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園藝植物中的抗性基因及其應(yīng)用

時(shí)間：2023-02-27 18:48:52 園藝我要投稿

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　　20 世紀(jì)80年代以來植物基因工程技術(shù)發(fā)展迅猛,這就為植物抗性育種研究開辟了新的途徑,并形成了以園藝植物抗性基因研究為重點(diǎn)的對(duì)相關(guān)基因的定位、克隆、序列分析,抗性相關(guān)蛋白結(jié)構(gòu)分類及外源基因的整合與表達(dá)等一系列新的研究熱點(diǎn).

園藝植物中的抗性基因及其應(yīng)用

　　1.植物的抗性基因

　　植物抗性基因可分為兩大類: 第一類是功能基因, 這些基因編碼的蛋白質(zhì)對(duì)逆境中的植物直接起保護(hù)作用; 第二類是調(diào)節(jié)基因, 它們編碼的蛋白質(zhì)是在信號(hào)傳導(dǎo)途徑和對(duì)逆境基因表達(dá)起調(diào)節(jié)作用中起調(diào)控作用的因子[1].

　　1.1功能基因

　　功能基因主要包括滲透調(diào)節(jié)基因、清除活性氧的酶基因及保護(hù)生物大分子的活性基因等.像海藻糖合成基因、脯氨酸合成基因、甘露醇合成基因、甜菜堿合成酶基因、果聚糖合成基因、肌醇甲酯合成基因、多胺合成基因,這些都是與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的基因,如Cape ll等發(fā)現(xiàn)的Adc在水稻中的超量表達(dá)就緩解了干旱條件下轉(zhuǎn)基因水稻葉綠素的損失, 并提高了抗旱性;而清除活性氧的酶基因能提高清除氧自由基的能力, 保護(hù)和穩(wěn)定蛋白復(fù)合體及膜結(jié)構(gòu),也可以提高植物抗性,Gupta等發(fā)現(xiàn)過量表達(dá)Cu /Zn- SOD的轉(zhuǎn)基因煙草在冷和高光脅迫下過氧化物毒害耐性提高[1] ;調(diào)滲蛋白(OSM )相關(guān)基因、脫水蛋白基因、水通道蛋白( aquapormi , AQP)基因、蘋果酸酶、晚期胚胎發(fā)生豐富蛋白( LEA)等基因均在保護(hù)生物大分子及膜結(jié)構(gòu)中起至關(guān)重要的作用,LEA蛋白具有抗旱保護(hù)作用、離子結(jié)合特性以及抗氧化活性;水孔蛋白存在于細(xì)胞膜和液泡膜上,在細(xì)胞乃至整個(gè)植物體水分吸收和運(yùn)輸過程中發(fā)揮重要作用[4]. 有研究證明, 在干旱誘導(dǎo)型啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)下, 水稻LEA3蛋白基因OsLEA3 - 1 顯著提高了抗旱性.

　　1.2調(diào)節(jié)基因

　　與抗旱相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子有DREB、MYC/MYB、bZIP、WRKY和NAC類，與抗病相關(guān)的35S 啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的幾丁質(zhì)酶chi5B 基因等,與抗重金屬有關(guān)的水孔蛋白基因TcPIP等.由于轉(zhuǎn)錄因子能在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控一系列基因的表達(dá), 所以轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)基因可能可以有效地提高植物的抗逆性.

　　OsSKIPa SKIP( Ski- in terac ting prote in)能積極調(diào)整細(xì)胞生存能力和水稻的抗逆性.轉(zhuǎn)基因水稻中OsSKIPa 的表達(dá)極大地提高了在逆境(脫落酸、鹽以及甘露醇)中的生長(zhǎng)能力以及苗期和生殖生長(zhǎng)階段的抗旱能力, 增加清除活性氧的能力和提高干旱脅迫下與逆境相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平; DREB轉(zhuǎn)錄因子與抗逆基因啟動(dòng)子區(qū)域中的DRE 順式作用元件(如擬南芥的rd10 、rd17 以及rd29A等結(jié)合, 參與干旱、高鹽等脅迫應(yīng)答反應(yīng), 增強(qiáng)植物的抗逆性[2] ;幾丁質(zhì)酶chi5B 基因轉(zhuǎn)入煙草、油菜、水稻,在植物體內(nèi)均能高效表達(dá), 抗病性明顯[3] ;重金屬抑制根系對(duì)水分的吸收和運(yùn)輸,在重金屬富集植物遏藍(lán)菜中克隆了2個(gè)水孔蛋白基因TcPIP,在重金屬脅迫下可能具有增強(qiáng)水分運(yùn)輸?shù)淖饔肹4].

　　2.植物細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)移

　　2.1農(nóng)桿菌介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移

　　植物傷口釋放出如乙酰丁香酮（AS）以及羥基乙酰丁香酮（OHAS）等的信號(hào)分子;VirA以及VirG基因在酚類物質(zhì)的誘導(dǎo)下得到表達(dá);VirD1和VirD2蛋白表達(dá)與T－DNA邊界重復(fù)序列結(jié)合解纏繞與切割,VirC1和VirC2參與下,形成T－DNA轉(zhuǎn)移中間體,并以DNA－蛋白質(zhì)復(fù)合體形式存在和轉(zhuǎn)移,VirE1和VirE2參與該過程;T－鏈蛋白復(fù)合體（T－鏈、VirD2、VirE2）在VirB基因表達(dá)產(chǎn)物作用下,穿越細(xì)胞膜,VirB操縱子具有11個(gè)基因,產(chǎn)物定位于細(xì)胞膜上并形成一種膜結(jié)合T－復(fù)合體運(yùn)輸器,其中VirD2和VirE2蛋白分別具有導(dǎo)航和核定位作用;VirD2、VirE2以及VirF蛋白進(jìn)入植物細(xì)胞;T－鏈蛋白復(fù)合體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞后,通過核膜上的小孔進(jìn)入細(xì)胞核,與核DNA整合.

　　2.2病毒載體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移

　　隨著植物病毒分子生物學(xué)及遺傳學(xué)研究的不斷深入,用病毒基因組作為載體轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞日益真到我們的重視,因?yàn)椴《据d體能將外源基因?qū)胫参锏乃薪M織和細(xì)胞中,而且不受單子葉或雙子葉的限制,有轉(zhuǎn)染植物細(xì)胞原生質(zhì)體和轉(zhuǎn)染植物組織兩種形式.

　　轉(zhuǎn)染植物原生質(zhì)體是以雙鏈DNA病毒花椰菜花斑病毒（CaMV）基因組作為載體,去除有關(guān)的致病性基因,換上外源基因,體外包裝成有有感染力的病毒顆粒,轉(zhuǎn)染植物細(xì)胞原生質(zhì)體,并由此再生成整株植物.

　　轉(zhuǎn)染植物組織是以植物雙生病毒為載體的,植物雙生病毒式一單鏈DNA病毒,成熟的雙生病毒呈雙顆粒狀,每一個(gè)顆粒中含有一條不同的DNA單鏈.其中A鏈能單獨(dú)在植物細(xì)胞中復(fù)制,并含有一部分病毒包衣蛋白基因;B鏈編碼另一部分包衣蛋白基因及感染性基因.A、B兩條鏈必須同處于一個(gè)植物細(xì)胞中,方能形成有感染力的病毒.雙生病毒具有廣泛的宿主細(xì)胞范圍,因此是一種很有潛力的植物病毒載體.雙生病毒家族成員番茄金花葉病毒（TGMV）在轉(zhuǎn)染植物組織是的克隆表達(dá)載體的構(gòu)建程序

　　3.植物抗性基因的應(yīng)用

　　3.1草坪草的改良

　　草坪草的改良一直依賴于傳統(tǒng)的育種手段,雖然許多性狀已得到長(zhǎng)足的改進(jìn),但改良的局限性也已日益明顯. 將轉(zhuǎn)基因技術(shù)融合到傳統(tǒng)的育種手段中,可以兼顧抗性和草坪草品質(zhì)兩方面, 定向改變草坪草的一些性狀,不僅可拓展改良的范圍,而且也有助于解決一些常規(guī)育種方法難以解決的特殊問題,創(chuàng)造新的草坪草品種. 1988年獲得首例轉(zhuǎn)基因草鴨茅, 1992年獲得第1個(gè)葦狀羊茅轉(zhuǎn)基因植株,接著轉(zhuǎn)基因技術(shù)在主要的草坪草品種上相繼獲得成功,如匍匐翦股穎(Agrostis palustris) 、草甸羊茅( Fes2tuca pra tensis) 、紫羊茅( Festuca rubra)等. 近年來,基因槍和農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化技術(shù)日趨成熟,轉(zhuǎn)化的目標(biāo)已轉(zhuǎn)向抗病蟲、抗寒旱、抗鹽以及提高草坪的色澤方面,在防止基因漂移方面也進(jìn)行了初步的嘗試,但目前轉(zhuǎn)化的目標(biāo)基因僅是單基因,尚未見到將含有耐旱寒、抗病蟲、抗除草劑等2 個(gè)基因同時(shí)轉(zhuǎn)化的報(bào)道,四季常綠的品種也未見報(bào)道. 目前,轉(zhuǎn)基因草坪草尚未進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段[4].

　　3.2提高蔬菜產(chǎn)量

　　培育抗逆境雜交新品種是解決逆境脅迫，提高產(chǎn)量的關(guān)鍵所在.往往一些野生種蔬菜在適應(yīng)周圍環(huán)境的過程中,逐步演化出一定的抗逆境性, 成為蔬菜抗逆境遺傳改良的寶貴資源.Eshed等就利用S. pennellii LA716 構(gòu)建了單片段漸滲系, 利用該套漸滲系已對(duì)1 000 多

　　個(gè)控制不同類型農(nóng)藝性狀的QT L 進(jìn)行了定位, 廣泛應(yīng)用于番茄產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病等遺傳改良[5].

　　在后續(xù)植物抗性的研究中,我們應(yīng)該考慮到:① 選用安全性較高的篩選標(biāo)記基因;② 鹽、干旱這幾種脅迫耐受的機(jī)制是相互干擾的;③ 植物受到脅迫和從脅迫中恢復(fù)的周期是一個(gè)普遍的過程,也是與脅迫耐受密切相關(guān)的;④ 應(yīng)觀察長(zhǎng)期脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,因?yàn)檫@種長(zhǎng)期脅迫才更接近大多數(shù)作物的壽命.

　　轉(zhuǎn)基因植物抗性基因資源還有待進(jìn)一步發(fā)掘,但隨著分子生物學(xué)技術(shù)和方法的不斷發(fā)展和完善,植物抗性研究的不斷深入,在植物體內(nèi)建立可受逆境脅迫誘導(dǎo)表達(dá)的、比較完善的抗逆境體系,將會(huì)有更多的抗境轉(zhuǎn)基因作物應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,造福于全人類.

　　參考文獻(xiàn):

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