李 娜 (湖南農業(yè)大學農學院,湖南長沙41 01 28)

李 莉 (國家雜交水稻研究中心,湖南長沙41 01 25)

陳光輝 (湖南農業(yè)大學農學院,湖南長沙41 01 28)

在世界范圍內,干旱問題已經是一個普遍的問題。目前,世界陸地面積有1/3處于干旱或半干旱狀態(tài)。作物正常生長發(fā)育和高產都必須有充足的水分提供保障,因此干旱是影響植物生長最重要的非生物脅迫因素之一。作物耐旱性大多是受多基因控制的,因此,利用常規(guī)育種的方法改良作物抗旱性會受到限制。目前,國內外的研究主要集中在利用抗旱相關基因,提高作物的抗旱能力。尤其是在國外,已經有多種抗旱轉基因植株問世,并且已經成功地進行了抗旱轉基因水稻品種的培育。為此,筆者對作物抗旱相關基因的研究進展進行綜述,重點介紹水稻抗旱相關基因的研究進展,旨在總結作物抗旱的機制,以便于更好地培育抗旱品種、開展作物抗旱工作。

1 作物抗旱相關基因研究

作物抗旱相關基因據其功能可歸納為以下幾類:一類是功能蛋白基因,在植物抗旱過程中起直接保護作用;另一類是參與干旱脅迫信號轉導的信號因子;還有一類是負責調控基因表達的轉錄因子。

1.1 功能基因

近幾年研究發(fā)現,作物中存在一些具有抗旱功能的基因,在抗旱脅迫代謝過程中發(fā)揮作用。

(1)滲透調節(jié)基因 干旱脅迫會對作物產生傷害作用,為了應對這種傷害,作物細胞內代謝物質不斷積累,通過調節(jié)胞內外滲透壓平衡,減少細胞內水分流失,盡可能降低干旱對作物的傷害。參與滲透調節(jié)機制的有多種物質,糖類是其中重要的一種,而在眾多糖類中,半乳糖是重中之重。過量表達半乳糖合成基因,會引起棉籽糖和半乳糖2種物質的含量上升,有助于提高作物的耐旱性[1]。某些糖類,如海藻糖、果聚糖等也分別以不同的方式在作物干旱期間發(fā)揮作用。除了糖類這種調節(jié)物質外,還有脯氨酸等氨基酸及其衍生物幫助作物度過干旱期。

(2)抗氧化保護劑 作物生長發(fā)育需要充足的水分供應,干旱條件下作物正常生長發(fā)育會受到影響,而且這種影響是很多因素構成的,比如氧化損傷。任何一種問題的出現都會導致與之相對應的機制產生,因此,作物體內產生了許多酶類和抗氧化的物質來抵御這種損傷。酶類物質的主要任務是除去活性氧,抵御活性氧對作物造成的傷害。比如,超氧化物歧化酶 (SOD)就在作物耐旱過程中發(fā)揮積極作用,干旱脅迫發(fā)生時,超氧化物歧化酶活性會大大降低[2]。研究發(fā)現,把SOD1轉入水稻中,水稻耐旱性明顯提高[3]。

(3)分子伴侶 干旱條件下,作物體內會產生多種蛋白其中包括LEA蛋白來抵抗逆境,LEA蛋白可以發(fā)揮類似于分子伴侶的功能從而使得植物細胞免受破壞,尤其是在保持細胞膜結構穩(wěn)定的方面有顯著作用[4]。

1.2 轉錄因子

研究抗旱轉錄因子是抗旱轉基因植物研究中重要的一個領域,目前,研究發(fā)現的與抗旱相關的重要的轉錄因子有MYC/MYB、DREB、WRKY、bZIP和NAC等[5]。

(1)DREB轉錄因子 DREB轉錄因子是AP2/EREBP類基因大家庭中的一員。DRE順式作用元件屬于抗旱基因啟動子區(qū)域,與DREB結合后參與干旱脅迫等反應。DRE順式作用元件在許多與抗旱相關的基因的調控區(qū)域被發(fā)現,如擬南芥的rd17、rd10及rd29A等[6]。目前,克隆DREB轉錄因子基因的研究發(fā)展迅速。DREB轉錄因子已經從許多作物,如玉米[7]、水稻[8]等中被克隆出來。

DREB轉錄因子在抵御干旱脅迫反應過程中必不可少。干旱條件下誘導高羊茅DREB1A產生,從而增強作物抗旱性[9]。GhDBP2基因存在于棉花子葉中,也受干旱誘導[10]。swDREB1存在于馬鈴薯中,同樣可以被干旱誘導[11]。TINY在生物脅迫和非生物脅迫過程當中扮演重要角色,是一種DREB類似轉錄因子[12]。近來研究表明,DREB2A屬于磷蛋白類,可以被干旱激活并發(fā)揮相關作用[13]。

(2)MYB/MYC類轉錄因子 轉錄因子種類多種多樣,MYB/MYC類轉錄因子是眾多轉錄因子中數量最大的一類因子[14]。MYB/MYC在作物的多種生理生化過程都發(fā)揮作用,但只有少數的因子會參與逆境反應。AtMYB60和AtMYB44被發(fā)現于擬南芥中,干旱脅迫期間,它們調控抗旱基因的表達,通過減小氣孔開放從而減少水分散失[14,15]。OsMYB3R22來源于水稻,將其導入擬南芥后進行觀察,發(fā)現擬南芥的耐旱狀況得到明顯改善[16]。

(3)bZIP類轉錄因子 干旱脅迫條件下,內源脫落酸可以被誘導合成,然后,bZIP類轉錄因子也被激活,并與ABRE(ABA responsive element)結合。來源于擬南芥的ABF3或ABF4/AREB2,過量表達后能夠誘導ABA的過敏感,從而增強轉基因作物的抗旱能力[17]。

(4)WRKY類轉錄因子 WRKY基因在干旱條件下調控機制還不明確,還有待深入研究。

(5)NAC類轉錄因子 NAC轉錄因子,是一類具有多種生物功能的特異轉錄因子[18]。ANAC055、ANAC019和ANAC072(RD26)過量表達可以提高作物的抗旱性[19];從擬南芥中還分離得到一種NAC基因ATAF1,該因子在干旱脅迫時期發(fā)揮負向調控作用[20]。

1.3 信號因子

利用信號因子能夠提高作物抵御和適應各種逆境的能力,其中包括增強作物的耐旱性。例如,在煙草轉基因植株中,NPK1發(fā)揮作用提高煙草的抗旱性[21]。擬南芥中,AHK1在 ANAC、AREB1和DREB2A等基因的上游起正向調控作用,提高抗旱等能力;CRE1、AHK2和AHK3對干旱脅迫具有負向調控作用[22]。

除直接提高抗旱能力外,控制抗旱反應信號輸出是應用信號因子的又一個顯著優(yōu)勢。擬南芥中的SRK2C(SnRK2.8)在干旱脅迫作用下被檢測到超量表達,但在正常情況時,檢測不到表達[23]。由此推斷,信號因子在控制干旱脅迫反應過程中發(fā)揮著分子開關的作用。目前,有幾種信號因子已經在干旱脅迫反應中被發(fā)現,如AtGSK1、OsCDPK、NPK1等[21]。但由于抗旱脅迫反應這個信號傳導途徑相對比較復雜,該途徑中又存在交叉[24],還有很多問題需要進一步詳細研究證實。如OsSIPK在水稻耐旱機制中發(fā)揮作用就是就通過調節(jié)mRNA表達水平來實現的[25]。

2 水稻抗旱機制及相關基因

水稻是一種重要的糧食作物,作為農業(yè)生產中用水量較大的一種作物,灌溉問題是限制水稻生產的主要因素。在全球水資源日益匱乏的狀況面前,我國也不得不面對干旱這一自然災害。這一災害嚴重影響著水稻的正常生長,制約著水稻生產的持續(xù)發(fā)展,隨之而來的危機就是糧食安全問題。在此背景下,提高水稻的抗旱能力就顯得尤為重要,因此發(fā)掘水稻抗旱基因成為改善水稻抗旱能力研究的熱點。目前,鑒定、克隆、轉化與抗旱性相關的目的基因,并加以利用已經成為培育抗旱品種的一條重要途徑?，F已經有許多抗旱相關的基因相繼被克隆。

2.1 水稻抗旱生理生化機制

作物的抗旱性是內部遺傳因子和外界環(huán)境因素彼此相互作用的結果。作物在不同程度干旱條件影響下,形成產量的能力即為作物抗旱性[26]。羅利軍[27]、Turner[28]等認為作物抗旱性指的是作物在水分缺乏的情況下,依然能夠生產出較高產量的能力。水稻抗旱性可分為抗旱性、避旱性和復原性抗旱性3種。

金忠男[29]在抽穗期研究不同品種的水稻,發(fā)現旱稻和普通的水稻品種在此時期出現干旱情況的概率有所不同,8月份是干旱多發(fā)期,而旱稻可以避開這個時期,把抽穗期調節(jié)至7月份,這種自我調節(jié)機制明顯降低了干旱引發(fā)的損失[30]。高吉寅等[31]取水稻幼苗葉片,使其離體24h后測定含水量;他們還對秧苗進行干旱處理,后又復水測定秧苗的存活率,并提出復原性抗旱性作為一種行之有效的方法,應該廣泛應用于水稻抗旱育種過程中。

在干旱逆境條件下,水稻自身抗旱生理生化機制發(fā)揮作用主要表現為細胞內以下幾種物質的調節(jié):①蛋白酶的調節(jié):水稻細胞內多余蛋白被蛋白酶分解,形成大量氨基酸,從而為在抗旱脅迫反應中發(fā)揮作用的相關酶類合成做好充分準備;②糖類物質的積累:水稻細胞中糖類物質含量增加,能夠使細胞膜更加穩(wěn)定;③滲透調節(jié):水稻受到干旱脅迫時,許多代謝物質會在體內大量積累,如氨基酸、糖類等,有助于調節(jié)細胞內外滲透壓平衡,減少水分流失;④有毒物質的降解:一旦發(fā)生干旱,水稻體內會積累許多有毒物質,例如活性氧。為了保護細胞,保護酶系統(tǒng)將自動清除這些有害物質;⑤細胞結構調節(jié):細胞壁發(fā)生木質化,除此之外還進行自我降解與修復[32]。

2.2 水稻抗旱相關基因

迄今為止,水稻抗旱相關的基因克隆的很少。Takahashi等[33]克隆得到一個wsi18cDNA水稻抗旱基因。Nirmal等[34]從水稻中分離出基因組基因pwsi18,經鑒定與抗旱相關。逐漸深入的理論研究和育種實踐表明,作物都有整體抗逆性[19],即同一生理機制能夠在不同的逆境條件下發(fā)揮作用[35]。據報道,在干旱等脅迫條件下,已經克隆出了調控基因表達的DREB轉錄因子,分別命名為 DREB2A-B和DREB1A-C[36]。該研究從分子水平證實了作物具有整體抗逆性。許多研究者發(fā)現ABA與作物抗旱有著密不可分關系,認為ABA與其次生產物在提早作物成熟方面發(fā)揮負向調節(jié)作用,因而加強非ABA依賴型抗旱機制的研究、克隆非ABA依賴型抗旱基因[37]研究,是一個有必要繼續(xù)深入研究的問題。

水稻抗旱基因作用方式各不相同,據此可以把抗旱基因分為功能基因和調節(jié)基因2類,功能基因的編碼產物在植株抗旱過程中直接起保護作用;調節(jié)基因的編碼產物則是作為調節(jié)功能基因在基因表達和信號轉導過程中發(fā)揮作用。

(1)抗旱功能基因 Xu等[38]利用基因槍法,把大麥胚胎發(fā)育晚期豐富蛋白 (Late embryogenesis abundant protein,Lea)基因轉入水稻中,發(fā)現Lea蛋白表達量顯著增加,同時,水稻耐旱能力明顯得到提高,說明干旱脅迫逆境中Lea蛋白能夠減輕干旱威脅,保護水稻。脯氨酸合成途徑中涉及到2種關鍵物質,酶P5CS和奩OAT表達基因,通過對二者的克隆與轉基因研究發(fā)現,脯氨酸的含量上升后,水稻的抗旱能力明顯增強。Igarashi等[39]分離得到一個 P5CScDNA(cosP5CS),來源于水稻品種Akibare。研究表明,P5CS基因被各種逆境脅迫所誘導,其中自然也包括干旱脅迫。Zhu等[40]把ABA特異型啟動子和P5CS基因一同導入水稻,P5CS轉基因植株在逆境脅迫下的表達量與對照相比提高了2.5倍,此外還發(fā)現,第二代轉基因植株在缺水條件下根和莖的鮮重顯著增加。Jin等[41]研究干旱誘導啟動子P5CS和組成型啟動子 (Act1)在水稻中的表達發(fā)現,脯氨酸德含量在對其進行72h干旱處理之后提高了7倍。吳其亮等[42]把擬南芥8OAT基因導入水稻,在干旱脅迫條件下,與對照相比,轉如8OAT基因的水稻株系的脯氨酸含量增加了4～14倍。

(2)抗旱調節(jié)基因 DREB轉錄因子是一種DNA結合蛋白,在真核生物中,它能與基因啟動子區(qū)域中的順式作用元件發(fā)生特異性結合。最近幾年來,水稻DREB轉錄因子的研究發(fā)展較快,水稻DREB基因被干旱等逆境脅迫所誘導,調控逆境應答基因使其表達。Dubouzet等[43]克隆得到OsDREB1A基因,該基因在水稻原生質中與DRE發(fā)生特異結合,進而激活GUS報告基因,使其在轉基因水稻中表達,提高了水稻的耐旱等綜合抗逆性。Tian等[44]克隆出3個DREB轉錄因子,均來自于水稻,分別是OsDREB4-1、OsDREB4-2和OsDREB1-1,發(fā)現OsDREB4-1基因只有在苗期受干旱脅迫誘導等逆境誘導的條件下才表達,因此,它可能參與干旱逆境應答反應。

3 展望

經過多年研究,水稻抗旱研究已取得了一定成果。通過抗旱基因的克隆和轉化已獲得了大量抗旱轉基因植株。但是,抗旱性作為一類綜合性狀,其表現受多基因控制,它的生理生化過程往往是基因與基因之間的共同作用和相互調節(jié)。因而,要更全面更系統(tǒng)地從本質上改善水稻的抗旱性,只有不斷深入研究干旱逆境下水稻的生理生化反應極其抗旱機理,分離出更多抗旱基因,并多方面、多層次的研究,水稻的抗旱性才能得以真正的提高。

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