PSAG12-ipt基因转化植株研究进展

PSAG12-ipt基因转化植株研究进展

张根良1,2 王文泉2

(1华南热带农业大学农学院, 儋州571737;2中国热带农业科学院热带生物技术研究所, 海

口571101)

摘要: 叶片衰老是一种程序性死亡过程; ipt ( isopentenyl transferas ) 基因转化植株, 可以催化调控内源细胞分裂素合成, 延缓转化株叶片衰老。SAG12 基因启动子能够控制ipt 基因在植株下部衰老叶片中表达。介绍了ipt 基因和SAG12 基因启动子的来源和应用, 以及PSAG12-ipt基因的产生和转化植株在国内的研究概况。

关键词: SAG12 ipt 细胞分裂素叶片衰老叶片衰老是一种典型的细胞程序性死亡, 它表现在叶绿素、脂类、蛋白质和RNA 的减少, 有助于提高植物的适应性; 它可以作为作物选择的一个重要指标来增加作物的遗传改良潜力。目前, 对于叶片衰老的机制已经在生理生化、分子水平得到一定的阐明, 获得了一些与衰老有关的基因。并且发现在衰老进程中, 植物激素, 包括生长素、赤霉素、乙烯、脱落酸和细胞分裂素起着非常重要的作用。其中, 细胞分裂素作为植物衰老过程中的一个关键因子得到了广泛的关注。已有研究通过转化ipt 基因增加植物内源的细胞分裂素, 可以延缓植物叶片的衰老, 增强植物对非生物逆境的抗性。ipt 基因来源于土壤农杆菌( Agrobacterium tumefaciens) 的Ti 质粒, 编码一种异戊烯基转移酶, 催化和调控细胞分裂素的合成。Medford( 1989) 等[1]利用ipt 基因转化烟草和拟南芥, 用来源于玉米的hsp70 作为热诱导启动子,调控ipt 基因的表达, 受热激诱导后的转基因植物表现出叶片衰老的延迟, 细胞分裂素显著增加, 但没有诱导的转基因植物在细胞分裂素增加后, 出现了许多影响生长和发育的有害症状, 如侧芽的脱落, 茎杆和叶面积的减少, 根生长的停止等。Gan 和Amasino( 1995)

[2]采用了一种全新的策略来转化ipt基因, 利用细胞分裂素的自调控来减缓转基因烟草叶片的衰老, 而不改变其它的表型性状; 转化的ipt基因处于高度特异的-与衰老相关启动子SAG12 的控制之下, 融合的PSAG12-ipt 基因只在衰老的底部成熟叶片中表达。简要介绍了ipt基因编码特性和SAG12 启动子在ipt 表达中的作用, 以及表达基因在转化植株中的应用。

1 叶片抗衰老基因ipt 的产生和作用

植物激素在植株生长和发育中具有重要的作用, 其中细胞分裂素参与了细胞分裂的调控、延缓衰老和促进侧芽的生长; 这使研究学者试图通过改变内源细胞分裂素含量来控制这些过程。但是植物本身的细胞分裂素合成相关基因并没有分离得到,使得根癌农杆菌中的ipt 基因得到了广泛的关注。1984 年Akiyoshi 等从根癌农杆菌中将编码异戊烯基转移酶( ipt)的基因分离了出来, 并阐明了异戊烯基转移酶是细胞分裂素生物合成步骤中的一个关键限速酶, 它促

使△2-磷酸PPi 与AMP 结合形成磷酸AMP, 接着被快速转化成异戊烯基腺苷和异戊烯基腺嘌呤; 经过细胞分裂素氧化酶作用最终分别形成玉米素核苷和玉米素ipt 基因从农杆菌中分离, 导入植物基因组中所产生转基因植株, 观察发现组织细胞分裂素含量增加, 叶片衰老延迟。但是植株形态也发生了变化; 例如转基因植株芽不萌发, 没有顶端优势, 叶片小而圆, 不形成根等。引起这些变化的主要原因就是ipt 基因在植株中的表达没有控制, 使细胞分裂素合成过剩, 从而影响了植株的生长。为了解决植物组织中细胞分裂素过量表达的问题, 研究学者用了许多组织特异性启动子和可诱导启动子来表达外源ipt 基因, 如热激启动子、铜诱导启动子等, 均获得了相应的抗衰老植株; 这些转基因植株能够产生正常的根系, 但植株通常矮小, 并且有大量腋生芽。激素分析显示, 转基因植株内的激素水平仍高于对照植株的激素水平。这些研究仅局限于实验室, 限制了抗衰老遗传转化工程在农业生产上的应用。

2 SAG12 启动子在转ipt 植株中的应用

1994 年Lohman 等从拟南芥中分离得到一组衰老相关基因( SAGs) , 研究证明其中编码半胱氨酸蛋白酶的SAG12 基因表达产物只存在植物下部衰老叶片中, 在嫩叶中并没有发现。说明SAG12 具有高度的衰老特异表达特性。SAG12 基因启动子( PSAG12) 活性受到叶片衰老过程和细胞分裂素含量的调控。当叶片开始衰老、细胞分裂素含量下降时, PSAG12 被激活, SAG12 基因表达; 随着叶片细胞分裂素含量的增加, 叶片衰老进程被抑制, PSAG12 又逐渐被抑制。因此, 人们开始利用PSAG12 来控制ipt 基因的表达。根据PSAG12 衰老特异表达特性, 使ipt 基因在PSAG12 驱动下在植物衰老叶片中表达, 有效调控内源细胞分裂素含量, 在不影响植株正常发育的前提下, 达到延缓叶片衰老的目的。

1995 年Gan 等把SAG12 特异启动子与ipt 构建形成PSAG12-ipt 嵌合基因, 通过根癌农杆菌介导转化烟草获得转基因植株。经研究发现这种新型转基因植株与野生型相比, 叶片衰老明显延迟, 花数和生物量也有所增加; 但形态方面无明显差别, 根系发育完全, 顶端优势得到保持, 在生理方面也表现出光合作用延长。同时, 还对PSAG12-ipt 和PSAG12-gus转化株的GUS 活性进行了比较。结果表明, 前者的GUS 活性的提高明显比后者缓慢, 说明PSAG12-ipt 自调控系统确实起到了自动调节的作用。PSAG12-ipt 自调控系统具有低水平表达、自动调节表达的优点, 不需要耗费巨大的人力物力, 就可能实现延缓作物衰老, 提高产量。这些都为转基因植株农业推广奠定了基础。

3 PSAG12-ipt 转化植株和衰老调控

编码细胞分裂素生物合成限速步骤合成酶———异戊烯基转移酶( isopentenyl-transferases) 的基因首先在根癌农杆菌(Agrobacterium