摘要：主要就植物的抗旱基因包括滲透調(diào)節(jié)、保護酶體系、抗旱基因及遺傳特性等方面對植物抗旱機理的研究進行了綜述。研究植物的抗旱性基因，有助于了解植物的抗旱機制，以期為我國節(jié)水抗旱農(nóng)業(yè)的研究提供一些新的思路和手段。

關(guān)鍵詞：作物；抗旱機理；水分脅迫；基因工程

中圖分類號：S332.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114(2009)02-0475-03

干旱已是世界性的問題，世界干旱，半干旱地區(qū)已占陸地面積的1/3以上，干旱對植物的影響在諸多自然逆境因素中占首位。國外已經(jīng)開始有轉(zhuǎn)抗旱基因植物的研究，已有數(shù)十種植物被轉(zhuǎn)化獲得了抗旱轉(zhuǎn)基因植株，并已在水稻上成功地進行了轉(zhuǎn)抗旱基因水稻品系的培育。本文對上述幾方面的研究進行了綜述，旨在總結(jié)植物抗旱的新機制，以利于更好的進行抗旱工作。

1 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對旱害的調(diào)控

1．1 植物體內(nèi)脯氨酸的合成

1．1．1 脯氨酸合成酶研究現(xiàn)狀 編碼脯氨酸合成酶基因的研究較為深入，至今已從水稻、黑麥、綠豆、大豆、擬南芥、蒺藜、苜蓿、榆錢、菠菜等植物中克隆出了多個與脯氨酸合成酶相關(guān)的基因，其中包括P5CS、PSCR、OAT和Pro。鳥氨酸循環(huán)中6～OAT基因已在大豆、苜蓿、擬南芥等中得到克隆。轉(zhuǎn)運蛋白ProT基因在擬南芥、番茄、水稻、大麥等中得到克隆。WU研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中P5CS是由2個不同調(diào)節(jié)基因編碼的。該基因有19個內(nèi)含子和20個外顯子定位于2號染色體78.5位置上的AtP5CSl基因可以在大多數(shù)植物器官中表達，但在分裂細胞中沉默：定位于3號染色體101.3位置上的AtP5CS2基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，占植物組織中P5CSm-RNA總量的20～40％，并在分裂細胞中負責(zé)合成P5CSutRNA，AtPSCS轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的積累具有組織特異性。同樣在番茄的核基因組中，也發(fā)現(xiàn)有2個脯氨酸基因座(10ci)：一個是特異性雙功能tom Pro2基因座：另一個基因座為torn Pro1，該基因座編碼一個多順反子mRNA，指導(dǎo)7-GK和GSADH 2種多肽的合成。P5CS基因廣泛存在于單子葉和雙子葉植物中；P5CR基因有7個外顯子，6個內(nèi)含子，其位于擬南芥的5號染色體上：6-OAT基因有10個外顯子，9個內(nèi)含子，該基因定位于擬南芥的5號染色體上：脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白的基因有8個外顯子，7個內(nèi)含子，該基因定位于水稻的3號染色體上，在擬南芥中脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白是2個不同調(diào)節(jié)基因編碼的，該基因有7個內(nèi)含子6個外顯子，定位于2、3號染色體上。

1．1．2 脯氨酸在轉(zhuǎn)基因植物中的表現(xiàn) 將PSCS和6-OAT分別轉(zhuǎn)入煙草植株中發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)基因煙草(Nicotianatabacum)中脯氨酸含量明顯提高且與對照相比，耐鹽性也有所提高，轉(zhuǎn)入其他植物也得到同樣的結(jié)論。將從烏頭葉豇豆中克隆的P5CS基因與CoMV35S啟動子連接后轉(zhuǎn)人煙草中。發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草的脯氨酸含量比對照高10～18倍。在干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因煙草落葉少且遲。將擬南芥的6-OAT基因?qū)藷煵?，使脯氨酸累積增加2倍，轉(zhuǎn)基因的幼苗可在200mmol·LNaCl中正常生長：將此基因?qū)藷煵?，使脯氨酸累積增加2倍，轉(zhuǎn)基因的幼苗可在200mmol·L^-1NaCl中正常生長。楊成民從豇豆中分離到的P5CS為目的基因，通過基因槍與選擇標(biāo)記bar基因共轉(zhuǎn)化獲得轉(zhuǎn)基因黑麥草再生植株，Kishor等將P5CS基因?qū)藷煵?，轉(zhuǎn)基因植株脯氨酸含量比對照高10～18倍：在鹽脅迫條件下，與對照相比轉(zhuǎn)基因植株根的長度和干重增加，植株生物產(chǎn)量提高花發(fā)育得更好，果莢數(shù)目和每莢的種子數(shù)也增加，李燕等在皂角苗木對干旱脅迫的生理生化反應(yīng)的研究中發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，皂角的脯氨酸含量先增后減，Bajin等發(fā)現(xiàn)濱藜中脯氨酸含量的增加在葉中較顯著，對根沒有顯著影響。也有研究發(fā)現(xiàn)，根的脯氨酸增加的幅度比莖葉中都大。

1．2 其他調(diào)節(jié)物質(zhì)

1．2．1 果聚糖合成酶基因 有證據(jù)表明被子植物演化過程中果聚糖積累與一些植物耐旱(寒)能力相關(guān)，其中果聚糖蔗糖酶基因soeB)是較早克隆的基因。張慧等1998年將ssacB轉(zhuǎn)入煙草，經(jīng)卡那霉素篩選的抗性芽能在含1％NaCl的MS培養(yǎng)基上正常生根，而未轉(zhuǎn)化的芽則不能生根或根生長緩慢。轉(zhuǎn)基因小苗移栽后用含1％NaCl的營養(yǎng)液澆灌17d后，一些轉(zhuǎn)基因植株生長良好，而未轉(zhuǎn)化苗出現(xiàn)明顯萎蔫，表明sacB基因能提高煙草的耐鹽性。

1．2．2 甜菜堿合成有關(guān)的酶基因 甜菜堿是一種重要的植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，特別是藜科和禾本科植物，在受到水分脅迫時積累大量甜菜堿。甜菜堿在植物中以膽堿為底物經(jīng)兩步合成，即膽堿加單氧酶(CMO)催化膽堿氧化成甜菜堿醛，然后，甜菜堿醛脫氫酶(BADH)催化甜菜堿醛形成甜菜堿。

1．2．3 甘露醇合成的相關(guān)基因 植物抗性生理研究結(jié)果證實，糖醇與植物的抗旱耐鹽能力有關(guān)，甘露醇是生物體內(nèi)包含細菌、藻類、真菌和100多種高等植物中廣泛分布的一種糖醇，在甘露醇合成過程中起關(guān)鍵作用的酶，在細菌中是甘露醇-1-磷酸脫氫酶，其編碼基因為mtlD。

2 保護酶體系

保護酶體系包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(ASP)等。SOD可分為Cu/Zn-SOD、Mn-SOD和Fe-SOD 3種類型，Cu-SOD主要在葉綠體和細胞質(zhì)中，Mn-SOD主要存在于線粒體中，F(xiàn)e-SOD則主要存在于葉綠體中，將煙草的Mn-SODcDNA導(dǎo)人苜蓿后，轉(zhuǎn)基因苜蓿的抗旱性得到了提高，將Mn-SOD基因定位到煙草的葉綠體和線粒體上，發(fā)現(xiàn)也能表達其基因。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在葉綠體中Mn-SOD的過量表達使煙草受干旱所引起的氧化傷害程度比對照明顯減輕，但線粒體中增加的Mn-SOD活性對煙草耐氧化脅迫能力沒多大影響，另外，表達擬南芥Fe-SOD的轉(zhuǎn)基因煙草、表達番茄Cu/Zn-SOD的轉(zhuǎn)基因煙草、過量表達豌豆Cu/Zn-SOD的轉(zhuǎn)基因煙草均能增強抵抗干旱引起的氧化脅迫能力。

3 植物抗旱基因與遺傳

3．1 保護生物大分子及膜結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)

3．1．1 水通道蛋白(aquapofin) 水通道蛋白是指作為跨膜通道的主嵌入蛋白(MIP)家族中具有運輸水分功能的一類蛋白質(zhì)，能夠促進和調(diào)節(jié)水分跨膜的被動交換，包括植物體內(nèi)的跨細胞和胞內(nèi)水分流動，是水分跨膜運輸?shù)闹匾緩街弧?/p>

3．1．2 調(diào)滲蛋白 在高鹽濃度下，培養(yǎng)的煙草細胞中多種蛋白質(zhì)的含量發(fā)生了變化。其中一種分子量為26KD的蛋白質(zhì)的增加尤為顯著，高達細胞總蛋白量的12％以上。該蛋白的積累則要求氯化鈉或低水勢的存在。除煙草外其他一些植物西紅柿、馬鈴薯、胡蘿卜、棉花、小米和大豆的培養(yǎng)細胞經(jīng)ABA處理后也出現(xiàn)了同OSM起免疫交叉反應(yīng)且分子量約為26KD的蛋白質(zhì)。這表明OSM可能是一種普遍存在于高等植物的蛋白質(zhì)。目前已得到由農(nóng)桿菌介導(dǎo)將OSM的啟動子和B-葡萄糖苷醛酶(GUS)報告基因嵌合在一起的轉(zhuǎn)基因煙草。

3．1．3 胚胎后期發(fā)生豐富蛋白(LEA蛋白) 在種子后期發(fā)育過程當(dāng)中，LEA蛋白隨種子的脫水成熟其含量增加。在脅迫條件下LEA蛋白在植物細胞中起保護作用，這種保護作用對于植物在極端壓力條件下是必要的。根據(jù)LEA的結(jié)構(gòu)推測LEA蛋白可能有以下三方面的作用：①作為脫水保護劑，由于LEA蛋白在結(jié)構(gòu)上富含不帶電荷的親水氨基酸，它們既能像脯氨酸那樣，通過與細胞內(nèi)的其他蛋白發(fā)生相互作用，使其結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，又可能給細胞內(nèi)的束縛水提供了一個結(jié)合的襯質(zhì)，從而使細胞結(jié)構(gòu)在脫水中不致遭受更大的破壞。②作為一種調(diào)節(jié)蛋白而參與植物滲透調(diào)節(jié)。③通過與核酸結(jié)合而調(diào)節(jié)細胞內(nèi)其它基因的表達。

3．2 編碼抗旱轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)基因

DREB是目前研究較多的抗非生物脅迫的轉(zhuǎn)錄因子。Xiong利用差示顯示法從干旱處理的擬南芥中克隆了一批受干旱誘導(dǎo)的rd基因，對rd29A基因啟動子進行分析揭示了一個與干旱、高鹽及低溫脅迫應(yīng)答基因有關(guān)的DRE順式作用元件，并克隆了3個與DRE元件結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，用干旱或高鹽處理10min，DREB2A和DREB2B被快速強烈誘導(dǎo)，并且不受外源ABA的誘導(dǎo)。Hara利用CaMV35S啟動子和逆境誘導(dǎo)特異啟動子rd29A，將DREBIA的cDNA導(dǎo)入擬南芥，DREBlA的過量表達激活許多耐逆境功能基因的表達如rd29A、Kinl、Con5a、Cor6和P5CS等轉(zhuǎn)基因植株耐旱性、耐鹽性和耐凍性提高。

4 展望

我國北方地區(qū)土壤干旱、鹽漬化是影響農(nóng)牧生產(chǎn)的重要因素。通過篩選與植物的抗旱性、抗鹽堿性相關(guān)的基因，研究其功能，揭示其相關(guān)因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，采用現(xiàn)代生物技術(shù)手段進行轉(zhuǎn)基因育種、獲得耐旱和耐鹽堿能力強的新品種已成為解決我國中西部干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展種質(zhì)資源矛盾的有效手段之一。

4．1 目前利用基因工程技術(shù)培育抗旱品種主要有兩種策略

1、增加植物滲透性代謝產(chǎn)物的合成能力，使植物在水分脅迫下能合成更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如脯氨酸，甘露醇、甜菜堿、海藻糖等，以提高植物的滲透調(diào)節(jié)能力，從而增強植物的抗旱性。

2)增強植物對活性氧自由基的清除能力，使植物在水分脅迫下過量表達一些酶(如SOD，POD，CAT等)，以有效地排除有害的活性氧自由基，從而提高細胞耐脫水的能力。

4．2 在通過基因工程方法進行抗旱分子育種的過程中發(fā)現(xiàn)存在一些問題

由于人們對植物抗旱的分子機制缺乏了解，抗旱分子育種還有很大的盲目性：采用單基因策略提高植物的抗旱性對有的基因和植物有效，對有的基因和植物卻無效：利用35S啟動子與抗旱基因組合在提高植物抗旱性的同時也造成植物畸形發(fā)育；外源基因表達水平不穩(wěn)定。盡管目前抗旱分子育種面臨不少的問題，但隨著抗旱分子生物學(xué)研究的深人和生物技術(shù)的進步，相信不久的將來會有大量的抗旱基因作物應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中來。

(責(zé)任編輯 昌炎新)