对于基因工程学者来说，树木通常是属于未涉足的领域，由于它们具有高大的躯干，缓慢的生长速度以及巨大的基因组（比人类的基因组大10倍以上），因此，转基因方法对于树木，特别是森林中的树木来说前景并不乐观，而这一方法对于改造像西红柿之类的小型植物是行之有效的。一位专门研究树木的北卡罗来纳州立大学的分子生物学家罗纳德 · 塞德罗夫（Ronald Sederoff）说：“树木的育种就像再造农业。”“玉米和小麦已经经历了5000~10000代的人工栽培和选择性繁殖，而最先进的森林树种的育种计划却只进行了3代。”然而，用基因改造森林树木的下一代可能来得会更快。

在过去的4~5年间，基因图谱技术的进展为研究人员提供了新的研究工具来快速识别具有所需特性的树木。例如，快速生长和抵抗疾病及低温的特性，这些特性可以通过传统方法用于培育改进的树种。基因图谱这项研究最终可以使我们分离出带有所需特性的基因并通过基因工程方法使其直接进入到靶树种中去。用转基因方法改进树木的可行性已经得到了证实，虽然所用基因不是来自树木。

这种研究的实际效果可能包括产生生长快速的树木，这样可以降低成本生产更多的纸张。而更大的收获还可能会生产出作为高级燃料的木材和产生对疾病、干旱及寒冷更具抗性的果树品种。的确，比利时根特大学的植物分子生物学家马克 · 范 · 蒙塔古（Marc Van Montagu）把树木的基因工程描述为在商业中“最具有前景的。”

尽管大部分植物遗传学研究是在小型的，短期生长的种类中进行的，但树木并没有被完全遗忘。事实上，第一个基因工程树种——携带杭阻碍树木生长化学剂的基因的杨树早在10年前就生产出来了，并用同样的转基因方法对季生植物进行了研究。但是尽管早期的实验证明树木可以用于基因工程的研究，然而，所做的工作甚少。

问题之一是研究人员想导入树木中的许多特性本身是由树木的基因编码的，而当时没有有效的方法来追踪这些基因。基因组的大小，特别是繁殖时间的长久（通常10~20年才达到性成熟），使得经典遗传学研究变得很困难，包括通常用于定位基因的重复回交。正如美国农业部的加里福尼亚的伯克利森林遗传学研究所的戴维 · 尼尔（David Neale）指出的那样，“树木是不合作的实验有机体。”

然而，由于一种用于鉴别的“标记”（即个体之间不同的DNA序列）的新技术的发展，使得这种情况开始改变。标记能够帮助定位所需的基因，因为一直与一个标记遗传下去的某个基因必定是与标记位于同一染色体的附近。

寻找树木标记的一个方法——随机扩增多态DNA（RAPD）方法是由德拉瓦州维明顿的——农产品研究室的斯科特 · 廷吉（Scott Tingey）的研究小组于1990年发明的，研究人员用这种方法首先合成了随机十个核苷酸长的DNA序列（“tenmer”）作为引物对来自靶树种的DNA片段进行酶学扩增。

为了了解这些随机扩增序列是否有作为标记作需的序列变异，必须对它们进行筛选。这一过程在很大程度上借助于针叶树种子的某一特性，在种子中，树木的胚胎由减数分裂产生的组织所包围，它形成了雌胚细胞（雌配子体），结果，雌配子体组织仅携带母体的基因并且是单倍体，仅含有一套染色体而非在普通体细胞中的两套。

接着研究人员通过对几个种子的雌配子体组织分析并找出一半的种子中所含的某一序列来确定哪一个可作为标记。这表明两套原始的染色体含有不同的序列变异，而仅有其中之一被RAPD扩增，这种序列就可作为标记。尽管建立图谱需要许多标记，但寻找它们很容易。塞德罗夫说：“你可以用成千上万个随机+核苷酸序列引物，每一个引物都能扩增一套不同的片段，事实上产生了无数套标记。”

一旦有了标记，很容易建立图谱——这一任务就是观察标记在其它树种中是如何遗传的，在针叶树中，就是寻找在同样种子中经常伴随雌配子体组织一起遗传的那些标记，这样就有可能迅速建立一个遗传图谱。RAPD技术也可用于确定非针叶树种以及开花被子植物中的标记。

事实上，RAPD方法产生的标记很快证明了它们自身的特点。在1992年，位于温哥华的英属哥伦比亚大学的约翰 · 卡尔森（John Carlson）领导的研究小组报道了他们使用该技术建立了云杉的遗传连锁图谱。与此同时，北卡罗来纳州立大学的塞德罗夫研究小组使用RAPD建立了火炬松的遗传图谱。火炬松是美国种植最广泛的商业树种。

RAPD标记并非是建立树木图谱人员的唯一工具，大约在3年前，荷兰瓦赫宁根的Keygene生物技术公司的马克 · 扎贝（Marc Zabeau）研究成功的第二项技术，已开始助他们一臂之力，尽管此项技术仅能用于那些已建立了育种计划并有可供分析的所需资料的多年生的少数几种森林树种。

扎贝的方法称为扩增片段长度多态性（AFLP），这一方法是用限制性酶把基因组DNA切割成片段，接着扩增所选择的片段。然而不像RAPD技术那样使用随机引物扩增，AFLP使用已经设计好的长度相差一到几个碱基的引物进行扩增。因为扩增时引物和所选DNA之间键的连接是非常特异的，因此，引物可以区分仅相差一到二个碱基的DNA片段。

尽管AFLP的研究不如RAPD标记的研究时间长久，但是这一较新的技术已经证实了它自身的特性，例如通过对已经在种植园栽培的生长快速的杂交杨的研究，范蒙塔古研究小组的玛丽亚，特雷莎 · 塞韦拉（Maria Teresa Cervera）已经证明与抗真菌锈病连锁遗传的AFLP标记至少已能追踪2代。

现在的目标之一是利用这些新的建立图谱的程序来挑选育种工作人员所要繁殖的树木，因为它们携带所需特性的基因。直到最近，育种工作人员还是仅靠种植树木来观察它是否具有某个基因所赋予的特性来识别是否有某个基因。这不仅花费很长时间，而且其结果也可能由于温度、湿度以及其它环境因素引起的变化而造成混淆，因为这些因素也影响着树木生长的好坏以及对疾病的敏感性。塞德罗夫说：“知道繁殖哪些树在树木生长技术中是一个主要问题。”

但是一旦筛选出RAPD或AFLP标记与某一特性相连锁，要知道它们是否已经存在于所需特征的树木中，研究人员可以通过对标记进行筛选来找出携带这一基因的树木。因为筛选可以在幼树甚至在胚胎组织中进行；因此，它能加速选择性育种工作，使得这一古老的技术能够用于更多的树种。芬兰Oulu大学的欧蒂 · 萨瓦兰嫩（Outi Savalainen）说：“一个致密的标记图谱对树木育种工作人员是非常有用的，他的研究小组已经鉴定出了苏格兰松耐寒的标记，并正在利用这些标记来鉴定能够在北极圈生存的树种。

不过，研究人员最终想用这些标记来给那些具有潜在应用价值的基因定位，以便把它们克隆出来，就像人类致病基因通过这些“位置克隆”方法被分离出来一样。同样的或不同的树种的改良品系就可能用基因工程方法把这些树种的基因注入到缺失的个体中而得到改造。两个研究小组最近已朝着该目标迈出了第一步，他们利用RAPD标记对树木中的抗病基因进行了定位。

去年3月，美国农业部的尼尔和澳大利亚联邦科学与工业研究机构的同事们在《国家科学院院刊》上报道说，他们已经把几个RAPD标记与一种松树（Sugar Pine）中的某一基因连锁起来，这种松树能够抵抗称之为白松疮状锈病，一种引起灾难性流行的真菌病。在一项未报道的研究中，塞德罗夫和其北卡罗来纳州立大学，乔治亚雅典的美国农业部森林服务处以及新西兰森林研究所的同事们在火炬松中定位了一个抗梭形锈病的基因，这种病菌是另外一种重要的真菌病原体。

但是尽管两个研究小组已经缩小了他们所寻找的基因位置的范围，然而他们仍然不得不寻找大量的DNA来确定和克隆靶基因。事实上，研究人员估计要花5年或5年以上的时间来追踪抗病基因。但是通过树的嫁接以及过去对它们改进所做的努力，5年是一个很宽松的时间。

（Science，1996年2月9日）