转基因杨树

2013-06-26 | 作者: | 标签: 杨树


图自picasaweb.google.com

杨树为速生树,一般4年成材,主要用途为建筑用材和造纸。中国种植面积已接近700万公顷,在生态建设和商品林建设中占有重要地位。
 
过去杨树的育种目标主要是速生,另外,由于基因资源、生物学特性的限制,导致杨树中用于困难立地造林和高效用材林建设的新品种严重匮乏。利用基因工程技术手段,可以解决杨树上用传统遗传育种方法很难解决或根本解决不了的问题。
 
1987年,Fillatti 等将抗除草剂基因aroA 基因导入杨树NC-5339 无性系,获得了抗除草剂转基因杨树。自此以后,杨树基因工程育种开始迅速发展起来。2006 年,研究者绘制出了黑杨的基因组草图,为杨树基因工程研究奠定了良好的基础。
 
中国是进行杨树基因工程研究较早的国家,目前抗虫转基因杨树已商业化种植,种植面积达到400多公顷,另外耐盐碱、改良品质的转基因杨树也已开始进行田间试验和环境释放。
 
抗虫转基因杨树
 
病虫害对杨树的危害非常严重,杨树上的主要害虫包括天牛、杨尺蠖、舞毒蛾和舟蛾类等。当前,被人们称为“绿色长城”的“三北”防护林年均受害面积达10多万公顷,危害严重的面积高达5. 33万公顷以上。直接造成的经济损失有1亿元之多,杨树病虫害被人们称为“不冒烟的森林火灾”,对生态造成的损失更是无法估量。
 
中国科研工作者利用农杆菌介导法将cryIAC杀虫基因导入阿塞拜疆共和国巴库地区的欧洲黑杨中,获得了抗虫转基因欧洲黑杨,1994至1997年的田间试验结果证明,在田间,转基因欧洲黑杨能明显抗虫,转基因试验林的叶片损失率低于20% ,而对照林欧洲黑杨林和健杨林的叶片损失率分别为90%和80% ,对照林带土壤中的虫蛹数为转基因试验林的4-5倍。
 
转基因欧洲黑杨于2002年获得了商品化许可,2003年通过良种审定,这使中国称为世界上第一个商业化种植转基因林木的国家。
 
由于单价抗虫基因存在抗虫谱狭窄,害虫容易产生抗性等缺点,研究者开始将两个抗虫基因同时导入杨树,培育双价抗虫转基因杨树。2000年,田颖川等将Bt 毒蛋白基因和慈菇蛋白酶抑制剂基因同时导入741 杨,首次获得了双价抗虫转基因杨树。转基因741杨高抗杨扇舟蛾和舞毒蛾,显著抗美国白蛾的幼虫,此双价抗虫转基因杨树于2002年批准商业化种植。
 
另外,在中国,包括欧美杨、美洲黑杨、小黑杨、毛白杨等在内的10多个抗虫转基因杨树品系(无性系)已相继进入了田间试验阶段。
 
耐盐转基因杨树
 
在中国,森林覆盖率只有18. 21%,而且呈不均匀分布,森林植被对生态环境的调节功能比较薄弱。另外,极端脆弱生态区如严重的干旱半干旱荒漠化、盐碱和石漠化等将近占国土面积的二分之一,有0. 4亿公顷以上的土地盐渍化,0. 2亿公顷盐碱荒滩尚未开发应用。因此,抗旱、耐盐碱品种的培育是目前杨树育种的主要目标。
 
1996年,研究者以八里庄杨为受体,以1 - 磷酸甘露醇脱氢酶为目的基因进行了转基因耐盐碱杨树的培育,获得了具较高抗盐性的转基因杨树植株。田间耐盐试验表明,转基因杨比非转基因八里庄杨在0. 3 %~0. 4 %土壤盐化范围内的造林成活率提高0. 7 倍。多点统计分析表明,转基因杨树的田间耐盐极限达到土壤含盐量0. 43 %,能在中度盐碱地上正常生长。
 
品质改良转基因杨树
 
杨树材性改良的转基因研究近年来十分活跃。木质素调控的转基因研究曾在杨树制浆造纸性能改善的用途中被广泛重视。近年来,随着生物质能源的发展,利用杨树作为木质纤维材料进行工业酒精生产的得到了更加广泛的重视,围绕着木质素、纤维素和半纤维素合成调控的材性改良成为国际上杨树转基因研究的热点。2008年,比利时政府允许一种木质素减少20%、纤维素增加17%的转基因杨树进入田间试验,其温室试验中可多生产50%的工业乙醇。对林木植物材性改良的分子育种将广泛应用于制浆造纸、生物能源开发、木材综合应用以及森林固碳等方面。
 
将4 - 香豆酸辅酶A连接酶基因和咖啡酰- 辅酶A -O -甲基转移酶的反义基因导入毛白杨,获得了木质素明显降低的转基因毛白杨,转基因毛白杨中木质素含量比非转基因对照下降最高可达41. 73%。碱法制浆试验结果证明,转基因杨树不但可以降低碱量,而且还可获得高纸浆得率。目前木质素含量降低的转基因杨树已进入环境释放阶段。
 
另外,多年生的转基因杨树木质素含量降低13%,制浆性能显著提高,纤维特性有了明显改善。在18%碱用量条件下,纸浆得率增加7.5%、纤维聚合度增加5.3%、成纸的白度增加、物理性能得到改善,同时制浆碱用量有所减少;同时在实验室条件下,该转基因杨树用于乙醇发酵的性能有所改善。
 
安全评价与应用
 
通过研究抗虫转基因杨树的遗传稳定性、抗虫能力、对土壤微生物及非靶标昆虫的影响,认为抗虫转基因杨对非靶标生物及生物多样性不会造成明显影响。另外基因飘流研究结果认为转基因杨树花粉飘流的距离小于600米,而且转基因杨树种子在北方没有人工浇灌的情况下也不能萌发和存活,这些结果证明转基因杨树的种植不会对生态环境造成威胁,为转基因杨树的大规模商业化种植提供了科学依据。
 
中国是转基因杨树的商品化应用的第一个也是唯一一个国家。1998年,转Bt 基因抗虫欧洲黒杨获得农业部生物工程安全委员会批准,开始在新疆玛纳斯进行环境释放,1999 年北京、吉林,山东、江苏、河南、陕西等6 省市批准进行环境释放,2002 年经国家林业局基因安全委员会审定批准,允许进行商业化种植。双价抗虫转基因741杨,在2001 年经林业生物基因工程安全委员会审定批准环境释放,2002 年底批准进行商业化种植。截至2011年,中国转基因抗虫杨已种植450公顷。
 
资料来源:
 
农业部农业转基因生物安全管理办公室等,《转基因30年实践》,中国农业科学技术出版社,2012
 

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