技术原理

品种介绍

主要工程(番茄抗虫基因工程 番茄抗病基因工程 番茄抗除草剂基因工程 番茄抗逆境基因工程 首例超级营养番茄)

国外研究成果(耐盐水新品种番茄 高保健新品种番茄 番茄红素大幅增加品种)

前景展望

技术原理

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。基因工程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。

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。

品种介绍

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。利用基因工程技术进行培育生产的番茄品种，科学家常将其简称为”工程番茄“。

主要工程

番茄抗虫基因工程

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。

番茄抗病基因工程

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(Tobacoo Mosaic Virus,TMV)外壳蛋白(Coat protei,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(Tobacco EtchVirus，TEV)、马铃薯卷叶病毒(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(Alfalfa Mosaic Vitus AIMV)外壳蛋白基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。

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。

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。

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。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。

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(Pseudopleuronectusamericanus)、床杜父鱼(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℃。

首例超级营养番茄

中科院昆明植物所黄俊潮研究组与北京大学、香港大学合作，培育出世界首例能高产虾青素的工程番茄新品种，其富含自然界中最强的抗氧化剂虾青素，具有极大的产业化和商业化应用前景。

国外研究成果

耐盐水新品种番茄

近年来，美国加利福尼亚大学在同丹比斯学院的果实栽培学教授埃边阿道;洛姆伏德教授和伦敦大学植物学洪向张教授等的合作研究中，应用转基因技术 成功地开发出能够在盐水条件下生产繁殖的番茄品种。如果将这种耐盐性推广应用到其他农作物上，可以在全世界最广泛的地域内取得农作物栽培方面最巨大经济效益和社会意义，这就意味着在农作物栽植中可以用含盐的水进行灌溉，或者在遭受盐碱危害的土地上取得与以往传统完全相反的结果：变灾害为收益。因为一般植物必须避免遭遇高浓度盐而导致“死灭”，对耐盐性转基因番茄和其他此类转基因植物而言，此次开发成果创造了植物在盐和碱地里生长良好的奇迹，为人类的生存和生活做出了前所未有的新贡献。

高保健新品种番茄

美国尤尼利陈公司的荷兰籍和英国籍科学家最近开发成功了另一种转基因番茄新品种，它是含有对预防心脏疾病和癌症有效的特殊化学物质烷醇增加了78倍的番茄新品种。

为了刺激产生查尔酮、异构酶，以增加取得黄烷醇这一特殊功能性成分的含量，研究中将敌牵牛属植物中的遗传基因插转到番茄表皮。这种番茄品种的改良对其风味无任何影响，在以这种转基因番茄新品种为基础原料的加工中，黄烷醇的含量虽然会遭到一定量的损失，但是仍然能够保持在65%左右。

转基因番茄新品种在人体保健方面所具备功能特征为人们提供了健康上的优越性及好处，为加工新型保健类番茄制品提供了新的可能和原料。现在，人们正在进一步研究开发利用这种番茄新原料加工有保健功能的比萨饼之类的新产品等各种新食品，其研发前景甚好。

番茄红素大幅增加品种

美国印第安那州的帕丹尤大学与农业部农业研究局的科研工作者们最近培育出一种含抗氧化物质番茄红素---比老品种高3.5倍，被确认为有抗癌作用和保健功能的新品种番茄。科研人员的原意是开发在成熟前的数天内获昨高品质加工用的番茄新品种。

帕丹尤大学园艺学科的阿伏塔.达教授指出：“这是通过生物技术提高营养价值的初期事例，而且也许对于果实作物而言，也是由生物技术提高营养价值最新的事例之一”。合作研究者美国农业部蔬菜研究室主任阿乌塔.托介绍说：“番茄红素是天然存在于自然界可供我们在日常生活中报取的功能成分，通过遗传基因替换和重组技术 ，这种有效物质的含量得以大同度提高。”

这种番茄新品种是通过将酵母菌的遗传基因引入到番茄的DNA中后取得的，酵母菌在这里起到刺激产生番茄红素的作用。番茄红素是原本就存于番茄中的活性成分，但是随着番茄果的成熟而进入“休眠”状态。同时，番茄红素是番茄体内形成红色的色素成分，在人体内俱有捕捉可使组织遭受损伤并此发癌症的活性氧的性质，从而充分显示其在抗癌保健中的重要作用。

前景展望

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(Gene silencing)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。