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植物抗寒基因研究进展

花匠小妙招
2024-09-27 09:39

　温度是限制和决定植物地理分布的主要因子,也是影响植物生长发育和产量形成的重要限制因子。近年来,在植物温度逆境生理和逆境适应研究上取得一定进展,并获得具有明显抗温逆境的植物新品系(种),尤其在植物抗寒育种领域,已取得较大突破。但这种常规的抗寒育种周期较长、植物的温度适应范围窄小,与生产应用尚存在一定差距。有人将常规抗寒植物育种途径与基因程相结合,开创了植物抗寒基因工程育种途径,并成功地获得具有很好抗寒性的多种植物新品种,成为解决植物寒害问题的重要途径之一。本文综述了植物抗寒基因工程的部分研究进展。 1　抗冻蛋白基因抗冻蛋白(AFPs)是一类能够抑制冰晶生长的蛋白质,它能降低水溶液的冰点,但对融点的影响很小,使水溶液的融点和冰点间产生差值,从而起到抗寒害作用。最早发现并利用的抗冻蛋白基因是从两极冰水中的鱼类血液中得到的,这些抗冻蛋白有三种类型,即富含丙氨酸重复序列并具有α螺旋结构的多肽、富含胱氨酸并具有β结构的多肽以及无一定结构的多肽。这些抗冻蛋白均可使体液的冰点平均降低1.5℃,但不影响其融点,阻碍原有的冰晶的三维扩展。目前已从两极冰水鱼类包括极地鱼黄盖鲽、大洋条鳕、南极鳕、比目鱼等中克隆了多个抗冻蛋白基因,其抗寒效果已有部分在植物中得到验证。如Cutler(1989)以黄盖鲽抗冻蛋白处理马铃薯、草箐和拟南芥属植物叶子,可明显改善这些叶子的抗寒性能;George(1990)利用人工合成黄盖鲽抗冻蛋白基因以电击法在玉米原生质体内获得转化表达;Hightower等获得转北极比目鱼Spa-afa5基因番茄也表现明显的抗寒性。此外,从昆虫体内也分离到多种抗冻蛋白,这些蛋白主要是从黄粉虫(Tenebrio molitor)、美洲脊胸长椿(Oncopeltus fasciatus)、枞色卷蛾(Choristoneura fu-miferana)和Dendroides canadensis中获得的。其中,Graham(1997)从黄粉虫中分离出的一种抗冻蛋白THP8.4,其降低冰点的活性比鱼抗冻蛋白高10~100倍。植物抗冻蛋白是通过冷驯化(低温锻炼)获得的。1970年Werser首次提出植物抗寒性诱导过程改变基因表达的观点。随后,人们利用蛋白质电泳检测技术和基因分离技术分离鉴定了冷驯化过程中产生的特异性蛋白或基因,并对其与植物抗寒性间的平行关系进行了研究。利用这种手段已获得拟南芥的COR15a、COR78a、KIN1,苜蓿的cas15,大麦的pt59及油菜的hsp90等基因或蛋白质。Artus等将COR15a基因转入未经冷驯化的拟南芥属植物,获得抗寒性增强的转基因植物。Kaye等将CAP85蛋白(cold acclimation pro-tein)和CAP160基因转入烟草,证实其减缓了冰冻造成的细胞损伤过程。另外,在拟南芥中发现的冷调节蛋白COR6.6蛋白、油菜BN28蛋白与鱼类富含丙氨酸抗冻蛋白有很多相似的氨基酸序列,菠菜与甘蓝的蛋白提取物在体外试验中有减少冻融对类囊体膜伤害的作用,拟南芥叶绿体的COR15能有效地防止乳酸脱氢酶的冷冻失活,其效果比蔗糖高106倍,比其它蛋白高102~103倍。尽管如此,抗冻蛋白在植物抗寒基因工程中的利用还非常有限,还需要分离和克隆优良的能用于植物基因工程的抗冻蛋白基因,对目前已获得的抗冻蛋白也需在结构、功能上进行深入分析。 2　减少膜伤害基因低温对植物的直接伤害首先表现为对膜的伤害,因此减少膜伤害有关基因的克隆与利用是植物抗寒基因工程研究的一个重要领域。 2.1　脂肪酸去饱和代谢的关键酶基因　一般情况下,膜脂不饱和度越高,相变温度越低,植物的抗寒性就越强,且磷脂酰甘油的饱和度及其相变温度与植物的抗寒性存在很好的相关性。有人根据其在植物体内的合成途径,寻找到决定其分子种类的酶及其基因,把这些脂肪酸去饱和代谢有关酶基因转入植物后,可以提高植物体膜脂不饱和度。Murata(1992)将拟南芥的甘油-3-磷酸酰基转移酶基因转入烟草后,提高了烟草的抗寒性。 2.2　超氧化物歧化酶基因　实验表明,低温会诱导活性氧的大量产生,造成膜的损伤,并促使冰晶附着于细胞壁和细胞膜,引起细胞破裂。超氧化物歧化酶是清除植物体内超氧自由基的主要酶类,Mckersie(1993)通过农杆菌介导将烟草Fe-SOD基因转入棉花,获得具有强抗寒性转基因棉花。 2.3　糖类基因　小分子物质及可溶性物质的增加是植物抗寒反应之一。一般认为,抗寒性强的植物将积累较多的可溶性糖。这些可溶性糖对防止脱水后的蛋白质变性具有一定的保护作用,而且胞间糖类将通过影响冰晶生长来减轻低温伤害。Leborgn(1995)将编码果糖和棉子糖的基因转入桉类植物,发现工程植物的抗寒性明显增强。低温对膜伤害的研究以及减少膜伤害的策略已取得一定进展,为解决植物寒害问题提供了一种可能。由于影响膜伤害的因子众多,在膜伤害机制及其修复方面还需深入探讨。 3　抗寒基因调节因子 DRE(dehydraion responsive element)是一个9bp的核酸序列(TACCGACAT),其中5bp的核心序列(CC-GAC)称为CR(c-repeat),可促进低温、干旱、高盐等条件下基因的表达。CBF1(CRT/DRE binding factor　1)蛋白分子量24KD。CRT/DRE序列作为一个上游调控序列,与CBF1结合可以激活携带CRT/DRE序列的基因的表达。在拟南芥CBF1是冷诱导COR基因的调控因子。Jaglo-Ohosen(1998)发现CBF1在转基因拟南芥植物中的组成型表达,可以使CRT/DRE调控的COR基因在未经低温刺激下表达,说明CBF1是一个冷驯化反应的重要调控因子,控制着COR基因的表达水平,进而促进抗寒性。将这些与冷驯化有关的基因调节因子转入植物中,可望成为解决植物寒害的重要途径。综上所述,目前植物抗寒基因研究在抗冻蛋白基因、减少膜伤害有关基因以及抗寒基因调节因子等方面已取得一定进展,并在解决低温伤害中起到重要作用,已有部分工程植物进入大田生产阶段。尽管如此,我们已有的目的基因还非常有限,低温伤害问题还没有得到很好克服,筛选和克隆优良的抗寒有关基因并加以利用,是今后从事植物寒害问题研究的重要内容,也是解决植物寒害问题的主要途径。来源:http://www.yxsfz.cn/lydt/lydt033.htm 推荐原因: 1 抗寒性与其他抗性相比有其独特的优势---扩大植物的生存区域(如向纬度高的地方推广)和生长时间(增加作物的年栽培代数,如让一年一熟变为一年两熟),毫无疑问这将是粮食生产上的又一次伟大革命. 2 http://www.cpu.edu.cn/Upload/2004091766374755.htm 可参见此材料,我国已经从天山雪莲中提取到抗寒基因,有望推广,其直接受益者是新疆人民.科学研究的目的就是为了获得生产力,真正获得经济效益,改善人民生计. 3 我本来不想推荐这篇,因为有其他更好的文章,但是是pdf格式,我不会整过来.如果有兴趣的话,这里有篇文章,自己可以去看一看 http://159.226.157.1/qikan/muci/2004/2004-no.1/9.pdf