林业生产是我国主要的基础产业之一，它既有重要的经济效益，又有重要的生态效益。提高森林生产力（或经济与生态效益）的主要途径有两种：好的栽培方法和优良品种，其中特别是优良品种是一种投资少、见效快的途径；所以，长期以来，世界各国均把林木优良品种培育作为自己林业生产和科研工作的一个重要组成部分。林木优良品种（无性系）培育的传统方法主要有选择、杂交、诱变及多倍体培育等；人们用这些方法成功的培育出了大量的林木优良品种。但是，随着分子生物学、分子遗传学及生物技术的发展以及这些学科研究成果大量地引入到林木优良品种培育过程中，人们发现，现代生物技术与常规林木育种技术相结合可以扩大新创种质的变异幅度、缩短创造新种质的时间，大大缩短育种周期、加速林木优良品种培育进程；因此，林木遗传转化及转基因林木潜在生态风险的研究近些年来得到了迅速发展；及时总结分析这些发展的成果对于进一步开展林木遗传转化及转基因林木应用的研究工作具有重要意义。关于林木遗传转化研究进展的综述性文章已有一些，为避免重复，本文将仅就林木遗传转化技术、林木遗传转化目的基因及转基因林木潜在生态风险三个方面近些年的研究进展作一评述。 1林木遗传转化研究 1．1林木遗传转化技术 目前阔叶树种主要采用根癌农杆菌（Agrobacte－riumtumefaciens）介导进行遗传转化。并且随着对农杆菌分子生物学，特别是对Vir基因在转化中的重要功能的深入研究，使农杆菌介导转化频率得以极大提高，携带经修饰过的Vir基因的农杆菌成为针叶树遗传转化的最佳途径之一。目前，通过农杆菌介导的挪威云杉（Piceaabies）、火炬松（Pinustaeda）［1］和白皮松（Pinusbangeana）［2］遗传转化频率极高，并且得到稳定表达。Hu等［3］采用胚状体再生系统，通过农杆菌介导的转基因植株形态和核型正常，转基因胚性愈伤组织长时间保持高效体胚分化频率和植株再生频率。基因枪对于受体材料没有局限性，在很多禾本科农作物上取得成功。许多针叶树种也通过基因枪法将目的基因打入不同组织并且得到表达，如白云杉（P．glauca）、黑云杉（P．mariana）、辐射松（P．radi－ata）、火炬松（P．taeda）和美洲黄杉（Pseudotsugame－nziesii）等。近年来，在提高林木遗传转化效率方面发展了一些新技术，如超声波辅助农杆菌介导法（SAAT）、低能离子束与农杆菌介导结合法，基因枪与农杆菌介导结合法以及负压与农杆菌介导结合法等，均可增强农杆菌浸染，提高转化效率，在农作物遗传转化方面有较多成功的报道。而SAAT法在林木遗传转化方面也取得了一定的进展，Santarem等［4］在gus基因和hpt基因转化棕榈（Trachycarpusfor－tunei）的研究中发现，采用SAAT法的转化效率比采用农杆菌介导法提高30％～45％；这可能由于超声波处理可在受体材料表皮和深层造成许多微损伤，有利于农杆菌进入组织内部，同时从伤口处分泌出较多的酚类物质，有助于提高农杆菌的转化活力，明显地提高农杆菌的感染效率；Zaragoza等［5］用SAAT法成功地将抗除草剂基因bar转入刺槐（Robiniapseudoacacia），获得转基因植株。 1．2目的基因 应用于林木遗传转化的目的基因很多，关于抗病基因、抗虫基因、抗逆基因已有很多综述，本文不再赘述；而主要探讨与林木木质素改良、缩短育种周期、促进开花、生长性状改良以及抗环境污染有关基因的研究进展。 1．2．1与木质素改良有关的基因 目前林木木质素改良遗传转化所用的基因主要有：4CL，CAD，COMT和CCoAOMT等基因。在林木木质素改良基因工程中第一次真正提高木质素质量，具有生产应用潜力的是转CAD基因杨树。Baucher等［6］将从毛果杨×欧洲黑杨（Populustrichocarpa×P．deltoides）分离出来的反义CAD基因转入杂交杨树欧洲山杨×银白杨（P．tremula×P．alba），结果表明，3个反义转化和2个共抑制品系的木质部组织CAD活性减少70％，CAD活性的降低不仅可使制浆业能耗和生产成本降低，还可以减少制浆过程中有害物质的产生。4CL是催化羟基肉桂酸形成G或S型单体途径中的关键酶。Hu等［7］从白杨中克隆到2个4CL基因Pt4CL1和Pt4CL2，通过对杨树杂种（Ptrem－celoides）的Pt4CL1的反义抑制，转基因植株木质素含量降低45％，纤维素则补偿性地增加了15％。贾彩红等［8］将反义4CL基因转入三倍体毛白杨（triploidP．tomentosa），转基因株系木质素含量比对照下降41．73％。COMT主要参与S木质素的生物合成，CCoAOMT则参与S和G木质素的生物合成。利用反义RNA技术抑制COMT和CCoAOMT基因的表达可以调整木质素的结构，降低转基因植株的木质素含量。魏建华等［9］从毛白杨（P．tomentosa）中克隆了CCoAOM基因的cDNA片段，进一步构建出该基因的反义表达载体，并用其转化杂交杨（欧洲山杨×毛白杨，P．tremula×P．tomento－sa））；转基因株系的Klason木质素含量比未转基因对照杨树下降17．9％。赵华燕等［10］也将CCoAOMT反义基因导入毛白杨，转基因毛白杨内源CCoAOMT基因的表达在转录和翻译水平均受到抑制，Klason木质素含量有所降低。 1．2．2与花发育有关的基因 缩短林木发育周期，促进林木提早开花对林木遗传改良有积极作用。虽然采用嫁接和施用化学试剂方法也有一定的促进作用，但通过遗传转化却有着更为广阔的应用前景。目前主要有如下几个基因：LEAEY（LFY），AP－ETALAI（AP1），CAULIELOWER（CAL），AP－ETALA2（AP2），UNUSUALFLORALORGANS（UFO）和TERMINALFLOWER（TFL）。LEY是控制顶端分生组织进行成花转变的一个主要基因，其强突变体基部花完全转变为叶芽，顶部花表现出部分花的特性。转LEY基因的杨树过量表达LEY基因，大大缩短了从生长期到成熟期的时间。一般野生型杨树需8～20a才能开花，而转LEY基因的杨树仅5个月就可开花［11］。AP1的功能与LPY部分冗余，其表达时期晚于LPY，二者具有加性效应，能相互促进表达，表达拟南芥（Arabi－dopsisthaliana）LPY或AP1基因的柑橘（Citrusreticulata）实生苗童年期缩短，提早开花，并且转基因植株的花器官正常可育，果实中有种子，这些性状可通过种子传给后代，实生苗1a即可发育成熟等［12］。这说明通过AP1基因的遗传转化，可缩短林木的发育周期，加快林木育种进程，也为成熟性状的鉴定提供了一个极有价值的快速途径。最近，从林木中也鉴定和分离了许多LPY、AP1的同源基因，为开展转基因研究奠定了基础。#p#分页标题#e# 1．2．3与林木生长有关的基因 调节林木内源激素的基因主要有来自于根癌农杆菌的Ti质粒iaaM、iaaH和来自于发根农杆菌的Ri质粒rolA、B、C基因。许多研究表明，将rolA、B、C基因转入植物，不仅可促进根的形成和发育，同时对促进转基因植株的地上部分的生长、发育和其他性状的改变也有一定的作用。Strobel等［13］将发根农杆菌与油橄榄（Oleaeuropaea）实生苗共培养，可促进实生苗生根和茎的伸长，提高开花率、结实率和产油率。Nilsson等［14］和Tzfira等［15］的研究均表明，转rolA或B或C基因的杂种杨树生长和发育速度、生根能力均发生改变。其中转rolC基因的杨树不仅表型发生改变（如顶端优势降低、植株矮化和节间缩短），同时植物内源激素含量下降、赤霉素合成发生变化，而细胞分裂素水平却升高。因此可通过转rolC基因选育果树矮化砧木，对林木种子园经营也有一定价值。Tzfira等［16］发现将rolA、B、C基因置于它们自身的启动子调控下，转rolA、B、C基因杨树生长速度提高、生根能力增强、茎及根生产量指数提高、抑制腋芽生成，并且在第一和第二个冬天推迟休眠；这可能是因为rolA、B、C基因在自身启动子调控下表达量较低，这种转基因林木表型的变异恰好符合林木遗传改良的方向。苏彦苹等［17］将rolC基因转入三倍体毛白杨（已经被转Ri质粒的）后，部分个体发生了形态特征变异：叶片由原来的皱缩变为平展，茎由原来的直立变为弯曲，侧枝增多，节间距明显缩短等。 1．2．4与林木抗污染有关的基因 利用转基因技术提高主要阔叶树种（以杨树为代表）抗污染能力的研究主要集中在阐明林木抗污染的机理和抗性基因的遗传转化上。将来自于细菌的解毒基因转入杨树，转基因植株可降解土壤中的氯苯类化合物，如三氯乙烯等。汞抗性细菌表达merA基因，即汞离子还原酶基因，其蛋白质产物可将剧毒的Hg2＋转换为毒性较低的Hg，从植物体中挥发，增强植物对汞的抗性［18］；据Summer［19－20］报道，merA基因不仅可以还原Hg2＋，对Au3＋和Ag1＋也有微弱的还原作用。因此转merA基因植物为生物降解汞污染提供了一条可行的途径。Rugh等［21］将merA进行改造，使其能在植物体内高效表达，并将改造好的基因转入黄杨，转基因植株在含有正常毒性水平的汞离子培养基中萌发和生长良好，汞离子污染的抵抗能力提高了3～4倍，并且释放汞原子的量是非转化对照植株的10倍。臭氧可以通过破坏植物体内抗氧化剂的防御机制，影响植物的正常生理生化活动。植物体氧化剂胁迫试验证明，抗氧化剂对臭氧的氧化破坏作用能起到了很大的缓冲作用。如超氧化物歧化酶和谷胱甘肽在植物体内抗氧化过程中起到清除自由基的作用。Strohm等［22］利用谷胱甘肽合成酶（GshS）基因和谷胱甘肽降解酶（GR）基因转化杂种杨树（P．tremula×P．alba），结果表明GshS基因和GR基因的过量表达并不能缓解暴露在高浓度臭氧环境中转基因杨树受到的伤害。Foyer等［23］将谷胱甘肽还原酶基因转入杂种白杨（P．tremula×P．alba），得到了过量表达谷胱甘肽还原酶的转基因植株，大大提高了杂种白杨对氧化剂的抗性，同时也解除了光合作用中产生的氧自由基对植物体的光合抑制现象；胡杨Na＋／H＋逆向转运蛋白基因（PeNhaD1）编码一种质膜Na＋／H＋逆向转运蛋白，在胡杨细胞拒盐机制中具有重要作用；陈彩霞等［24］利用农杆菌介导的叶盘法将PeNhaD1基因转入盐敏感且速生的派间杂种110杨（P．deltoides×P．maximow－iczii‘Eridano’）中，经PCR和PCR－Southern检测，已获得转PeNhaD1基因的110杨再生植株。 2转基因林木潜在生态风险的研究 随着转基因技术的日益成熟，遗传转化的植物种类和目的基因数量越来越多，这些转基因植物在不断的进行大田释放试验。由于转基因植物是一新生事物，人们对其对人类和人类生存环境的影响方向知之甚少，对其潜在的生态风险进行研究具有重要的意义。转基因林木潜在生态风险的研究近些年来取得了一定的进步，主要集中在以下几个方面。 2．1基因的水平转移 Hofinann等［25］首先证实了转基因植物中的外源基因能够水平转移到其它微生物中，如转基因青菜（Brassicachinensis）、黑芥菜（Brassicanigra）、蒺黎（Tribulusterrestris）和甜豌豆（Pisumsati－vum）中抗生素基因均可通过转基因植株的根系分泌物转移到一种能与植物共生的黑曲霉中。许多木本植物的根部都能与土壤真菌发生很强的共生作用，两者通过菌根相互提供养分；因此，转基因树木通过共生的各种真菌发生基因水平转移的可能性是存在的。虽然一些研究表明基因水平转移很难发生［26－27］，但在现有的试验条件下，检测到的基因水平转移的频率可能会远远低于其实际发生的频率［28－29］。 2．2基因的垂直流动 外源基因也可以通过花粉和种子垂直流动到转基因林木的近缘种中。树木是植物生态系统的主体，由于其驯化程度很低，绝大部分栽培树种在其种植区内都存在同类的天然野生种群，而且大多数林木为风媒传粉，其花粉存活时间较长，有些树种的花粉还具有气囊，甚至可飞扬到数百公里以外的地方，影响面极广［30］。因此转基因林木基因漂移对物种多样性的影响很大。世界野生动物基金会的一份调查报告指出：目前有些进行田间试验的转基因树种，其目的基因己逃逸到自然界中［31］。人们普遍认为，转基因林木的外源基因一旦渗入到近缘种而被固定下来，就会形成一定的群体，如果这个带有污染基因的群体具有很高的生态适应性，那么就会迅速地发展起来而在数代之后对其他的物种，特别是稀有（或处于濒危）的近缘野生种造成危害，甚至导致该稀有近缘种的灭绝［32－33］，从而产生树木中的“超级杂草”。#p#分页标题#e# 2．3对昆虫的影响 目前，对转基因林木对昆虫产生影响的研究主要集中在转Bt基因的林木上。研究表明，转Bt基因杨树会改变林内的昆虫群落结构。张真等［34］研究发现，由于Bt蛋白主要作用于鳞翅目昆虫，对膜翅目昆虫影响不大，在抑制鳞翅目昆虫的同时有利于其它食叶昆虫种群的发展，因此转基因纯林中以杨叶蜂（Stauronematuscompressicornis）为优势种，而在转基因与非转基因混交林中以杨扇舟峨（Clos－teraanachoreta）为优势种。高宝嘉等［35］对转基因741杨（［P．alba×（P．davidiana＋P．simonyi）］×P．tomentosa）的研究结果表明，转基因杨树林的昆虫群落中食叶害虫的数量明显降低，群落中食叶害虫优势种的优势度也同时降低。不同抗虫性的转基因741杨，抗虫性越强的无性系，其林下节肢动物群落与未转基因林下节肢动物群落的相似性越低。高素红等［36］研究了转双抗虫基因741杨不同抗虫无性系林下节肢动物群落的垂直结构和组成，发现转基因无性系林下土壤节肢动物亚群落对抗虫基因的灵敏性较高。与化学农药一样，昆虫对Bt杀虫蛋白也会产生抗性。McGaughey［37］首次报道了印度谷螟（Plodiainterpunctella）对Bt制剂产生抗性。1996年，美国Monsanto公司种植的8万hm2转基因棉花中，有10％被发现不抗棉铃虫，只能通过喷洒化学杀虫剂防虫。为防止昆虫抗性的产生，农业上提出了“庇护所”策略。该措施也可用于转基因林木中，即营造转基因与非转基因林木的混交林，以达到避害趋利，可持续控制森林害虫的目的［38］。同时将多个抗虫基因转入树木中，也可达到延缓昆虫抗性产生的目的。 2．4对土壤生态的影响 土壤是生态系统中物质循环和能量转化的重要场所，转基因植物体内外源基因的表达产物有可能通过植物残留物及根系分泌物对土壤生态系统造成影响［39］。胡建军等［40］分析了田间试验达7a的转Bt基因欧洲黑杨（P．deltoides）的基因稳定性，并对其林地和非转基因林地的土壤微生物进行了类群数量分析。分析结果表明，转基因与对照无性系林地间土壤3大类微生物（细菌、放线菌和霉菌）数量无显著性差异，说明转基因欧洲黑杨对土壤微生物系统尚未有明显影响。魏冰［41］等采用平板稀释法对转AhDREB1基因毛白杨杂交种［（毛新杨×毛白杨）；（P．tomentosa×P．bolleana）×P．tomentosa］与非转基因同类植株的根系土壤（已栽植3a）微生物进行种群数量分析，计数结果也表明转基因植株与非转基因植株间根系土壤3大类微生物（细菌、放线菌和真菌）数量也无显著差异；并利用AhDREB1基因特异引物对土壤总DNA以及菌株DNA进行PCR扩增，均未检测到外源基因扩增产物；说明转AhDREB1基因毛白杨杂交种对土壤微生物系统也无明显的影响。但是，Saxena等［42］对转Bt基因玉米进行了盆栽与大田栽培的对比试验，发现根系分泌的Bt杀虫晶体蛋白能很快被土壤中的表面活性颗粒吸附，其杀虫活性可保持180d以上。Bt蛋白一旦转移到土壤生态系统中并经过一段时间的积累，就可能会对土壤非靶标生物（如土壤微生物和有益昆虫等）产生不利影响，特别是对土壤微生物活动过程造成影响［43］。 转基因植物残留物及根系分泌物也会对土壤酶活性造成影响。孙彩霞等［44］研究了不同处理所导致的土壤残留Bt毒蛋白对土壤磷酸酶活性的影响，结果表明，不同Bt蛋白残留量间的土壤磷酸酶活性存在显著性差异。 3结束语 由于林木繁殖周期长，遗传杂合性高，许多性状的遗传机理不明，性状分析困难及种间地理隔离、生殖隔离等因素的限制，使得遗传转化逐渐成为人们看好的林木新品种培育途径。因此，林木遗传转化技术近些年来得到了较大的发展，集中表现在转基因技术和目的基因两个方面。转基因技术方面主要表现为多种措施联合使用，提高了遗传转化率；目的基因方面主要表现为应用于林木遗传转化的目的数量逐年争多，从原来的抗虫基因发展到现在的：木质素改良基因、花发育相关基因、生长相关基因及抗污染基因等。这些基因在不同的树种均有遗传转化成功的例子，其中以杨树为受体的成功例子较多。 转基因林木潜在生态风险研究也有了较大的发展，研究点主要集中在：基因的水平转移、基因的垂直流动及转基因对昆虫的影响等方面。初步的试验结果和理论分析认为，转基因林木的大田释放具有一定的生态潜在风险，需要对这种风险进行更深入、精确的评估。 虽然林木遗传转化及其生态安全性的研究取得了一定的进展，但也存在一些需进一步努力解决的问题：1）林木遗传转化效率相对较低，特别是针叶树种，建立转基因体系还比较困难；2）林木树体高大，生长周期很长，外源基因在转基因植株中的时空表达特性还有待继续深入研究；3）比较系统的转基因林木田间释放和生态安全性试验数量还很少。因此，今后一方面要采取积极的态度去开展林木转基因技术和理论的研究，另一方面也要加强转基因林木生态安全性的评价和监控，降低其可能对生态环境造成的风险，使转基因林木扬长避短，开创更广阔的应用前景。