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作物抗冻基因及生理研究进展

花匠小妙招
2024-11-24 02:38

Gilmour等研究发现，CBF2突变体比正常植株抗寒性更强，且CBF1与CBF3的表达量增加；进一步研究发现，在低温下，CBF1和CBF3的表达量优于CBF2，但在常温下，CBF2的表达量比CBF2和CBF3高5-8倍。此外，CBF1、CBF2、CBF3诱导使拟南芥中脯氨酸、可溶性糖含量增加从而使抗冻性增加。拟南芥在零下低温锻炼后，CBF1、CBF2、CBF3基因表达比未锻炼前有适度增加，这表明零下低温锻炼对抗冻性的提高更明显。Mckerdie将拟南芥中CBF3基因连到CaMV35S启动子、冷诱导启动子之后转入烟草中，结果发现烟草植株的抗冻性能力提高了。又有研究把拟南芥CBF基因转入到未经低温刺激的油菜中，结果发现油菜中CBF过表达使其抗冻性提高。而CBF在马铃薯抗冻调节功能上与拟南芥不同，只进行冷适应的马铃薯，由于抗冻锻炼过程不能启动马铃薯CBF响应从而植株抗冻性不能提高，但转基因的马铃薯CBF1和CBF3基因的表达能改善其农艺学的重要特征的负面影响而增强抗冻性，这与转基因拟南芥作用一致。对茄科植物马铃薯CBF基因进一步研究发现，CBF1远比CBF2和CBF3上游基因保守，CBF1只在低温刺激下表达，而CBF2和CBF3对低温没有响应，研究表明CBF1的表达对增强茄科植物马铃薯抗冻性功能制约起关键作用。其它科属中CBF也有相似的作用，如两种的苜蓿在-4C~14C低温诱导CBFs表达，但用杂交探针的方法研究发现CBFs表达不同，在6C冷诱导中CBF2和CBF3基因表达，而CBF1基因没表达。在小麦过冷条件中CBF2和CBF3的过表达和其抗冷性增强相关。CBF基因组启动转录和转译，产生与抗寒性有关的蛋白质产物，采用蛋白质电泳检测技术分离鉴定了许多冷诱导过程中出现的特异蛋白质，下面介绍和作物抗冻的相关蛋白。

2农作物抗冻蛋白与抗冻性研究

2.1抗冻蛋白的生化特征

抗冻蛋白(antifreezeproteins，AFPs)是一种具有热滞效应、抑制冰晶重结晶作用的特异表达蛋白，降低生物体细胞间和体液的冰点，避免了植物体结冰的伤害或致死。不同的植物AFPs它们的DNA和氨基酸序列却完全不同，几乎没有同源性。Griffith等第一次从冬黑麦中获得内源AFPs，AFPs有7个多肽组分具有明显的抗冻活性，5种较大分子量的多肽(16，25，32，34，36kDa)活性较高，而分子量为11，13kDa的2条多肽抗冻活性较低，富含天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸/谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、甘氨酸、丙氨酸，但缺少组氨酸、胱氨酸。Wallis，Worrall和尹明安等分别对胡萝卜的抗冻性进行深入研究，先后报道了胡萝卜中存在冷诱导的抗冻蛋白AFP的结构，它富集亮氨酸的质外体蛋白，由332个氨基酸组成，相对分子量为36.8×10，其N端是糖基化的，具有显著地抑制冰重结晶的功能。简令成等从沙冬青中分离纯化抗冻蛋白，分子量范围在21×10~67×10，热滞活性0.15~0.46，它的抗冻活性比已经发现黑麦抗冻蛋白(在60mg/ml的浓度时冰点为-111)活性高得多。

2.2抗冻蛋白的抗冻机理

大量的实验研究推测AFPs在提高植物抗冻性方面的抗冻机制主要为以下几个方面：1.降低原生质体的过冷状态；2.抑制冰晶的重结晶；3.调节胞外冰晶的生长形态；AFPs与包括冷诱导的热稳定蛋白在内的所有溶质相互作用，调节细胞质的状态，使过冷点降低，这可能是越冬植物细胞的主要抗冻调节方式。关于抗冻机理有多种学说，如1977年Raymond“吸附—抑制”模型，1983年，Deviles提出了“晶格匹配”模型，1988年，Yang等人提出了“偶极子—偶极子”模型；1993年，Knight等人]提出了“品格占有”模型。这4个模型虽然侧重点各不相同,但是它们有着一个共同之处，即AFPs与冰晶之间通过氢键进行结合，只是氢键的数量和形成的方式不同而已。目前，解释抗冻蛋白机理较好的理论是“表面互补”模型理论，核心内容是AFPs的冰晶结合位点所形成的表面能与冰晶的表面形成互补。该模型理论认为，AFPs与冰晶之间所形成的表面互补与多种相互作用力有关，主要是疏水作用和范德华力，氢键起着次要的作用。较强的表面作用力使得AFPs与冰晶结合是不可逆的，这种不可逆性阻止了冰晶的生长。

2.3抗冻蛋白的基因工程

进入20世纪90年代后，随着抗冻性的研究深入，使用体内标记、代谢组学的技术基因芯片技术、蛋白质合成抑制剂及体外翻译等方法研究抗冻基因表达后合成的特异性蛋白多肽，试图分离纯化出低温特异性蛋白多肽，以获得其氨基酸序列，然后利用它作为探针，筛选出特异性基因，并期望将它用于改良某些作物的抗冻性能。至今已在油菜、番茄、马铃薯、胡萝卜、卷心菜、黑麦、菠菜、小麦、大麦、玉米、水稻、桃树等多种农作物的低温诱导中观察到特异蛋白的合成。

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