第二章 目的基因(三)

1、第二章第二章 植物基因工程中的目的基因植物基因工程中的目的基因植物基因工程植物基因工程（三）（三） 植物抗真、细菌病害、抗逆基因植物抗真、细菌病害、抗逆基因上节知识点回顾上节知识点回顾抗植物病毒基因工程中常用的技术路线。抗植物病毒基因工程中常用的技术路线。CPCP基因抗病毒的原理。基因抗病毒的原理。病毒卫星病毒卫星RNARNA。缺陷干扰颗粒。缺陷干扰颗粒。1. 植物抗真菌病害基因植物防卫反应：植物防卫反应： 增强细胞壁结构：增强细胞壁结构： 富含羟脯氨酸糖蛋白和富含甘氨酸蛋白；木质素富含羟脯氨酸糖蛋白和富含甘氨酸蛋白；木质素 诱导产生或激活抗菌物质：诱导产生或激活抗菌物质： 硫堇，植物抗毒素，

2、几丁质酶，硫堇，植物抗毒素，几丁质酶，PRPR蛋白蛋白小麦锈病小麦锈病 梨黑星病梨黑星病1.1 1.1 几丁质酶基因几丁质酶基因几丁质酶抑菌机制几丁质酶抑菌机制 植物病原真菌的细胞壁主要成分之一是几丁质，几丁质酶通过破坏菌丝尖端新合成的几丁质而抑制病原菌的生长。病原真菌细胞壁中几丁质的降解不仅破坏细胞新物质的沉积，使病原体死亡，而且产生的细胞壁碎片可以刺激寄主植物产生抗病反应。 几丁质酶属于几丁质酶属于PRPR蛋白，在植物中含量低，受病原菌诱导，没有蛋白，在植物中含量低，受病原菌诱导，没有病原特异性，是由宿主的反应类型决定的，在进化上相对保守。病原特异性，是由宿主的反应类型决定的，在进化上相对

3、保守。几丁质酶的利用策略几丁质酶的利用策略直接应用，将酶直接施与农田，以保护植物免受土壤真菌的侵染将几丁质酶基因引入根围细菌，使该工程菌表达分泌几丁质酶将基因导入植物，使转基因植物表达几丁质酶。 现在已经对许多微生物和植物的几丁质酶基因进行了分离，现在已经对许多微生物和植物的几丁质酶基因进行了分离，克隆，测序和转化，转基因植株中几丁质酶增加，抗病性增加。克隆，测序和转化，转基因植株中几丁质酶增加，抗病性增加。1.2 1.2 植物抗毒素基因植物抗毒素基因 植物抗毒素：植物抗毒素：亦称植保素，是植物受侵染后产生的一类低分子抗菌化合物，具有种属特异性。 现已鉴定的植保素达200200多种，以类黄酮与

4、类萜类植保素研究最多。植保素的产生速度、累积含量与植物的抗病性有着密切的关系。1.31.3过氧化物酶基因过氧化物酶基因苯丙烷代谢苯丙烷代谢是一条和多种生理功能密切相关的代谢途径是一条和多种生理功能密切相关的代谢途径。该途径的产物在植物抗病反应中起着重要作用。该途径的产物在植物抗病反应中起着重要作用。（预预防性抗菌物质、诱导性抗病物质、防御屏障防性抗菌物质、诱导性抗病物质、防御屏障） 过氧化物酶催化苯基类丙烷醇脱氢聚合最终形成过氧化物酶催化苯基类丙烷醇脱氢聚合最终形成木质素木质素，将该酶的编码基因和，将该酶的编码基因和35s35s启动子连接转入烟草，显著提启动子连接转入烟草，显著提高了高了烟草对

5、霜霉病烟草对霜霉病的抗性。的抗性。1.4 SAR1.4 SAR抗病基因抗病基因SARSAR概念：概念：系统获得抗病系统，由病原侵染激发，可持续及对随后同种病原体甚至不同种的其他病原体的侵染均能表现出系统性的抗病性。水杨酸（水杨酸（SA）：）：一种信号分子，一种信号分子，SA介导植物保护反应是由于介导植物保护反应是由于一组复杂的植物保护机制被一组复杂的植物保护机制被SA激活所致。（激活所致。（足够的足够的SA含量含量+有有效的信号感知和转导途径效的信号感知和转导途径）。）。过氧化氢酶：过氧化氢酶：在病原菌与寄主识别反应的早期就会积累的过氧化氢酶是SA的结合蛋白，该酶基因的过表达能够增加马铃薯抵抗

6、病原菌的能力。2 2. 抗植物细菌病害基因全世界马铃薯每年因细菌病害减产全世界马铃薯每年因细菌病害减产25%25%，约，约4040亿美元。亿美元。 1845-1860年年马铃薯晚疫病马铃薯晚疫病导致爱尔兰饥荒。导致爱尔兰饥荒。 1970年年玉米大斑病玉米大斑病再次引再次引起全球惊慌。起全球惊慌。2.1 2.1 病原菌自身的抗性基因病原菌自身的抗性基因 原理：将病原菌基因导入植物细胞，使其过量表达，或表达失去原有功能的蛋白，或表达失去原有的时空性，从而干扰病原菌的正常生理代谢，以致寄主植物表现出抗性。 菜豆毒素菜豆毒素是菜豆假单胞菌中重要的治病因子，作用机制是抑是菜豆假单胞菌中重要的治病因子，作

7、用机制是抑制制植物鸟氨酸氨甲酰基转移酶植物鸟氨酸氨甲酰基转移酶（OCTase）的活性。菌体本身存的活性。菌体本身存在抗菜豆毒素的在抗菜豆毒素的OCTase，将编码该酶的基因导入烟草后，获得，将编码该酶的基因导入烟草后，获得的烟草转基因植株在接种菜豆毒素后不表现系统病症。的烟草转基因植株在接种菜豆毒素后不表现系统病症。转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯2.2 2.2 溶菌酶基因及其应用溶菌酶基因及其应用溶菌酶（溶菌酶（lysozymelysozyme）存在于卵清、唾液等生物分泌液中存在于卵清、唾液等生物分泌液中，催化细菌细胞壁肽聚

8、糖，催化细菌细胞壁肽聚糖N-N-乙酰氨基葡糖与乙酰氨基葡糖与N-N-乙酰胞壁乙酰胞壁酸之间的酸之间的1 1，4-4-糖苷键水解的酶。因此，该酶具有糖苷键水解的酶。因此，该酶具有抗菌抗菌、消炎、抗病毒、消炎、抗病毒等作用。等作用。 3.抗非生物胁迫基因 胁迫：指对植物生存和生长不利的各种环境因素的总和。分为生物胁迫生物胁迫和非生物胁迫非生物胁迫。风、雨、雪、风、雨、雪、声、磁、电声、磁、电化学因素化学因素盐类、离子、气体、盐类、离子、气体、除草剂等除草剂等辐射辐射红外光红外光可见光可见光紫外光紫外光离子辐射离子辐射水水涝涝 干旱干旱温度温度低温低温 高温高温冷害冷害 冻害冻害苏铁冻害苏铁冻害农田

9、杂草丛生农田杂草丛生香蕉除草剂药害香蕉除草剂药害农田杂草丛生农田杂草丛生玉米除草剂药害玉米除草剂药害限制除草剂应用的重要因素：除草剂限制除草剂应用的重要因素：除草剂药害药害3.1 3.1 耐除草剂基因耐除草剂基因 主要为转基因大豆、玉米、棉花、油菜，主要为转基因大豆、玉米、棉花、油菜，5860万万hm2，约占全世界转基因作物的约占全世界转基因作物的72%解决除草剂对农作物伤害的途径解决除草剂对农作物伤害的途径（二（二 ）育种）育种 1.杂交育种：杂交育种：将野草植物的除草剂的抗性引入栽培品将野草植物的除草剂的抗性引入栽培品种中；种中； 2.遗传工程育种：遗传工程育种：组培或细胞培养结合理化诱变

10、组培或细胞培养结合理化诱变 基因工程手段基因工程手段（一）应用对农作物伤害小的除草剂（一）应用对农作物伤害小的除草剂耐除草剂基因工程策略：靶蛋白改造；引入酶系统3.1.1靶蛋白抗性基因及其应用靶蛋白抗性基因及其应用（1）抗）抗EPSPS抑制剂基因及其应用抑制剂基因及其应用EPSPS：草甘膦（草甘膦（glyphosate）是一种施用于叶片的广谱、非选）是一种施用于叶片的广谱、非选择性的有机磷类除草剂。草甘膦特异性地抑制植物和细菌中择性的有机磷类除草剂。草甘膦特异性地抑制植物和细菌中5-烯烯醇丙酮酰莽草酸醇丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶磷酸合酶（EPSPS）的活性。）的活性。EPSPS是芳香是芳香族氨

11、基酸合成途径中的一个酶，对植物正常发育起着重要作用。族氨基酸合成途径中的一个酶，对植物正常发育起着重要作用。EPSPS过量表达EPSPS靶蛋白突变（2）抗）抗ALS抑制剂基因及其应用抑制剂基因及其应用ALS：乙酰乳酸合成酶。磺酰脲类除草剂通过抑制支链乙酰乳酸合成酶。磺酰脲类除草剂通过抑制支链氨基酸合成过程中的一个关键酶氨基酸合成过程中的一个关键酶ALS来表现其除草剂作用。来表现其除草剂作用。植物中植物中ALS对磺酰脲类除草剂的抑制作用相当敏感。对磺酰脲类除草剂的抑制作用相当敏感。 ALS的靶点突变体在自然界普遍存在，的靶点突变体在自然界普遍存在，ALS基因上基因上许多位点可以产生突变体并赋予抗

12、性。许多位点可以产生突变体并赋予抗性。 将拟南芥中的抗除草剂基因（将拟南芥中的抗除草剂基因（ALS基因突变基因突变基因）导入烟草，转基因烟草对磺酰脲类除草基因）导入烟草，转基因烟草对磺酰脲类除草剂敏感性下降了约剂敏感性下降了约1000倍。倍。3.1.1 靶蛋白抗性基因及其应用靶蛋白抗性基因及其应用 有许多不同的酶系统对除草剂有降解的作用，这些酶系统存在于作物、杂草和微生物中。 降解抗性可能涉及多于一种基因或物质参与，分离降解抗性可能涉及多于一种基因或物质参与，分离对除草剂有降解作用的基因较困难。但是降解系统产对除草剂有降解作用的基因较困难。但是降解系统产生的对除草剂的生的对除草剂的抗性的专一性

13、强、效率高、负效应小抗性的专一性强、效率高、负效应小。3.1.2 除草剂的降解和解毒基因及其应用除草剂的降解和解毒基因及其应用 （1）乙酰）乙酰CoA转移酶基因及其应用转移酶基因及其应用 乙酰乙酰CoA转移酶具有使除草剂转移酶具有使除草剂草丁膦草丁膦失活的作用。在失活的作用。在CoA存存在的情况下，乙酰在的情况下，乙酰CoA转移酶催化乙酰转移酶催化乙酰CoA与草丁膦的游离氨与草丁膦的游离氨基酸结合，使基酸结合，使L-草丁膦转变为乙酰草丁膦转变为乙酰-L-草丁膦，从而失去除草剂草丁膦，从而失去除草剂活性。活性。 从链霉菌中分离到乙酰辅酶从链霉菌中分离到乙酰辅酶A转移酶基因（转移酶基因（bar）转

14、入烟）转入烟草、马铃薯和番茄中，获得抗草、马铃薯和番茄中，获得抗Basta的植株，而且产量不受的植株，而且产量不受影响。影响。3.1.2 除草剂的降解和解毒基因及其应用除草剂的降解和解毒基因及其应用（2 2）超氧化物酶歧化酶基因）超氧化物酶歧化酶基因许多除草剂（百草枯）在植物体内产生活性氧并氧许多除草剂（百草枯）在植物体内产生活性氧并氧化植物细胞质膜而导致植物死亡。化植物细胞质膜而导致植物死亡。把高效启动子控制下的把高效启动子控制下的SODSOD基因导入植物，可以提基因导入植物，可以提高植物的抗逆性。高植物的抗逆性。3.1.2 除草剂的降解和解毒基因及其应用除草剂的降解和解毒基因及其应用降解或

15、解毒策略可以作为修饰或过表达靶蛋白的一个有价值的替代方法。解毒酶基因还可能赋予植物对多种除草剂的耐性。 抑制植物对除草剂的吸收和转运具有很大前景，但是还抑制植物对除草剂的吸收和转运具有很大前景，但是还是一种设想。是一种设想。3.23.2抗其他非生物胁迫的基因抗其他非生物胁迫的基因第一类基因编码产物是在植物的抗性中直接起保护作用的蛋白质。1.合成渗透调节物质的关键酶类，2.具有解毒作用的酶，3.保护生物大分子及膜结构的蛋白，4.具保护作用的蛋白酶，5.水通道蛋白。第二类基因编码的产物是在信号转导和逆激基因表达过程中起调节作用的蛋白质因子。1.传递信号和调控基因表达的转录因子，2.感应和转导胁迫信

16、号的蛋白激酶，3.与第二信使生成有关的酶。3.2.13.2.1渗透调节物质合成酶基因渗透调节物质合成酶基因渗透调节物质：植物在高盐或干旱条件下，为了消除胁迫所造成的伤害，维持渗透平衡和体内水分，在细胞中产生和积累的一些小分子化合物。 氨基酸衍生物，脯氨酸、甜菜碱；糖类，海藻糖氨基酸衍生物，脯氨酸、甜菜碱；糖类，海藻糖、果聚糖，多醇类。其中海藻糖、甜菜碱是次生代、果聚糖，多醇类。其中海藻糖、甜菜碱是次生代谢产物。谢产物。3.2.23.2.2保护生物大分子及膜结构的蛋白质基因保护生物大分子及膜结构的蛋白质基因（1 1）抗冻蛋白基因）抗冻蛋白基因 抗冻蛋白（antifreeze protein，AF

17、P）：指能降低冰点和减少冰晶生长速度的蛋白质。 用鱼类用鱼类AFPAFP处理植物组织细胞，可以减少细胞冰晶生长，降处理植物组织细胞，可以减少细胞冰晶生长，降低冰冻温度。低冰冻温度。 表达黄盖鲽表达黄盖鲽AFPAFP基因的番茄和烟草的转基因植株抗冻性增加。基因的番茄和烟草的转基因植株抗冻性增加。荧光抗冻蛋白装饰的冰晶体荧光抗冻蛋白装饰的冰晶体（2 2）胚胎发生后期富集蛋白基因）胚胎发生后期富集蛋白基因3.2.23.2.2保护生物大分子及膜结构的蛋白质基因保护生物大分子及膜结构的蛋白质基因 胚胎发生后期富集蛋白（胚胎发生后期富集蛋白（late embryo genesis abundant late embryo genesis abundant proteinprotein，LEALEA）：）：出现在胚发后期，随种子脱水成熟其含量增出现在胚发后期，随种子脱水成熟其含量增加，具有高度的亲水性，是植物能够在水分亏缺时，保持膜系加，具有高度的亲水性，是植物能够在水分亏缺时，保持膜系统及生物大分子免受破坏。统及生物大分子免受破坏。 干旱、高盐或低温胁迫下，干旱、高盐或低温胁迫下，lealea基因在各种植物的营养器官基因在