※专题论述 食品科学 2008, Vol. 29, No. 12 769 唐劲松，刘 靖* ，张璟晶，殷尔康 (江苏畜牧兽医职业技术学院食品科技系，江苏泰州 225300) ：基因工程技术给果蔬加工业带来了新的革命，本文综述了基因工程在果蔬加工诸多方面的应用，并对基 因工程在果蔬加工中的应用前景作了展望。 ：基因工程；果蔬生产加工 Application of Genetic Engineering in Fruit and Vegetable Processing TANG Jin-song ，LIU Jing* ，ZHANG Jing-jing ，YIN Er-kang (Department of Food Science and Technology, Jiangsu Animal Husbandry and Veterinary College, Taizhou 225300, China) Abstract ：The genetic engineering technology has given a new revolution to fruit and vegetable processing. The widespread applications of genetic engineering in processing of fruit and vegetable in recent years were summarized in this paper, and the future development was finally prospected. Key words ：genetic engineering ；processing of fruit and vegetable 中图分类号：TS255.3 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2008)12-0769-05 21 世纪已经进入了生物技术的时代，各种新型生物 样性不断遭到破坏或丧失，而且数量巨大。利用基因 技术的应用为整个人类社会增添了丰富新颖的内容。基 工程技术把禁锢在种质库中的有用基因发掘出来并加以 因工程作为生物技术领域的先导技术，正以日新月异的 利用，可以有效地保护果蔬种质资源。 方式快速发展，已经渗透到了农业和食品工业的相关领 1.1 遗传多样性的保护 域。基因工程是指按照人类的需要，用现代遗传学及 植物的遗传多样性不但是维持其繁殖活力、抗病虫 分子微生物学的理论与方法，特别是用D N A 重组技 害能力和适应环境变化的基础，也是人类改良、创造 术，将生物基因组的结构或组成在体内或者体外进行人 新品种的源泉。保护果蔬遗传的多样性，首先要确定 为修饰、改造或重新组合，然后通过载体把新的DNA 种群保护和利用的优先级，优先保护遗传多样性大的种 重组分子导入另一种生物的细胞中，从而改变生物的结 群；其次，保护具有特殊等位基因的种群；第三，防 构和功能，改造生物品种或生产新的转基因产品[1] 。果 止近交衰退和远交衰退。研究果蔬的遗传多样性离不开 蔬加工作为食品工业中的重要领域之一，同时也是基因 基因工程技术这一主要手段，Prince 等用限制性段长度 工程的重要应用领域。基因工程在改良和培育具有优良 多态性技术(RFLP)和随机扩增多态性技术(RAPD)分析辣 性状的水果、蔬菜，如培育抗病虫害、抗除草剂、耐 椒属中间的遗传多样性，建立了辣椒指纹和鉴定相近的 盐抗旱的品种，改良果蔬的加工品质，提高营养物质 辣椒基因型[2] 。Huang 等采用简单序列重复技术(SSR)分 含量以及品质检测等方面应用广泛。 析了辣椒、烟草和马铃薯的遗传多样性[3] 。沈向等通过 对43 个杏品种进行了RAPD 分类研究，表明品种间地理 1 基因工程在果蔬种质资源保护中的应用 [ 4 ] 分布集中性十分明显，并且有广泛的遗传信息交流 。 根据种子法第74 条规定，种质资源是指选育新品 黄聪丽等利用RAPD 方法，对个花椰菜品种的基因组进 种的基础材料，包括植物的栽培种、野生种的繁殖材 行遗传多样性分析。选用20 个10bp 随机引物，共扩增 料以及利用上述繁殖材料人工创造的各种植物的遗传材 出条175 条DNA 片段。其中多态性片段118 条占67.4%， 料。20 世纪以来, 随着新品种的大量推广竞技宝JJb、人口增长、 这表明花椰菜品种间具有丰富的遗传多样性，进一步依 环境恶化以及经济建设等方面的原因，作物遗传资源多 据扩增结果进行遗传相似系数分析，构建了聚类分析树 收稿日期：2008-07-20 作者简介：唐劲松(1971-) ，男，讲师，本科，研究方向为食品生物技术。E-mail ：tjs310@ * 通讯作者：刘靖(1967-) ，女，副教授，博士，研究方向为食品生物技术。E-mail ： norman_qjz@ 770 2008, Vol. 29, No. 12 食品科学 ※专题论述 [5] 花数性状定位的研究结果比较彼此之间均有很大的差 状图 。宋洪元等利用RAPD 标记对17 个结球甘蓝品种 进行了分析。所有品种经 12 个引物扩增后，发现利用 异，说明数量性状由多基因控制很复杂,研究手段与结果 其中4 个引物在17 个品种间所扩增出的多态性标记可将 不稳定[11] 。卫丽等采用AFLP 标记与BSA 技术相结合的 全部品种鉴别。1 7 个品种的遗传多样性分析显示，秋 方法,对由显性核基因控制的番茄野生种抗白粉病抗性进 冬甘蓝品种内的遗传差异较春甘蓝品种内更大。因此， 行了研究，找到了与番茄抗白粉病基因连锁的6 个AFLP 为保持结球甘蓝多样性，将更多的遗传资源用于春甘蓝 标记[ 1 2 ] 。 品种选育是必要的[ 6] 。 1.4 基因转化技术的应用 1.2 物种迁移中的应用 在果蔬生长过程中，病虫害历来都是严重威胁其产 植物物种的迁移和定居受人类活动的影响，确定植 量与品质的首要因素。基因转化技术不仅可以加快抗病 物种群在源发地和定居地的遗传变异及其原因，有助于 育种进程，而且可以将多个抗病基因导入目的果蔬中， 种质资源多样性的格局和育种选择的实践。在研究植物 解决常规育种种质资源匮乏的难题。植物遗传转化技术 物种迁移历史和遗传变异中，基因工程技术是一个有效 可分为两大类：一类是直接基因转移技术，包括基因枪 的研究工具。通过对种子贮藏蛋白的多态性的研究，可 法、原生质体法、脂质体法、花粉管通道法、电激 以确认大多数自然种群内存在表型无法观察到的大量基 转化法、PEG 介导转化方法等，其中基因枪转化法是代 因变异，种子蛋白的高度多态性已用于种群内、外遗 表。另一类是生物介导的转化方法，主要有农杆菌介 传多样性及其空间的分布格局[7] 。PCR 扩增在草本植物 导和病毒介导两种转化方法，其中农杆菌介导的转化方 和木本植物的地理起源和分类特征研究中也获得了成功 法操作简便、成本低、转化率高，广泛应用于双子叶 的应用。 植物的遗传转化。谭洁等人通过农杆菌介导法将烟草 1.3 遗传标记技术的应用 NPKI 基因导入辣椒中，以增强辣椒抗逆性[13] 。丁玉梅 遗传标记作为基因型的易于识别的表现形式，在植 等通过农杆菌介导法将Bt 基因的Cry1Ab 类型导入马铃 物种质资源的研究和育种工作中有着十分重要的地位。 薯中，以期获得高抗虫性的马铃薯基因工程植株[14] 。孔 应用较为广泛的遗传标记有形态标记、细胞标记、生 庆军等采用根癌农杆菌介导法将几丁质酶基因和葡聚糖 化标记和分子标记。前三种标记都是基因表达的结果， 酶基因导入新疆伽师瓜中，经过卡那霉素的抗性筛选， 是对基因的间接反映，其可利用的多态位点较少，多 获得了转化的再生植株[15] 。 态性较差，易受环境条件的影响。分子标记是以DNA 1.5 基因克隆的应用 多态性为基础的遗传标记，又称为分子诊断技术。由 基因克隆是利用体外重组技术，将特定基因的 于DNA 分子标记相对于传统的遗传标记具有理论上标记 DNA 顺序插入到载体分子中，并让其表达的一种生物 数目无限、不受环境因素的影响、可在整个基因组范 工程技术。基因克隆的主要目标是识别、分离特异基 围内搜索数量性状基因座、可用于研究数量性状遗传规 因并获得基因的完整序列，阐明其生化功能，并明确 律等优点，使它的应用越来越广泛。目前最常用的分 其对特定性状遗传的控制调节关系。运用分子生物学技 子标记有RFLP 、AFLP 、RAPD 、SSR 、ISSR 、SNP 术克隆与植物抗病、抗虫、抗除草剂、抗逆、高产、 等。Chyi 等利用甘蓝型油菜甘蓝中的10 个基因组特异 高营养、育性及其他与植物发育相关的许多基因。王 探针对芸薹属6 个种进行RFLP 分析，发现3 个二倍体 春香等从感染了病的烟草叶片中分离纯化了马铃薯x 病 种的基因组存在部分同源性，并且认为甘蓝型油菜是多 毒，克隆了完整的马铃薯x 病毒外壳蛋白基因，并将外 元杂交起源的[8] 。Warwick 和Black 用cpDNA 探针对芸 壳蛋白基因转入马铃薯中，以期获得抗该 病毒的栽培种 薹属植物进行了RFLP 分析，结果将芸薹和甘蓝归为一 马铃薯[16] 。李季等采用RT-PCR 方法从番茄果实cDNA 个进化谱系，二者的共同祖先与野生甘蓝接近，而黑 中克隆了番茄LeEIL1 基因，初步确定了该基因上的DNA 芥属于另一个进化谱系，并发现黑芥与白芥亲缘关系更 结合功能域及其结合激活位点，为该基因的功能研究奠 近[9] 。赵凌侠等对番茄属9 个种的43 份材料进行了RAPD 定了基础[17] 。许志茹等利用UV-A 处理津田芜菁( Tsuda 分析，将番茄属分为4 个类群。通过对遗传丰度、遗 turnip)和赤丸芜菁(Yurugi Akamaru turnip)块根24h 后提 传离散度、基因杂合度和Shannon 表型多样性指数的分 取总RNA ，通过RT-PCR 方法克隆了BrF3H 基因。津 析，得出结论为野生类群的遗传多样性大于普通番茄类 田芜菁和赤丸芜菁的F3H 基因完全相同。BrF3H 的开 群，这表明在野生类群中存在着较为丰富的可用于番茄 放读码框为1077bp ，编码358 个氨基酸。氨基酸序列 遗传育种的遗传资源[10] 。刘杨等应用SSR 标记构建了番 分析显示，BrF3H 与甘蓝型油菜(Brassica napus )F3H-1 茄的遗传连锁图谱也鉴定出2 个控制每序花数的基因， 的同源性为99%[18] 。王燕等从核桃中克隆得到苯丙氨酸 分别在第2 和5 染色体上，其结果与很多学者关于控制 解氨酶基因cDNA 片段，并命名为JrPAL ，并发现JrPAL ※专题论述 食品科学 2008, Vol. 29, No. 12 771 与其他植物的PAL 基因高度同源。克隆JrPAL ，可为 夏外源凝集素等[26-27] 。 利用基因工程技术调控核桃黄酮化合物的代谢提供基因 2.1.2 抗微生物病害 资源[ 1 9 ] 。 病毒、细菌和真菌都是农业生产上的主要病害， 1.6 离体培养技术的应用 据统计，全世界马铃薯每年因细菌性病害减产25% ，约 离体培养又称为植物组织培养，它是以植物生理学 损失40 亿美元。对于微生物性病害，其途径之一就是 为基础发展起来的一项技术。它是指在无菌和人工控制 将病原菌基因导入植物细胞，使其过量表达或表达式去 的环境条件下，利用适当的培养基，对离体的植物器 原有功能的蛋白，从而干扰病原菌的正常生理代谢，使 官、组织、细胞及原生质体进行培养，使其再生细胞 寄主植株表现出抗性。Hamilton 于20 世纪80 年代初首 或完整植株的技术。植物的转化基因操作需要高效、稳 先提出了基因工程保护的设想，在转基因植物中表达病 定的再生体系，因此，在果蔬中通过遗传转化手段进 毒基因组序列可能是防御病毒侵染的途径之一。1986 年 行品种改良时，利用组织培养技术建立果蔬的再生系是 美国把烟草花叶病毒TMV 的外壳蛋白基因转移到番茄体 十分必要的。陈琴芳等以丰香和章姬叶片为试材，研 内，培育出抗烟草花叶病毒的西红柿之后，抗黄瓜叶 究影响不定芽再生的诸多因素，建立了简单、快速、 病毒的转基因植株也陆续获得成功。王苏燕等利用核酶 高效的叶片离体再生体系，为草莓的遗传转化研究与应 等策略在转基因油菜中产生了对花椰菜花叶病毒CaMV 用奠定基础。结果表明，对某一特定的基因型来说， 的高度抗性[ 2 8 ] 。 外植体类型和外源激素种类对其再生芽发生频率和数量 2.1.3 抗寒能力 都有明显的影响[ 2 0 ] 。余小林等以子叶、叶柄、下胚轴 近年来从冷敏植物中已分离鉴定了许多抗寒有关的 等外植体经直接器官发生途径建立了再生体系[21] 。丁建 基因，但是对这些基因是如何调控的仍然不是很清楚。 庭在总结茄子离体培养的研究现状中，总结出利用茄子 1993 年，Mckersie 用根癌农杆菌介导，获得了转Mn 离体培养过程产生的无性变异加以低温选择，增强植物 S O D 的苜蓿，并且转基因植株对冻害的抗性虽增，其 对低温的抗逆性，光照、糖、渗透压等对茄子离体培 后代在冻害胁迫后生长比没有转基因植株快得多，表明 养也有很大影响[2 2] 。 M n S O D 抑制无氧自由基产生，从而提高抗寒能力。 2 基因工程在果蔬加工原料品质改良中的应用 Hsieh 将拟南芥的CBF1 基因转入番茄，转基因番茄叶片 中的过氧化氢酶的活性比对照显著提高，H2 O2 含量比对 2.1 抗性改良 照明显降低，转基因番茄的抗寒性和抗旱性也得到明显 2.1.1 抗虫害 的提高[ 2 9 ] 。 全世界每年因虫害所造成的农作物减产损失高达数 2.1.4 抗除草剂 千亿美元，因此有效防治害虫一直是农业领域的重点。 近年来关于除草剂的作用机理和生物对除草剂抗性 植物基因工程的快速发展为农业虫害的防治带来了革命 机理的研究日益深入，这为应用基因工程技术培育抗除 性的变化，世界范围内已有多种抗虫转基因作物商品 草剂植物新品种奠定了坚实的基础。应用基因工程技术 化。目前常用的抗植物虫害基因主要有苏芸金杆菌杀虫 培育抗除草剂植物主要有两种策略：(1)修饰除草剂作用 结晶蛋白基因、豇豆胰蛋白酶抑制剂基因、植物凝集 的靶蛋白，使其对除草剂不敏感或促使其过量表达以使 素基因、淀粉酶抑制剂基因等。198 7 年研究者将苏云 植物吸收除草剂后仍能正常代谢；(2) 引入降解除草剂的 金杆菌的内毒素基因转入番茄、马铃薯等果蔬中，使 酶或酶系统，在除草剂发生作用前将其分解。1986 年， 之具有了自身抗虫能力。宋萍等从土壤中分离得到苏云 Shah 从抗草甘膦的碧冬茄MP4-G 细胞系中分离到能产生 金芽胞杆菌WZ-9 ，其对马铃薯瓢虫的幼虫有特异杀虫 过量EPSPS 的aroA 基因，与CaMV35S 启动子构成嵌合 活性，生物活性测定表明，WZ-9 菌对马铃薯瓢虫2 龄 基因后,用土壤农杆菌转化碧冬茄，获得了抗除草剂转基 幼虫72h 校正死亡率达100%[23] 。Hilder 等发现转GNA 因植株。潘良文等应用PCR 技术，测试抗草丁膦杂交 基因的烟草减少了桃蚜的生长发育和繁殖力，这都表明 油菜籽中转入的外源抗草丁膦除草剂基因竞技宝JJb，通过PCR 产 转植物凝集素基因的植物能够抵抗害虫的侵害[24] 。李友 物进行克隆和测序，建立检测转基因抗草丁膦油菜籽的 莲等研究结果发现，马铃薯凝集素对桃蚜的生长发育有 技术和方法[ 3 0 ] 。 强烈的影响，如能将其基因转入到桃蚜取食为害的植物 2.2 组成优化 中，则可大大减少化学农药的使用[ 2 5 ] 。抗病虫害基因 在植物食品品质的改良上，基因工程技术得到了广 的植物凝集素基因有雪花莲凝集素、豌豆凝集素、麦 泛的应用，并取得了丰硕成果。用基因工程的方法可 胚凝集素、苋菜凝集素基因及核糖体失活蛋白基因、半 以方便地改变油料作物的油脂组成及含量，以使其更加 772 2008, Vol. 29, No. 12 食品科学 ※专题论述 适于食用或加工的需要。如通过导入硬脂酸2ACP 脱氢 先导入农杆菌中，再以这种菌感染子叶，基因转至番 酶的反义基因，可使转基因油菜种子中硬脂酸的含量从 茄染色体中，转基因后的再生植株能产生反义 2% 增加到40% 。而将硬脂酰CoA 脱饱和酶基因导入作 PGRNA ，其纤维素酶的活性降低70% ～90% ，而且易 物后，可使转基因作物中的饱和脂肪酸( 软脂酸、硬脂 于保存，无需冷藏，货架期延长，风味增加，并有 酸) 的含量有所下降，而不饱和脂肪酸( 油酸、亚油酸) 抗虫害能力。在果蔬加工工艺的改进中，可以通过基 的含量则明显增加，其中油酸的含量可增加7 倍。高油 因工程技术改变加工中所使用的微生物和酶的性质来实 酸含量的转基因大豆及高月桂酸含量的转基因油料作物 现。在果蔬中用量较大的复合酶制剂是软化酶，又名 芥花菜在美国已经成为商品化生产的基因工程油料作物 粥化酶，其包含了果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶、蛋 品种。通过基因工程技术也可以改变植物食品中淀粉组 白酶、淀粉酶等，为提高该酶生产得率，通常采用的 成及含量。例如在马铃薯上利用淀粉合成酶GBSS 基因 方法是对产生该酶的黑曲霉进行常规诱变，其随机性和 的反义基因抑制了该酶的活性，使反义转基因马铃薯中 不稳定性给研究带来了很多不确定性。针对该种情况， GBSS 的活力降低了70%～100%，而另一形式的淀粉合 基因工程技术便显现出其专一、高效的特点。通过对 成酶则不受影响，从而获得了支链淀粉含量很高或完全 特定基因功能的鉴别，使用基因工程来诱变育种或导入 不含直链淀粉的马铃薯，而通过反义基因抑制淀粉分支 相关的基因，以靶向改良酶的活力。在葡萄酒的生产 酶基因则可获得完全只含直链淀粉的转基因马铃薯。向 中，研究者把乳酸菌的苹果酸- 乳酸酶(MLE)基因通过遗 植物导入甜蛋白基因，已在番茄、莴苣中得到表达。 传转化导入酿酒酵母中，使酿酒酵母同时具有了酒精发 这种高甜度、无毒安全、低热量的甜蛋白是食品和饮 酵和苹果酸- 乳酸发酵的能力。 料工业中理想的甜味剂。R o t i n o 等将丁香假单胞菌的 4 基因工程在果蔬加工产品检测中的应用 iaaM 基因置于金鱼草Def H9 启动子控制之下，转化茄 子之后，使得转基因茄子在阴性对照植株不能结果实的 基因工程在果蔬加工品的监测中应用广泛，目前应 恶劣环境条件下也能够坐果，而且其果实的体积与重量 用最多的是PCR 技术和基因芯片技术。PCR 技术主要通 与对照植株在授粉条件下所产生的果实相同[31] 。 过PCR 扩增相应的DNA 片段，可以快速、灵敏地检测 2.3 风味改良 果蔬产品中的有害微生物和植物源性成分。朱海等采用 基因工程在果蔬产品风味改良上的应用研究较少， 荧光定量PCR 检测与传统分离培养法检测果蔬中的O157 : 还处于起步阶段。在改善草莓风味的研究中，科学家 H 7 ，结果表明PCR 更加灵敏，检出率比传统方法更高 们发现了至少与280 种香味化合物有关的基因，其中一 [34] 。陈文炳等应用PCR 技术鉴定果蔬和果汁饮料中成 种基因可产生出一种酰基转移酶，当与醇酸类物质组合 分，研究结果表明单PCR 技术和二重PCR 技术具有快 时便可以生成又甜又香的之类化合物；另一种甲基转移 速、简便、灵敏度高、特异性强等优点[ 3 5 - 3 6 ] 。基因芯 酶可有助于产生丁香子酚，其便是野生草莓所散发出的 片因其信息量大、操作简单、可靠性好，重复性强等 清香气味[32] 。应用基因工程改良果蔬类产品的风味，更 优点，应用在果蔬产品的快速检测中，是鉴别有害微 多的是作用于一些酶类和微生物类，可以通过调控类萜 生物和转基因成分最有效的手段之一。Volokhov 等[37]通 合成酶基因的表达特性以及操纵类萜生物合成途径提高 过单管复合体扩增和基因芯片技术检测和鉴别6 种李斯 [33] 产量，利用代谢调控的方法改良果蔬的风味 。在番茄 特菌。徐晓静等[38]应用基因芯片对涉及4 个菌属的23 株 中转入异源仙女扇芳樟醇合成酶(LIS)基因，在果实成熟 肠道菌在相同的条件下进行了杂交检测，得到菌属特异 后期启动子(E8 启动子) 的调控下引起成熟期S- 芳樟醇和 性的杂交图谱，从而达到对细菌进行检测鉴定的。 8- 羟基- 芳樟醇的累积。在果蔬的发酵产品中，可以通 转基因食品的安全性一直以来都是人们争论的焦 过乳酸菌风味代谢物质的基因调控来改良产品的风味。 点，其安全性备受关注。要测试果蔬中是否含有基因 美国ESCA Agenetics 公司的专利技术Phyto Process ， 改造成分或是否经基因改造，主要有两个方法：(1) 找出 是用离体培养香草植物细胞的方法制备出了含85% 香草 是否具有外来的基因或DNA ；(2)找出是否具有外来的蛋 醛的香料，该产品具有天然香草的香味。 白质。目前使用最多的是第一种方法。具体的检测方 法主要有：PCR 技术、斑点印迹法、Southern 印迹法、 3 基因工程在果蔬加工工艺改进中的应用 基因芯片法以及从蛋白质水平出发的ELISA 方法。 采用转基因方法可以控制果实软化、延缓蔬果成 5 基因工程在果蔬资源综合利用的应用 熟，从而影响后续的加工工艺。1988 年，美国Calgene 公司Sheey 等将构建了含35SCaMV 和反义PGDNA 基因， 果蔬综合利用是根据各种果蔬不同部份所含成分及 ※专题论述 食品科学 2008, Vol. 29, No. 12 773 特点，对其进行全植株的高效利用。使原料各部分所 性状的QTL 定位[J]. 南京农业大学学报, 2005, 28(4): 30-34. 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