深圳大东电子有限公司:最具应用前景的12个抗盐碱基因

作者：陈丽媛
出处：见正文发布时间：2006-2-9 13:29:43　(原作发表时间： )
随着人口增加和耕地减少，地球表面大面积盐碱地资源的开发利用具有极其重要的现实意义。植物抗盐碱、耐干旱能力的提高，适宜在盐碱地上生长并具有较高经济和生态价值的物种或品系的选育，则是利用盐碱地经济、有效的措施。然而绝大多数植物对盐碱、干旱的耐受性差, 只能生长在氯化钠含量为0.3%以下的土壤中，这极大的限制了植物在盐碱滩地上的广泛生长。
植物的抗逆特性是由多基因控制的数量性状，其生理生化过程是基因间相互协调作用的结果，这无疑给研究植物抗盐、耐旱机制、基因表达调控等带来许多不便。现已开展的主要研究包括两大类：一是成功克隆了相当数量的逆境相关物质基因；另一类研究则是在逆境胁迫的条件下，基因之间通过信号传导作用，启动某些相关基因的适时表达，从而达到抵抗逆境、保护细胞正常活动的目的。前者研究得较为深入，对后者的研究较为落后，但近年也有了显著的进展。
（一）渗透调节相关基因
植物细胞积累相容性物质能有效的调节渗透势,又不会对大分子溶质系统产生干扰，还能有益于加固膜的稳定性。这种相容性物质主要有：（1）氨基酸类，如脯氨酸；（2）糖醇类化合物，如甘露醇，山梨醇，海藻糖，等等；（3）季铵类化合物，如甜菜碱，胆碱，等等。这三类物质都有较大的水溶性，能调节渗透势，但又不进入蛋白质的水化膜内，因此不会破坏蛋白质的高级结构，被排斥在膜的外表而有助于保护和稳定细胞蛋白质结构，防止活性酶变性失活，有效的抵抗了逆境对植物的胁迫。
（１）Imtl 基因和P5CS基因
Imtl基因全称为肌醇甲基转移酶基因，是从生长于南非沙漠的冰叶午时花cDNA文库中分离得到的, 该基因在盐碱或干旱的胁迫下诱导表达，以肌醇为底物，生成一种多羟基糖醇化合物芒柄醇。芒柄醇因含有多个羟基，亲水能力强，能有效减少生理性干旱造成的损失而使植物得以耐盐。
目前已构建了Itml 基因的植物表达载体并将它转化到了植物基因组中，获得了可耐1.2%～1.5%氯化钠的转基因烟草植株。冰叶午时花能在2.33%氯化钠以上条件下正常生长。转基因植物的抗盐性虽然有较大的提高，但还远未达到Itml 基因在冰叶午时花中的表达水平。这可能与植物基因表达载体构建时所用启动子、物种特异性、植物发育过程中基因表达的阶段性和组织特异性等有关。
P5SC基因是一个双功能基因，编码γ-谷氨酰激酶（γ-GK）和谷氨酸-5-半醛脱氢酶（GSA）两种酶，催化从谷氨酸合成脯氨酸的最初两步反应。P5SC基因在积累脯氨酸以降低渗透胁迫、在正常和胁迫条件下反馈调控植物中脯氨酸合成水平等方面均起着重要作用。将该基因转化到烟草中, 可使转基因烟草中该酶的表达量提高, 脯氨酸的合成量比对照提高8～10倍。近年来, 探讨P5CS基因在转基因植物中的作用机制成了脯氨酸基因工程研究中的热点问题之一。
2001年，河北大学朱宝成教授等人成功构建了一种脯氨酸合成酶的基因，并将这种基因导入水稻悬浮细胞，从而得到转基因水稻植株。此基因在一种启动子的作用下，不断积累脯氨酸合成酶，水稻依靠这种脯氨酸含量的增加来提高抗旱耐盐碱力。目前，专家已经得到第四代转基因植株种子。实验表明，在干旱和盐碱胁迫的条件下，多数转基因水稻能够正常结实。
（２）gutD 基因和mtlD 基因
gutD基因（6-磷酸山梨醇脱氢酶基因）和mtlD基因（1-磷酸甘露醇脱氢酶基因）都是从大肠杆菌中克隆的分别编码甘露醇和山梨醇的关键基因。目前已将gutD 基因和mtlD 基因的中单价或双价基因在烟草、水稻、玉米等植物中成功进行了遗传转化，转基因植株的耐盐性得到不同程度的提高。
转入gutD 基因可使转基因植株产生山梨醇，转基因玉米的耐盐性可达1.17%氯化钠；转入mtlD 基因可产生甘露醇，耐盐性可达1.46%氯化钠。根据结构域不同但功能相同的两个或两个以上基因的互补性、累加性等特点，将两个或多个基因同时转入植物中，则能使转基因植株的耐盐性比转单个基因效果更好。转gutD /mtlD双价基因烟草的耐盐性可达2.0%氯化钠, 将这两个基因同时转到水稻中, 可使其耐盐能力达到0.5%氯化钠。
（３）TPS基因和otsBA基因
TPS 基因是从酿酒酵母、拟南芥、复苏植物Selaginell lepidoghylla 等真核生物中分离得到的，其全名为四海藻糖-6-磷酸合成酶。otsBA 基因是从大肠杆菌中克隆的大肠杆菌海藻糖-6-磷酸合成酶基因。大肠杆菌中otsA 基因编码的海藻糖合成酶催化UDP葡萄糖和6-磷酸葡萄糖合成6-磷酸海藻糖，再经otsB 基因编码的海藻糖磷酸酯酶脱磷酸后生成海藻糖。
真核生物海藻糖的合成分别由Tps1 和Tps2 两个基因来完成,其功能分别相当于大肠杆菌的otsA 和otsB 基因。1996年以来，已有多个研究组将TPS 基因导入到烟草、马铃薯等植物中,该基因在高等植物中表达后能使高等植物积累一定浓度的海藻糖, 从而使植物对干旱具有一定的耐受能力。
（４）BADH基因和bets基因
植物BADH基因 （植物甜菜合成酶基因）在耐盐、耐旱基因工程中研究得较深入。研究证明, 在盐碱或水分胁迫下, 植物叶片和耐根系中的BADH活性会显著增加,当氯化钠浓度增加到500mmol/L，植物叶片和根系中BADH的活性增加2～4倍，而且BADH转录活性也增加。这促使植物细胞中甜菜碱合成的量增加, 在非致死浓度下，直到细胞中甜菜碱的浓度足以使渗透膨压保持平衡，并使其他重要酶类保持活性。目前主要研究的是藜科和禾本科植物, 已从甜菜、菠菜、山菠菜、大麦、水稻等植物中克隆出了BADH基因, 最近又从木本盐生植物海榄雌中克隆了该基因。
不同来源的BADH序列具有一定的差异, 使BADH的活性存在着不同程度的差异。学者McCue等证实甜菜的BADH与菠菜的同源性为83%, 甜菜的耐盐性可达2.91%，远高于菠菜。肖岗等人员的实验结果表明, 在0.8%氯化钠胁迫下, 菠菜中BADH同工酶活性较正常条件下增加1倍，在山菠菜中更明显，BADH同工酶活性较正常条件下增加3倍。至今,BADH基因已在草莓、烟草、水稻、小麦、豆瓣菜等植物和农作物中进行了转化, 并获得了耐盐性得到不同程度提高的工程植株。
bets基因族是从大肠杆菌中分离、克隆的一组与甜菜碱合成有关的基因，其中bet A基因相当于植物中甜菜碱合成的CMO基因, bet B基因相当于BADH基因, bet T基因为高亲和性胆碱运输操纵子, 而bet I基因则为一种阻抑蛋白, 在甜菜碱合成过程中起调控作用。
（二）功能蛋白相关基因
干旱会引起植物体内许多变化,一定数量的功能蛋白的表达就是植物适应干旱的一种积极反应。植物体可以通过特殊的功能蛋白，增强细胞与环境的信息交流和物质交换，提高细胞渗透吸水能力，从而增强抗旱、耐盐能力。
（1）LEA基因
LEA 基因是在种子成熟和发育阶段表达的基因，称为晚期胚胎发生丰富蛋白基因，在种子发育过程中的胚胎晚期引起LEA蛋白的高度富集。在植物受到干旱、低温和盐渍等环境胁迫后造成脱水的营养组织中也有所表达。LEA蛋白首先是在棉花中发现的，在其他高等植物中也广泛存在，包括大麦，小麦，水稻，玉米，棉花，葡萄种子和大豆。LEA蛋白具有很强的亲水性和热稳定性, 且受发育阶段、脱落酸（ABA）和脱水信号的调节。
LEA 基因表达与植物的环境胁迫成正相关。在胁迫条件下，LEA蛋白对植物细胞起保护作用。在其他植物特别是有经济价值的作物中,通过转基因，使转基因植物积累LEA蛋白,可以提高非盐生植物的抗渗透胁迫能力。对LEA 蛋白的深入研究，不仅有助于了解植物抗逆性的分子机制, 而且可以为植物抗逆性调节提供新的思路；同时, 分离、克隆与植物抗逆有关的LEA 基因, 可以用于植物的抗逆性基因工程育种, 特别是抗旱育种。
LEA蛋白及LEA 基因成为当前植物胚胎学研究热点之一, 受到广泛重视，在植物种子（胚胎）、体细胞胚胎发育调控、人工种子制作以及抗逆性调节、基因工程抗性育种等方面显示出广泛的应用前景。
（２）dhn基因
脱水素dhn基因是一个大的基因家族，每个物种内都存在差异很大的多个基因。所以，克隆及研究脱水素基因对植物抗逆及种子生理的研究都具有较大的意义。目前，已有多个脱水素基因或相关基因被克隆并定位，如玉米中的dhn2，大麦中dhn1，dhn11，以及拟南芥中的dhnX ，cor47 ，rab18，等等。这对我国干旱、半干旱耕地占较大比重，及水资源短缺等国情，有重要的现实意义和巨大的应用前景。
（三）信号传导相关基因
在环境胁迫下，植物体能通过逆境胁迫信号传导作用，调控相关基因的表达，以达到抵抗逆境的目的。胁迫信号调节途径有许多假设, SOS途径就是基于遗传、分子和生物化学分析的最为经典的途径之一。SOS途径的重要生理功能是植物在盐胁迫下进行离子稳态调节和提高耐钠性。首先，胁迫引发了细胞质中的钙离子信号，然后，由SOS 基因编码的钙离子结合蛋白接收这种钙离子信号，并将这种信号传到下游目标基因。
SOS基因
亚利桑那大学朱健康研究小组成功采用拟南芥突变植株，依据在含NaCl的琼脂培养基上植株根部成长弯曲程度的不同，结合定位克隆和等位性检测等方法，获得了5 组SOS 突变体，从而鉴定了5个耐盐基因：SOS1，SOS2，SOS3，SOS4和SOS5。
SOS1蛋白在功能上相当于质膜Na+/H+ 反向运输体, 在SOS 途径中成为其家族成员中调节的最终对象，因此它与植物耐盐性的关系也最为密切。SOS1很可能作为拟南芥质膜上的Na+/H+ 逆向转运蛋白，在功能上起到把Na+排出细胞外的作用。
SOS2 具有自我磷酸化的功能，但依赖于SOS3和Ca2+的存在。
SOS3 基因也是植物在低K+和盐胁迫条件下生长的必需基因，SOS3与酵母钙调磷酸酶的B亚基和动物神经钙传感器相似，它们都有豆蔻酰的明显特征。
SOS4 基因编码吡哆醛激酶, 该酶参与吡哆醛-5-磷酸的生物合成，可作为许多酶的辅因子和离子转运蛋白的配体而发挥作用。
SOS5 基因编码一个含有420 氨基酸残基的多肽，其中Ser、Leu、Val、Pro、Thr 和Val 含量较丰富，它是一个假定的细胞粘连蛋白。SOS5 蛋白广泛存在于植物各器官和组织中，主要位于细胞质膜外表面，对细胞壁形成和细胞伸展起作用。
拟南芥的基因组序列已经清楚,因此运用拟南芥进行基因剔除来研究盐胁迫下基因功能已成为可能。克隆和分析鉴定这些SOS 基因对理解植物耐盐机制是必不可少的，对发现更多的突变体和耐盐途径,具有重要的实践意义。
（四）转录因子相关基因
转录因子是指那些专一结合于DNA的特定列上的、能激活或抑制其他基因转录的蛋白质。植物中的转录因子，有相当一部分与抗逆性相关。由于在逆境条件下，一些逆境相关的转录因子能调节功能基因的表达和信号转导，他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，可以通过转化调节基因来提高植物的耐旱性。
在提高作物对环境胁迫抗性的分子育种中，与导入或改良个别功能基因来提高某种抗性的传统方法相比，从改良或增强一个关键的转录因子的调节能力着手，是提高作物抗逆性的更为有效的方法和途径。
DREB基因
DREB即干旱脱水应答元件，是目前研究较多的抗非生物胁迫的转录因子。DREB转录因子由逆环境胁迫诱导产生后，可激活其他多达12个依赖DREB顺式作用元件，如TATA-box、G-box、LTRE等抗逆功能基因，引起脯氨酸及蔗糖含量提高，从而增强植株对干旱、冷冻和盐碱等多种逆境的抵抗性。
当前，利用RNAi技术、DNA芯片针对植物转录因子开展研究，已经显示出了巨大潜质。加之成熟的转基因技术和遗传分析手段，将鉴定出更多的植物抗逆境转录因子，从而为改良作物性状奠定基础。
来源：生物技术世界。