烟草与生物技术

翻开500年烟草历史，不难发现真正的烟草科技历史只有100年。烟草百年辉煌体现在烟草作为生物科研的模式工具不断地为推动生物技术的发展进步做出贡献；同样，随着生命科学规律的揭示和生物技术的发展，烟草的奥秘被人类一个接一个解开，烟草为人类服务的领域日益拓展，化腐朽为神奇将不再是遥远的事。烟草与生物技术共生共荣、相辅相成、与时俱进。

　　人们也许对生物科技史上的一些经典实验难以忘怀，如以豌豆为实验材料孟德尔定律的发现和1909年摩尔根以果蝇为工具发现了伴性遗传规律，并进一步证明了基因作为遗传单位在染色体上作直线排列，从而在孟德尔定律的基础上创立了基因学说。更有鲜为人知的是美国女科学家巴巴拉麦克林托克的故事，她一生以植物遗传作为自己的专业，独钟情于玉米。在上世纪40年代巴巴拉花费大量时间用玉米作材料(玉米具有各种颜色，这给遗传学研究中基因的改变提供明显证据)，依靠观察“老式”基础研究方法，发现了可以移动的遗传分子，或称“跳动基因”(移动控制基因学说)，这对人们认识生物的生长和进化过程中的细胞变异现象有深远意义。可是，巴巴拉的发现和当时占优势的观点(即基因像线穿起来的珠子一样排列不动)相悖。以至1951年夏，她在一个专题讨论会上介绍她的发现时，与会者没有一个人能够听懂。人们对这一重大发现置之不理。时隔40年后，到70年代分子生物学技术最终证实了巴巴拉的发现。在一系列遗传工程试验中科学家们发现细菌的脱氧核糖核酸确实在染色体上跳来跳去，从癌症研究到进化研究无一不受其影响。1983年巴巴拉最终成为继居里夫人和霍奇金夫人之后第三位独享诺贝尔生理和医学奖的女性。

　　当然，动植物作为生物实验的材料还有我们所熟知的小白鼠、兔、狗等。那么，为什么我们把烟草也称为生物技术的模式工具和好材料呢?对于这些我们不妨从回顾历史开始谈起。烟草作为生物技术的研究工具始于1918年，仅有84年历史，可谓年轻的烟草科学技术。但这84年中，烟草为生物科研所作的贡献却可毫不夸张的说是“功不可没”。

　　烟草光周期现象的发现有开创性作用。光周期现象指植物对周期性的，特别是昼夜间的光暗变化及光暗时间长短的生理响应特点，尤指某些植物要求经历一定的光周期才能形成花芽的现象。明确提出植物光周期理论的是美国园艺学家W·W加纳和H·A阿拉德。1920年他们发现将在美国南部正常开花的烟草移至美国北部栽培时，夏季只长叶不开花。但如果在秋冬气候变冷、白昼变短时将难以开花的烟株，由大田移入温室，最后则可以开花结实。在北方夏季用遮光办法缩短日照时数到每天14小时以下，也可使之开花。由此，他们称这种现象为光周期现象。这二位科学家当时所做的实验是巨象烟草和北京大豆在短日条件下开花的实验，他们以及其他研究人员均未意识到这一发现会对农业和科学产生冲击，会给花卉和观赏植物业带来数十亿美元的生意。事实上，光周期现象除用人工延长或缩短光照时间来控制植物开花外，还对植物茎的生长、块茎根茎的形成、芽的休眠、叶的脱落、花色素形成，甚至对低等植物、各类动物的种种行为都产生影响，所以光周期现象的发现意义重大。植物育种人员知道：除采用不同花期的材料杂交可以得到抗病、抗逆境和环境忍耐力高的植物外，光周期目前还广泛应用于林业、动物学和人类行为学研究领域。后来的研究证明，烟草属于短日植物，临界日长为14小时，即要求经历一般白昼短于一定长度、黑夜长于一定长度的时间才能正常开花的植物，而这类植物多起源于低纬度热带地区，烟草是收获营养叶作物，移到北方栽培，利用长日条件可推迟成长提高品质。

　　病毒学是上世纪中叶才独立的一个微生物学的分支学科。揭开非细胞微生物病毒奥秘的开端之一则是源于对烟草花叶病的研究。俄国科学家伊万诺夫斯基早年从事烟草病害的研究，发现患烟草花叶病的烟叶汁通过阻留细菌的滤器后，仍保留感染性，说明这种病害的病原物是可以通过细菌滤器的微小生物。1892年伊万诺夫斯基发表了有关烟叶花叶病的论文，首次记载了具有生命特征的一种新形式，随后的1 898年荷兰微生物学家贝哲林克再次发现这一事实并指出该病是一类与细菌不同的病原体引起，这是人类认识病毒的开端。贝哲林克认为：既然烟叶花叶病的致病因素极易过滤，而且能在被感染的植物组织中增殖，因此可以肯定这种物质不可能是毒素，很可能是一种具有复制能力的较低分子量的分子。因为，病毒只能在活组织中生长繁殖。所以，寻找适用的活组织培养方法成为病毒研究的重要任务。1935年美国生物化学家斯坦利经过分离获得了烟草花叶病毒结晶，即纯病毒。这一成就促进了人类对病毒结构的研究。1936年借助电子显微镜的观察，看到烟草花叶病毒(CMV)是一种杆状颗粒。以后通过化学分析才认识到病毒是由核酸和构成外壳的蛋白质组成。同样是以烟草为材料，1947年武汉大学生物系高尚萌教授发表了《从土耳其烟草和福禄草分离出来的两株烟草花叶病毒的比较研究》论文，高教授提出了“病毒的性质，特别是理化性质不因宿主的不同而存在差异”的正确看法。同年，中国最早的病毒研究室在武大创办。

　　由上可知，烟草成为开创病毒学研究的先锋工具。烟草花叶病毒也是人类研究最早和在结构及功能上全面深刻了解的病毒之一，对它的研究，导致了病毒学的发展，尤其是病原体和宿主植物关系学深入发展。

　　蛋白质是生命的基础，研究蛋白质结构和功能是分子生物学的重要领域。早在上世纪40年代，不少国家就开始了烟草蛋白质的研究开发，发现烟草比水稻、小麦、玉米和大豆等其它作物的叶蛋白含量都要高，而且营养价值很好。更为值得一提的是由于研究烟叶蛋白质的工作比较深入，从而带动了其它研究进展，这就为现代从烟草中提取蛋白和生产药物开辟了广阔前景。例如烟草蛋白质之一的组分——I蛋白是植物光合作用固定二氧化碳的关键酶；在动物生化上还具有抗氧化作用。关于组分——I蛋白的研究，直接帮助了对叶绿体及光合作用、呼吸作用机制的更深入了解。

　　细胞工程是生物工程的三大支柱之一，是指以细胞培养和细胞操作为基础，综合利用多学科技术，有计划、有步骤地改变或创造细胞的遗传物质，以达到创造新品种目的的技术。细胞工程以“细胞全能性”为理论基础。这一理论是上世纪初的1902年由德国植物学家提出植物细胞具有全能性的启蒙观点开始。经过无数生物学家的不懈努力，这一理论不仅在植物中得到验证，而且在动物上也获得成功。由此推动了细胞工程的研究和应用。所谓细胞全能性，指具有细胞核的已分化分化成器官或组织)细胞，脱离了所在器官和组织的约束，而处在游离状态；在某些营养条件和激素的作用下，就有可能脱离其已有的分化状态，由单细胞发育成为愈伤组织或胚状体，进一步再分化成再生植株。细胞工程的领域包括细胞和组织培养、花药和花粉培养、原生质体培养、细胞融合和拆装以及基因转化等。由此可见，“细胞全能性”固然是细胞工程研究的基础，但关键是一系列生物培养操作技术的配套、改进和完善。在过去的岁月里，烟草作为细胞工程的实验材料，不仅在自身的育种方面取得了成就，而且烟草的成果运用于其它作物也推动了细胞工程技术的日趋成熟。1967年在烟草和林烟草花药培养中获得花粉单倍体植株，相继在包括花烟草、粘烟草、黄花烟草、林烟草、普通烟草5个种在内的花粉培养中均获得单倍体植株。1971年先后在获得烟草花粉单倍体的基础上，重新把单倍体加倍成纯合二倍体，这些成功均受到生物学育种领域的极大关注。我国在1974年改进花药培养技术的同时，首先用花药培养方法育成单育1号烤烟品种投入生产应用；1975年和1976年又育成单育2号和单育3号烤烟品种。烟草花药培养在国际上处于领先地位。1968年世界上首先成功采用市售纤维酶和果胶酶分离原生质体；1971年首先从酶法分离烟草叶肉原生质体中培养出完整的烟草植株。用酶法分离原生质体的成功，为细胞融合奠定了基础。1969年报道了用单冠毛菊和烟草原生质体偶然融合的研究，促进了日后细胞融合研究的发展。1972年有人用粉蓝烟草和兰格斯多夫烟草的叶肉原生质体融合得到种间体细胞杂种植株，开辟了细胞融合的先河，为细胞融合技术在植物中的应用获得了实验依据。以上这些充分体现了烟草作为遗传育种的模式植物其植板率高、离体培养容易的优越性。

　　前面仅从遗传学、蛋白质研究和细胞工程三方面简单介绍了烟草与生物技术发展的渊源关系，正像豌豆、果蝇一样，烟草丰富的突变性状、生长周期短、分布广泛正是适宜用作遗传学研究的实验材料。同时作为高等被子植物，烟草有效的细胞组织培养、易于繁育、生物量大正是理想的生物工程样品。再加上烟草具有广阔的研究领域。如研究烟碱实际上涉足植物毒素的领域，烟草的烘烤和晾制是研究后熟生理：还有烟草生长调节、微量元素的研究等等，这些成果大多可运用于其它作物。2000年曾有报道：红花大金元和K326优质烟种搭载“神舟”号航天试验飞船进入太空，这不仅只是烟草育种研究，更多地则是佐证了烟草是良好的生物学研究的实验材料和工具。经历太空之旅的烟草种子在真空、微重力、强幅射条件下，会有效改变叶绿体、亚纤维结构的株型或许能产生使我们预想不到的惊喜变异。总之，过去和现在烟草研究中不断积累的丰富资料信息，将为生物技术研究提供可持续发展的有力支撑。

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