竹子发展可行性及展望

竹子发展可行性及展望

摘要从分子生物学角度来探讨竹子问题是竹子研究的新趋势。目前，关于竹子出笋的基因调控机理研究很少，有关竹子开花方面的主要集中于MADS—BOX基因的研究。分子生物学应用最多的是在竹子分类领域，但大多采用分子标记技术，利用同源基因进化研究相对较少。竹子转基因的初步成功为竹子的遗传育种带来了新的希望。另外，分子生物学在竹子花叶病毒研究中发挥着极其重要的作用。在总结已有研究基础上，认为竹子开花分子机理研究是今后竹子分子生物学研究的重点。

竹子是非常有特色的禾本科植物，如快速生长能力，较高的木质化程度和地下茎长期无性繁殖等，竹子的这些特点造就了竹子的重要经济价值，使得竹子成为兼具经济、生态和社会等多种效益的林种。但是竹子生产中仍存在一些问题困扰着竹产业的发展，这些问题存在于竹子出笋、竹子开花、竹子分类、竹子育种等领域。前人对竹子的这些问题也一直在进行研究，但是常规的研究手段都没有从本质上对那些问题加以解释或解决。近年来，随着分子生物学的快速发展，利用分子手段揭示竹子生长发育规律正逐渐成为竹子研究的一个新趋势。本文在简要概括现有竹子生理生化研究的基础上，着重就近年来竹子分子生物学研究有关进展进行综述，并提出一些前瞻性的看法。

1.竹子出笋的分子生物学研究

竹子出笋是直接影响到竹子产量和经济价值的重要因素，长期以来，虽然生产者不断地改善栽培管理条件，但是由于受竹子本身发育特点的限制，竹子的季节性出笋问题和竹林出笋密度的调控问题比较突出，科学家从解剖和生理水平上探讨了竹子出笋机理问题，取得一些初步的研究成果。如将竹子出笋过程划分为从

休眠期至出笋期的6个阶段[1]，发现在笋体生长初期IAA和GA。的浓度极高[23等。了解竹子’鞭芽的发育是探讨竹子出笋问题的关键，因此，胡超宗等[3]检测了雷竹鞭侧芽在分化过程中的激素变化，发现GA。、ZT和IAA的浓度在分化前明显增加。黄坚钦等[4]通过更精确的酶联免疫检测，发现较高的生长素和细胞分裂素浓度与笋芽分化有关，而较高的生长素浓度也与竹笋的进一步快速生长状态相一致。然而，目前，很少有关于竹子出笋的基因调控机理研究，我们的研究小组已在这方面进行了初步的研究。通过基因芯片检测早竹(Phyllostachys praecox)鞭芽的发育过程，我们已克隆到一些与竹子出笋有关的基因。经序列比对，发现这些基因大都与水稻和玉米等禾本科植物中的分生组织控制基因相似，有些甚至与双子叶模式植物拟南芥的分生控制基因十分相似，由此表明这些基因在进化上的保守性。从传统的植物生理角度来看，竹子的出笋是一个颇具特色的发育过程，很难与水稻和拟南芥等模式植物进行比较。但是，在分子水平上，这其中的许多界限都可以被打破，如我们通过研究表明，这些物种的分生组织发育过程中均存在一些十分相似的基因表达规律。因此，利用分子生物学研究手段不仅对于深入揭示竹子出笋规律是十分重要的，还为我们今后利用已有水稻等模式植物基因调控规律来研究竹子提供了很好的思路。

2．竹子开花的分子生物学研究

大多数竹子一生只开一次花，开花后即死亡，这样常导致整片竹林的衰败，严重威胁着经济和生态的发展。有关竹子开花生理生化规律的研究较多，如Masatoshi Watanabe[53在对刚竹(Ph．5“冶hurea CV．Viridis)竹秆进行C／N检测时，发现开花的刚竹竹秆C／N为296．2，而不开花的则为140．5；Janzen[6]推测竹子开花与一种内在诱导机制或生物钟控制有关；而郑郁善等则通过比较开花与未开花绿竹(Dendrocalamopsis oldhami)的叶重、叶绿素、类胡萝卜素含量、光合速率、呼吸速率及不同器官N、P、K元素含量等指标来揭示绿竹开花生理生化特性。我们在比较开花和未开花雷竹(Ph．praecox ev．Prevernalis)的内源激素时发现，ABA、GA。、CTK含量在开

花雷竹中普遍较高，ABA含量甚至达到5倍之高[8]。在上述生理生化研究的基础上，从分子水平上开展竹子开花机理的研究则是近年来竹子开花机理研究的新热点。由于模式植物的研究

表明，Mads—box家族的许多基因能够调节植物根、叶、花和果实的发育，特别在植物的花分生组织和花器官发育中具有不同形式的时空表达模式[9]，目前有关竹子开花机理研究主要集中于Mads—box基因。田波等Do]从试管苗诱导开花的麻竹(Dendrocalamus latiflorus)中克隆到一批MADS—box基因，将这些基因转入拟南芥进行初步的功能分析，发现其中一个基因转入拟南芥后，导致转基因拟南芥植株开花时间

明显提前，并且所有的花均聚生于花序顶端，花小但花的结构没有变化，茎生叶卷曲似花萼状。序列分析表明，该基因属于MADS—BOX基因家族的AGL6亚家族。模式植物的研究表明，AGL6亚家族基因主要在花器官中表达，与植物的开花调控有关。田波等由此推测该基因很可能参与麻竹开花时间的调控。这是竹子开花基因功能研究的首次报导，对于开展竹子开花的分子生物学机理研究有重要的指导意义。我们从早竹中克隆了4个竹子MADS—BOX基因，序列分析表明它们与模式植物开花启动有关的MADS—BOX基因相似，但其进一步的功能尚有待研究E11。。值得指出的是，分子生物学技术对推动竹子开花机理的研究是多方面的，如标记技术对毛竹的开花特点进行研究，最终确定毛竹开花周期是67 fl。竹子开花机理的研究具有重大意义，把握开花机理为控制开花提供了可能。从分子生物学的角度来看，虽然竹子内在的遗传特性是影

响其开花的最主要因素，但是各种外界的环境也是影响这些遗传特性表达的重要因素。在这个外界环境的影响过程中，激素往往作为信号分子。因此，把分子生物学与生理生化相结合对竹子开花机理进行探索应是未来研究的方向。

3 分子生物学在竹子分类及进化研究中的应用

竹子很少开花，即便开花也多败育。这些特性对以花为主的分类带来很大的困难，所以传

统意义上竹亚科分类主要依据是竹节、分枝、秆箨、枝生叶而非花，但是这样以外部形态对竹子

进行分类容易将本是同一类的竹种划分到另外的类型，使得传统的竹子分类依然存在着很多

争议[133。利用分子进化的手段探讨竹子的分类问题，为竹子分类开辟了一条行之有效的途径。

Jin Phang Loh等E14]对Bambusinae亚族中的四个属(Bambusa，Dendrocalamus，Giganto—

chloa和Thyrsostachys)进行研究时，用AFLP标记技术，通过分析属的基因簇，使一些分类上

有争议的竹种有个明确的归类。在散生竹属的分类上也存在着分歧，不同的分类专家所认同的属数，相距甚远，尤其是青篱竹属(Arundinaria)在东亚的分布是散生竹分类中争论的焦点，李淑娴等[15]利用水稻SSR(simplesequence repeats)标记的引物研究了青篱竹属相关属竹种的亲缘关系，聚类分析表明，苦竹属(Pleioblastus)、矢竹属(Pseudosasa)与青篱竹属(Arttndlnarla)为1大类，而巴山木竹属(Bashania)是单独的1类，与上几种竹子

的亲缘关系相对较远。他们认为，从遗传距离看，巴山木竹属作为1个单独的属是成立的，茶秆竹(Pseudosasa ama&Yis)、福建茶秆竹是与矢竹属、苦竹属平行的1个类群，而不应该将茶秆竹并入矢竹属。竹子种以下的分类，科学家则采用RAPD(random amplified polymorphismic DNA)分子标记对竹种下等级进行分析，得到一些与常规分类不同的结果[17d引。在RAPD标记技术的基础上，Malay Das等[19](2005)对RAPD所用的引物末端增加碱基与原来的RAPD片断末端互补成特异引物，设计出SCAR(sequencecharacterized amplified region)标记，用来检测巴苦竹(Bambusa balcooa)与大耳竹(B．tulda)。这两个分子标记的开发为竹子质检部门提供了便利。这也是SCAR标记用在竹子中的第一篇报道。AFLP和RAPD等分子标记方法通常是利用随机引物或人工合成的引物有无扩增条带来判断亲缘关系，虽具有一定的可靠性，但由于所扩增的序列未知，所得信息十分有限。相E匕之下，根据同源基因的进化来推断竹种的系统进化关系，并以此为依据解决竹子进化问题是更为有效的方法。例如，Guo等E203通过分析ITS(Internal transcribed spacer)序列，重新构建了高山竹属的进化树，并以此作为依据来探讨高山竹的分类；Sun等[2】]也采用ITS法对竹亚科的进化进行分析。随着竹子遗传学研究的不断深入，越来越多的同源基因进化将被用于竹子分类研究，这是未来竹子分类进化方面的重要课题。

4 竹子育种有关的分子生物学研究

竹子的开花特性不仅使得竹子分类非常困难，对于竹子育种更是一个很大的障碍。虽然可以通过人工诱导促使竹子在试管内开花[22~25]，但局限于极少数竹种，实际使用时也较为困难。以分子生物学为基础的植物基因工程技术在很多植物中已经获得成功，近年来，一些研究者尝试开展竹子的转基因试验。卓仁荚等[25]用冰冻法将pBLGUSE+质粒转化农杆菌EHAl05，然后用此农杆菌对麻竹愈伤组织浸染。转化后的受体材料在含有潮霉素(Hyg)的培养基中培养数日，随机取3株转基因再生植株和2块抗性愈伤组织，进行GUS基因检测，经过乙醇脱色，观察到蓝点，说明在转化的愈伤组织中有GUS基因表达，提取基

因组DNA再进行PCR检测，结果所选样本都呈阳性，而所选对照不仅没有观察到蓝点，而且PCR检测时也没有扩增出产物。这些结果说明含有GUS的基因已经整合到麻竹基因组中。这是首次建立的麻竹转基因技术平台，为进一步开展竹子遗传学研究奠定基础。在成熟的竹子离体培养技术基础上，利用基因工程开展竹子育种，为短期内竹子创新育种提供了一条重要途径。

5 有关竹子病毒的分子生物学研究

竹子花叶病毒(Bamboo mosaic virus)是目前为止发现感染竹类唯一的病毒，该病毒属于马铃薯病毒群(potex virus)中的a病毒总科(alphavirus superfamily)，具有单股正极RNA基因体，病毒颗粒为长丝状。竹子感染此病毒后，会造成竹笋组织硬化，感病后期或数年后，竹笋产量显著减少，大幅降低其品质和经济价

值㈨。由于感染花叶病毒的竹子初级阶段所表现出的病症并不明显，而到了发病严重，肉眼可见时，则已经造成很大的损失，因此早期发现并治疗将大大降低损失。Hsu等[2胡用32P标记和地高辛标记两种特殊的分子探针进行竹子花叶病探测，即使存在微量花叶病毒，也能敏感地探测出来，这样就可以进行预测和提前治疗。最近，Hsu等[29]从不同的竹子宿主中分离出两种竹子花叶病毒卫星核酸，BSF4和BSL6。通过在烟草中的实验表明，BSL6对减少竹子花叶病毒核酸复制和抑制竹子花叶病毒诱导的症状有重要作用，而BSF4没有这些作用。BSI。6的5’端非编码区插入竹子花叶病载体pBV后，导致竹子花叶病复制和症状急剧消失。上述研究表明，分子生物学研究对于我们了解和控制竹子花叶病毒发挥了至关重要的作用。

6 展望

植物分子生物学研究已经历了几十年的发展，但是竹子分子生物学研究近年来才逐渐得到重视。在上述研究中，我们不难发现，竹子开花机理的研究在竹子研究中占有极其重要的地位，掌握了竹子开花机理可以为将来控制竹子

开花提供理论基础。竹子开花控制一旦能够突破，在生产上，可以大大降低由开花引起的大面积竹林衰败；在竹子的系统分类上，也将有更可靠的依据；更重要的是，它为竹子遗传改良提供了重要的保障。因此，竹子开花的分子生物学研究将是今后竹子分子生物学研究的重点。