农业生物技术系列--草坪草生物技术及应用

草坪草在改善人居环境、美化城乡景观、建设运动场馆等方面的作用已为公众熟知。草坪植物在全球变化中的生态学功能也逐渐被人们所理解。全球变化所引发的环境危机涉及人口剧增、绿地减少、城市噪声侵扰、热岛效应严重、空气和水质污染加剧、水土严重流失……用什么办法来遏制生态环境恶化的趋势呢?保持足够的植被是必不可少的，在人群活动频繁的区域保持足够面积的农田、林地、灌木和草地也是十分必要的。在欧美国家，高尔夫场地大量增加的生态意义远远大于作为休闲和运动场所的意义。因为草坪植物在消除污染物、保护地下水源洁净、防止水土大量流失，以及增加地表和土层生物多样性方面起了重要作用。裸地和柏油路面是没有这种功能的。所以在保护天然草地、人工牧场的同时，在人群密集的地区，在坡地、河岸要尽可能地覆盖草坪和各种地被植物。

半个多世纪以来草坪植物在育种家的驯化和改良之下已育成大量的品种，包括早熟禾属、羊茅属、翦股颖属、黑麦草属、冰草属、雀麦草属等冷季型草种和狗牙根属、结缕草属、地毯草属、假俭草属、雀稗属、钝叶草属、野牛草属、格兰马草属、狼尾草属等暖季型草种。其中一些草种的驯化程度还很低。但不少草坪草已进行了大规模和十分精细的育种改良。例如草地早熟禾（Poa pratensis）、高羊茅（Festuca arundinacea）、紫羊茅（Festuca rubra）、匍匐翦股颖（Agrostis stolonifera）、绒毛翦股颖（Agrostis canina）、多年生黑麦草（Lolium perenne）、狗牙根（Cynodon dactylon）、结缕草（Zoysia japonica）等都有大量的、变化多样的品种，占据了世界草坪业的大部分市场。草坪草籽的产业规模很大，已成为仅次于玉米的第二大种子产业。

传统的杂交育种技术已不能满足新的市场需求，大学和草坪公司的育种部门已开始大量采用高新生物技术，如分子标记的辅助育种技术，利用DNA分子标记将已有的品种资源进行聚类分析而后进行有选择的杂交和选育。在克服了单子叶植物组织培养时再生芽困难的基础上，大量的草坪草离体培养为育种提供了新的种系和快繁技术。从草坪草的愈伤组织再生植株的成功又为基因工程育种创造了条件。在各类农作物上应用过的基因被用来转化草坪草取得很大成功。例如将抗除草剂基因，草甘膦氧化还原酶基因导入翦股颖中培育出抗草甘膦的草坪草可以大大节省草籽生产和草坪建植过程中的劳动。这种转基因草坪草的抗除草剂特性会不会因为基因漂移而使得周围的杂草接受了抗草甘膦基因，变成耐除草剂的杂草。目前一些人对此有疑虑，因而这种转基因草坪草的商业化进程受阻。关于其他方面的转基因草坪草的培育已有不少报道，如提高抗病性的基因工程和提高抗旱、抗寒、抗盐碱的基因工程。

生物技术在草坪草中的应用还包括利用内生真菌来改良草坪草的建植和养护技术。内生真菌不仅为草坪草的生长提供养分，而且研究和田间实践都表明其和草坪草共生关系的建立对提高草坪草对环境胁迫的耐受性十分重要。选育良好的草坪草品种只是建植草坪的开端，科学的管理和适时的生物技术应用对于草坪的健康、稳定和延长使用期是十分重要的。水不是浇得越多越好，肥料不是施得越多越好，重要的是保持土壤中适当的通气状态、适当的水分含量和营养状况。这些状况有利于根际微生物的多样性发展。在这种状态下，虫害和病害都会大大减少。草坪草地上部分的修剪固然重要，地下枯死根、茎的清理和促进新根、新分蘖的生长也是十分重要的。已有一些生物技术措施被加以应用有利于草坪草在不断变化的环境中保持强盛的生命力。这些工作在本书的相应章节中将予以介绍。

中国幅员辽阔，自然条件复杂，蕴涵着丰富的草类植物资源，利用高新技术加以开发利用也是十分重要的。然而我国的草坪业发展较晚，草籽产业还比较落后，所以培育适于我国的优良草种，生产自己育成的品种是当务之急。大量的研究与开发工作等待我们去做，而且要付出巨大的努力才能使我国在国际草籽产业中争得一席之地。

我们在资料收集和本书的写作过程中得了许多朋友的支持、帮助和鼓励。天津大学理学院贾炜珑、山西省农科院旱地农业中心张彦芹等，园林界专家张佐双、孙百龄、袁士畴、鲁韧强、李敏、高福颖等，本实验室倪挺等多位研究生、进修人员，提供了宝贵建议和意见并做了大量工作。另外，课题研究项目（“耐旱耐寒转基因草坪草的培育”）的负责人吴锜对本书的写作和出版也给予了很大的关心和支持。朋友们的帮助和努力为本书的写作提供了基础，我们对大家的帮助表示衷心的感谢。尤其令我们深为感动的是，中国农学会名誉会长、中国草学会名誉主席洪绂曾不仅亲临实验室和草坪草试验地指导工作，还热情为本书作序，在此表示诚挚的谢意。



编者

2006年5月于北京大学

草坪草生物技术包含了什么？发展现状与前景如何？如何用生物技术改良草坪草……本书将一一阐述。本书作者根据自己多年来丰富的教学、科研和生产实践经验，以及对本领域最新动态的把握，以精炼的篇幅向广大读者介绍了草坪草生物技术中的诸多热点，如草坪草分子标记辅助育种技术、草坪草组织培养和基因转化技术、抗胁迫草坪草基因工程、抗除草剂草坪草遗传工程、草坪草发育的基因调控技术，以及其他相关的生物技术，并对转基因草坪草的生物安全性进行了讨论。本书是一部有关草坪草生物技术为数不多的著作。可以相信，翻开本书您定当受益。

本书可以作为高校草坪、园林、生物技术等专业教师、本科生、研究生的教材，同时可供相关科研人员、草业工作者阅读参考。

第一章草坪草生物技术概述1

一、草坪业发展概况1

二、草坪草的生态意义1

三、草坪草生物技术概况3

四、草坪草生物技术3

参考文献5

第二章草坪草基因组的演化7

第一节草坪草基因组学研究7

一、草坪草基因组学研究进程7

二、关于表达序列标签（EST）的研究10

三、分子遗传图谱和反向遗传学10

四、微阵列上的基因表达分析11

参考文献12

第二节草坪草基因组的演化15

一、草类基因组的演化概述15

二、简单重复序列与基因组进化16

三、杂交和多倍化与基因组进化17

四、杂交分化19

参考文献20

第三章草坪草分子标记辅助育种22

第一节生物技术及分子标记概述22

一、生物技术概述22

二、分子标记23

参考文献26

第二节草坪草分子标记辅助育种27

一、限制性片段长度多态性标记27

二、随机扩增多态性DNA标记29

三、DNA扩增指纹技术32

四、扩增片段长度多态性标记32

五、简单序列重复标记34

参考文献36

第三节自由授粉草坪草的遗传特性37

一、草坪草生殖生物学38

二、分子标记数据的统计分析38

三、遗传多样性41

参考文献42

第四节同工酶在匍匐翦股颖品种亲缘关系研究中的应用42

一、概述42

二、遗传研究43

三、遗传多样性44

四、结论44

参考文献46

第四章草坪草组织培养和基因转化技术47

第一节草坪草组织培养技术47

一、植物组织培养概述47

二、草坪草组织培养技术49

参考文献55

第二节草坪草基因转化技术59

一、基因转化技术59

二、基因转化方法的优缺点64

三、选择标记64

四、转基因草坪草生物安全性概述65

参考文献66

第三节草坪草组织培养再生系统的建立68

一、实验方法与条件68

二、试验结果与分析70

参考文献72

第四节基因枪介导的草坪草基因转化体系的建立73

参考文献75

第五章抗逆境胁迫草坪草基因工程76

第一节草坪草抗旱基因工程77

一、渗透调节物质合成酶77

二、胚胎发生晚期丰富蛋白80

三、Ring型锌指蛋白基因82

四、清除活性氧酶基因83

五、干旱胁迫与基因表达之间的信号转导途径83

六、内生真菌对草坪草抗旱性的促进作用85

参考文献85

第二节草坪草抗寒基因工程86

一、膜脂相变相关基因87

二、清除活性氧相关基因88

三、植物渗透调节物质88

四、抗冻蛋白89

五、低温诱导蛋白89

六、抗寒基因的表达调控91

参考文献94

第三节草坪草其他抗非生物胁迫基因工程96

一、草坪草耐盐性研究96

二、草坪草辐射育种100

参考文献105

第六章抗除草剂草坪草遗传工程107

一、草甘膦及其抗性基因工程108

二、草丁膦及其抗性基因工程109

三、磺酰脲类除草剂及其抗性基因工程111

四、阿特拉津及其抗性基因工程112

五、溴苯腈及其抗性基因工程113

六、其他及小结113

参考文献114

第七章抗病虫害草坪草遗传工程116

第一节草坪草病害生物防治116

一、草坪草微生物肥料防治病害概述116

二、草坪草病害生物防治机制118

参考文献123

第二节草坪草抗病基因工程124

一、草坪草抗病基因工程概述124

二、活性氧化物的产生126

三、植物抗毒素127

四、病程相关蛋白128

五、杀菌肽129

六、溶菌酶129

七、植物防御素130

八、核糖体失活蛋白130

九、木质素131

十、抗病基因131

十一、基因沉默134

参考文献135

第三节草坪草抗虫基因工程136

一、生物杀虫剂抗虫性研究136

二、转基因抗虫草坪草研究139

参考文献144

第八章草坪草发育的基因调控146

一、植物生长调节剂对草坪草生长发育的调节146

二、反义水孔蛋白151

三、内生真菌对草坪草的促进作用152

参考文献153

第九章草坪草的其他生物技术156

一、环保草坪草的培育156

二、彩色草坪草的培育160

参考文献161

第十章转基因草坪草生物安全性讨论163

一、国际上关于转基因植物安全性的争论163

二、基因漂移165

三、草坪草的基因漂移168

四、转基因植物生态风险评估169

参考文献170

结束语173

参考文献175