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1、植物耐盐相关基因克隆与基因工程的研究进展摘要：随着分子生物学技术的不断发展，植物耐盐基因工程已经成为当前研究的热点植 物基因工程为耐盐新品种选育提供新的途径很多耐盐相关基因相继被克隆和研究，包括 离子调节关键基因、渗透调节物质合的关键基因、氧化胁迫调节关键基因、盐胁迫信号传 导途径相关基因以及相关调控元件和因子，部分成功应用于植物育种研究关键词：耐盐性、基因克隆、基因工程、土壤盐渍化、耐盐基因随着全球水资源危机以及土壤盐化问题的加剧，盐胁迫已经成为影响植物生长、导致 粮食和经济作物减产的主要限制因素。目前，世界盐渍土面积约亿；中国盐渍 土面积约万，盐碱化耕地万，其中原生、次生盐化型和各种 碱化
2、型分布分别占总面积的、和。对于盐渍化土壤的利用主要采取两种 措施，一是用化学或物理方法改造土壤；二是通过生物技术培育耐盐作物品种。前者不仅 耗资巨大，且随着大量化学物质的加入加重了土壤的次生盐渍化，因此培育耐盐的作物品 种就日益重要。国内外学者研究了盐分对植物的伤害、植物耐盐的机理，克隆了一些耐盐 相关基因，并通过耐盐相关基因转化，获得了一些耐盐性提高的转基因植物，展示了诱人 的前景。本文从植物耐盐的机理、耐盐相关基因的克隆及转耐进行了展望。 1、植物耐盐的机理 盐分对植物胁迫分为渗透胁迫、离子伤害、离子不平衡或营养缺乏三类，渗透胁迫和 离子伤害目前被认为是对植物危害的两个主要过程。植物的耐盐
3、性环境下的少数耐盐植物 进化出特殊器官泌盐和稀盐，如海滩的红树和碱蓬属植物。对多数植物来说，则是生理耐 盐。盐胁迫下渗透机制的调节在盐胁迫下，由于外界渗透压较低，植物吸收水分困难，细 胞会发生水分亏缺现象。植物为了避免这种伤害，会主动积累一些可溶性物质，降低细胞 的渗透势，从而使水分顺利地进入植物体内，保证植物正常生理活动的进行。渗透调节分 为无机渗透调节和有机渗透调节。参与无机渗透调节的离子主要是 、和。赵可夫等研究发现盐生植物的无机渗透剂以 、和为主，而非盐生植物高梁、芦苇等主要以和有机渗透物质为主。 说明盐生植物和非盐生植物在渗透调节物质方面的不同。植物在逆境中会主动积累一些有 机渗透物
4、质，其中小分子化合物有如下几类：第一类是多元醇，如甘如蔗糖、海藻糖等； 第三类是氨基酸及其衍生物，如脯氨酸、甘氨酸、甜菜碱等。这些物质对细胞无毒，对代 谢过程无抑制作用，它们的积累在一定范围内可以维持盐胁迫下细胞的正常膨压和代谢功 能。这些保护渗透物质在植物抗盐研究中已越来越受重视。 盐胁迫改变代谢途径在盐胁迫下，一些盐生植物能够通过改变其自身的代谢途径而适 应高盐度的生存环境。一些肉质植物，如豆瓣绿属植物、马齿苋科植物以及禾本科植物冰 草等，在盐渍或水分胁迫下可以改变光合碳同化途径，途径变为途径。植物 在夜间开放气孔进行C0吸收和固定，白天气孔关闭减少蒸腾量。这种转变的机理，赵可 夫等认为主
5、要是活化了细胞中的羧化酶所导致的。并通过测量固定和 羧化酶活性证实光合作用转变是受盐诱导目前获得的一些转基因植物耐盐性虽有提 高，但这只是相对于对照植株而言的，转入均是单个基因或相关的两个基因，并没有得到 生产大田能利用的抗盐植株。目前比较一致的观点是：植物的耐盐性是多种生理性状的综 合表现，是由位于不同染色体上的多个基因控制的，因此培育有实践意义的转基因植物可能需要同时转入多个基因。植物耐盐基因工程的工具基因植物作为固着生物，为了适应变 化的环境就必须对胁迫产生快速应答，盐胁迫也不例外。植物耐盐应答机制主要包括生理 和分子细胞两个水平，以下根据不同耐盐机制对相关基因进行分类介绍。 离子调节相
6、关基因 是盐渍土壤中主要的有害离子，在植物体中过量积累会破坏细胞膜结构、使膜选 择性丧失、降低胞质酶活性、阻碍光合作用和代谢过程，引发离子胁迫。植物要在高盐环 境下维持正常生长发育降低胞质浓度是关键，为此植物细胞采取了限制内 流、增加外排、区隔化等策略。高等植物中外排主要依赖于质膜 反向转运蛋白，而植物囊泡中区隔化则通过液泡膜反向 转运蛋白来实现。等人首先在拟南芥中克隆了编码液泡膜 反向转运蛋白的基因。等人在拟南芥中超量表达 基因提高了植株的耐盐性，并对番茄和油菜进行转化，得到了可在 条件下正常生长结实的转基因植株，获得了世界第一批真正意义上的 耐盐作物。此后又分离了多种高等植物基因 等人将t
7、 基因导人养麦，获得了可在条件下生长开花且主要营养成分未受影响 的转基因植株，此时野生型植株已无法正常生长。大量涌人还会破坏细胞内离子平 衡，引发营养胁迫。但是质膜上没有特异转运蛋白，认为吸收是通过高亲和 性及低亲和性转运系统完成的，而又在酶活性调节、蛋白质合成、渗透调节等生 理过程中具有重要作用，可见保持胞质浓度、维持比率不仅是植物生长 也是抗盐的关键。类蛋白既可作为高亲和转运体，又可作为转运体，也 可能具有双重功能但选择性不同，认为蛋白在植物抗盐过程中发挥作用。 等人率先克隆了小麦基因。此后克隆了多个植物 蛋白同源基因。等人从水稻中分离的编码型转运蛋白的基因， 具有选择性转运的功能，有助于
8、维持高盐条件下枝条中高含量，促进植物生长。.2 高盐环境下，外界渗透势较低会导致植物细胞水分亏缺，即产生渗透胁迫。为了抵御 渗透胁迫，植物将积累小分子（糖醇、氨基酸、胺类化合物等）和大分子（水通道蛋白、 保护性蛋白、渗调蛋白等）渗透保护物质，认为利用合成渗透保护物质的基因转化植物可 以提高耐盐性。甘露糖醇一一磷酸脱氢酶是甘露糖醇代谢途径中的关键酶，催化果糖合 成甘露糖醇的反应。用大肠杆菌中编码甘露糖醇一卜磷酸脱氢酶的基因转化毛白 杨得到的转化株可在条件下生长，而野生株生长受到抑制。甘氨酸甜菜 碱在植物细胞中积累可以增强植物耐盐性。其合成过程涉及胆碱单加氧酶和甜菜碱醛脱氢 酶两个关键酶。目前大麦
9、、水稻、菠菜、山菠菜和甜菜中的甜菜碱醛脱氢酶基因都已经被 克隆。等人使水稻超量表达菠菜基因，转化株甘氨酸甜菜碱 含量较野生型提高倍，可在条件下生长。等人通过质 体转化法使甜菜碱醛脱氢酶基因在胡萝卜中表达获得了可在条件下生 长的转基因植株，此时野生型植株已经无法存活，这是目前已知转基因植物所能耐受的最 高盐浓度。蛋白能够在种子成熟干燥过程或渗透胁迫条件下保护细胞免受低水势损 伤，基因是第一个鉴定到的在种子成熟和发育阶段表达的基因。等人利 用小麦蛋白编码基因转化得到的丹参能够在胁迫条 件下生长。 氧化调节相关基因 离子胁迫和渗透胁迫是高盐毒害的两个主要方面，它们还会诱发次级氧化胁迫，即产生活性氧自
10、由基、破坏膜和酶系统。过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、维生素 、还原型谷胱甘肽、抗坏血酸还原酶等可作为植物体内保护酶系统协调作用清除膜脂过 氧化产生的活性氧类物质，保护膜及细胞内酶系统不受破坏，利用相应编码基因对植物进 行转化使抗氧化剂高水平积累可以有效提高耐盐性。等人用 处理超量表达基因的转基因和野生型拟南芥，二者发芽率均下降，但转化株发芽 率下降水平仅为野生株的。表达水稻脱氢抗坏血酸还原酶基因的拟南芥 能够在条件下发芽，而此时野生株萌发受到抑制，证实增强植物脱氢 抗坏血酸还原酶活性、提高总抗坏血酸盐含量可显著增强植物耐盐性。4调控耐盐基因表达的转录因子 乙烯应答元件是植物中重要的特
11、异转录因子，可以与乙烯应答盒和干旱应答元 件发生互作。用编码乙烯应答因子型转录因子的大麦根富集因子基因转化拟南芥，对转化 植株进行高盐处理后种子和根仍可正常萌发生长，表明大麦根富集因子基因对植物盐胁迫 应答具有调控作用型锌指蛋白是真核生物基因组中最丰富的锌指蛋白，其 阻遏物结构域在植物非生物胁迫应答调节中具有重要作用。 等人用转化拟南芥，得到了可在条件下生长的转化植株， 浓度为时，野生型植株和结构域缺失或发生改变的突变植株就 已经无法存活。近几年来，科学家们研究发现了一系列逆境胁迫相关基因，目前多个植物 耐盐相关基因已被克隆而且这些基因与植物耐盐性状的关系也得到初步确认。2 小分子渗透调节物质
12、合成相关基因克隆及基因工程在盐胁迫下，由于外界渗透势较低，植物细胞会发生水分亏缺现象，即渗透胁迫。植 物为了避免这种伤害，在逆境情况下必须产生一种适应机制，多数植物能够通过积累大量 的代谢物质如糖类（果糖、蔗糖、海藻糖等）、氨基酸（脯氨酸）等来调节植物细胞内渗 透压与外界平衡，降低体细胞水势，保持膨压。维持高的细胞质渗透压，保证细胞的正常 生理功能。认为脯氨酸、甜菜碱等小分子有机物的大量积累不会破坏其它生物大 分子的结构和功能，同时表现出良好的亲和性，也具有较强的渗透调节作用，是理想的渗 透物质。21 甜菜碱甜菜碱是一类铵化合物，化学名称为一甲基代氨基酸。植物中的甜菜碱有种，最 简单的、研究最
13、多的甘氨酸甜菜碱。许多高等植物，尤其是藜科和禾本科穰物，在受到盐 胁迫时积累大量甜菜碱，其积累水平与植物抗胁迫能力成正比。其生物合成是从胆碱开始 经步氧化生成的。首先在胆碱加单氧酶的催化下，胆碱合成甜菜碱醛，然后，甜菜碱醛 在甜菜碱醛脱氲酶催化下形成甜菜碱。胆碱单加氧酶、甜菜碱醛脱氲酶两种酶都存在于叶 绿体基质中，其活性受盐胁迫诱导。盐碱胁迫能使甜菜碱醛脱氲酶活性显著增加，并且与 甜菜碱的积累具有相关性，但这方面的研究多限于幼苗或成熟植株以及胁迫诱导下植物体 内甜菜碱含量及甜菜碱醛脱氲酶活性的动态变化。等从苋中，克隆了胆碱单加氧 酶基因全长，为一个编码个氨基酸的多肽，通过印迹分柝该基因在 基因
14、组中为单拷贝，受予旱和盐胁迫诱导。甜菜碱醛脱氲酶是一个的多肽二聚体， 主要集中在菠菜和甜菜叶绿体基质中。等在对甜菜进行的研究中克隆了个负 责编码甜菜碱醛脱氲酶的，发现三者的核酸序列差异较小。肖岗等从耐胁追很强的藜科植物山菠菜中克隆了甜菜碱醛脱氲酶的。等从大麦中克 隆到了甜菜碱醛脱氲酶基因的，通过分析发现其与大肠杆菌中的胆碱单加氧酶基 因有高度的同源性，同时发现该基因受干旱和盐胁迫诱导。目前甜菜碱醛脱氲酶的编码基 因已经被应用到抗逆性基因工程当中：梁峥等将菠菜中的甜菜碱醛脱氢酶基因转入到烟草 中，结果发现获得转基因植株中甜菜碱积累量显著增加，植株的抗旱以及耐盐牲均获得提 高。郭北海等采爆基因枪法
15、将由菠菜甜菜碱醛残氢酶基因导入小麦品种，并且得以表达。 在盐胁迫条件下，多数转基因植株叶片的甜菜碱醛脱氲酶活性比受体亲本提高倍， 部分植株相对电导率比亲本明显低，表明转基因植株的细胞膜在胁迫时有受损较轻倾向。 孙仲序等将其成功地转入葡萄。22 胃溶性糖 盐胁迫除了诱导一些小分子溶质外，还可诱导可溶性糖的变化，这蝗糖类有果聚糖、 海藻糖等。这些可溶性糖类在植物体内也起到了重要的渗透压调节作用。果聚糖广泛存在 于植物和微生物的细胞液泡中，而某些植物还能以果聚糖的形式储存光合作用固定的能量。 果聚糖在细胞内是可溶的，在植物遭遇到盐胁迫能够降低细胞的水势，参与细胞的渗透调 节。 克隆到了枯草杆菌枯草杆菌果聚糖蔗糖转移酶基因，并将枯草 杆苏打中枯草杆菌果聚
