９３年（田颖川和韩一凡，１９９３，生物工程学报，９（４）：２９１－２９７）报道了所获得的转苏云金芽孢杆菌毒蛋白基因（Ｂｔ基因）欧洲黑杨的培育及虫试结果，１９９４年进入田间试验，２００２年开始了商业化种植，成为世界上第一个商业化栽培转基因林木的国家。在此期间，郝贵霞等（１９９９）将豇豆胰蛋白酶抑制因子（ＣＰＴＩ）导入毛白杨优良无性系获得转化植株，伍宁丰等（２０００）将抗虫基因Ａａ１Ｔ转入杨树杂种Ｎ－１０６无性系中，饶红宇等（２０００）获得了转Ｂｔ杨树ＮＬ－８０１０６，以上转基因杨树均以鳞翅目害虫为靶标。张冰玉等（２００６）报道，将Ｃｒｙ３Ａ基因导入银腺杨基因组，获得抗鞘翅目害虫的杨树。单价抗虫基因由于其抗虫谱窄，易引起害虫发生抗性，研究者又开始进行双价抗虫基因的转化。田颖川等（２０００）首次将Ｂｔ毒蛋白基因和慈菇蛋白酶抑制剂基因构建成一个双价表达载体成功导入７４１杨，这是国内外首次报道用双价抗虫基因获得的抗虫杨植株，李明亮等（２０００）通过农杆菌介导，分别将经过人工改造的Ｂｔ基因和蛋白酶抑制剂基因（ＰＩ）导入杨树，获得既含有Ｂｔ基因又含有蛋白酶抑制剂基因的转基因杨树植株，抗虫鉴定结果表明，该转基因杨树具有明显的杀虫活性。随后又不断有双价抗虫基因杨树的获得（郑均宝等，２０００；Ｍａｓｓｉｍｏｅｔａｌ．，２００１）。Ｌｉｎ等（２００６）向小黑杨转化蜘蛛杀虫毒素基因和Ｂｔ基因，获得抗虫基因杨树。我国不仅在抗食叶害虫转基因杨的研究取得不断进展，目前转基因抗食叶害虫欧洲黑杨是世界上释放面积最大的转基因林木，栽培面积达到４００公顷，抗蛀干害虫基因杨也取得了一定进展，张冰玉等（２００５）报道获得转双价抗蛀干害虫基因杨树，并初步筛选出抗性株系。综观抗虫基因杨的发展，目前的抗虫基因主要有三类：Ｂｔ毒蛋白基因，蛋白酶抑

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