植物抗逆性的研究

植物抗逆性的研究

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；高温；低温；高盐；基因工程

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，并导人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。

一、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、抗氧化酶和水孑L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。LEA蛋白有LEA1～LEA6 6类，其中I EA1～LEA3与植物抗逆性相关。

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。Straub等研究发现，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，T。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HV A1蛋白可防止干旱胁迫对细胞膜的损伤，有潜在的抗旱作用。

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。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cP P2口基因mRNA与果实成熟中细胞的扩张作用相一致，冰草MIP2A可能控制水分从木质部薄壁细胞流向木质部导管腔。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m]。Kaldenhoff等利用反义基因技术抑制拟南芥质膜PIPlb的表达，PIPla的表达也被抑制，原生质体透性降低为对照的1／3，而量增加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。

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。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。

二、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7～9 d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℃10 min致死，马铃薯叶42．5℃ 1 h致死，苜蓿种子120℃30 min致死，红松花粉7O℃1 h致死。番茄开花、结果受高温影响最严重，高于26℃昼温／2O℃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等将H 尸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HSP基因，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。

三、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问的低温，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O℃就会被杀死，这类作物组织中不能结冰，对冷害(0～2O℃)敏感。另一些植物如冬一年生、二年生植物可忍受一4O℃低温，还有一些植物如温带的一些树木能在一196℃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，可有效防止冰品格生长。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。蜜桔CuCOR19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，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O℃，减轻冻害的不利影响，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。Breusegem[ 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，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