抗旱相关基因在烟草中的应用研究进展

图 2 海藻糖合成途径 Fig． 2 The synthesis pathway of trehalose．
亚基（ 56 kDa） 的 tps1 基因融合在拟南芥 Rubisco 小亚基编码基因的启动子 cts1A 下游，构建载体 转化烟草，转基因植株叶片中海藻糖的含量达到 0. 8 ～ 3． 2 mg / gDW，经过抗旱试验发现，转基因烟 草叶片、幼苗都具有较强的抗旱性。郭蓓等［23］将 从拟南芥中克隆到的 TPS 基因转化烟草，研究发 现，该基因在烟草中可以正常转录和表达，植株个 体表现良好，体内海藻糖的含量明显高于对照，并 具有较强 的 耐 旱 和 耐 盐 性。 赵 恢 武 等［24］ 将 从 大 肠杆菌中克隆的 TPS 基因转化烟草后发现，转基 因烟草的耐旱性得以增强，但转基因烟草植株的 形态发生 了 改 变。 汤 火 龙［25］ 利 用 担 子 菌 灰 树 花 海藻糖合酶基因 （ Tsase） 转 化 烟 草，通 过 HPLC / ELSD 法测得 2 株转基因烟草海藻糖含量分别为 2． 126 mg / g FW 和 2. 556 mg / g FW，而对照则检 测不出海藻糖。与对照相比，转基因烟草在形态 上发生了 明 显 的 改 变，叶 片 颜 色 变 深 绿，叶 片 增 厚，主叶脉变粗壮等。田间抗旱试验结果证明转 基因烟草的抗旱性得到了增强。Han 等［26］将来 自于凤尾菇的海藻糖磷酸化酶基因（ PsTP） 转入 烟草，经检测，转基因烟草植株中海藻糖的含量高 达到 6． 3 μmol / g，而对照中仅只有最低水平的海 藻糖含量。干旱试验表明，转 PsTP 基因的烟草植 株不仅没有发生枯萎，而且能够正常生长，而野生 型和转空质粒载体的转化植株却发生了严重的 枯萎。 1． 1． 3 甜菜碱合成途径关键酶基因 甜菜碱是 作物体内一类具有较强亲和能力的渗透调节物 质。植物体内大量甜菜碱的合成与积累能提高植 物的抗旱 能 力［27］。 研 究 发 现，在 干 旱 等 胁 迫 下， 植物体内会有大 量 的 甜 菜 碱 积 累。但 在 水 稻 、马 铃薯、烟草、番 茄 等 作 物 中，其 自 身 并 不 能 积 累 甜菜碱。所 以，将 外 源 甜 菜 碱 合 成 酶 基 因 在 烟 草 中 表 达 ，使 其 产 生 甜 菜 碱 ，可 以 提 高 烟 草 的 抗 旱性。
Abstract： Drought is one of the most important stress factors influencing the growth，development，yield and quality in tobacco． Several drought-resistance related genes can be triggered to improve drought tolerance when the plants suffer from drought stress． Many drought-resistance related functional and regulatory genes had been cloned and integrated into tobacco genome by genetic engineering method． Drought-resistance ability is improved due to the expression of foreign drought-resistance related genes in transgenic tobacco． Cloning of drought-resistance gene lays the molecular foundation for breeding drought-resistance cultivars． Systematic study on expression and regulation of drought-resistance related genes under drought stress can provide a new approach for improving drought-resistance in tobacco as well as providing genetic resources for drought-resistant breeding and variety improvement in other crops．
面综述抗旱基因在烟草中的应用，以期对烟草的 抗旱育种及品种改良提供基因资源。
1 抗旱相关的功能基因
1． 1 渗透调节物质合成途径相关基因 1． 1． 1 脯氨酸合成途径关键酶基因 脯氨酸是 存在于很多植物中的一种可溶性渗透调节物质， 通过增加植物细胞中脯氨酸的含量，可以有效提 高植物抵 御 抗 旱 胁 迫 的 能 力［12］。 脯 氨 酸 合 成 途 径如图 1 所示。
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生物技术进展 2012 年 第 2 卷 第 4 期 240 ～ 248
Current Biotechnology ISSN 2095-2341
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进展评述
Reviews
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抗旱相关基因在烟草中的应用研究进展
赵文军， 杨继周， 胡保文， 常 剑
红塔烟草（ 集团） 有限责任公司物资采购中心，云南 玉溪 653100
Key words： drought-resistance genes； tobacco； gene； transgenic gene； function genes； regulatory genes

干旱是影响烟草正常生长发育、产量和烟叶 品质的一个重要逆境因子。在干旱胁迫下，烟叶 的产量下降，中上等烟比例减少，烟叶内还原糖含 量下降，总氮和烟碱含量升高，烟叶内在化学成分 比例失 调［1］。 另 外，在 干 旱 胁 迫 下，烟 叶 中 主 要 香气物质含量减少，香气质变差［2］。我国西南地 区是烟叶的主要产区，近年来的连续干旱给烟叶 的产量和质量带来了严重的影响，也给烟农造成 了重大的经济损失。在烟叶生产过程中，干旱问 题的解决一方面依赖于现代烟草农业建设中的基 础设施建设，有效提高对现有水资源的利用率； 另
戴秀玉等［21］ 将 大 肠 杆 菌 中 的 海 藻 糖 合 成 酶 基因 ost 转入烟草，并得到了 ost 基因的表达产物， 转 ost 基 因 的 烟 草 植 株 耐 旱 性 得 到 增 强。 Holmstrom 等［22］用编码酵母海藻糖-6-磷酸合成酶
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生物技术进展 Current Biotechnology
图 1 高等植物脯氨酸合成途径 Fig． 1 The synthesis pathway of proline in higher plants．
脯氨酸在植物细胞中起渗透平衡剂的作用， 同时在渗透和脱水胁迫条件下，脯氨酸具有保护 亚细胞结构和蛋白质完整性的作用［13］。Δ1-吡咯 啉-5-羟酸合成酶（ P5CS） 是脯氨酸合成途径的限 速酶，干旱条件下其编码基因的诱导表达往往伴 随着脯氨酸合成的增加。Delauney 等［14］对脯氨 酸合成途径的研究表明： 脯氨酸的合成存在两个 不同的合成前体，在正常生长条件下，脯氨酸的合 成前体是鸟氨酸，而在干旱等胁迫条件下，脯氨酸 的合成前体是谷氨酸。为此，人们利用基因工程 技术，将外源的 P5CS 基因导入到植物中，在干旱 胁迫下，可提高植物体内脯氨酸的含量来增强其 对干旱的耐受能力。目前，将 P5CS 基因转入烟 草中以提高烟草的抗旱性已取得了 较 大 进 展。 Kishor［15］等报道，将从乌头叶豇豆中分离的 P5CS 基因导入烟草中发现，转基因植株中脯氨酸的含 量比对照高 10 ～ 18 倍，转基因烟草植株中脯氨酸 的大量合成增强了植物细胞的耐渗透胁迫能力。 Hong 等［16］将 P5CS 基因转化到烟草中，可使转基 因烟草中 P5CS 酶的表达量大大提高，对干旱、高 盐及重金属等逆境胁迫的抗性及耐受性显著增 强。支立峰等［17］将 P5CS 基因转化到烟草中，烟 草叶片中有较高水平的游离脯氨酸积累，转基因
zhaowenjun19840207@ 163． com
赵文军，等： 抗旱相关基因在烟草中的应用研究进展 241
紊乱，植 物 生 长 发 育 迟 缓，甚 至 死 亡［3］。 为 了 免 受外界环境条件的伤害，植物在长期的进化中形 成了特有的自我调节与保护机制。干旱胁迫条件 下，植物体内会启动一些基因表达，从而减轻或消 除干旱胁迫所造成的危害［4 ～ 8］。抗旱基因根据其 作用方式的不同可以分为功能基因和调控基因两 类［9］。目前，已从微生物和植物中已克隆了大量 的抗旱相关基因，并在烟草中完成了遗传转化，一 方面，烟草作为模式植物，可对各种基因的功能进 行深入研究； 另一方面，这些基因在烟草中表达， 可提高烟草的抗旱能力，有助于烟草抗旱品种的 培育。本文就从功能基因［10］和调节基因［11］两方
烟草植株 对 干 旱 的 耐 受 性 也 显 著 增 强。可 见， P5CS 基因的表达产物可以提高烟草植株细胞的 渗透调节能力。δ-OAT 基因是脯氨酸合成中鸟氨 酸途径的一个关键酶基因。Roosens 等［18］于 2002 年率先在烟草中表达 δ-OAT 基因，转 δ-OAT 基因 的烟草在非胁迫条件下合成脯氨酸的能力是对照 的 4 倍，胁迫条件下，转基因烟草植株对干旱、高 盐等水分胁迫的耐受性也得到了显著的提高。 1． 1． 2 海藻糖合成途径关键酶基因 海藻糖是 植物细胞中存在的一种非还原性双糖。当细胞受 到干旱等胁迫时，会积累大量的海藻糖。细胞内 海藻糖的大量积累能稳定蛋白质、核酸等生物大 分子的结构，保护细胞免于伤害。所以，海藻糖被 认为是生物体抵御干旱等胁迫条件的应激代谢 物［19，20］。海藻糖合成途径如图 2 所 示。海 藻 糖 合成酶（ TPS） 是海藻糖合成途径中的限速酶。将 外源海藻糖合成酶基因 TPS 在烟草中表达，可以 增加烟 草 中 海 藻 糖 的 含 量，从 而 提 高 烟 草 的 抗 旱性。
在干旱条件下，植物细胞含水量下降，对细胞 产生渗透胁迫； 活性氧自由基暴发，导致细胞膜系 统受到破坏； 透性增加，光合作用降低； 物质代谢
收稿日期： 2012-04-24； 接受日期： 2012-05-31 基金项目： 云南中烟现代烟草农业基地单元运行模式研究与推广项目（ 2010YL01-1） 资助。 作者简介： 赵文军，农艺师，硕士，主要从事烟叶生产、技术推广及现代烟草农业基地单元建设与管理。Tel： 0877-2965806； E-mail：
Progress on Application of Drought-resistance Genes in Tobacco
ZHAO Wen-jun，YANG Ji-zhou，HU Bao-wen，CHANG Jian
Materials procurement center，Hongta Tobacco （ Group） Co． ，Ltd，Yunnan Yuxi，653100，China
一方面 要 充 分 利 用 作 物 自 身 的 抗 旱 潜 力。 近 年 来，人们利用基因工程手段，已将从其他物种中克 隆的抗旱相关基因转化烟草，提高了烟草的抗旱 能力。深入研究抗旱基因在干旱胁迫条件下的表 达与调控，不仅为利用基因工程方法改良烟草的 抗旱性开辟了新途径，而且抗旱基因的克隆和应 用，也为其他农作物的抗旱分子育种和品种改良 奠定了分子基础。
摘 要： 干旱是影响烟草正常生长、发育、产量和烟叶品质的一个重要逆境因子。在干旱胁迫下，植物体内会通过激发 一些抗旱基因的表达来增强植物的抗旱能力。目前，很多抗旱相关的功能蛋白基因和调控蛋白基因已被克隆并在烟草 中实现了遗传转化，外源抗旱基因的表达提高了转基因烟草的抗旱能力。抗旱基因的克隆为烟草抗旱新品种的培育奠 定了良好的分子基础，系统深入地研究抗旱相关基因在干旱胁迫条件下的表达与调控，可为通过基因工程手段提高烟草 的抗旱能力开辟新途径，同时也能为其他农作物的抗旱分子育种和品种改良提供基因资源。 关键词： 抗旱基因； 烟草； 基因； 转基因； 功能基因； 调控基因 DOI： 10． 3969 / j． issn． 2095-2341． 2012． 04． 02