植物耐盐基因工程及前景
2007/3/1 来源:现代农业科技 作者:李 妍 张秀玲 郑世英 王丽燕


  摘要 阐述植物耐盐基因工程研究的现状、存在的问题,指出植物耐盐基因工程中的关键环节及取得突破性进展的途径。
  关键词 盐生植物;基因工程;途径
  全世界有3.8亿公顷盐碱土地。在我国,亿公顷耕地中就有10%耕地为盐渍化土壤,严重影响着现代农业的发展。在人口不断增长的今天,扩大耕地面积,提高单位面积产量以解决粮食问题是摆在人们面前的头等大事。与利用工程手段改变环境以适应植物的需要相比,运用生物手段改变植物本身,使之适应环境是更为积极主动且长期有效的措施。因此,植物基因工程研究已经成为改良作物、提高产量的重要手段。
  
  1 植物耐盐基因工程
  基因工程是指运用分子生物学技术,将目的基因或DNA片段通过载体或直接导入受体细胞,使受体细胞遗传物质重新组合,经细胞复制增殖,新的基因在受体细胞中表达,最后从转化细胞中筛选有价值的新类型,继而它再生为工程植株,从而创造新品种的一种定向育种技术。
  传统育种方法育成一个新品种,往往需要经过多年多次杂交,育种周期过长,有时还会使某些优良性状难以保持,给改良某一单一性状带来了极大的不便。而植物基因工程是在基因水平上来改造植物的遗传物质,更具有科学性和精确性,同时育种速度也大大加快;能定向改造植物的遗传性状,提高了育种的目的性与可操作性;植物基因工程大大地扩展了育种的范围,打破了物种之间的生殖隔离障碍,实现了基因在生物界的共用性,丰富了基因资源及植物品种。
  
  2 植物耐盐基因工程现状
  20世纪80年代以来,基因工程技术在改良植物的多个方面均取得了重要进展。科学家已研究开发出多种将外源基因导入植物细胞并获得转基因植株的方法,其中以根癌农杆菌TI质粒基因转化系统是目前研究最多、理论机理最清楚、技术方法最成熟的基因转化途径。基因组学的研究揭示了基因组的结构和功能,发展了大批可利用的分子标记,鉴定、定位和克隆了大量的基因,大大地提高了对基因的操作能力。植物分子育种主要是利用植物固有的基因,通过基因的分子标记,有效地识别和利用基因,提高了育种的可预见性和可操作性。
  基因工程技术可以打破物种间遗传物质横向转移的壁垒,为难度较大的作物耐盐性改良开辟了更直接、更有效的途径。迄今为止,已有许多与植物耐盐相关的基因被用于转基因研究中。这些基因包括:①编码各种有机溶质合成酶的基因,如参与脯氨酸合成的P5cs基因、与甜菜碱合成有关的基因、与甘露醇合成有关的基因。②LEA蛋白基因。③具有抗氧化胁迫作用的过氧化酶基因。④具有Na′转运作用的Na′/H反向转运蛋白基因。⑤参与胁迫信号传导的基因。已有实验报道在转基因植物中表达酵母调节基因HALL或TPSl可以提高转基因植物耐盐和耐旱的能力。酵母中依赖于Ca+和钙调素的钙神经元CaN转入烟草中可以提高烟草的耐盐性。⑥编码转录因子的基因,参与植物耐盐相关基因表达调控的反式作用因子与相应的顺式转录控制元件相互作用控制功能相关的多个基因的表达,在植物耐盐转基因研究中有较大的应用潜力。在拟南芥中发现的转录因子DREBIA可特异性的与顺式作用启动子元件DRE(dehydrationresponseelement)相互作用,在调控干旱、低温和盐胁迫诱导基因的表达上具有重要的作用。在CaMV35S启动子控制之下,DREBlA在转基因植物中的表达引起了胁迫诱导基因组成性的高水平表达,提高了植株耐旱、耐盐和抗冻能力。这些基因在转基因植物中的表达不同程度地提高了转基因植物的耐盐能力。
  
  3 耐盐基因工程研究存在的主要问题
  植物的耐盐性是一个由多基因决定的性状,单个基因的转移只能部分提高植物的耐盐性,要想获得真正的耐盐作物品种可能需要多个耐盐基因的共同转移。但是多个基因的转移对于载体的启动因子、可携带基因的长度、基因间是否拮抗就有较高的要求。许多研究表明:通过改变转录因子基因的表达,同时改变几个目的基因表达水平是可以实现的。
  
  4 转录因子的作用
  一个转录因子可以调控多个与同类性状有关的基因表达,在提高作物对环境胁迫抗性的分子育种中,从改良或增强一个关键的转录因子的调控能力着手,是提高作物抗逆性的更为有效的方法和途径。增强一个转录因子的作用,就可通过它促使多个功能基因发挥作用,从而使植株性状获得综合改良的效果。
  随着植物抗旱耐盐分子机理的深入研究以及基因工程技术的日益成熟,植物抗旱耐盐基因工程取得了可喜的进展,提供给人们一个思路,即通过转移这类基因达到植物对包括低温、盐渍和干旱在内的一系列环境胁迫抗性的提高,这体现了基因工程改良植物的开创性。相信随着分子生物学技术和方法的不断发展,用基因工程方法提高农作物及林木的抗旱耐盐性,必将会取得可喜的进展,具有广泛的实际应用前景。
  
  5 信号传导途径
  在植物耐逆的信号传导途径中,即在对外界逆境信号的响应中,细胞由多条调控路径在复杂的相互作用中控制离子的运动。例如:植物蛋白激酶通过多重复杂的信号传递途径对干旱、高盐及低温胁迫作出反应,不同传递途径之间存在交叉传导作用。目前研究得比较多的信号传导途径有:Calcineurin、依赖于钙的蛋白磷酸化酶、CDPK与耐逆信号传导;植物耐逆的MAPK信号途径;离子均衡与耐逆信号传导;植物抗盐相关基因家族——SOS基因家族与耐逆信号传导。
  在植物抗盐性研究中,除了鉴定基因及基因产物外,还要尽力将各种基因产物联结起来组成盐胁迫应答途径和网络。SOS3基因被克隆后,利用酵母双杂交技术鉴定了与其基因产物相互作用的蛋白,发现有大量相关的蛋白激酶与SOS3相互作用;其中,SOS2和SOS3之间的相互作用比SOS3与其他蛋白激酶作用更强烈,SOS2-SOS3相互作用是由于SOS2的调节区域所介导的(Zhujian-Kang,2000)。SOS3结合到SOS2则激活SOS2蛋白激酶活性,没有SOS3,SOS2蛋白激酶就没有活性;在SOS3存在时,SOS2可具有磷酸化多肽链的作用。SOS3和SOS2好像总是组成一个蛋白激酶复合物,在某种意义上,它们可以看作是某多亚基酶的亚基(zhuJi-Kang,2000)。
  高浓度的Na+胁迫可导致细胞质内自由Cd2+浓度升高,SOS3结合Ca2+后激活蛋白激酶SOS2,激活的SOS3—SOS2激酶复合物则提高SOS1基因的表达以及其他盐胁迫下转运蛋白基因的表达。一些研究和推测认为:SOS1、SOS2、SOS3可能在相同的途径上起作用,SOS3/SOS2调节途径可能在翻译水平上控制SOS1和其他转运蛋白的活性;SOS3/SOS2途径可能会激活某些K+和Na+转运蛋白。盐胁迫下,SOS基因的表达和转运蛋白的活性调节使植物体内Na+和K+均衡化,植物表现出抗盐(Na+)性。
  分离这些与植物干旱、高盐和低温耐性相关的蛋白激酶基因以及SOS家族基因,深入研究它们之间的相互作用,对明确植物对外界环境胁迫的分子反应和信号传递的一些关键环节有重要意义。进一步的研究有待于分离鉴定各种环境胁迫信号传递途径的新成员和研究这些信号传递体间的相互作用,通过确定与植物抗逆性有关的信号传导中起关键作用的调控因子,并从这些关键的调控因子着手,就有可能通过转基因方法有效地综合提高作物抗逆性。
  
  6 结语
  综上所述,尽管不同的研究者从诸多方面对植物的抗盐机制作了大量的研究,并已达到一定的广度和深度,但由于植物抗盐性是一个受多基因控制的复杂的数量性状,它受植物种类、品种基因型、形态性状和内部生理生化反应等影响,到目前为止,植物抗盐机制研究中的一些重要而且基本的问题仍未被解决,如抗盐植物抗盐的关键因子是什么至今未得到解决,而这对于抗盐基因的分离和克隆转基因植物的培育和抗盐品种的培养却有着直接的影响。但随着植物耐盐机制研究的不断深入,利用转基因技术和其他手段结合,必将培育出大量的具有实际应用价值的耐盐作物品种,为未来的农业发展做出贡献。
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