迎接21世纪现代林木生物技术育种的挑战
施季森
南京林业大学
摘 要: 林木组织培养及其工厂化育苗技术,细胞工程种苗工厂化生产新技术,林木体细胞胚胎发生,植株再生和人工种子技术,林木原生质体培养和细胞杂交,体细胞突变体的筛选与利用和林木基因工程育种等是林业面向21世纪的新型产业关键技术.21世纪我国林业生物技术育种,要充分重视拥有自主知识产权的林木基因和基因工程品种培育, 同时林木基因工程应从单基因生物抗性转向持久抗性,生物抗性转向非生物因子抗性;要重视优良基因型的体细胞胚胎发生工程的实用化和自动化研究,常规育种技术与现代生物技术的有机结合,林木转基因植株的环境安全性评估问题也应予以重视.
关键词:生物技术;组织培养;细胞工程;基因工程;环境安全
一,传统生物技术正在向现代生物技术转变
传统生物技术(或称生物工程学,Biotechnology)的原始应用虽可以追溯久远,但现代生物技术主要是指近20～30年以来,生命科学领域内微生物学,遗传学,生物化学,细胞生物学和分子生物学在理论和方法,乃至计算机和信息学的技术革命,从而形成的现代高技术,主要包括基因工程,细胞工程,酶工程,发酵工程和生化工程.林业生物工程技术的应用,特别是在应用生物工程技术进行林木新品种的培育和改良,林产工业生产中的环境污染的生物技术净化,木质生物原料生物工程技术加工和能源转化等方面都具有十分广阔的前景.
生物技术作为20世纪人类科技事业最伟大的成就之一,不仅正在推动着世界经济和社会的发展,也对整个国际科技战略发展格局产生着深远的影响.因此,许多国家把发展生物技术作为重要国策,以期在国际竞争中长期占据有利地位.世界许多著名的企业都纷纷注入巨资投资生物技术产业.据不完全估计,到2000年世界生物技术市场约为4 000亿美元,21世纪世界农产品的产量增长89%～90%将主要来自生物工程技术;2020年70%的农作物品种将是基因工程品种.农业,林业,环保和海洋生物技术将成为继医药生物技术浪潮之后的第二浪潮,我们必须清晰地意识到中国的林木育种业也如同其他生命科学领域一样,面临21世纪从传统生物技术向现代生物技术转变和迅猛发展的挑战.
现代生物技术在林木遗传育种中的应用,主要涉及细胞工程,基因工程及其相关的前沿领域.
二,国内外林木生物技术育种的现状与进展
(一)林木组织培养及其工厂化育苗技术
自20世纪60年代以来利用组织培养再生植株的植物种类已达到近1 000种,其中木本植物达200多种,并且在不断增加.美国1978年已开始用火炬松优树的组培苗进行小面积造林,1983年其里格斯苗圃就有100万株组培苗的生产规模;新西兰林业研究中心用组培方法生产优质辐射松苗,目前达200万株左右;另外,德国,法国,加拿大和巴西等在三倍体山杨,云杉,杨树,桉树等树种的组培方面进行了较为系统的研究,使林木组织培养苗木进入工厂化和实用化阶段.
20世纪70年代以来,我国开展了这方面的研究.先后分别有杨属,杉木,马尾松,泡桐,桉树,落叶松,火炬松,湿地松,马褂木,柚木,竹子和桑树等树种从器官,茎尖,成熟胚,花药和愈伤组织诱导成苗.自1983年国家实施"六五"林业科技攻关计划以来,我国的林木组培育苗研究已从实验室走向工厂化大生产,分别在华南和华北地区建立了具有国际先进水平的,年产桉树组培苗250万株,杨树组培苗150万株的全自动控制育苗工厂.与此同时,一些地方性的林业生物技术产业也有很好的发展,生产的组培苗木被广泛应用于国家林业两大体系的建设和世界银行贷款造林项目的实施,尤其在南方商品林如桉树商品林基地建设中起了十分重要的作用.在林木组织培养技术的基础上,发展出的一系列基因转移,DNA直接导入技术成为基因工程的核心技术,组织培养也成为生物技术的重要组成部分.
(二)细胞工程种苗工厂化生产新技术
1.林木体细胞胚胎发生,植株再生和人工种子技术
体细胞胚胎发生和植株再生以及人工种子技术的思想,主要来源于1902年Haberlandt提出的植物细胞的全能性理论.由于植物每一个体细胞从理论上都存在诱导成胚的可能性,具有繁殖速度快,不受地区,季节和气候性灾害等自然条件的限制;对于木本植物来说,不必等待漫长的有性时代,一旦获得优良材料就可以比常规繁殖快数十倍甚至上百倍的速度繁殖,因此具有十分诱人的潜力.林木的体细胞胚胎发生始于20世纪70年代后期,90年代初得到迅速的发展,并获得了极大的成功.全世界目前已有40多种木本植物获得了体细胞胚,尤其是用常规无性繁殖技术很难生根的针叶树的体胚发生取得了令人瞩目的进展.据初步统计,已从冷杉属,落叶松属,云杉属,松属,黄杉属和北美红杉属的至少20种不同的针叶树的外植体诱导成功了体细胞胚.在阔叶树种上,杨属,柳属,栗属,檀香属,枫香属,鹅掌楸属,榛属,栎属,板栗属,刺槐属,山茶属,桉树属,七叶树属,柑橘属,柚木,油棕,可可,油橄榄,橡胶,泡桐等20多个树种的组织培养中观察到体细胞胚胎发生或获得再生植株.其中,美国的惠豪公司,国际纸业公司,维斯瓦库公司和加拿大的一些公司,新西兰林业研究中心等已分别将火炬松,挪威云杉,花旗松和辐射松等树种的体细胞胚诱导和植株再生应用于生产实践.仅新西兰一家公司就已形成了年产200万株辐射松体细胞胚再生植株的能力.

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