[科普中国]-转基因黄瓜

黄瓜是葫芦科甜瓜属的蔬菜作物，原产于热带和亚热带区域，是一种重要喜温类蔬菜，在全世界内栽培的面积较大。

20 世纪 90 年代，开始应用基因工程技术培育黄瓜新品种，在一定程度上打破了生物间的生殖隔离，使黄瓜育种更具有目的性和针对性，同时还解决了黄瓜传统育种过程中周期较长、种质资源狭窄及有益性状资源匮乏等难题。1

简介黄瓜是世界各国人民喜食的重要蔬菜，原产于喜马拉雅山南麓及尼泊尔一带。

因为黄瓜在世界蔬菜周年供应中占有十分重要的地位，近年来关于该作物遗传和生理的研究正不断深入。目前，黄瓜基因组计划已经完成，其完整序列已在公共数据库发布 。利用各种功能基因组学的研究方法，深入研究和挖掘基因组中众多基因的功能，必将成为黄瓜后基因组时代的主要任务。而一些常见而重要的功能基因组学研究手段，如过量表达某一基因、采用RNAi等方法对某一基因实施基因敲除、利 用报告基因研究某基因启动子的时 空表达特性、利用绿色焚光蛋白(GFP) 融合表达法研究某基因产物的亚细胞定位等，均需要将外源DNA转化入植物基因组中。因此，建立一 套稳定高效的黄瓜遗传转化体系，可为深入开展黄瓜功能基因组学研究提供重要的技术支撑，具有重要的理论价值。

另一方面，黄瓜在栽培过程中易受多种生物与非生物的胁迫导致其产量降低、品质下降，而现有黄瓜栽培资源的遗传背景十分狭窄，尤其缺少抗性基因，利用传统育种方法很难在短期内获得具有抗性的优良品种；利用远缘杂交从黄瓜属其他野生资源中引入抗性基因是解决这一问题的思路之一。但也存在着融合效率低、在引入抗性基因的同时也引入了其他不良性状等问题；利用转基因技术向黄瓜基因组中引入目的基 因是扩 大现有黄瓜种质 资源遗传基础的另一有效途径 。2

研究进展抗病性长期以来，抗病育种一直是黄瓜育种的主要目标之一。利用转基因技术将大量外源抗病基因导入黄瓜，创造抗病黄瓜种质资源已经逐渐成为黄瓜抗病育种的重要手段。

1、Chee 和 Slightom（1991）将 CMV 外壳蛋白基因导入黄瓜，增强了转基因植株的 CMV 抗性。

2、邓立平等（1995）采用花粉管通道的途径，将抗霜霉病基因导入黄瓜，获得了霜霉病病情指数较对照降低 15 %～25 %的稳定突变新品系 CJ90-40。

3、Raharjo 等（1996）用农杆菌介导法将水稻几丁质酶 cDNA（RCC2）转入黄瓜，转化植株对灰霉病表现出高抗。Tabei 等（1998）将水稻几丁质酶基因 RCC2 转入黄瓜，获得的转基因植株对灰霉病的抗性增强。

4、王慧中等（2000）将 WMV-2 CP基因转入黄瓜，结果表明，外源 WMV-2 CP 基因确实已导入黄瓜且能稳定地遗传到 T1，获得的转基因 T1植株对 WMV-2 表现出较强的抗性，可以延迟发病时间，减轻发病程度。

5、何铁海等（2001）将 CMV-CP 基因经农杆菌感染介导转化黄瓜子叶，将 CMV-CP 基因导入黄瓜，并获得了抗病植株。

6、Kishimotoa 等（2002）将水稻几丁质酶基因 RCC2 转入黄瓜，提高了转基因植株对灰霉病的抗性，且转基因植株的抗性与 RCC2 基因的表达量呈正相关。

7、Kishimoto 等（2003）研究表明，过量表达水稻几丁质酶基因的黄瓜转基因株系 CR32 对疫霉根腐病表现出抗性。

8、Kishimoto 等（2004）将几丁质酶基因 CHI2 导入黄瓜，也增强了转基因植株对灰霉病的抗性。

9、Gal-On 等（2005）将编码黄瓜果实斑驳花叶病毒的假定 54-kDa 复制酶基因转入黄瓜，提高了转基因植株对黄瓜果实斑驳花叶病毒的抗性；同时，将转基因植株作为砧木可有效保护接穗免受土壤中黄瓜果实斑驳花叶病毒的侵害。

10、Szwacka 等（2009）在转甜蛋白基因 thaumatinⅡ黄瓜后代中获得了对霜霉病抗性得到提高的转基因株系（210 和 212）。

11、赵杰宏等（2010）将有机磷水解酶基因（opd）导入黄瓜，酶活性分析表明，转基因黄瓜降解蝇毒磷能力是对照（非转基因植株）的 4.7～9.7 倍，有助于加快降解黄瓜中的有机磷农药残留。

12、刘缙等（2010）将一种来自银杏种仁的新型抗真菌蛋白导入黄瓜，离体枯萎病抗性鉴定结果表明，转 GNK2-1 基因的黄瓜对枯萎病的抗性增强，GNK2-1 可以作为黄瓜抗病性改良的潜在基因资源。1

抗虫害黄瓜生产过程中由于蚜虫、白粉虱等害虫为害，给黄瓜生产造成重大损失。目前，黄瓜抗虫资源缺乏，利用基因工程手段导入外源基因，创造抗虫黄瓜新种质，将为黄瓜抗虫育种开辟新途径。魏爱民等（2006）采用花粉管通道法将抗虫基因 EQKAM 导入黄瓜，研究了黄瓜对不同浓度卡那霉素（Km）的反应，并最终建立了转基因黄瓜 Km 抗性筛选体系，此结果为准确、有效地进行以 Km 为筛选标记的黄瓜抗虫转基因研究奠定了基础。1

抗逆性目前黄瓜已成为我国保护地栽培的第一大作物，耐低温弱光、耐热、耐冷、耐盐渍化的品种选育显得尤为重要。黄瓜抗逆基因工程主要集中在逆境条件下才能表达的某些基因的研究方面，以及抗逆代谢过程中某些酶的研究。Kodama 等（1993）用基因枪法将发根基因 rol 导入黄瓜，转化黄瓜植株生根能力明显增强，在离体培养状态，不使用激素就可以正常生根，提高了黄瓜逆境生存能力。Grumet 等（2000）将拟南芥抗冷基因 CBF转入黄瓜，经 PCR 验证获得了阳性转基因植株。Rorat 等（2004）利用 GT 基因启动子，分别将脱水素基因 DHN10 转入黄瓜，Yin 等（2004a）后续检测结果表明，转基因植株的冷害和冻害抗性较对照有所提高，DHN10 基因在 T1的 3 个株系叶片、子叶、胚轴和根组织中均得到了表达。Yin 等（2004b）研究了真菌病害、水杨酸、冷诱导胁迫对 PR-2d 基因启动子活性的影响，结果表明，上述 3 种生物和非生物胁迫可以分别使转基因黄瓜植株中 PR-2d 基因启动子活性最高增强 11、44 和 624 倍。邓小燕等（2004）从拟南芥中克隆了冷（旱）诱导基因 RD29A 启动子、冷（旱）应答转录活化因子基因 CBF3，瞬间表达研究结果显示，克隆的 RD29A 启动子片段在黄瓜中具有低温诱导活性。Yin 等（2006）将马铃薯 Dhn24 基因转入黄瓜，与对照相比，转基因株系的冷害指数显著降低。东丽等（2008）构建了分别由双 35S 启动子、E12 强组成型启动子和 rd29A 诱导型启动子调控的核糖体失活蛋白基因、几丁质酶基因和 DREB1A 基因的多价基因植物表达载体，并利用农杆菌介导法转入黄瓜，T1 转基因植株的抗逆性试验表明，DREB1A 基因的表达提高了转基因黄瓜植株的抗旱性。卢淑雯（2009）、卢淑雯等（2010）运用 RACE 技术从沪油 15 中获得1个抗寒相关基因 BnCS（YD646240），并将其转入黄瓜。经低温胁迫，黄瓜 yd-36 的转基因植株 T0的种子在 13 ℃条件下的发芽势、发芽率及胚根长度均显著高于对照；电解质渗漏率和丙二醛含量显著低于对照；株高、茎粗和叶面积的生长量均高于对照，证明转基因植株耐低温性能明显强于非转基因植株，BnCS 基因在黄瓜转基因后代中也得到了稳定表达。Liu 等（2010）在黄瓜中过量表达冷诱导相关基因 ICE1，有效降低了转基因黄瓜植株的冷害指数。Ohkawa 等（1994）通过基因枪法将抗坏血酸氧化酶基因导入黄瓜，GUS 检测结果显示，抗坏血酸氧化酶基因导入黄瓜，转化黄瓜植株抗寒能力显著增强。1

抗除草剂随着黄瓜杂交种的日益商品化，人们越来越重视杂种纯度的检测。国内外大量研究证明，将单一的抗除草剂基因应用于农作物对于杂交种纯度快速鉴定具有十分重要的意义。金红等（2003）的研究结果表明，黄瓜制种中由于母本自交、花粉漂移和人工隔离不完全而不可避免地混入假杂种，目前主要的鉴定方法是田间表型性状鉴定，通常要花费 3～4 个月时间，费工费时，成本高，而同工酶方法，因品种间差异较大而实际应用受到限制。将核显性抗除草剂基因转移到父本中，育成携带该纯合基因的新型父本（保留原品种优良特性），配制的杂交种应全部含有显性抗除草剂基因（Aa），施用除草剂可一次同时去除假杂种，获得整齐一致的杂种群体，使杂交种的纯度鉴定在短时间内即可完成。Vengadesan 等（2005）将 nptⅡ和 bar 基因导入黄瓜，经 Southern 检验，已经得到了抗除草剂转基因植株。金红等（2003）将抗除草剂基因 bar 以农杆菌共浸染法导入黄瓜父本 M1 子叶中，经愈伤组织分化、芽诱导和生根等过程获得落地转化株系，通过特异性引物PCR 鉴定，13 个株系扩增出 bar 基因片段。T0自交获得 T1转基因植株，经 1 000 倍液除草剂巴士达喷施处理，其中 84 %表现出较高的抗性。转抗除草剂基因的成功不仅可以解决黄瓜杂交种制种纯度的关键问题，还可解决黄瓜生产过程中的化学除草问题。1

品质改良黄瓜品质主要包括感官品质和营养品质，品质育种已成为品种改良的主要目标。目前，很多研究者利用转基因技术对黄瓜的营养、食味品质进行了改良。陈秀蕙等（1998）以菠萝为供体，黄瓜为受体，应用花粉管通道导入外源 DNA 技术，在黄瓜自花授粉后直接导入菠萝 DNA，导入后代在产量、糖含量等性状上产生了变异。Szwacka 等（1999，2002）分别利用 PG 基因启动子和35S 启动子，将来自 Thaumatococcus daniellii 的甜蛋白基因 thaumatinⅡ导入黄瓜，转基因黄瓜植株的果实中出现了甜味，随着 thaumatinⅡ基因表达量的增加，转基因黄瓜果实的甜味也逐渐增强。Lee 等（2003）将木薯的 mSOD1 基因转入黄瓜，期望利用黄瓜作为生物反应器，产生抗衰老的 SOD，相关检测结果表明，从转基因植株上收获的黄瓜果实中的 SOD 活性是对照未转基因黄瓜果实的 3 倍。于静（2003）将霍乱毒素 B 亚单位（CTB）和 ETEC 的优势抗原之一 CS3 分别作为抗毒素免疫和抗黏附免疫的免疫抗原，构建了定位于内质网的 pBinCTBsp/CSkdel 植物表达载体，并通过农杆菌介导法对黄瓜品种东农 649 进行了转化，获得了转基因黄瓜抗性植株，从而为使黄瓜作为生物反应器进行抗腹泻口服疫苗的生产奠定了基础。1

单性结实黄瓜虽然具有天然单性结实的能力，但现有的单性结实黄瓜品种存在单性结实率低和受环境影响大的弱点，远远不能满足冬春大棚温室黄瓜生产的要求。Yin 等（2004c）将 iaaM 基因导入黄瓜，在温室条件下，转基因黄瓜的单性结实率达到 60 %～100 %。白吉刚等（2004）将拟南芥生长素结合蛋白基因 ABP1 转入黄瓜品种津研 4 号，显著提高了转基因黄瓜的单性结实率。刘宏宇（2004）和苏绍坤等（2006）从丁香属假单胞杆菌丁香致病型（Pseudomonas syringae pv.syringae 3023）中克隆出 iaaM 基因，并将其转入黄瓜品种东农 649，结果表明，转基因阳性植株的单性结实率达 80 %以上。1

产量产量一直是黄瓜育种的重要目标之一。Salyaev 等（2002）分别将玉米的 UGT 基因和拟南芥的 ACB 基因导入黄瓜，在温室条件下，转基因黄瓜的产量较对照提高了 3 倍。此外，黄瓜的花器官建成、性型分化直接影响产量，而雌性系则是黄瓜生产杂种一代的理想系统。目前，人们已经从黄瓜植株中克隆得到了黄瓜雌性特异 CsACS1G（F）基因，Shiber 等（2008）以子叶节为外植体，利用农杆菌介导的方法将 CsACS1/G 基因沉默载体转入雌性系黄瓜中，对 CsACS1/G 基因表达进行了抑制，结果雌性系转基因植株性型转变成了雌雄同株，从而为人为调控黄瓜植株的性型分化提供了思路。

转基因黄瓜的安全问题食品安全战略转基因生物的食品安全性问题主要考虑转基因被人（畜）食用后是否对生物体产生不利影响。已有大量的科学试验表明用转基因作物喂养动物，从动物的奶、肉、蛋中未检测出转入的 DNA和表达的蛋白（Flachowsky & Aulrich，2002）。Kosieradzka 等（2001）通过饲喂小鼠，对转基因黄瓜的食品安全性进行了评估。研究表明，与对照非转基因植株相比，转 thaumatinⅡ基因黄瓜植株含有更多的蛋白质和较少的纤维，转基因植株钠、钾、钙和镁含量较低，而铁和铜含量较高。使用含量为 0 或 15 %的转基因或非转基因黄瓜饲喂体质量 150 g 雄性小鼠 45 d，不影响其体质量增长、外观健康状态和相对器官质量。Twardowska（2003）也得到了相似的评估结果。Gajc-Wolska等（2001，2003）对转入 p35S：：thaumatinIIcDNA-pnos：：nptⅡ载体的转基因黄瓜进行了田间试验，结果表明，转基因黄瓜与对照非转基因植株的大部分性状均相似，例如：果实的味道和化学成分、干物质含量、VC 含量、可溶性固形物和总蛋白含量等。与对照非转基因黄瓜果实相比，转基因黄瓜果实的钙含量较高，而钾含量较低，味较甜，果肉更致密，总体质量较高。从以上可以看出，不用过分顾忌转基因黄瓜的食品安全问题。1

环境安全战略转基因生物及其产品自诞生以来，其环境释放安全性与食品安全性就受到了社会的广泛关注。有人担心转基因植物的推广会造成预料不到的后果，各国和国际机构均在制定相应的条例，中国也先后颁布了《基因工程安全管理办法》、《农业生物基因工程安全管理实施办法》，以便在促进基因工程技术发展的同时，保障环境安全和人类健康。环境安全是指转基因植物释放到田间以后基因是否漂移到环境中，从而使生态环境受到破坏，打破原有生态种群的平衡。把转基因植物释放到环境中，其潜在的生态学效应包括：基因流、非靶标效应、目标害虫的抗性进化、产生新的病毒、破坏生物多样性等（李有斌 等，2006；刘忠辉 等，2009）。Tabei 等（1999）对导入水稻 RCC2 基因的黄瓜植株在封闭和半封闭温室条件下进行了环境危险评价。所使用的 3 个转基因黄瓜株系均对灰霉病表现出很强的抗性。环境危险评价所使用的指标包括：成熟期的脓疱和果实的形态学特征；生殖方面特征，例如花粉的形态和育性、花粉寿命、花粉随风传播能力、种子活性以及与甜瓜和其他野生种的亲和性等；对环境的潜在危害特征，例如挥发性化合物和化感物质含量等；转基因过程中所使用的农杆菌残留对环境的影响等。评价结果表明，转基因植株和对照非转基因植株除了在 RCC2 基因表达水平及灰霉病抗性方面表现差异之外，其他性状均不存在差异。目前转基因黄瓜植株的检测大部分在温室内进行，进行田间试验的仍然较少，只有抗CMV、抗灰霉病和甜味转基因黄瓜等少数研究进行了田间生产试验。此外，大多数转基因黄瓜在进行检测时只是针对 T0和 T1进行了检测，而很少对后续 T2和 T3等植株进行检测，且检测的转基因黄瓜株系或数量较少，表明目前获得的黄瓜转基因植株的检测还存在很多问题，有相当数量的转基因植株尚需进一步鉴定，在实现转基因黄瓜商业化之前，还需要进行大量的试验来证明转基因黄瓜的环境安全。因此，在今后的转基因黄瓜研究工作中，应该注重转基因黄瓜后代遗传稳定性的检测和田间试验，这将有助于在保证环境安全的前提下，更加准确地鉴定转基因黄瓜的优良农艺性状，从而为转基因黄瓜早日实现商业化奠定基础。1

展望近年来，随着我国保护地黄瓜栽培面积的逐渐扩大，黄瓜病害、连作障碍和种性退化现象严重。因此，“优质、高产、多抗、生态、高效”黄瓜新品种的选育迫在眉睫。而创新黄瓜种质资源是优异新品种选育的关键。因此，开展黄瓜转基因研究工作，对创新和丰富黄瓜种质资源、培育优异新品种及开辟育种新途径、提高育种工作效率都具有重要意义。

自首次获得转基因黄瓜以来，虽然在抗病性、抗虫害、抗逆性、品质改良、抗除草剂、单性结实以及产量等方面，转基因黄瓜研究取得了长足进步，但是远远落后于玉米、大豆和油菜等大田作物以及番茄等园艺作物，至今尚未进入商品化生产。转基因黄瓜要取得更大发展，早日进入商品化生产，在技术上和商业中还要着重解决以下问题：① 提高效率、建立规模化的黄瓜转基因技术平台。② 建立系统的黄瓜转基因植株目的基因整合检测技术体系。③ 无选择标记转基因技术的使用。

本词条内容贡献者为:

王建林 - 教授 - 兰州大学