盐胁迫下植物基因的表达与基因工程研究进展[1]

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减缓胁迫造成的不平衡,通常在细胞内积累一些渗透保护物质(osmoprotectant)以降低细胞内的渗透势,提高细胞的吸水力。渗透保护物质一般分两类:一类是小分子有机化合物,如脯氨酸、甜菜碱、糖醇等;另一类是蛋白质。这些渗透保护物质能增加细胞的保水能力而不干扰细胞内正常的生化反应,因此将它们通称为细胞相溶性溶质(compatible

[2,3]

,又称渗透调节剂。solute)

1.1　与盐胁迫相关的小分子化合物

betA基因能在多种植物的叶绿体基质或细胞质中

表达,显著地起到保护细胞的作用。例如:将CodA

基因转化到蓝细菌Synechococcussp.PCC7942、水稻OryzasativeL.和拟南芥Arabidopsisthalianap这些不能天然合成甘氨酸甜菜碱的植物中,植物的调渗功能,对盐碱、干旱等逆境的抗性就会增强。

催化由胆碱合成甜菜碱的关键酶——细菌甜菜碱醛脱氢酶基因(betB)和植物甜菜碱醛脱氢酶基因(BADH)也已经被克隆定位,并利用转基因技术转入部分甜土植物中。研究表明,BADH基因受盐胁迫诱导,在胁迫条件下,BADH基因转录水平的提高和表达量的增加还具有保护其它重要酶类,保护类囊体膜的光系统 免受损伤[12],提高主要抗氧化酶活性、改善其它生理过程[13]的间接作用。植物

耐旱基因工程中研究较深BADH基因是目前抗盐、

入的基因之一。它在植物中的定位因植物种类不同

而有很大差异,在藜科、苋科等植物中,BADH基因主要存在于叶绿体基质中;而水稻和大麦的BADH基因主要存在于过氧化物酶体中。这可能与BADH基因缺乏信号肽有关[13]。虽然这些渗透调节剂可提高转基因植株的抗盐能力,但抗盐性只是相对的。

多胺在植物体内除对植物的生长发育起调节作用外,可能作为渗透调节物质还在植物受到环境胁迫时起作用。在多胺合成中,ADC、ODC和SAMDC脱羧酶起关键作用,这3种酶均已纯化和鉴定,它们的基因也已从多种植物中得到了克隆。李子银等[14]在水稻中发现了S2腺苷蛋氨酸脱羧酶(SAMDC)基因,水稻翻译延伸因子IA蛋白(eEFIA)基因家族中的新成员(称REFIA)的基因转录均受盐胁迫的诱导,还发现一功能未知的新基因SRGA受盐胁迫的抑制。脂质转移蛋白基因是近年来研究较多的受非生物胁迫诱导的多基因家族之一[15]。该基因是诱导型基因,其转录受MYC和MYB相关蛋白的调控[16],位于TaLTP基因启动子上游337bp处的该基因的顺式作用元件,控制其转录[17]。1.2　盐胁迫蛋白

近年来,人们发现了一种新的蛋白质称为调渗蛋白(osmotin),它在调节细胞的渗透势方面也起着

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很重要的作用。Ericson最先报道了烟草盐适应悬浮细胞中存在盐胁迫蛋白,随后获得了该蛋白的

番茄、玉米、大麦、甜cDNA克隆。此后又发现萝卜、

自然界中存在着一类无毒小分子化合物,被称作渗透保护剂,小分子细胞相容性溶质主要有3种:

一是氨基酸类,如脯氨酸等;二是季胺类化合物,如甜菜碱和磷酸胆碱等;三是糖醇类化合物,如甘露醇和山梨醇等。这3种物质都有较大水溶性,能调节渗透势,但又能进入蛋白质的水化膜内,不仅不会破坏蛋白质的卷曲结构,反而由于被排斥在膜的外表而又益于保护和稳定细胞蛋白质结构,防止酶变性失活[4,5]。他们的调节机制及合成途径在许多有关水分胁迫的综述中都有报道,本文不再赘述。

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Tarazynski等首次报道用基因工程手段可以提高转基因植物的耐盐性。他们用从Escherichiacoli中分离出的12磷酸甘露醇脱氢酶基因(mtlD)转化烟草,使转基因植物产生并积累甘露醇(而转化的对照株未检测到)。利用农杆菌介导法将该基因转化八里庄杨,也得到了耐盐植株[7]。目前,在拟南芥、西红柿中都已克隆出催化由谷氨酸合成脯氨酸代谢途径中的关键酶——吡咯啉252羧酸合成酶基因(P5CS),并利用转基因技术已将该合成酶基因(P5CS)导入烟草。脯氨酸在转基因烟草体内的合成量增加了10～18倍;在干旱条件下根的生长量显著高于非转基因烟草,而且还促进花的发育[8]。菠菜和甜菜等植物中合成甜菜碱的胆碱单氧化酶(CMO)的基因也已被克隆并定位于叶绿体基质中,该基因是利用光合作用产生的铁氧还蛋白作为电子受体的,因此单独转化CMO基因的转基因植物也可以完成甜菜碱的合成。如转CMO基因的烟草可以正常表达CMO,且与盐胁迫无关,能在1.17%NaCl盐浓度中生长良好[9]。

CodA和betA基因分别是细菌中编码催化胆碱氧化生成甜菜碱的胆碱氧化酶(COX)和胆碱脱氢酶(CDH),它们均兼具植物胆碱单氧化酶和甜菜碱醛脱氢酶的双功能性,即能独立催化胆碱转化为甘氨酸甜菜碱[10,11],这种双功能使得转化单个基因就能使植物具有积累甘氨酸甜菜碱的能力。CodA和

菜等许多作物中存在盐胁迫蛋白,尤以分子量为26kD为代表的蛋白质含量在盐胁迫下显著增加。可占总蛋白的10%～12%,且增加量与总蛋白量之

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