植物抗逆基因研究进展_杨柳

植物抗逆基因研究进展

杨　柳1,2,张振乾1,2,宋继金3,谭太龙1,2,官春云1,2,刘忠松1,2

(1湖南农业大学农学院,长沙410128;2国家油料改良中心湖南分中心,长沙410128;

3芷江县农业局粮油站,湖南芷江419100)

摘　要:干旱、高温、低温、高盐等极端条件对植物生长造成严重的危害,对农业生产造成相当大的影响。为了减轻其不利影响,目前采用分子生物学的方法,在基因组成、表达调控及信号转导等分子水平上认识植物抗逆机理,通过基因工程手段导入抗逆相关基因,改良作物的胁迫抗性。综述了植物抗逆相关基因的克隆、功能验证以及应用等方面的进展。

关键词:植物;抗逆性;基因工程

中图分类号:Q789 文献标识码:A 文章编号:1001-5280(2010)02-0126-04

干旱、盐碱、金属离子和低温等逆境条件严重抑制植物生长发育,会引起植物植株生理生化、形态等方面的变化,甚至死亡。因此,开展抗逆研究、提高作物抗逆能力,能够使作物增产稳产。随着分子生物学的发展,借助分子生物学手段,从基因组成、表达调控及信号转导等方面进行深入研究,揭示抗逆的分子机理,并导入相关基因改良作物的胁迫抗性,近年来取得较大进展,在农作物抗逆育种上展示出了广阔的应用前景。

1　抗旱

当植物耗水大于吸水时,会使组织内水分亏缺,过度水分亏缺的现象称为干旱。旱害则是指土壤水分缺乏或大气相对湿度过低对植物的危害。干旱对植物生产的不利影响主要有:(1)降低细胞含水量,破坏细胞膜系统;(2)增加透性,降低光合作用;(3)使植物的物质代谢紊乱,生长发育迟缓、死亡。干旱胁迫可激活相关基因,如LEA蛋白、抗氧化酶和水孔蛋白等的转录,并导致编码蛋白的积累。植物抵抗旱害的能力称为抗旱性。

1.1　晚期胚胎发生富集蛋白(LEA蛋白)

LEA蛋白在植物胚胎发育后期的种子中大量积累,低温、重金属、高盐,特别是干旱等逆境刺激均能诱导其转录和累积。LEA蛋白在逆境中有脱水保护、渗透调节和清除自由基活性等作用[1,2]。LEA蛋白有LEA1～LE A66类,其中LE A1～LEA3与植物抗逆

收稿日期:2010-04-24

作者简介:杨　柳(1982-),女,湖南岳阳人,硕士,从事油菜育种研究。通讯作者:刘忠松。

基金项目:国家科技支撑计划项目(2009BAD A8B01)。性相关。

Cheng等[1]利用基因枪法转化水稻成熟胚愈伤组织,获得转基因水稻株系,分析表明LEA2有较强的抗脱水作用。Stra ub等[3]研究发现,大麦HV A1(LEA3同源蛋白)与种子的干旱脱水有关,且干旱、极端温度及盐胁迫均可诱导其迅速在幼苗中表达。Xu等[4]研究转HV A1基因水稻发现,T2代对快速水分胁迫和高盐的耐受性较强,且与HV A1蛋白积累水平呈正相关,说明H V A1蛋白可防止干旱胁迫对细胞膜的损伤[5],有潜在的抗旱作用[6,7]。

1.2　水分通道蛋白(Aquaporin)

水孔蛋白存在于所有器官组织中,可分为4类[8],同一器官可表达多种不同类型的水孔蛋白[9]。水孔蛋白表达具有组织特异性,并受发育阶段和环境因素的调节。

野生马铃薯水孔蛋白ScP IP2a基因m RN A与果实成熟中细胞的扩张作用相一致[10],冰草M IP2A可能控制水分从木质部薄壁细胞流向木质部导管腔[11]。向日葵液泡水孔蛋白SunTIP7转录物在干旱胁迫下积累,表明其与干旱有关[12]。Kaldenhoff等[13]利用反义基因技术抑制拟南芥质膜PIP1b的表达,PIP1a的表达也被抑制,原生质体透性降低为对照的1/3,而根量增加5倍,说明根量的增加弥补了水孔蛋白数量的不足和导水率的降低。PIP2在拟南芥根皮层中大量表达导致根皮层水导度、渗透作用及伤流降低[14]。

1.3　Rubisco活化酶

Rubisco活化酶表达量的增加也可增强植物的抗旱性能[15]。干旱情况下,植物体内的ATP含量降低, Rubisco活化酶活性也随之降低,为减小干旱造成的不利影响,Rubisco活化酶的表达增强[16]。

2　抗高温

由高温引起植物伤害的现象称为热害,而植物对高温胁迫的适应则称为抗热性。植物受高温伤害后会出现各种症状:树干(特别是向阳部分)干燥、裂开;叶片出现死斑,叶色变褐、变黄;鲜果(如葡萄、番茄等)灼伤,后来受伤处与健康处之间形成木栓,有时甚至整个果实死亡;高温胁迫对植物生殖的危害尤甚,花粉发育对高夜温十分敏感,开花前7～9d是对高夜温十分敏感的发育时期,导致雄性不育、花序或子房脱落等异常现象。不同植物能够忍耐的极限高温差异很大。甘蓝型油菜、玉米、西葫芦植株49～51℃10min致死,马铃薯叶42.5℃1h致死,苜蓿种子120℃30min致死,红松花粉70℃1h致死。番茄开花、结果受高温影响最严重,高于26℃昼温/20℃夜温结果等受到影响,高于35℃昼温/26℃夜温严重受影响。

在高温环境中,植物体容易产生热激反应,从而诱导热激蛋白的产生。1984年Lin[17]等将H SP基因转入大豆获得了具有耐热性的大豆植株,此后又相继从番茄、拟南芥中分离出了H SP基因[18],并且通过研究证明HSP的过量表达确实能提高植物的耐热性[19]。

3　抗寒

零度以上低温对植物的危害叫做冷害或寒害。当气温低于10℃时,就会出现冷害,最常见的症状是变色、坏死和表面斑点等,木本植物上则出现芽枯、顶枯。植物开花期遇到较长时间的低温,也会影响结实。冻害是0℃以下的低温所致。植物受冻害时,细胞失去膨压,组织柔软,叶色变褐,最终干枯死亡。严格地说,冻害就是冰晶的伤害。不同植物耐冷性有显著差异,热带、亚热带来源作物如玉米、番茄、豆类和一些温带果树在0℃就会被杀死,这类作物组织中不能结冰,对冷害(0～20℃)敏感。另一些植物如冬一年生、二年生植物可忍受-40℃低温,还有一些植物如温带的一些树木能在-196℃下存活。近年来,低温冻害情况时有发生,严重影响植物的生长及产量。最近有关抗寒基因研究取得了许多进展。

3.1　脱水蛋白基因

脱水蛋白具有与水分子结合的能力,其结合在冰晶表面,可有效防止冰晶格生长[20],脱水蛋白的K片段在冻融过程中与酶分子结合,具有防冻作用[21]。蜜桔CuCO R19是一种脱水蛋白,具有清除羟基和过氧化物自由基活性的功能[22],用其转化烟草研究发现,可有效提高抗冻能力。

3.2　脂肪酸去饱和酶基因

植物脂肪酸不饱和程度和冷敏感性密切相关,有些酶可催化饱和脂肪酸中顺式双键的形成,把相变温度降至接近0℃,减轻冻害的不利影响[23],将这些相关基因转入植物中,可显著提高植物的抗寒能力。

3.3　超氧化物歧化酶基因

低温环境下,植物膜结构受到破坏,从而影响其生长,超氧化物歧化酶(SOD)可维护膜系统稳定性,增强植物在低温下的生长能力。Breuseg em[24]利用质体转化技术获得了转基因抗寒玉米。

3.4　植物抗冻蛋白(AFP)基因

AFP是植物对低温的一种适应机制[25],广泛存在于植物中。将AFP基因从植物中分离,并导入到抗寒性弱或不抗寒植物中,提高这些植物的抗寒性,减轻低温胁迫,是植物抗寒转基因研究的重点。

4　耐盐

土壤中可溶性盐过多对植物的不利影响叫盐害。盐分过多使土壤水势下降,严重地阻碍植物生长发育,是造成盐碱地区限制作物收成的重要因素。盐分胁迫对植物的伤害,主要通过盐离子的直接作用即离子胁迫和间接的脱水作用2种途径。由于盐胁迫下,植物吸收不到足够的水分和矿质营养,造成营养不良,致使叶绿素含量低,影响光合作用。由于光合作用没有得到足够的营养和能量,因此,植物必须加强呼吸作用,以维持正常的生理功能,从而消耗大量积累的有机物质,使植物的营养物质处于负增长,最终导致植物生长受抑制,甚至死亡。盐胁迫直接影响细胞的膜脂和膜蛋白,使脂膜透性增大和膜脂过氧化,从而影响膜的正常生理功能。

植物在盐胁迫下生长受害有2个阶段。第一阶段快速的渗透调节,使伸长生长(ex tensio n g row th)减少,植株暗绿色。第二阶段,慢速的形成离子毒性,植株生长受到严重抑制。

植物对盐分过多的适应能力称为耐盐性。植物耐盐性主要是生理耐盐,相关的机制有离子区隔化、渗透调节、激素调节、光合途径的改变等。

4.1　脯氨酸合成相关基因

脯氨酸合成途径有谷氨酸途径以及鸟氨酸途径两种。在盐胁迫下,植物体内脯氨酸含量迅速增加。脯氨酸合成主要包括两种酶:吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR),这两种酶的基因已从不同植物中得到分离和克隆。对拟南芥幼苗进行盐胁迫处理,植株中P5CR基因和P5CS基因转