转基因技术提高大豆耐旱性*

方义生，陈李淼，周新安**

（1.中国农业科学院油料作物研究所，武汉 430062； 2.农业农村部油料作物生物学重点开放实验室，武汉 430062）

大豆是世界重要的粮食兼油料作物，也是人类优质蛋白和食用油的主要来源。大豆为全球提供了近60%的植物蛋白和30%的食用油来源。我国对大豆的需求量十分巨大，国内大豆的生产总量远远不能满足需要，从国外进口的大豆总量呈逐年增加趋势。以2018年为例，中国进口大豆9 550万t，比2017年增长14%[1]。目前国际上出口贸易的大豆90%以上都是转基因大豆[2]。那么，什么是转基因大豆呢？转基因大豆是指将人工分离和修饰过的基因导入到现有大豆基因组中，与大豆基因组整合并表达，从而达到改造大豆生物学性状的目的[3]。但随着分子生物学的发展和生物基因组可遗传修饰手段的创新，以及各个国家对于转基因作物的定义不同，未来对于转基因作物的定义还需进一步商榷，例如通过基因编辑技术获得的作物是否属于转基因作物，国际上尚未达到共识，如美国已有不受转基因相关法律监管的基因编辑材料，我国目前在转基因监管上采取保守态度，对于新材料的获得是通过转基因方式手段获得的，依然按照现行的转基因相关法律进行监管[4]。

转基因大豆是一类通过转基因技术为手段转入不同目的基因获得所需新性状大豆的统称。目前商业化的转基因大豆主要包括耐除草剂转基因大豆、抗虫转基因大豆、高油酸转基因大豆、聚合转基因大豆4大类型。聚合转基因大豆以耐除草剂和抗虫双性状为主。全世界大豆种植中都普遍易遭受田间杂草和虫害两个限制大豆生产的问题，开发具有耐除草剂和/或抗虫的大豆可以极大地降低生产成本，保障大豆生产。其实，耐除草剂和抗虫这两种转基因性状是所有市场化转基因作物中最常见的类型。目前市场化的转基因大豆利用的相关基因都被国外所垄断。国外，转基因技术研究依然火热，除了常见的转基因大豆类型外，还在进一步开发并利用其他性状的基因，以满足不同种植国家生产实际的需要，提高大豆的适应性。可以预见，以后商业化的转基因大豆还会增加新的类型。我国也十分重视转基因技术的研究，以市场需求为导向，开展大豆转基因研究，抓紧开发具有重要应用价值和自主知识产权的功能基因和转基因大豆新品种。

2008年我国启动农业转基因生物新品种培育科技重大专项，2009年中央1号文件提出，“要加快推进转基因生物新品种培育科技重大专项，整合科研资源，加大研发力度，尽快培育一批抗病虫、抗逆、高产、优质、高效的转基因新品种，并促进产业化”，2015年中央1号文件提出“加强农业转基因生物技术研究、安全管理、科学普及”。2016年《“十三五”国家科技创新规划》中提出要加大转基因大豆研发力度，推进新型抗除草剂大豆等重大产品产业化。2019年中央1号文件提出实施大豆振新计划，多途径扩大种植面积[5]。对于多途径扩大种植面积，则需要进一步提高大豆的适应性。大豆在生长过程中除了遭受生物胁迫（杂草、病虫害等）外，还易受到非生物胁迫（环境胁迫）影响。在我国大豆种植中，干旱是主要的非生物胁迫，为提升大豆的适应性，可以从提升大豆耐旱能力上入手。传统育种方式获得大豆耐旱新品种，育种周期漫长，较难去除不利连锁性状，并且单一的耐旱大豆品种不能同时满足不同气候条件的要求。转基因技术有利于快速聚合能够提升耐旱能力的相关基因，转化技术体系已经成熟，可以快速的以当地主栽大豆品种为受体，导入具有耐旱能力的基因，获得耐旱转基因大豆新品种。那么，目前哪些代表性基因在转基因研究中，可以提升大豆的耐旱能力呢？

1 耐旱植物的一般特征

自然界中的植物进化出不同的特征达到耐旱的目的，如沙漠中的仙人掌叶子退化成针状以减少水分蒸发，茎表面具有厚而硬的蜡质可以保水，根系发达，可以吸取地下更多的水分。概括起来，不同耐旱植物一般具有以下部分特征[6]：（1）发达的根系，可以充分吸收土壤中的水分；（2）灵敏的气孔调节能力，减少水分蒸腾；（3）发达的角质层和蜡质，可以降低太阳辐射并减少水分非蒸腾的散失；（4）根据日光调节叶角变化，减少水分散失；（5）细胞原生质含有丰富的渗透保护性物质，降低植物缺水时造成的损害。

2 转基因提高大豆耐旱能力

大豆表面的蜡质能够防止水分散发，因而具有耐旱作用。张海禄等研究发现叶片表面蜡质的增加是植株耐旱的重要表现，叶片表皮蜡质的多少和耐旱呈正相关[7]。蜡质的合成可以分成3个阶段，目前已经鉴定出相关的基因。脂肪族化合物是蜡质的主要成分之一，长链酰基辅酶A（LACS）是其中的关键酶，在拟南芥中有9个LACS基因鉴定出来参与蜡质合成[8]。还有几种脂肪族化合物的合成需要脂肪酸延长酶复合体参与，这一复合体由4种协同的酶组成，已经鉴定出其中编码3种酶的关键基因，明确了参与蜡质合成基因（CER6、KCR1、CER10）[9]。研究发现，还有一些可以调控这些蜡质合成基因表达的转录因子，如SHN2、SHN3基因，过表达这些转录因子可以提高LACS1、CER6等蜡质合成基因的表达[10]。在大豆中发现了GmSHN1和GmSHN9基因，将这两个基因分别在拟南芥中过表达可以显著提高蜡质含量[11]。野生大豆是大豆的近缘祖先，具有很强的抗逆性种质，是挖掘耐逆基因的宝贵资源。研究发现，在野生大豆中，GsWRKY20转录因子既可以激活蜡质合成关键基因的表达，促进蜡质合成，又可以促进植物在受到干旱时气孔关闭，减少水分散失，提高植物的耐旱能力[12]。很多研究发现，DREB1A基因可以提高植株的耐旱能力[13-15]。转DREB1A基因的大豆可以表现出更好的叶片运动，在干旱胁迫或太阳辐射较强时，与非转基因大豆相比，转基因大豆可以表现出更强的避光性（降低辐射接触的叶面积），减少蒸腾水分损失，提高大豆耐旱能力[16]。细胞膜上存在水孔蛋白，可以调节根部在干旱胁迫下的水力传导，促进水分的流动，在转基因植物根系中，水孔蛋白的超表达可明显提高植株的耐旱能力[17]。Zhang等在大豆中鉴定出62个编码水孔蛋白的基因，其中已经确定转Gm-TIP2;1基因的大豆可以提高耐旱性[18]。植物为了减少水分的散失，干旱等水分逆境时，一些渗透保护物质会增加，促进细胞保水，常见的渗透保护物质有：脯氨酸、海藻糖、甘露醇、甜菜碱等，编码这些物质的基因过表达可以提高植株的耐旱能力[19]，同时这些渗透保护物质也是衡量植物耐逆的常用生理指标。印度尼西亚批准的耐旱转基因甘蔗，其基因就是编码胆碱脱氢酶的基因（betA），其能够积累渗透保护物甜菜碱，除了渗透保护物质，植物渗透保护蛋白有胚胎后期发生蛋白（LEA蛋白），这类蛋白多在种子成熟期间大量合成，在种子干燥脱水过程中，可以保护种子保留最低的含水量。当植物遭受干旱胁迫时，细胞内正常的代谢会被破坏，体内活性氧自由基含量会升高，对细胞产生毒性，过表达能够清除活性氧自由基的酶类，可以延缓干旱胁迫对植物的伤害。这类酶包括：超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等[20]。

3 抗旱转基因大豆应用现状

耐旱性状是一种重要的和生产实际紧密相关的性状。世界上主要的转基因大豆种植国家正在积极开发转基因耐旱大豆，并逐渐进行商业化推广。走在前列的国家如美国、巴西、阿根廷。目前商业化耐旱转基因作物有3种：玉米、大豆、甘蔗。美国在2013年首次种植转基因抗旱玉米品种DroughtGardTM，其种植面积逐年增加，从2013年的5万hm2增加到2017年的140万hm2。该品种由美国孟山都公司开发（MON87460事件），基因是编码枯草芽孢杆菌冷激蛋白的基因（cspB）。转基因耐旱甘蔗品种由印度尼西亚公司开发（NXI-1T事件），基因是编码胆碱脱氢酶的基因（betA）。虽然是在玉米、甘蔗中将这一基因进行商业化种植，但是由于转基因技术的方便，该基因同样可以快速转入到大豆中去。在大豆中已有的可供出口贸易的耐旱转基因大豆事件有一个：IND-ØØ41Ø-5，该转基因大豆导入向日葵的Hahb-4基因。新的耐旱转基因大豆还在开发中，2017年，美国已经批准一项耐旱转基因大豆事件，可以种植并用作食品、饲料。阿根廷于2015年批准了一种抗旱转基因大豆。2014年，巴西农牧业研究公司开发了一种有自主知识产权的转基因耐旱大豆。我国目前并未允许转基因大豆的商业化种植，但是国家成立了转基因生物品种培育重大专项，重视相关性状的转基因大豆研究，注重开发具有应用价值和自主知识产权的功能基因。