植物耐盐基因的开发利用

1、植物耐盐基因的开发利用摘要：近年来，国内外在植物耐盐基因的开发利用研究方面获得了快速发展，本文概述了植物细胞耐受盐胁迫机制，耐盐相关基因应用于作物品种改良和盐碱地利用以及杜氏盐藻耐盐机制和基因工程的研究进展。关键词：植物耐盐机制基因工程在自然环境中，植物常常会遭遇不利环境如盐渍、干旱、涝、冷、冻、高温和强光照等，这些统称为非生物胁迫。非生物胁迫是制约植物生长发育、影响作物产量和质量的重要环境因素。盐胁迫是自然界中主要的非生物胁迫之一。在全世界范围内，存在着严重的土壤盐碱化现象，当今全球大约有8亿公顷土地存在不同程度的盐渍化。我国有3亿多亩盐渍化土地，其面积相当于全国可耕地面积的25%。土壤盐碱

2、化和次生盐碱化严重阻碍了农作物的生长，降低了农作物的产量，已经成为制约世界灌溉农业可持续发展和影响生态环境的重要因素。随着人口增加、耕地减少以及水资源的匮乏，提高水资源利用效率、充分开发和利用盐碱地有着极其重要的现实意义。盐碱地改良是世界性的难题，由于传统措施投资大、效益低，迫使人们考虑采用其它措施来改良利用盐碱土壤。经过数十年实践，人们越来越重视采用生物学措施和工程措施相结合的途径改良盐碱地。提高植物耐盐碱的能力以及选择和培育适宜在盐碱地上生长并具有较高经济和生态价值的植物种或品系，是开发利用盐碱地资源最根本、最经济、最有效的途径3。随着植物基因工程的发展以及大量耐盐基因的鉴定和克隆，利用基

3、因工程方法培育耐盐作物新品种已成为开发利用盐碱地的重要手段。作物逆境耐性（抗性）相关基因的克隆及其耐逆机制，是目前全球作物遗传育种和分子生物学研究的热点，是取得具有自主性知识产权的功能基因并进而领先应用于遗传育种、成功地进行作物品种改良的关键所在。而现在可以有效应用于植物耐盐基因工程育种的基因资源大多受到专利保护和限制，因此，发掘新的具有自主知识产权的基因资源成为我国植物基因工程研究的当务之急。盐胁迫对植物造成的伤害主要有两方面的原因：一是由盐胁迫引起的生理干旱，在盐胁迫条件下，细胞内的渗透势小于土壤溶液的渗透压，植物根系不能吸水，导致植物生长缓慢，甚至缺水干死；二是盐胁迫造成的离子毒害，外界

4、盐离子的大量进入，破坏了细胞中原有的离子平衡，进而影响细胞的正常代谢。此外，在盐胁迫条件下，细胞内会产生氧自由基（O2-）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（OH-）等多种形式的活性氧（ROS），导致氧化胁迫的产生。植物在长期的进化过程当中，针对盐胁迫产生了一整套的应答机制。揭示植物盐胁迫应答分子机理是人们长期以来探索的重大课题。为了生存，植物在遇到盐胁迫时激活胁迫应答机制，在形态和代谢上进行调整，建立新的平衡，保护和修复受损的蛋白质和膜结构以适应或忍耐环境胁迫。盐胁迫激活植物胁迫应答的细胞信号通路，引起细胞应答如积累大量的渗透保护物质、维持细胞内离子动态平衡、修复被破坏的蛋白和膜系统、清除活

5、性氧自由基等。许多植物耐盐相关基因已相继被克隆，其中部分基因与植物耐盐性状的关系也得到确认。这些基因有：（1）信号转导和转录调控基因，如MAP激酶基因、SOS激酶基因、磷脂酶基因和一些转录因子基因如CBF/DREB和ABF/ABAE家族等；（2）直接参与保护和修复膜和蛋白的基因，如热休克蛋白（Hsps）和分子伴侣基因、胚胎发育后期丰富蛋白（LEA）基因、渗透保护物质（相容性溶质）合成酶基因和细胞抗氧化及活性氧清除相关基因等；（3）水分与离子吸收与转运基因，如水通道蛋白基因和离子转运体基因等。在上述基因中，后两类基因编码的蛋白直接参与植物对逆境胁迫的应答反应，其中渗透物质（相容性溶质）合成酶基因

6、、细胞抗氧化及活性氧清除相关基因以及水分与离子吸收与转运基因具有非常重要的作用，它们是植物对盐胁迫耐受性的主要分子基础。此外，研究发现，一些miRNAs和siRNAs也参与植物耐盐机制。根据植物耐盐能力的不同，可将植物分成非盐生和盐生植物两类。盐生植物是在盐渍环境下自然生长的植物区系，其形态结构、生理功能及生态特征表现出对盐渍生境的高度适应。目前人们通过对拟南芥等模式植物的研究，在植物耐盐方面取得了巨大的研究成果，但是，以非盐生植物作为研究的模式植物，不可能完全揭示植物的耐盐机制。盐生模式植物（如盐藻、盐芥等）正受到世界范围内学者们的的关注。盐藻（Dunaliella）是一种生存于极端环境下的

7、无细胞壁的单细胞真核绿藻，可以在从0.05mol/L到饱和NaCl（约5.5mol/L）的培养液中生存，是迄今发现已知的最耐盐的真核生物之一；盐藻还具有非常强的渗透调节能力，它一次最大可以耐受34倍的渗透压的变化；如果通过梯度改变渗透压，盐藻可以耐受7倍以上的渗透压的变化。此外盐藻对极端温度、pH、重金属等环境胁迫也都具有很高的耐受性。极强的耐盐能力及简单的细胞结构以及便利的培养条件使盐藻成为研究植物适应盐胁迫的分子机制的重要模式生物。同时，开发和利用盐藻的耐盐基因资源对于提高农作物的抗盐能力也具有重要意义。由于长期生存在高盐环境中，盐藻进化出了对盐分的耐受能力及相应的耐盐相关基因。植物的抗盐

8、性状是由多基因控制的数量性状，这也就决定了耐盐胁迫机制的复杂性。研究发现盐藻响应外界环境胁迫的过程中一批执行不同生理功能的基因受到诱导表达。盐藻响应盐胁迫机制相当复杂，它也具有信号传导、渗透调节和离子平衡等多种耐盐机制，但是盐藻的这些耐盐机制与高等植物相比具有其独特的特点。例如盐藻在遭受渗透胁迫时，盐藻细胞通过甘油合成与转化来调节渗透压，但盐藻的甘油合成是如何启动的还不清楚；在经受高盐震荡后，Na+会大量涌入盐藻细胞，但是使盐藻细胞内Na+浓度保持不变的Na+外排的机制还不是很清楚，与盐藻Na+外排相关的基因还没有被分离到；此外，盐藻细胞在质膜内外存在如此高的Na+电化学势的情况下，如何从外界

9、吸收营养离子也尚待进一步研究。目前盐藻抗盐机制的研究存在的主要问题是：盐藻中究竟存在多少特异盐胁迫耐性基因？这些耐盐基因的表达与作用机理如何？盐藻耐盐机制和其他植物尤其是高等植物耐盐机制是否及存在哪些差异？盐藻耐盐基因在作物耐盐性状的遗传改良上的可利用性及应用价值如何？要弄清楚盐藻的抗盐机制，需要我们进一步开展功能基因组学、比较基因组学、蛋白质组学、代谢组学、基因芯片技术及生物信息学等手段对盐藻从整体上进行系统生物学的研究。利用现代生物技术系统地对盐藻盐胁迫耐（抗）性相关基因进行鉴定，筛选出盐胁迫耐性基因，进行相关基因的克隆和功能研究，研究盐藻耐盐机制，无论对于盐藻基础科学研究，还是对于作物基

10、因工程育种均具有重要的意义。这些研究成果对于深入了解盐藻耐盐机制、利用价值与应用途径，对提升我国盐藻研究水平及其在国际盐藻学术界的地位也具有重要作用。利用酵母的遗传互补系统克隆外源基因是一个非常有效的手段，因为酵母是真核生物基因的优良的表达系统，具有高效的转化方法，而且酵母有可供筛选的丰富突变体。由于这一方法通过功能互补进行筛选，因而具有高效、直接、目的性强等优点。利用此方法，人们已成功克隆分离到了植物中的许多新基因，如拟南芥的氨基酸透性酶基因、K+通道基因AKT1、KAT1和HKT1及H+/Ca2+反向转运蛋白和植物螯合肽合成酶基因等。利用酵母转化、筛选和功能互补系统，已经成功筛选到了盐藻的

11、某些抗重金属相关的新基因，说明通过此方法克隆盐藻耐逆基因是切实可行的。我们相信，随着参与盐胁迫响应的所有基因的功能得到鉴定，人们就可以综合地理解植物细胞响应盐胁迫的生理和生化的机制，并可以进一步通过转基因手段验证可用于高等植物尤其是作物耐盐的基因，应用于作物品种改良和盐碱地利用。参考文献1赵可夫，冯立田.中国盐生植物资源M.北京：科学出版社，2001.2SerranoR，GaxiolaR.MicrobialmodelsandsaltstresstoleranceinplantsJ.CritRevPlantSci，1994，13（2）：121-138.3MunnsR.Genesandsaltto

12、lerance：bringingthemtogetherJ.NewPhytol，2005，167（3）：645-663.4ApelK，HirtHeribert.Reactiveoxygenspecies：metabolism，oxidativestress，andsignaltransductionJ.AnnuRevPlantBiol，2006，55：373-399.5TurkanIandDemiralT.Recentdevelopmentsinunderstandingsalinitytolerance.ENVIRONMENTALANDEXPERIMENTALBOTANYJ2009，67：2

13、.6GaoJP，ChaoDY，LinHX.Understandingabioticstresstolerancemechanisms：RecentstudiesonstressresponseinriceJ.Integr.PlantBiol.2007，49（6），742-7507ParidaA.K.andDasA.B.Salttoleranceandsalinityeffectsonplants：areviewJ，Ecotoxicol.Environ.Saf.2005，60.，324-349.8KaurNandGuptaAK.Signaltransductionpathwaysunderabi

14、oticstressesinplantsJ.CurrSci，2006，88（11）：1771-1780.9WangJ，ZuoK，WuW，SongJ，SunX，LinJ，LiX，TangK.MolecularcloningandcharacterizationofanewNa+/H+antiportergenefromBrassicanapusJ.DNASeq，2003，14：351-358.10BorsaniO，ZhuJ，VersluesPE，SunkarRandJKZhu.EndogenoussiRNAsderivedfromapairofnaturalcis-antisensetranscriptsregulatesalttoleranceinArabidopsisJ，Cell，2005，123：1279129111FisherM，etal.Asalt-resistantplasmamembranecarbonicanhydraseis.inducedbysaltinDunaliellasalinaJ.J.Biol.Chem.，1996，271：17718-17723.12Fishe