植物耐盐基因工程进展

1、杨杨 晶晶 2016.5.9 植物耐盐基因工程进展植物耐盐基因工程进展 盐害是影响植物生长和作物产量的主要因素, 是世界上作物减产的主要原因,盐害限制植物细 胞从土壤中吸收水分, 引起渗透胁迫。 应用植物基因工程手段提高作物的耐盐性是 快速并且有效的方法。 渗透调节物质合成酶基因 许多植物在失水胁迫条件下会积累小分子相容 性溶质或渗压剂。导入渗透调节物质合成酶基因， 使植物在水分胁迫下能合成更多的代谢产物 （如脯 氨酸、甜菜碱、海藻糖、甘露醇、果聚糖、甘氨酸 等），有利于提高植物的渗透调节能力，从而增强植 物的耐盐性。 渗透调节物质合成酶基因 Garg 等在水稻中超量表达细菌海藻糖合成基因，

2、增加了水稻对盐的耐受性。 Waditee 等发现从甘氨酸到甜菜碱的生物合成途径， 该途径由N-甲基转移酶催化。研究发现，蓝藻中共同表达 N-甲基转移酶基因会使甜菜碱在植物体内大量积累，并赋 予淡水蓝藻耐盐性，使它能够在海水中正常生长。 氧胁迫相关基因 盐碱、干旱和低温胁迫同时伴随有活性氧 （ROS）的产生。这些毒性分子破坏生物膜，尤其是 破坏线粒体和叶绿体的膜系统，导致氧化胁迫。通 过导入解毒酶和氧化胁迫相关酶的基因，如SOD、 CAT 和GST 等，并使其过量表达，以有效地排除活 性氧自由基，保护和稳定蛋白复合体和膜结构，从 而提高细胞耐脱水的能力。 氧胁迫相关基因 Yoshimura 等通

3、过不同的抗氧化剂和ROS 清除剂来减轻氧 化损伤，增强植物对于盐和干旱的耐受性。 在细胞质和叶绿体中超量表达衣藻的谷胱甘肽过氧化物酶 的转基因马铃薯显示出对氧化胁迫的耐受性。 Sunkar 等在拟南芥中超量表达醛脱氢酶AtALDH3 基因， 通过消除细胞内的ROS，提高了拟南芥对于干旱和盐的耐受 性。 离子转运相关基因 Na+是盐渍土壤中主要的有害离子，在植物体中过量 积累会破坏细胞膜结构、降低胞质酶活性、阻碍光合 作用和代谢过程，引发离子胁迫。研究表明，在高盐 环境下，Na+进入液泡主要依赖液泡膜Na+/H+反向转运 蛋白以及液泡型H+-ATPase 和H+-PPase 基因表达的上 调或活

4、性的提高。而胞质内过多的Na+排出胞外主要由 质膜Na+/H+反向转运蛋白，利用质膜型H+-ATPase 和 H+-PPase 产生的质子电化学梯度完成。 离子转运相关基因 Gaxiola 等首先在拟南芥中克隆了编码液泡膜 Na+/H+反向转运蛋白AtNHX1基因。 Xue 等利用该基因在小麦中超量表达，使转基因小 麦在中度盐渍土中的产量提高15%。 编码转录因子的调节基因 转录因子在植物渗透胁迫反应中起关键调控作用， 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，获得比单独导入某个功能基因更强的 抗逆性。胁迫响应基因的启动子有几个典型的顺式作 用元件， 例如DRE/CRT、A

5、BRE 和MYCRS/MYBRS，它们 受到各种上游转录因子的调控。在了解顺式作用元件 的基础上，借助酵母单杂交的手段即可分离到与其结 合的转录因子基因。 编码转录因子的调节基因 现已有很多与DRE 相结合的转录因子被分离出来，分别命 名为CBF1/DREB1B、CBF2/DREB/C 和CBF3/DREB1A。研究表明， CBF 类转录因子受低温诱导，可以提高植物对低温的抗性。 而与其同源的DREB2 类转录因子则受高盐、干旱调节，参与 植物耐盐的信号传导过程。Park 等将转录因子MsPRP2、 SCOF-1、Tsi1 基因导入苜蓿、烟草等，也可提高转基因植 株对渗透胁迫的抗性。 感应和传

6、导胁迫信号的蛋白激酶基因 蛋白激酶是一类胞内信使依赖的、在蛋白质磷酸化 过程中起中介和放大作用，是信号传递中关键酶，它 广泛参与植物对干旱、盐胁迫、ABA 诱导、光诱导等 的应答反应。 感应和传导胁迫信号的蛋白激酶基因 Shou 等在玉米中组成表达MAPKKK/NPK1 能够激活氧化 信号级联系统，使转基因植物对低温、高温和盐具有耐 受性。 Liu 等发现了一种新的钙传感器CBL（钙调磷酸酶B 细 胞样）蛋白。不同的CBL 同工型在胁迫条件下都是上调 的。并且CBLs 特定的与一类称为CBL 互作蛋白激酶 （CIPKs）相互作用，通过磷酸化作用将信号传导给下游 的信号元件。 解旋酶基因 非生物

7、胁迫往往影响的是细胞基因表达机制，参与处理 核酸的解旋酶也可能受到影响。大部分DNA 解旋酶存在 于细胞，并参与不同发展阶段基因的调控以及胁迫条件 下的基因调控。这些DNA解旋酶可能有不同的底物以及构 造的要求。 目前，正在研究PDH45（豌豆的DNA 解旋酶45）在盐胁迫 耐受中的潜在作用。已经证明，超量表达PDH45 的转基 因株系表现出较高的耐盐性。在连续的盐胁迫下，T1 代 转基因植株能够成长并产生正常的可育种子，根据种子 的重量推算产量并没有任何削减。最近，一个新的DNA 解旋酶基因PDH47（豌豆的DNA 解旋酶47）也已经被分离， 并证明是受冷诱导表达的。 其他调控序列 近年来研

8、究发现一些小的非编码RNA，MicroRNAs（miRNA）和 siRNAs，它们是mRNA 降解、转译抑制和染色质修饰的重要调控子。 miRNA作用的靶基因包括代谢途径中的酶类基因、泛蛋白化途径中 的酶基因、转录因子、信号传导组分和涉及RNA 加工、蛋白质合成 方面的基因。 Sunkar 等在已知的43 个miRNA 中鉴定发现4 个miRNA 在不同的 非生物胁迫条件下表达发生变化。由此可见，miRNA 在植物对环境 胁迫的应答中可能起重要的调控作用。同时，发现一些内源小RNAs 也可能在植物对环境胁迫的应答方面起着重要的作用。 对植物耐盐性的基因工程研究应在以下几个方面加强: ( 1)从不同种类的植物中有目的地克隆其它的耐盐基因及其 启动子, 并对其表达特性、生理作用、结构特点等进行深 入研究, 揭示此类基因编码蛋白的准确功能, 明确盐胁迫 抑制植物生长、发育以及各种代谢活动的分子基础; ( 2)寻找在盐胁迫下转运各种离子