植物抗旱基因工程的研究进展1
DREBs、bZIP转录因子与植物抗旱性研究进展
ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ） ，进 而参与 逆境 信号 的传递 ，调 控 下游 逆
境应答 基 因的表 达 ，提高 植物在 逆境条 件下 的适应 性 和耐受 能力 。
１ 植 物对 干旱信 号的感 知和传 导 植 物 抗 旱机 能 的实 现要 通 过对 水分 胁 迫感 知 、
胺 、无机离 子 （ 如Ｋ ） 等 ，以调 节植 物 细胞 内渗
题 ，全 球 干 旱 半 干 旱 地 区 约 占陆 地 面 积 的 ３ ５ ％， 遍 及世 界 ６ ０多个 国家 和地 区。 中 国是受 干 旱 影 响 严 重 的农 业 大国 ，据 水利 部 统 计 ， “ 十五”期 间， 全 国农 田受 旱 面 积年 均 达 ２ ５ ６ ７ 万 ｈ ｍ ，平 均 每年
关 键 词 ：Ｄ Ｒ Ｅ Ｂ ｓ ； ｂ Ｚ Ｉ Ｐ ；转 录 因 子 ； 植 物 抗 旱 性 中图 分 类 号 ：Ｓ ３ ３ ２ ． ４ 文献 标 志 码 ：Ａ 文 章编 号 ：０ ５ ２ ８ — ９ ０ １ ７ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ ． ０ ０ ９ ８ — ０ ５
水 资源短 缺 、干旱是 目前公认 的全球性 环境 问
表 现 出正 常蛋 白合成 受阻 ，诱 导合 成特 异蛋 白即逆 境蛋 白Ｅ ２ “ 。通 常 ，植 物许 多基 因的表 达需 要 通过 特定 的转 录 因子与特 定 的顺 式作用 元件 相互作 用调
透势 ；启动 抗氧化 防御 系统 ，提高超 氧化 物歧化 酶 （ Ｓ Ｏ Ｄ） 、过 氧 化 氢 酶 Ｃ Ａ Ｔ） 、 过 氧 化 物 酶 （ Ｐ Ｏ Ｄ） 等抗 氧 化 酶 活 性 及 Ｖ ｅ 、还 原 型 谷 胱 苷 肽
（ Ｇ Ｓ Ｈ） 等抗 氧化 物质 ，协 同抵抗 干旱 胁 迫诱 导 的
作物抗旱基因工程研究进展
作物抗旱基因工程研究进展摘要:主要就植物的抗旱基因包括渗透调节､保护酶体系､抗旱基因及遗传特性等方面对植物抗旱机理的研究进行了综述｡研究植物的抗旱性基因,有助于了解植物的抗旱机制,以期为我国节水抗旱农业的研究提供一些新的思路和手段｡关键词:作物;抗旱机理;水分胁迫;基因工程干旱已是世界性的问题,世界干旱,半干旱地区已占陆地面积的1/3以上,干旱对植物的影响在诸多自然逆境因素中占首位｡国外已经开始有转抗旱基因植物的研究,已有数十种植物被转化获得了抗旱转基因植株,并已在水稻上成功地进行了转抗旱基因水稻品系的培育｡本文对上述几方面的研究进行了综述,旨在总结植物抗旱的新机制,以利于更好的进行抗旱工作｡1 渗透调节物质对旱害的调控1.1 植物体内脯氨酸的合成1.1.1 脯氨酸合成酶研究现状编码脯氨酸合成酶基因的研究较为深入,至今已从水稻､黑麦､绿豆､大豆､拟南芥､蒺藜､苜蓿､榆钱､菠菜等植物中克隆出了多个与脯氨酸合成酶相关的基因,其中包括P5CS､PSCR､OAT和Pro｡鸟氨酸循环中6~OAT基因已在大豆､苜蓿､拟南芥等中得到克隆｡转运蛋白ProT基因在拟南芥､番茄､水稻､大麦等中得到克隆｡WU研究发现,在拟南芥中P5CS是由2个不同调节基因编码的｡该基因有19个内含子和20个外显子定位于2号染色体78.5位置上的AtP5CSl基因可以在大多数植物器官中表达,但在分裂细胞中沉默:定位于3号染色体101.3位置上的AtP5CS2基因转录产物,占植物组织中P5CSm-RNA总量的20~40%,并在分裂细胞中负责合成P5CSutRNA,AtPSCS转录产物的积累具有组织特异性｡同样在番茄的核基因组中,也发现有2个脯氨酸基因座(10ci):一个是特异性双功能tom Pro2基因座:另一个基因座为torn Pro1,该基因座编码一个多顺反子mRNA,指导7-GK和GSADH 2种多肽的合成｡P5CS基因广泛存在于单子叶和双子叶植物中;P5CR基因有7个外显子,6个内含子,其位于拟南芥的5号染色体上:6-OAT基因有10个外显子,9个内含子,该基因定位于拟南芥的5号染色体上:脯氨酸转运蛋白的基因有8个外显子,7个内含子,该基因定位于水稻的3号染色体上,在拟南芥中脯氨酸转运蛋白是2个不同调节基因编码的,该基因有7个内含子6个外显子,定位于2､3号染色体上｡1.1.2 脯氨酸在转基因植物中的表现将PSCS和6-OAT分别转入烟草植株中发现,在转基因烟草(Nicotianatabacum)中脯氨酸含量明显提高且与对照相比,耐盐性也有所提高,转入其他植物也得到同样的结论｡将从乌头叶豇豆中克隆的P5CS基因与CoMV35S启动子连接后转人烟草中｡发现转基因烟草的脯氨酸含量比对照高10~18倍｡在干旱胁迫下转基因烟草落叶少且迟｡将拟南芥的6-OAT基因导人烟草,使脯氨酸累积增加2倍,转基因的幼苗可在200mmol·LNaCl中正常生长:将此基因导人烟草,使脯氨酸累积增加2倍,转基因的幼苗可在200mmol·L-1NaCl中正常生长｡杨成民从豇豆中分离到的P5CS为目的基因,通过基因枪与选择标记bar基因共转化获得转基因黑麦草再生植株,Kishor等将P5CS 基因导人烟草,转基因植株脯氨酸含量比对照高10~18倍:在盐胁迫条件下,与对照相比转基因植株根的长度和干重增加,植株生物产量提高花发育得更好,果荚数目和每荚的种子数也增加,李燕等在皂角苗木对干旱胁迫的生理生化反应的研究中发现,在干旱胁迫下,皂角的脯氨酸含量先增后减,Bajin等发现滨藜中脯氨酸含量的增加在叶中较显著,对根没有显著影响｡也有研究发现,根的脯氨酸增加的幅度比茎叶中都大｡1.2 其他调节物质1.2.1 果聚糖合成酶基因有证据表明被子植物演化过程中果聚糖积累与一些植物耐旱(寒)能力相关,其中果聚糖蔗糖酶基因soeB)是较早克隆的基因｡张慧等1998年将ssacB转入烟草,经卡那霉素筛选的抗性芽能在含1%NaCl的MS培养基上正常生根,而未转化的芽则不能生根或根生长缓慢｡转基因小苗移栽后用含1%NaCl的营养液浇灌17d后,一些转基因植株生长良好,而未转化苗出现明显萎蔫,表明sacB基因能提高烟草的耐盐性｡1.2.2 甜菜碱合成有关的酶基因甜菜碱是一种重要的植物渗透调节物质,特别是藜科和禾本科植物,在受到水分胁迫时积累大量甜菜碱｡甜菜碱在植物中以胆碱为底物经两步合成,即胆碱加单氧酶(CMO)催化胆碱氧化成甜菜碱醛,然后,甜菜碱醛脱氢酶(BADH)催化甜菜碱醛形成甜菜碱｡1.2.3 甘露醇合成的相关基因植物抗性生理研究结果证实,糖醇与植物的抗旱耐盐能力有关,甘露醇是生物体内包含细菌､藻类､真菌和100多种高等植物中广泛分布的一种糖醇,在甘露醇合成过程中起关键作用的酶,在细菌中是甘露醇-1-磷酸脱氢酶,其编码基因为mtlD｡2 保护酶体系保护酶体系包括超氧化物歧化酶(SOD)､过氧化物酶(POD)､过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(ASP)等｡SOD可分为Cu/Zn-SOD､Mn-SOD和Fe-SOD 3种类型,Cu-SOD主要在叶绿体和细胞质中,Mn-SOD主要存在于线粒体中,Fe-SOD 则主要存在于叶绿体中,将烟草的Mn-SODcDNA导人苜蓿后,转基因苜蓿的抗旱性得到了提高,将Mn-SOD基因定位到烟草的叶绿体和线粒体上,发现也能表达其基因｡进一步研究发现,在叶绿体中Mn-SOD的过量表达使烟草受干旱所引起的氧化伤害程度比对照明显减轻,但线粒体中增加的Mn-SOD活性对烟草耐氧化胁迫能力没多大影响,另外,表达拟南芥Fe-SOD的转基因烟草､表达番茄Cu/Zn-SOD 的转基因烟草､过量表达豌豆Cu/Zn-SOD的转基因烟草均能增强抵抗干旱引起的氧化胁迫能力｡3 植物抗旱基因与遗传3.1 保护生物大分子及膜结构的蛋白质3.1.1 水通道蛋白(aquapofin) 水通道蛋白是指作为跨膜通道的主嵌入蛋白(MIP)家族中具有运输水分功能的一类蛋白质,能够促进和调节水分跨膜的被动交换,包括植物体内的跨细胞和胞内水分流动,是水分跨膜运输的重要途径之一｡3.1.2 调渗蛋白在高盐浓度下,培养的烟草细胞中多种蛋白质的含量发生了变化｡其中一种分子量为26KD的蛋白质的增加尤为显著,高达细胞总蛋白量的12%以上｡该蛋白的积累则要求氯化钠或低水势的存在｡除烟草外其他一些植物西红柿､马铃薯､胡萝卜､棉花､小米和大豆的培养细胞经ABA处理后也出现了同OSM起免疫交叉反应且分子量约为26KD的蛋白质｡这表明OSM可能是一种普遍存在于高等植物的蛋白质｡目前已得到由农杆菌介导将OSM的启动子和B-葡萄糖苷醛酶(GUS)报告基因嵌合在一起的转基因烟草｡3.1.3 胚胎后期发生丰富蛋白(LEA蛋白) 在种子后期发育过程当中,LEA蛋白随种子的脱水成熟其含量增加｡在胁迫条件下LEA蛋白在植物细胞中起保护作用,这种保护作用对于植物在极端压力条件下是必要的｡根据LEA的结构推测LEA蛋白可能有以下三方面的作用:①作为脱水保护剂,由于LEA蛋白在结构上富含不带电荷的亲水氨基酸,它们既能像脯氨酸那样,通过与细胞内的其他蛋白发生相互作用,使其结构保持稳定,又可能给细胞内的束缚水提供了一个结合的衬质,从而使细胞结构在脱水中不致遭受更大的破坏｡②作为一种调节蛋白而参与植物渗透调节｡③通过与核酸结合而调节细胞内其它基因的表达｡3.2 编码抗旱转录因子的调节基因DREB是目前研究较多的抗非生物胁迫的转录因子｡Xiong利用差示显示法从干旱处理的拟南芥中克隆了一批受干旱诱导的rd基因,对rd29A基因启动子进行分析揭示了一个与干旱､高盐及低温胁迫应答基因有关的DRE顺式作用元件,并克隆了3个与DRE元件结合的转录因子,用干旱或高盐处理10min,DREB2A和DREB2B被快速强烈诱导,并且不受外源ABA的诱导｡Hara利用CaMV35S启动子和逆境诱导特异启动子rd29A,将DREBIA的cDNA导入拟南芥,DREBlA的过量表达激活许多耐逆境功能基因的表达如rd29A､Kinl､Con5a､Cor6和P5CS等转基因植株耐旱性､耐盐性和耐冻性提高｡4 展望我国北方地区土壤干旱､盐渍化是影响农牧生产的重要因素｡通过筛选与植物的抗旱性､抗盐碱性相关的基因,研究其功能,揭示其相关因子的信号转导途径,采用现代生物技术手段进行转基因育种､获得耐旱和耐盐碱能力强的新品种已成为解决我国中西部干旱､半干旱地区农牧业发展种质资源矛盾的有效手段之一｡4.1 目前利用基因工程技术培育抗旱品种主要有两种策略1､增加植物渗透性代谢产物的合成能力,使植物在水分胁迫下能合成更多的渗透调节物质如脯氨酸,甘露醇､甜菜碱､海藻糖等,以提高植物的渗透调节能力,从而增强植物的抗旱性｡2)增强植物对活性氧自由基的清除能力,使植物在水分胁迫下过量表达一些酶(如SOD,POD,CAT等),以有效地排除有害的活性氧自由基,从而提高细胞耐脱水的能力｡4.2 在通过基因工程方法进行抗旱分子育种的过程中发现存在一些问题由于人们对植物抗旱的分子机制缺乏了解,抗旱分子育种还有很大的盲目性:采用单基因策略提高植物的抗旱性对有的基因和植物有效,对有的基因和植物却无效:利用35S启动子与抗旱基因组合在提高植物抗旱性的同时也造成植物畸形发育;外源基因表达水平不稳定｡尽管目前抗旱分子育种面临不少的问题,但随着抗旱分子生物学研究的深人和生物技术的进步,相信不久的将来会有大量的抗旱基因作物应用到生产实践中来｡。
抗旱基因 新见解-概述说明以及解释
抗旱基因新见解-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分是文章引言的一部分，它主要介绍文章的主题和背景，提供读者对文章内容的整体了解。
在本文中，我们将探讨抗旱基因这一新领域的研究进展和意义。
随着全球气候变化的影响，干旱成为世界范围内一个日益严峻的问题。
干旱灾害不仅对农作物的生长和粮食安全产生了巨大的威胁，还对生态系统的平衡和可持续发展带来了挑战。
抗旱基因作为应对干旱的一种重要途径，在近年来备受关注。
通过研究植物中的抗旱基因，科学家们希望能够揭示其调控机制以及在植物抵御干旱逆境过程中的作用。
这些基因的发现和研究对于提高作物的耐旱性和抗逆性具有重要意义。
它们有望为农业生产提供新思路和新方法，帮助降低干旱对农作物的影响，保障粮食安全。
随着研究技术的不断进步，抗旱基因的发现和研究也取得了一系列重要的进展。
科学家们通过基因工程技术和高通量测序等手段，鉴定和筛选出一系列与抗旱相关的基因。
这些基因的功能研究不仅有助于解析植物抵御干旱的分子机制，还为抗旱育种提供了理论基础和新的遗传资源。
本文将首先介绍抗旱基因的重要性，并对其在农作物抗旱育种中的应用前景进行展望。
随后，我们将梳理抗旱基因的发现与研究进展，包括基因筛选技术、基因功能鉴定及调控网络的解析等方面。
最后，我们将总结抗旱基因研究的意义和前景展望，并讨论其在实际应用中面临的潜力和挑战。
通过对抗旱基因这一新领域的深入了解和探索，我们有望为未来的抗旱育种和生态环境保护提供新的思路和方法。
因此，本文对于读者进一步了解抗旱基因研究的意义和意义以及其应用潜力具有重要的参考价值。
文章结构部分的内容可以写成下面这样：1.2 文章结构本文将按照以下结构展开讨论抗旱基因的新见解。
首先，将在引言部分概述本文所要讨论的内容。
接着，正文部分将分为两个主要部分来探讨抗旱基因的重要性以及其发现与研究进展。
在重要性部分，将详细介绍抗旱基因在植物生长发育中的重要作用，以及它们对植物干旱逆境的适应机制。
植物抗旱机理及抗旱性鉴定方法研究进展
植物抗旱机理及抗旱性鉴定方法研究进展植物的抗旱机理是指植物在干旱环境中如何调节水分平衡，以维持正常的生长和发育。
随着全球气候变暖，干旱问题日益严重，研究植物的抗旱机理和鉴定抗旱性的方法对于农业生产和生态恢复具有重要意义。
本文将介绍植物抗旱机理的研究进展和抗旱性鉴定方法。
植物的抗旱机理主要包括：减少蒸腾损失、增加水分吸收能力、调节植物生长和发育等方面。
在减少蒸腾损失方面，植物通过改变气孔的开闭来控制蒸腾速率。
一些植物能够在干旱条件下调节其气孔的开合，降低蒸腾速率，减少水分流失。
同时，植物根系的生长和分布也对抗旱起着重要作用。
植物根系的发达程度和分布范围影响着植物吸收水分和养分的能力，从而影响植物的抗旱性。
另外，植物还通过产生一些抗旱物质来调节自身的生理代谢，如抗氧化物质、谷胱甘肽等，以抵抗干旱引起的氧化应激。
目前，研究人员采用了多种方法来鉴定植物的抗旱性。
一种常用的方法是通过测定植物的生理指标来评估其抗旱性。
例如，测定植物的相对水分含量、叶绿素含量、脯氨酸含量等指标，可以反映植物在干旱条件下的水分状态和生理代谢水平。
另外，测定植物的根系性状也是评估抗旱性的重要指标。
根系的发育程度和分布范围可以反映植物的水分吸收能力和适应干旱的能力。
此外，还可以通过评估植物的生长和发育状况来判断其抗旱性。
例如，测定植物的生物量、叶面积指数、根冠比等指标，可以反映植物在干旱条件下的生长状况。
近年来，研究人员还采用了分子生物学和基因工程等方法来研究植物的抗旱机理和鉴定抗旱性。
例如，通过研究与植物抗旱相关的基因，可以揭示植物在干旱条件下的分子调控机制。
同时，通过转基因技术来提高植物的抗旱性也是研究的热点之一、通过引入抗旱相关基因或调控植物内源基因的表达，可以提高植物的抗旱能力，从而增加农作物的产量和耐旱性。
综上所述，植物的抗旱机理及抗旱性鉴定方法研究已经取得了一些进展。
随着研究的深入和技术的进步，相信将会有更多的抗旱机理被揭示，也将有更多的有效方法用于评估和提高植物的抗旱性。
基因工程技术在农业生产中的应用与进展
基因工程技术在农业生产中的应用与进展作者：李彪来源：《学习与科普》2019年第22期摘要：基因工程（Genetic Engineering）是简易的基因拼接技术和DNA重組技术。
基因工程可以阐述为是在分子水平上或是利用分子技术对基因进行改造和编辑，通过微观操作，按照人们的意愿定向的改造和优化动植物的应用和实用价值的技术。
利用体外重组技术将外源基因导入拟选定的受体细胞内，使目标基因能在靶细胞内按照人们的意愿进行表达和修饰的操作。
基因工程在医学、农学、生物学等各个领域已得到广泛的应用和快速发展，比如在改善珍贵的粮食作物，增强植物抗性、适应性等遗传育种等方面的使用越来越重要。
基因工程技术在植物、动物和微生物中应用都非常广泛。
然而目前的国内外现状很大程度上显示基因工程在农业方面的应用越来越重要，发展也相当迅速。
因此，特此基因工程在农业方面的的应用现状及研究进展。
本综述旨在阐述基因工程技术在农业生产中尤其对植物生物活性物质产生受基因工程技术的修饰和改造方面的研究。
简述了在植物育种中应用基因工程进行改良农作物或如何提高植物药用价值和农作物产量等的应用。
关键词：农业;植物;农作物;微生物1引言中国是世界上主要的粮食作物生产国之一，并且是世界上人口最多的大国。
不仅是中国人对粮食的需求巨大，世界各国对粮食的需求都特别大，粮食直接决定人的生死，目前在非洲很多国家的人民还饱受饥饿之苦，因此如何提高粮食产量，如何在艰苦的环境中也能生产粮食，是过去和目前全世界都面临的难题[1]。
基因工程技术产生近百年以来在多个领域，如医学、农学方面取得巨大突破。
然而，该技术如何提高粮食作物产量和给人类带来良好收益呢？该技术如何应用于农学生产和人们的生活中呢，这也是我们应该思考的问题。
基因工程技术能在很大程度上提高农作物品质，通过基因工程技术能改良植物品种，如提高植物的抗逆境、抗虫、抗病害等都有很大的作用。
从环保方面和生物方面解决了很多社会面临的问题 [2]。
植物对干旱胁迫的响应研究进展
植物对干旱胁迫的响应研究进展一、本文概述干旱胁迫是全球气候变化背景下植物经常面临的一种环境压力，它不仅影响植物的生长和发育，还可能对植物的生存造成威胁。
因此，深入了解植物对干旱胁迫的响应机制，对于提高植物的抗逆性、优化农业生产和保护生态环境具有重要意义。
本文旨在综述近年来植物对干旱胁迫响应的研究进展，包括植物在干旱胁迫下的生理生化变化、分子生物学机制以及抗旱性改良等方面的研究成果，以期为未来的植物抗旱性研究提供参考和借鉴。
本文将概述干旱胁迫对植物生长发育的影响，包括水分亏缺对植物形态结构、生理功能和代谢过程的影响。
我们将重点介绍植物在干旱胁迫下的响应机制，包括植物激素、转录因子、基因表达调控以及信号转导等方面的研究进展。
我们还将综述植物抗旱性改良的研究现状，包括传统育种、基因工程和组学技术在抗旱性改良中的应用。
我们将对植物抗旱性研究的前景进行展望，探讨未来研究方向和挑战。
通过本文的综述，我们期望能够为读者提供一个全面的视角，以了解植物对干旱胁迫响应的研究现状和发展趋势，为植物抗旱性研究和实践提供有益的参考和启示。
二、植物干旱胁迫的生理生态响应植物在面对干旱胁迫时，会表现出一系列的生理生态响应。
这些响应旨在最大限度地减少水分损失，提高水分利用效率，以及维持生命活动的正常进行。
在形态学方面，植物会通过减少叶片数量和大小，降低叶面积指数，以及增加叶片厚度和角质层等方式，来减少水分蒸发和蒸腾作用。
根系也会发生适应性变化，如增加根长、根表面积和根毛数量，以扩大水分吸收的范围和效率。
在生理方面，植物会通过调整气孔开闭，降低蒸腾拉力，以减少水分流失。
同时，植物还会提高叶片细胞液的浓度，如增加脯氨酸等溶质的含量，以降低渗透势，增强保水能力。
植物还会通过调节光合作用的速率和途径，以及调整呼吸作用等，以适应干旱环境下的能量代谢需求。
在分子层面，植物会表达一系列与干旱胁迫相关的基因，编码如转录因子、蛋白激酶、水解酶等抗旱相关蛋白，以调节和响应干旱胁迫。
基因工程在农业领域的应用研究
基因工程在农业领域的应用研究概述：基因工程是一种通过改变生物体的基因组来改善其性状的技术，它在农业领域的应用为改善植物和动物的生长、产量、抗病能力和品质提供了新的途径。
本文将探讨基因工程在农业领域的应用以及带来的挑战和潜在的风险。
1. 作物品种改良：利用基因工程技术，农业科学家能够快速、准确地改良作物品种。
例如，通过转基因技术，可以将耐旱、耐盐、耐虫害等抗性基因导入作物，使其具备更强的抗逆性能。
这样，农作物能够更好地适应不良环境条件，提高产量和质量，从而增加农民的收入。
2. 病虫害防控：基因工程还可以用于病虫害的防控。
传统的农业防治方法往往依赖于农药的使用，但这些化学农药会对环境和人类健康产生负面影响。
而基因工程可以通过转基因技术，使作物具备抗病虫害的能力，减少对农药的依赖。
这不仅可以保护环境，还可以减少病虫害对农作物的破坏，提高农作物的产量和质量。
3. 营养改良：利用基因工程技术，科学家能够改良作物的营养性能。
例如，在稻谷中导入维生素A合成基因，可以增加稻谷中维生素A的含量，从而减少贫困地区人口中维生素A缺乏症的发生率。
类似地，通过转基因技术还可以增加作物中的铁、锌等微量元素的含量，提高食物的营养价值。
4. 逆境环境适应：基因工程技术还可以帮助作物适应不良的环境条件。
例如，转基因玉米、大豆等作物可以通过增加抗旱或耐盐基因的表达来提高对干旱或盐碱土壤的适应能力。
这对于农业生产在干旱或盐碱地区具有重要意义。
尽管基因工程在农业方面的应用带来了许多潜在的好处，但也存在一些挑战和风险需要面对。
1. 公众接受度：基因工程食品对消费者来说是一个较为敏感和争议的话题。
一些消费者对转基因食品产生了担忧，担心其对健康和环境的潜在风险。
因此，提高公众对基因工程食品的认知以及对其安全性的信任是一个重要的任务。
2. 生态风险：基因工程作物在环境中引入新的基因可能对生态系统产生不可预测的影响。
例如，转基因植物可能影响到其他植物的生长，或者影响到有关生态系统的其他关键物种。
作物抗旱的作用机制及其基因工程改良研究进展
摘
要 ： 胜不同靶标基 因为啻 ， ４ 分不 同作 用机 制 （ 如渗透 调节、 除氧 自由基、 Ａ蛋 白、 清 ｕ二 水通道 蛋 白、 水 脱
素 和气孔 关闭等） 简要舟绍 了近 １ 来凡们利用转基 因技 术 改 良作物抗 旱性 的研 究进展 ， ， ０年 以期 为我 国农 业的抗
旱性 研 究提 供 一 些 思路 ：
抗 旱 品种 。植 物抗 旱分子 机制 研究 的不 断深入 和转
较差。通常积累的代谢物包括脯氨酸 、 甜菜碱、 甘露
糖醇 、 山梨 醇 、 藻糖 、 聚 糖等 。如 在 正 常情 况下 海 果 游离 脯氨 酸 含 量仅 为 ０ ２ ．ｍｇｇ干重 ， ． ～０ ６ ／ 占总 游 离氨基 酸 的 百 分之 几 。而 在干 旱 条 件 下 它 可 成 １ ０ 倍地 增加 ， 相对量 可达 到 ３ ％以上 。 由此 通过 转基 Ｏ 因技术 能使 作物本 身 在干旱 条件下 产 生更 多的渗透 调 节 保 护 物 质 ， 而 可 大 大 提 高 作 物 的 抗 旱 性。 从 Ｔ ｒｚｎｋ 等 【 次 报 道 了抗 旱 转基 因植 物 的 研 ａｃｙ ｓｉ １首 究 ， 功地 将甘露 醇 一１ 成 一磷 酰脱 氢 酶 ＭＩ 基 因整 ｔ ｄ 台进 烟草基 因组 中 ， 证 实 了转基 因烟草 中 的甘 露 并 糖 醇含 量显著 高 于对照 ． 而 增加 渗透 调节 能 力 ， 从 增 加 了抗 旱能 力 。Ｋｉ ｏ 等 ０ 使 用 Ｃ ＭＶ３ Ｓ启动 子 ｓ ｒ ｈ ａ ５ 启动乌 头叶豇 豆 中的 △ 一吡 咯啉 一５ 】 一羧 基 合 成酶 （ 酶 是 脯 氨 酸 生 物 台 成 最 后 一 步 的 关 键 酶 ） ５ｓ 该 Ｐｃ
土壤 沙化 是影响 农业 生产 与生态 环境 的重要 因
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
来稿日期:20080831 基金项目:邯郸学院硕士博士启动基金(S2006002) 作者简介:葛水莲(19802),女,河北保定人,邯郸学院生物科学系教师,硕士.植物抗旱基因工程的研究进展葛水莲1,薛晶晶1,陈建中2(11邯郸学院生物科学系,河北邯郸056005;21邯郸市植物研究所,河北邯郸056005) 摘要:就植物的抗旱基因包括渗透调节,保护酶体系,抗旱基因及遗传特性等方面对植物抗旱机理的研究进行了综述.研究植物的抗旱性基因,有助于了解植物的抗旱机制,为中国节水抗旱农业的研究提供一些新的思路和新的手段.关键词:抗旱机理;水分胁迫;基因工程中图分类号:S 33214 文献标识码:A文章编号:167321492(2008)0620028204 干旱已是世界性的问题,世界干旱,半干旱地区已占陆地面积的三分之一以上,干旱对植物的影响在诸多自然逆境因素中占首位.显然,对植物抗旱机理的研究显得尤为重要.在长期的进化过程中,高等植物通过一系列生理变化来响应环境的水分胁迫.这些变化体现在渗透调节,保护酶体系,抗旱基因与遗传特性等方面.随着现代分子生物学与生物技术的发展,植物如何通过细胞感受逆境信号、传导逆境刺激、激活一系列分子途径并调控相关基因表达和生理反应以适应逆境,已成为科学家研究的热点[1].本文对上述几方面的研究进行了综述,旨在总结植物抗旱的新机制,以利于我们更好的进行抗旱工作.1 渗透调节中脯氨酸的调节111 植物体内脯氨酸的合成脯氨酸是一种小分子的渗透物质,是水溶性最大的氨基酸,许多植物受到盐渍时积累高水平的脯氨酸.植物的脯氨酸合成、累积及代谢是一个受非生物胁迫细胞内脯氨酸浓度调控的生理生化过程[2].脯氨酸积累可能是植物受到胁迫的一种信号.遭受胁迫的植物细胞内大量积累脯氨酸,已证明植物体内存在2条脯氨酸合成途径,根据起始氨基酸命名为Glu 途径和Orn 途径[3].胁迫导致水分亏缺时植物体内脯氨酸积累主要依靠Glu 途径,谷氨酸途径发生在胞质中,但脯氨酸降解为吡咯琳252羧酸(P5C )却发生在线粒体中,由脯氨酸脱氢酶(ProD H )催化,这种代谢的区室化分布避免了物质的无效循环.在正常情况下,脯氨酸作为一种反馈调节物质抑制了P5CS 的基因表达而诱导了ProD H 的基因表达.在胁迫条件下,P5CS 基因的表达活性超强,而ProD H 基因的表达活性却受到抑制.植物体内另一条脯氨酸合成途径为Orn 途径.鸟氨酸是在鸟氨酸6-氨基转移酶(62OA T )的作用下,生成谷氨酸半醛(GSA ),后通过Glu 途径生成脯氨酸[4].两条途径因植物和生长时期不同而各自起着重要的作用.从整体来说,在个体发育的早期阶段,异养型营养占优势,Orn -Pro 途径在脯氨酸合成中起重要作用,而谷氨酸作为脯氨酸合成的起始底物显然存在于个体发育的整个阶段,具体来说脯氨酸合成过程究竟是哪条途径居于主导地位有待研究.Roo sens [5]等研究表明,在盐胁迫和正常条件下,幼小植株的62OA T 活性和mRNA 都稍微高于较老植株,且该基因的表达与盐胁迫和脯氨酸产物密切相关.在拟南芥幼小植株中,游离脯氨酸含量、62OA T 活性以及62OA TmRNA 都受到盐胁迫处理而增加,这些结果表明对于拟南芥植物来说,在渗透胁迫过程中鸟氨酸途径和谷氨酸途径一样在脯氨酸的累积中发挥着重要的作用.另一方面4周龄的拟南芥植物虽然游离氨基酸的水平在盐胁迫条件下有所增加,但62OA T mRNA 的表达却没有检测到,相反P5CS mRNA 表达却达到较高水平.因此对于成年植株来说,游离脯氨酸的增加似乎只・82・第24卷第6期2008年12月 (自然科学版)Journal of Hebei North University (Natural Science Edition ) Vol 124No 16Dec.2008是由于谷氨酸途径的酶活性引起的.112 脯氨酸合成酶系分子生物学研究现状11211 脯氨酸合成酶研究现状 脯氨酸合成酶属于一个基因家族,在植物体内脯氨酸的合成由谷氨酸或鸟氨酸开始.在谷氨酸途径P5CS是一个双功能酶,具有谷氨酸激酶(72GK)和谷氨酰272半醛脱氨酶(GSAD H)活性,催化脯氨酸合成过程中的前2步反应,它是脯氨酸合成的限速酶;在鸟氨酸途径中,通过r2谷氨酰磷酸,GSA和P5C形成脯氨酸,62OA T是其限速酶.植物利用外源脯氨酸时Pro T起主要作用.与脯氨酸积累有关的酶主要有3类:谷氨酸途径中的P5CS和吡咯琳252羧酸还原酶(P5CR)、OA T、PSCR和Pro T.11212 脯氨酸合成酶基因分子生物学研究 编码脯氨酸合成酶基因的研究较为深入,至今已从水稻、黑麦、绿豆、大豆、拟南芥、蒺藜、苜蓿、榆钱、菠菜等植物中克隆出了多个与脯氨酸合成酶相关的基因,其中包括P5CS、PSCR、OA T和Pro T[627].鸟氨酸循环中62OA T基因已在大豆、苜蓿、拟南芥等中得到克隆.转运蛋白Pro T基因在拟南芥、番茄、水稻、大麦等中得到克隆. WU[8]研究发现,在拟南芥中P5CS是由2个不同调节基因编码的.该基因有l9个内含子和20个外显子定位于2号染色体7815位置上的At P5CS1基因可以在大多数植物器官中表达,但在分裂细胞中沉默;定位于3号染色体l0113位置上的At P5CS2基因转录产物,占植物组织中P5CSmRNA总量的20%～40%,并在分裂细胞中负责合成P5CSut RNA,At P5CS转录产物的积累具有组织特异性.同样在番茄的核基因组中,也发现有2个脯氨酸基因座(1oci):一个是特异性双功能tom Pro2基因座;另一个基因座为tom Prol,该基因座编码一个多顺反子mRNA,指导72GK和GSAD H2种多肽的合成[9].P5CS基因广泛存在于单子叶和双子叶植物中;P5CR基因有7个外显子,6个内含子,用探针将其定位于拟南芥的5号染色体上;62OA T基因有l0个外显子,9个内含子,该基因定位于拟南芥的5号染色体上;脯氨酸转运蛋白的基因有8个外显子,7个内含子,该基因定位于水稻的3号染色体上,在拟南芥中脯氨酸转运蛋白是2个不同调节基因编码的,该基因有7个内含子6个外显子,定位于2、3号染色体上. 11213 脯氨酸在转基因植物中的表现 将P5CS 和62OA T分别转入烟草植株中,发现在转基因烟草(N icoti ana t abacum)中脯氨酸含量明显提高且与对照相比,耐盐性也有所提高,转入其他植物也得到同样的结论.将从乌头叶豇豆中克隆的P5cs基因与CaMV35S启动子连接后转入烟草中,发现转基因烟草的脯氨酸含量比对照高10～18倍.在干旱胁迫下转基因烟草落叶少且迟.将拟南芥的62OA T基因导入烟草,使脯氨酸累积增加2倍,转基因的幼苗可在200mmol/L NaC1中正常生长;将此基因导人烟草,使脯氨酸累积增加2倍,转基因的幼苗可在200mmol/L NaC1中正常生长.杨成民[10]从豇豆中分离到的P5CS为目的基因,通过基因枪与选择标记bar基因共转化获得转基因黑麦草再生植株.K ishor[11]等将P5CS基因导入烟草,转基因植株脯氨酸含量比对照高10～18倍;在盐胁迫条件下,与对照相比转基因植株根的长度和干重增加,植株生物产量提高花发育得更好,果荚数目和每荚的种子数也增加.干旱条件下植物体内脯氨酸积累是否有利于植株抗旱,目前存在相当大的争议.尽管对于许多植物来说,脯氨酸的积累在逆境中的生理机制还未完全清楚,但普遍认为在干旱胁迫下脯氨酸的升高有利于植物对干旱胁迫的抵抗,耐旱植物(品种)通比不耐旱植物(品种)具有较强的脯氨酸积累能力,这些积累的脯氨酸通过质量作用定律进行渗透调节,从而增强植株保水能力.李燕等[12]在皂角苗木对干旱胁迫的生理生化反应的研究中发现,在干旱胁迫下,皂角的脯氨酸含量先增后减,这种变化趋势在一定程度上反映了脯氨酸在干旱胁迫下对植物体内氨积累所造成的毒害发挥消除作用.在干旱条件下植物各器官脯氨酸的积累存在差异.Bajji等发现滨藜中脯氨酸含量的增加在叶中较显著,对根没有显著影响.也有研究发现,根的脯氨酸增加的幅度比茎叶中都大[13].2 保护酶体系保护酶体系包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CA T)和抗坏血酸过氧化物酶(AsP)等,它们协同抵抗干旱胁迫诱导的氧化伤害.其中SOD酶可以催化O22,发生歧化作用起着清除O22的解毒作用,而CA T, POD,ASP能够清除歧化作用产生的H2O2造成的伤害.在整个防御系统中SOD是所有植物在氧・92・2008年12月葛水莲等:植物抗旱基因工程的研究进展第6期化作用中起重要作用的抗氧化酶.根据其结合的金属离子的不同.SOD 可分为Cu/Zn 2SOD 、Mn 2SOD 和Fe 2SOD 三种类型.Cu 2SOD 主要在叶绿体和细胞质中,Mn 2SOD 主要存在于线粒体中,Fe 2SOD 则主要存在于叶绿体中.将烟草的Mn 2SOD 2cDNA 导入苜蓿后,转基因苜蓿的抗旱性得到了提高,将Mn 2SOD 基因定位到烟草的叶绿体和线粒体上,发现也能表达其基因.进一步研究发现,在叶绿体中Mn 2SOD 的过量表达使烟草受干旱所引起的氧化伤害程度比对照明显减轻,但线粒体中增加的Mn 2SOD 活性对烟草耐氧化胁迫能力没多大影响.另外,表达拟南芥Fe 2SOD 的转基因烟草、表达番茄Cu/Zn 2SOD 的转基因烟草、过量表达豌豆Cu/Zn 2SOD 的转基因烟草均能增强抵抗干旱引起的氧化胁迫能力.3 植物抗旱基因与遗传的研究311 保护生物大分子及膜结构的蛋白质31111 水通道蛋白(aquapofin ) 水通道蛋白是指作为跨膜通道的主嵌入蛋白(M IP )家族中具有运输水分功能的一类蛋白质,能够促进和调节水分跨膜的被动交换,包括植物体内的跨细胞和胞内水分流动,是水分跨膜运输的重要途径之一.水通道蛋白属于主要内在蛋白家族成员,最早在哺乳动物的某些特殊的细胞类型里发现的如红细胞肾小管细胞等.在植物体内,水通道蛋白分布于液泡膜上的液泡膜嵌入蛋白(TIP ),分布于细胞质膜上的胞质膜嵌入蛋白(PIP )和根瘤细胞中.大多数水通道蛋白在维管组织和幼嫩组织的细胞中表达显著.目前对于水桶道蛋白基因的研究还有待于进一步发展.31112 调渗蛋白 在高盐浓度下,培养的烟草细胞中多种蛋白质的含量发生了变化.其中一种分子量为26KD 的蛋白质的增加尤为显著.高达细胞总蛋白量的12%以上.该蛋白的积累则要求氯化钠或低水势的存在[14].除烟草外其它一些植物西红柿、马铃薯、胡萝卜、棉花、小米和大豆的培养细胞经ABA 处理后也出现了同OSM 起免疫交叉反应且分子量约为26KD 的蛋白质.这表明OSM 可能是一种普遍存在于高等植物的蛋白质.目前已得到由农杆菌介导将OSM 的启动子和B 2葡萄糖苷醛酶(GU S )报告基因嵌合在一起的转基因烟草.31113 胚胎后期发生丰富蛋白(L EA 蛋白) 在种子后期发育过程当中,L EA 蛋白随种子的脱水成熟其含量增加.在胁迫条件下L EA 蛋白在植物细胞中起保护作用,这种保护作用对于植物在极端压力条件下是必要的.根据L EA 的结构[15]推测L EA 蛋白可能有以下三方面的作用:1)作为脱水保护剂.由于L EA 蛋白在结构上富含不带电荷的亲水氨基酸,它们既能像脯氨酸那样,通过与细胞内的其它蛋白发生相互作用,使其结构保持稳定,又可能给细胞内的束缚水提供了一个结合的衬质,从而使细胞结构在脱水中不致遭受更大的破坏.2)作为一种调节蛋白而参与植物渗透调节.3)通过与核酸结合而调节细胞内其它基因的表达.312 编码抗旱转录因子的调节基因由于在逆境条件下与逆境相关的转录因子能跟调节功能基因的表达和信号转导,它们在转基因植物中的过量表达会激活许多抗逆功能基因同时表达,因此可提高植物的耐旱性.DREB 是目前研究较多的抗非生物胁迫的转录因子.Xiong [16217]利用差示显示法从干旱处理的拟南芥中克隆了一批受干旱诱导的基因rd 基因,对rd29A 基因启动子进行分析揭示了一个与干旱、高盐及低温胁迫应答基因有关的DRE 顺式作用元件,并克隆了3个与DRE 元件结合的转录因子,用干旱或高盐处理10min ,DREB2A 和DREB2B 被快速强烈诱导,并且不受外源ABA 的诱导.Hara [18]利用CaMV35S 启动子和逆境诱导特异启动子rd29A ,将DREB1A 的cD 2NA 导入拟南芥,DREB1A 的过量表达激活许多耐逆境功能基因的表达如rd29A 、K inl 、Con5a 、Cor6和P5CS 等转基因植株耐旱性、耐盐性和耐冻性提高.4 展 望近年来植物抗旱、耐盐碱基因工程的研究受到了越来越广泛的关注和重视.中国北方地区土壤干旱、盐渍化是影响农牧生产的重要因素.通过筛选与植物的抗旱性、抗盐碱性相关的基因,研究其功能,揭示其相关因子的信号转导途径,采用现代生物技术手段进行转基因育种、获得耐早和耐盐碱能力强的新品种已成为解决我国中西部干旱、半干旱地区农牧业发展种质资源矛盾的有效手段之一.目前利用基因工程技术培育抗旱品种主要有两种策略:1)增加植物渗透性代谢产物的合成能力,使植物在水分胁迫下能合成更多的渗透调节物质如脯・03・2008年12月 河北北方学院学报(自然科学版) 第6期氨酸,甘露醇、甜菜碱、海藻糖等,以提高植物的渗透调节能力,从而增强植物的抗旱性;2)增强植物对活性氧自由基的清除能力,使植物在水分胁迫下过量表达一些酶(如SOD,POD,CA T等),以有效地排除有害的活性氧自由基,从而提高细胞耐脱水的能力[19220].在通过基因工程方法进行抗旱分子育种的过程中发现存在一些问题:1)由于人们对植物抗旱的分子机制缺乏了解,抗旱分子育种还有很大的盲目性;2)采用单基因策略提高植物的抗旱性对有的基因和植物有效,对有的基因和植物却无效;3)利用35S启动子与抗旱基因组合在提高植物抗旱性的同时也造成植物畸形发育;4)外源基因表达水平不稳定.尽管目前抗旱分子育种面临不少的问题,但随着抗旱分子生物学研究的深入和生物技术的进步,相信不久的将来会有大量的抗旱基因作物应用到生产实践中来.参考文献:[1]Blum A.Drought resistance,water2use efficiency,andyield potential2are they compatible,dissonant,or mutu2 ally exclusive[J].Austral J Agricult Research,2005,56(11):115921168[2]段德玉,刘小京,李存桢,等.N素营养对NaCI胁迫下盐地碱蓬幼苗生长及渗透调节物质变化的影响[J].草业学报,2005,14(01):63268[3]Hu H,Dai M,Yao J,et al.Overexpressing NAM,A T2A F,and CUC(NAC)transcription factor enhancesdrought resistance and salt tolerance in rice[J].Proceed Nation Acad Sci,2006,103(35):12987[4]Song S Q,Lei Y B,Tian X R.Proline MetabolismandCross2Tolerance to salinity and heat stress in germina2 ting wheat seeds[J].Russ J Plant Physiol,2005,52(06):7932800[5]Roosens N H,Bitar F A,Loenders K,et al.Overexpres2sion of ornithine2δ2aminotransferase increases proline bi2 osynthesis and confers osmotolerance in transgenic plants[J].Molec Breed,2002,9(02):73280[6]Yu S W,Li R T,Zhang R D.Fluore scence in situ Hy2bridization of Pyrroline252carboxylate Synthetase(P5CS)G ene on Rice Chromosome[J].J Huazhong AgricultUniv,2002.21(01):124[7]季孔庶,孙志勇,方彦.林木抗旱性研究进展[J].南京林业大学学报:自然科学版,2006,30(06):1232128[8]Wu Q,Xia R.Effects of arbuscular mycorrhizal f ungi onleaf solutes and root absorption areas of trifoliate orangeseedlings under water stress conditions[J].Front For2 estry in China,2006,(03):3122317[9]Yang W L,Hu Z A,Wang H X,et al.The protectiverole of xanthophyll cycle in resurrection angiosperm boea hygrometrica during dehydration and rehydration [J].Acta Botanica Sinica,2003,45(03):3072310 [10]杨成民,王宏芝,孙振元,等.利用基因枪共转化法获得转bar与P5CS基因黑麦草[J].草地学报,2005,13(01):34238[11]K ishor P B K,Sangam S,Amrutha R N,et al.Regula2tion of proline biosynthesis,degradation,uptake and transport in higher plants:its implications in plantgrowth and abiotic stress tolerance[J].Curr Sci,2005, 88:4242438[12]李燕,孙明高,孔艳菊,等.皂角苗木对干旱胁迫的生理生化反应[J].华南农业大学学报,2006,27(03):66269 [13]Bajji M,L utts S,K inet J.Water deficit effects on solutecontribution to osmotic adjustment as a f unction of leaf ageing in three durum wheat(Triticum durum Desf.)cultivars performing differently in arid conditions[J].Plant Sci,2001,160(04):6692681[14]李燕,薛立,吴敏.树木抗旱机理研究进展[J].生态学杂志2007,26(11):195721966[15]张林生,赵文明.L EA蛋白与植物的抗旱性[J].植物生理学通讯,2003,39(01):61266[16]Xiong L,Wang R G,Mao G,et al.Identification ofdrought tolerance determinants by genetic analysis ofroot response to drought stress and abscisic acid[J].Plant Physiol,2006,142:106521074[17]Fujita Y,Fujita M,Satoh R,et al.AREB1is a tran2scription activator of novel ABRE2dependent ABA sig2naling that enhances drought stress tolerance in Arabi2dop sis[J].Plant Cell,2005,17:347023488[18]Lizana C,Wentworth M,Martinez J P,et al.Differenti2al adaptation of two varieties of common bean to abiotic stress I.Effects of drought on yield and photosynthesis [J].J Experim Botany,2006,57,(03):6852697 [19]Hara M,Fujinaga M,Kuboi T.Radical scavenging ac2tivity and oxidative modification of citrus dehydrin[J].Plant Physiol Biochem,2004,42:6572662[20]张成军,解恒才,郭佳秋,等.干旱对4种木本植物幼苗脯氨酸含量的影响[J].南京林业大学学报:自然科学版,2005,29(05):33236[责任编辑:刘守义]・13・2008年12月葛水莲等:植物抗旱基因工程的研究进展第6期。