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植物基因轉殖在作物改良上之應用

植物基因轉殖在作物改良上之應用

台中區農業改良場/蔡奇助

基因轉殖的理論與發展

  自從1953年華生與克立克發現DNA雙股螺旋結構後,奠定日後DNA重組技術。至1970年 代,細菌中之質體DNA大量被應用在重組DNA,加速基因重組的研究。1980年代後重組DNA 與組織培養之技術整合,造就往後基因轉殖的蓬勃發展。而且在生物化學、遺傳學及細胞學 之進步下,1985年聚合○s鎖反應誕生,由於此技術操作簡單、迅速。因此,已被大量應用 在各個生物相關領域,且皆能有突破性的發展。應用於基因轉殖上,更加速此領域之發展。 基因轉殖對新品種的育成,極具潛力。目前已有許多經基因改造的作物已育成,且商品化, 在末來的發展指日可待。

  基因轉殖之進行共可分三個階段:(一)將有興趣的基因 (或稱目標基因)先行修篩包裝。簡 單的說是將有興趣的基因 (DNA片段) 從某種源之基因組分離出來,再將之接於易操作的質體 DNA中。(二)將包裝好的基因送入植物細胞中,使之能進入植物細胞之染色體 (chromosome) 中,使之能穩定存於細胞中。(三)鑑定及篩選已轉殖成功之細胞或植株。上述三個過程中, 有興趣之基因的包裝與轉殖成功細胞或植株之篩選方式較固定,而如何將包裝於質體DNA中 的基因送入植物細胞中的方式就有很多種,分述如下:

農桿菌轉殖法

  自然界中之植物農桿菌 (或稱腫瘤菌, Agrobacterium spp.)之細胞內含有會使植物產生腫 瘤之質體,稱之Ti質體 (tumor inducing plasmid)。這種質體會在農桿菌感染宿主植物時嵌入植 物的染色體DNA,達成穩定的基因轉移。因此,只要事先將目標基因插入Ti質體,且將Ti質 體中會造成植物產生腫瘤的基因去除,即能有效達成基因轉殖之目的。

電穿孔處理法(electroporation)

  此技術乃將植物組織浸於大量目標DNA溶液中,通以瞬間高電壓之直流電,此時細胞即 很容易吸收大量外來的DNA。但進行此技術時,需先將植物之細胞壁除去,以原生質體的形 態進行,待轉殖成功再利用組織培養使之再生。

花粉管導入法

  1983年中國科學院周光宇教授首創,利用針筒將目標DNA直接由柱頭注入,再篩選種 子,即可得轉殖成功之植株。

粒子槍導入法

  將載有外來基因的質體核酸包以高密的鎢粒子(~1um),使之成一微小物體,用粒子槍 (particle gun) 高速打入植物細胞中,經組織培養篩選,即得轉殖植株。

微量注入法 (microinjection)

  此法於顯微鏡下,使用毛細管將外來基因直接注入生物細胞之原生質中,經組織培養, 即得轉殖植株。

  上述幾種轉殖技術中,以農桿菌轉殖法與粒子槍導入法所得到的轉殖植株較穩定,且已 廣泛運用於植物之基因轉殖上。

植物基因轉殖在作物改良上之應用

  自然界中的生物資源即是一座龐大的基因庫,有各式各式的基因存在,各種基因扮演著 不同的角色,我們可以利用基因轉殖技術將甲生物之有用基因移至乙生物上,以達成作物的 性狀改良。由於基因沒有分彼此,不管目標基因是來自動物、植物或微生物等,皆可將之利 用,改善農作物的性狀,突破種間隔離,對育種來說是一大革新。因此已有許許多多有用的 農藝或園藝性狀的基因,已在進行基因轉殖之研究,分述如下:

抗蟲基因之轉殖:

  自然界中有些物種原本對昆蟲即有抗性,這些物種的抗性來自其內在的抗蟲基因。若能 將之分離、選殖,並轉殖於農作物上,可以降低殺蟲劑的使用,既節省成本,又可減低對環 境的污染。如蘇力菌的殺蟲基因,此係蘇力菌在產孢時期會產生結晶毒蛋白,這類結晶蛋白 經昆蟲腸道內高鹼性及蛋白質鋂作用,分解成毒素,殺死昆蟲。而且這種結晶毒蛋白對人體 並不會造成傷害,因此自1990年後已大量被轉殖於作物上,以增強作物之抗蟲性。另外,尚 有許多植物之抗蟲基因被分離、選殖,如蛋白“磻蹌 (proteinase inhibitor) 之基因,由於昆 蟲腸道內存有蛋白鋂,若將此酵素抑制,昆蟲即因不能分解蛋白質來利用而死亡。上述蛋白 鋂抑制劑經煮熟後即可破壞,因此亦是一種有效,且可供應用的抗蟲基因 (如圖)。

圖、從甘薯分離、選殖之胰蛋白鋂抑制劑基因,經農桿菌轉入菊花阿來粉品種,在抗生素培 養基篩選下,所得初步擬轉殖植株(A);未經轉殖之組織無法在含抗生素之培養基生存(B)。 圖、從甘薯分離、選殖之胰蛋白鋂抑制劑基因,經農桿菌轉入菊花阿來粉品種,在抗生素培 養基篩選下,所得初步擬轉殖植株(A);未經轉殖之組織無法在含抗生素之培養基生存(B)。

圖、從甘薯分離、選殖之胰蛋白鋂抑制劑基因,經農桿菌轉入菊花阿來粉品種,在抗生素培 養基篩選下,所得初步擬轉殖植株(A);未經轉殖之組織無法在含抗生素之培養基生存(B)。

抗病基因之轉殖

  抗病基因的分離、選殖亦進步很迅速,其中較常利用的是反義 (antisense) RNA 基因技 術,與植物病毒交互保護理論等。反義基因乃經轉入外源基因於植株中,鎖住病原體所產生 的 mRNA ,使之形成雜交 RNA 雙股,以抑制病原體的基因表現。而植物病毒之交互保謢是利 用植物若受一種病毒感染,其它病毒即無法感染的特性行之。因此,我們僅需將會產生病毒 鞘蛋白的基因轉入植株中,此植株即因植物病毒之交互保謢而產生抗病性。如抗胡瓜嵌紋病 素、抗木瓜輪點病毒等基因之轉殖,目前已有許多成功的例子。

延緩採收後老化基因之轉殖

  植物老化影響作物品質與貯藏期限甚鉅。據估計,因作物採後不耐貯存而造成之損失高 達 40% 。目前認為造成採後農產品快速老化的因子是農產品產生內生性乙烯,乙烯的形成加 速農產品的成熟、老化。現今由於乙烯整個生化合成途徑已相當了解,因此有許多抗乙烯合 成基因已被分離、選殖,如 ACC 合成酵素基因,我們僅需將 ACC 合成酵素基因的反義基因轉 入植株中,由於此基因的表現,抑制了植物體內正常 ACC 合成酵素基因的表現,使乙烯無法 生合成,而延緩農產品老化。

花色、花形基因之轉殖

  花色常常是決定花卉作物價值的重要指標之一。目前市面上商品化的花卉,皆經自然界 中原生花卉改良、培育而來。若某類花卉的原生種源之花色基因種類少,即會限制該類花卉 培育各式花色潛力,因而影響該花卉普及化。由於生物技術之快速發展,目前已有許多色素 合成基因已被分離、選殖,而且已被應用於花色基因之轉殖上,成功地創造出新的花色品 種,如矮牽牛的磚紅色品種之育成,即轉入一外源花色基因而來。另外,在花形的改造方 面,已有許多控制花形的基因被發現、選殖,如有個稱之為 AG 的基因,在植物中若此基因失 去功能,那麼其花朵之雄蕊與雌蕊皆會變成花瓣,因此,就變成重瓣花。以百合花為例,雖 具艷麗色彩,明顯的花形,但雄蕊之花藥常常困擾著消費大眾,因此若能改造出沒有雄蕊且 又重瓣之百合花,應更受消費者青眛。

控制開花間之基因的轉殖

  植物都有其特定的開花時間,而此時間受外界環境因子,與內在基因所調控。植物可能 因某個基因失去功能,即造成開花時間提早或延遲。目前已有許多影響開花時間的基因被選 殖出來,且應用於轉殖之研究,如 LEAFY 基因從阿拉伯芥中被選殖出來,此基因能促進開花 提早。將之轉入白楊樹,並大量表現,使原本需十幾年才會開花的白楊樹,縮短至六個月就 開花。因此,若能善用調控開花時間之基因,我們就可以從事產期調節或花期調節,以降低 產銷失衡的情形。

  另外,還有一些基因對改善農作物品質有幫助,如耐旱、耐寒、耐逆境、固氮及提高光 合作用效率之基因等。當然有些性狀並非由單一基因所控制,是由多個基因所共同調控,利 用重組 DNA 轉殖此類性狀,困難度就相當高。但可預見的,將來會有更多的基因被分離、選 殖,並應用於轉殖研究,以提高作物品質,造福人類。

 
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