工程番茄

由於常規育種方法在抗蟲育種中難以在短時間內奏效，因此，育種家近年來把抗蟲育種的重點放在利用基因工程選育抗蟲新品種上，且取得了重大進展，尤其是在番茄等蔬菜上。

基本介紹

• 中文名：工程番茄
• 外文名：Engineering tomatoes

技術原理

基因工程是指用人工方法把不同生物的遺傳物質分離出來，在體外進行切割、拼接，然後按照人們的意願重新組合成重組體，再把重組體放回到宿主細胞內進行大量複製，並使遺傳信息在新宿主細胞或個體中高效表達，最終獲得基因產物。基因工程已經深入到細胞水平、亞細胞水平，特別是基因水平來改造生物的本性，同時大大的擴大了育種的範圍，打破了物種之間雜交的障礙，加快了育種的進程。

據統計至少已有35個科120多種植物轉基因獲得成功，其中包括番茄、辣椒、茄子、馬鈴薯等一批重要的蔬菜作物。

品種介紹

番茄作為一種蔬菜作物，在基因工程拓寬種質資源上得到了極大的發展。一方面是因為它栽培廣泛；另一方面是因為它在遺傳理論上的研究較為深入，為基因工程的拓寬研究打下了堅實的基礎。迄今，利用基因工程進行番茄品種特性改良的研究取得了很大的進展，已經獲得抗蟲害、抗病毒病、抗真菌病、抗除草劑、抗逆、延長貯藏期、改善風味和雄性不育轉基因番茄。利用基因工程技術進行培育生產的番茄品種，科學家常將其簡稱為”工程番茄“。

工程番茄

主要工程

番茄抗病基因工程

在抗病基因工程中，抗病毒基因工程進展最快，取得的成果最多，尤其是通過導入病毒外殼蛋白基因(cp)獲得的抗病毒蛋白基因植株方面，獲得了很多轉基因蔬菜作物，其作用機制是利用原無毒的病毒外殼蛋白抑制病毒的複製。華盛頓大學Powell等通過植物基因工程技術，首次將菸草花葉病毒(Tobacoo Mosaic Virus,TMV)外殼蛋白(Coat protei,cp)基因轉入菸草和番茄，培育出能穩定遺傳的抗病毒植株。隨著研究工作的不斷深入，發現馬鈴薯Y病毒、菸草蝕紋病毒(Tobacco EtchVirus，TEV)、馬鈴薯卷葉病毒(Potato Leaf RollVirus，PLRV)和番茄斑萎病毒(Tomoto Spotted WithVirus, TSWV)缺失的不完整的外殼(缺失AUG密碼子)或者黃瓜花葉病毒外殼基因的反義基因整合到植物染色體上後，能使轉基因植株獲得很好的抗性，甚至達到完全免疫。抗病毒型可通過自交穩定的遺傳給子代，Tumer等用苜蓿花葉病毒(Alfalfa Mosaic Vitus AIMV)外殼蛋白基因序列轉化的番茄植株作試驗，其自交後代對AIMV感染表現出高水平的保護抗性。

在抗病番茄基因工程的研究中，也做了一些抗細菌病害的研究工作。Tansley等從秘魯番茄中克隆出抗細菌斑點病病菌的基因pto，該基因編碼的產物是色氨酸/蘇氨酸激酶型的蛋白質，可與該菌非毒性基因產物作用，轉pto基因的番茄植株能抗細菌斑點病。

番茄抗除草劑基因工程

在現代農業中，除草劑在控制雜草的生長繁殖方面起著重要的作用，已經用於農業生產的除草劑至少有180種，通過使用除草劑，大大提高了勞動效率。利用基因工程技術培育抗除草劑植物主要有兩種策略：①修飾除草劑作用的靶蛋白促使其過量表達或者對除草劑不敏感，以便植物吸收除草劑後能正常生長發育，這類基因有抗草甘膦、磺醯尿類、均三氮苯類的阿特拉津除草劑基因。②導入解毒蛋白基因，降解除草劑分子，這類基因有乙醯CoA 轉移酶基因(bar)、2，4-D單氧化酶基因(TfdA)和腈水解酶基因(bxn)等。

番茄抗逆境基因工程

世界性的寒冷、高溫、乾旱、水澇、鹽漬、土壤、水質和空氣污染以及農藥、除草劑的殘留等，構成了植物的生存逆境，它們對農業生產破壞性極大。解決這些問題的途徑，除了改善生產條件和控制環境污染以外，改變植物使之適應環境即進行抗逆育種是一條經濟有效的途徑。乾旱和鹽鹼對植物生長影響的共同特點是滲透脅迫。植物抗滲透脅迫的基因工程在於調節滲透壓分子及其基因相關的研究上。Singh首次從耐鹽菸草細胞中分離出相對分子質量為26ku酸性蛋白質，其含量高達細胞總蛋白的12%以上，後來，在番茄、馬鈴薯、小麥、大豆、胡蘿蔔、棉花和水稻中都發現了與菸草26ku滲透蛋白抗血清有交叉反應的蛋白，其相對分子質量均在26ku左右。一些植物在受到鹽脅迫和病原體等侵犯時，體內的草酸氧化酶大量積累，並能通過其催化的反應產物H2O2，誘導促使植物的系統抗性增加。根據這一原理，Dessalegne等將草酸氧化酶基因轉入番茄中，得到的轉基因番茄在鹽脅迫情況下其產量高於對照。

工程番茄

Hightower等利用農桿菌將比目魚體內的抗凍蛋白基因轉入番茄，發現轉基因番茄不但穩定轉錄AFP的mRNA，還產生一種新的蛋白質。這種轉基因番茄的組織提取液在冰凍條件下能有效阻止冰晶的增長。轉基因植株經溫室鑑定，抗凍能力明顯提高。這是首例由基因工程提高番茄抗逆性成功的報導。此外抗凍蛋白也研究的較多。在南極或者北半球高緯度海域中生活的一些魚類如美洲黃蓋鰈魚(Pseudopleuronectusamericanus)、床杜父魚(Myoxocophalusscorpius)等具有很強的抗寒性，這與這些魚的血液中存在的抗凍蛋白有關。黃永芬等採用花粉管和子房注射將美洲擬鰈afp基因轉入番茄，轉基因植株的致死溫度比對照降低2℃。

首例超級營養番茄

中科院昆明植物所黃俊潮研究組與北京大學、香港大學合作，培育出世界首例能高產蝦青素的工程番茄新品種，其富含自然界中最強的抗氧化劑蝦青素，具有極大的產業化和商業化套用前景。

國外研究成果

耐鹽水新品種番茄

近年來，美國加利福尼亞大學在同丹比斯學院的果實栽培學教授埃邊阿道;洛姆伏德教授和倫敦大學植物學洪向張教授等的合作研究中，套用轉基因技術 成功地開發出能夠在鹽水條件下生產繁殖的番茄品種。如果將這種耐鹽性推廣套用到其他農作物上，可以在全世界最廣泛的地域內取得農作物栽培方面最巨大經濟效益和社會意義，這就意味著在農作物栽植中可以用含鹽的水進行灌溉，或者在遭受鹽鹼危害的土地上取得與以往傳統完全相反的結果：變災害為收益。因為一般植物必須避免遭遇高濃度鹽而導致“死滅”，對耐鹽性轉基因番茄和其他此類轉基因植物而言，此次開發成果創造了植物在鹽和鹼地里生長良好的奇蹟，為人類的生存和生活做出了前所未有的新貢獻。

高保健新品種番茄

美國尤尼利陳公司的荷蘭籍和英國籍科學家最近開發成功了另一種轉基因番茄新品種，它是含有對預防心臟疾病和癌症有效的特殊化學物質烷醇增加了78倍的番茄新品種。

為了刺激產生查爾酮、異構酶，以增加取得黃烷醇這一特殊功能性成分的含量，研究中將敵牽牛屬植物中的遺傳基因插轉到番茄表皮。這種番茄品種的改良對其風味無任何影響，在以這種轉基因番茄新品種為基礎原料的加工中，黃烷醇的含量雖然會遭到一定量的損失，但是仍然能夠保持在65%左右。

轉基因番茄新品種在人體保健方面所具備功能特徵為人們提供了健康上的優越性及好處，為加工新型保健類番茄製品提供了新的可能和原料。現在，人們正在進一步研究開發利用這種番茄新原料加工有保健功能的比薩餅之類的新產品等各種新食品，其研發前景甚好。

番茄紅素大幅增加品種

美國印第安那州的帕丹尤大學與農業部農業研究局的科研工作者們最近培育出一種含抗氧化物質番茄紅素---比老品種高3.5倍，被確認為有抗癌作用和保健功能的新品種番茄。科研人員的原意是開發在成熟前的數天內獲昨高品質加工用的番茄新品種。

帕丹尤大學園藝學科的阿伏塔.達教授指出：“這是通過生物技術提高營養價值的初期事例，而且也許對於果實作物而言，也是由生物技術提高營養價值最新的事例之一”。合作研究者美國農業部蔬菜研究室主任阿烏塔.托介紹說：“番茄紅素是天然存在於自然界可供我們在日常生活中報取的功能成分，通過遺傳基因替換和重組技術 ，這種有效物質的含量得以大同度提高。”

這種番茄新品種是通過將酵母菌的遺傳基因引入到番茄的DNA中後取得的，酵母菌在這裡起到刺激產生番茄紅素的作用。番茄紅素是原本就存於番茄中的活性成分，但是隨著番茄果的成熟而進入“休眠”狀態。同時，番茄紅素是番茄體內形成紅色的色素成分，在人體內俱有捕捉可使組織遭受損傷並此發癌症的活性氧的性質，從而充分顯示其在抗癌保健中的重要作用。

前景展望

基因工程在蔬菜遺傳育種、品種改良上的套用前景十分誘人，但從總體上看，轉化成功的作物種類尚少，而且由於存在基因沉默(Gene silencing)現象，轉基因的表達水平不高，尤其在F1和F2植株上表達不高甚至差異很大。基因沉默主要是轉化基因的多拷貝、甲基化和重組。另一個問題是一些轉化基因的組成型表達導致植物生長發育受到一定程度的影響。因此目前轉基因工程的主要任務是尋找阻止基因沉默的有效途徑和發展可誘導的啟動子，開發更多有重要套用價值的目的基因，建立高效的再生和轉化系，完善多種轉化技術等，以達到蔬菜生理抗病蟲的目的。

目前，番茄的基因轉化研究已由單一性狀向多性狀轉化，並且向生產醫藥保健品的方向發展。我國國家基因工程中心已獲得高抗TMV、CMV、馬鈴薯X病毒和抗早疫病、晚疫病兩種真菌病害的番茄。隨著植物基因工程的發展，植物體可望用於生產異源蛋白，如疫苗、酶、激素等，用這種方法可省去昂貴複雜的細胞培養和發酵等常規生產步驟，且由植物生產的抗原作為食物時引起的人體免疫應答比注射疫苗產生的反應要強。分子標記技術的發展促進了多種生物物種基因的定位與克隆工作，為有目的地尋找和發掘番茄內外源基因工作奠定了基礎。隨著轉基因技術的深入發展和轉基因植物的安全性進一步得到保障，番茄基因轉化必將更好的彌補傳統育種方法的不足，促進蔬菜新品種改良的進步和發展。