本文關(guān)鍵詞：鹽脅迫下植物基因的表達與基因工程研究進展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

減緩脅迫造成的不平衡,通常在細胞內(nèi)積累一些滲透保護物質(zhì)(osmoprotectant)以降低細胞內(nèi)的滲透勢,提高細胞的吸水力。滲透保護物質(zhì)一般分兩類:一類是小分子有機化合物,如脯氨酸、甜菜堿、糖醇等;另一類是蛋白質(zhì)。這些滲透保護物質(zhì)能增加細胞的保水能力而不干擾細胞內(nèi)正常的生化反應(yīng),因此將它們通稱為細胞相溶性溶質(zhì)(compatible

[2,3]

,又稱滲透調(diào)節(jié)劑。solute)

1.1　與鹽脅迫相關(guān)的小分子化合物

betA基因能在多種植物的葉綠體基質(zhì)或細胞質(zhì)中

表達,顯著地起到保護細胞的作用。例如:將CodA

基因轉(zhuǎn)化到藍細菌Synechococcussp.PCC7942、水稻OryzasativeL.和擬南芥Arabidopsisthalianap這些不能天然合成甘氨酸甜菜堿的植物中,植物的調(diào)滲功能,對鹽堿、干旱等逆境的抗性就會增強。

催化由膽堿合成甜菜堿的關(guān)鍵酶——細菌甜菜堿醛脫氫酶基因(betB)和植物甜菜堿醛脫氫酶基因(BADH)也已經(jīng)被克隆定位,并利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)入部分甜土植物中。研究表明,BADH基因受鹽脅迫誘導(dǎo),在脅迫條件下,BADH基因轉(zhuǎn)錄水平的提高和表達量的增加還具有保護其它重要酶類,保護類囊體膜的光系統(tǒng) 免受損傷[12],提高主要抗氧化酶活性、改善其它生理過程[13]的間接作用。植物

耐旱基因工程中研究較深BADH基因是目前抗鹽、

入的基因之一。它在植物中的定位因植物種類不同

而有很大差異,在藜科、莧科等植物中,BADH基因主要存在于葉綠體基質(zhì)中;而水稻和大麥的BADH基因主要存在于過氧化物酶體中。這可能與BADH基因缺乏信號肽有關(guān)[13]。雖然這些滲透調(diào)節(jié)劑可提高轉(zhuǎn)基因植株的抗鹽能力,但抗鹽性只是相對的。

多胺在植物體內(nèi)除對植物的生長發(fā)育起調(diào)節(jié)作用外,可能作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)還在植物受到環(huán)境脅迫時起作用。在多胺合成中,ADC、ODC和SAMDC脫羧酶起關(guān)鍵作用,這3種酶均已純化和鑒定,它們的基因也已從多種植物中得到了克隆。李子銀等[14]在水稻中發(fā)現(xiàn)了S2腺苷蛋氨酸脫羧酶(SAMDC)基因,水稻翻譯延伸因子IA蛋白(eEFIA)基因家族中的新成員(稱REFIA)的基因轉(zhuǎn)錄均受鹽脅迫的誘導(dǎo),還發(fā)現(xiàn)一功能未知的新基因SRGA受鹽脅迫的抑制。脂質(zhì)轉(zhuǎn)移蛋白基因是近年來研究較多的受非生物脅迫誘導(dǎo)的多基因家族之一[15]。該基因是誘導(dǎo)型基因,其轉(zhuǎn)錄受MYC和MYB相關(guān)蛋白的調(diào)控[16],位于TaLTP基因啟動子上游337bp處的該基因的順式作用元件,控制其轉(zhuǎn)錄[17]。1.2　鹽脅迫蛋白

近年來,人們發(fā)現(xiàn)了一種新的蛋白質(zhì)稱為調(diào)滲蛋白(osmotin),它在調(diào)節(jié)細胞的滲透勢方面也起著

[18]

很重要的作用。Ericson最先報道了煙草鹽適應(yīng)懸浮細胞中存在鹽脅迫蛋白,隨后獲得了該蛋白的

番茄、玉米、大麥、甜cDNA克隆。此后又發(fā)現(xiàn)蘿卜、

自然界中存在著一類無毒小分子化合物,被稱作滲透保護劑,小分子細胞相容性溶質(zhì)主要有3種:

一是氨基酸類,如脯氨酸等;二是季胺類化合物,如甜菜堿和磷酸膽堿等;三是糖醇類化合物,如甘露醇和山梨醇等。這3種物質(zhì)都有較大水溶性,能調(diào)節(jié)滲透勢,但又能進入蛋白質(zhì)的水化膜內(nèi),不僅不會破壞蛋白質(zhì)的卷曲結(jié)構(gòu),反而由于被排斥在膜的外表而又益于保護和穩(wěn)定細胞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),防止酶變性失活[4,5]。他們的調(diào)節(jié)機制及合成途徑在許多有關(guān)水分脅迫的綜述中都有報道,本文不再贅述。

[6]

Tarazynski等首次報道用基因工程手段可以提高轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽性。他們用從Escherichiacoli中分離出的12磷酸甘露醇脫氫酶基因(mtlD)轉(zhuǎn)化煙草,使轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)生并積累甘露醇(而轉(zhuǎn)化的對照株未檢測到)。利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將該基因轉(zhuǎn)化八里莊楊,也得到了耐鹽植株[7]。目前,在擬南芥、西紅柿中都已克隆出催化由谷氨酸合成脯氨酸代謝途徑中的關(guān)鍵酶——吡咯啉252羧酸合成酶基因(P5CS),并利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)已將該合成酶基因(P5CS)導(dǎo)入煙草。脯氨酸在轉(zhuǎn)基因煙草體內(nèi)的合成量增加了10～18倍;在干旱條件下根的生長量顯著高于非轉(zhuǎn)基因煙草,而且還促進花的發(fā)育[8]。菠菜和甜菜等植物中合成甜菜堿的膽堿單氧化酶(CMO)的基因也已被克隆并定位于葉綠體基質(zhì)中,該基因是利用光合作用產(chǎn)生的鐵氧還蛋白作為電子受體的,因此單獨轉(zhuǎn)化CMO基因的轉(zhuǎn)基因植物也可以完成甜菜堿的合成。如轉(zhuǎn)CMO基因的煙草可以正常表達CMO,且與鹽脅迫無關(guān),能在1.17%NaCl鹽濃度中生長良好[9]。

CodA和betA基因分別是細菌中編碼催化膽堿氧化生成甜菜堿的膽堿氧化酶(COX)和膽堿脫氫酶(CDH),它們均兼具植物膽堿單氧化酶和甜菜堿醛脫氫酶的雙功能性,即能獨立催化膽堿轉(zhuǎn)化為甘氨酸甜菜堿[10,11],這種雙功能使得轉(zhuǎn)化單個基因就能使植物具有積累甘氨酸甜菜堿的能力。CodA和

菜等許多作物中存在鹽脅迫蛋白,尤以分子量為26kD為代表的蛋白質(zhì)含量在鹽脅迫下顯著增加�？烧伎偟鞍椎�10%～12%,且增加量與總蛋白量之

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