于曉東 賴鷺迪 王旌宇

摘 要：非生物脅迫尤其是水鹽脅迫一直是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，培育耐鹽耐寒新品種也一直是生物育種的研究方向，甜菜堿作為一種小分子的非毒性滲透調(diào)節(jié)劑，是植物響應(yīng)非生物脅迫的重要物質(zhì)。綜述了甘氨酸甜菜堿合成途徑中的膽堿單加氧酶和甜菜堿醛脫氫酶這兩種關(guān)鍵酶的分子生物學(xué)特性及其基因工程的最新研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：甜菜堿；膽堿單加氧酶；甜菜堿醛脫氫酶；基因工程；非生物脅迫

中圖分類號(hào)： Q946.88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.07.004

Glycine Betaine and Its Relationships with Plant Salt Resistance

YU Xiao-dong， LAI Lu-di， WANG Jing-yu

（College of Life Science，Liaoning Normal University， Dalian， Liaoning 116081，China）

Abstract： Abiotic stress， especially the water salt stress had always been the key factors that affected agricultural production， cultivating salt-tolerant hardy varieties had also been a biological breeding research direction， betaine as a non toxic osmotic regulator， it was an important material of plant response to abiotic stress. Molecular biological characteristics of the two key enzymes and their genetic engineering of the latest research progress of the single oxygenase choline and betaine aldehyde dehydrogenase in glycine betaine synthesis pathway was reviewed in this paper.

Key words： betaine； CMO； BADH； transgene； abiotic

低溫、干旱等非生物脅迫會(huì)影響高等植物的生長發(fā)育，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低，品質(zhì)變壞等。在逆境環(huán)境里，植物往往會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答，來減弱甚至是消除不利因素帶來的危害，應(yīng)答反應(yīng)涉及多個(gè)信號(hào)通路的許多生化反應(yīng)，是一個(gè)涉及多個(gè)基因及多個(gè)基因產(chǎn)物的非常復(fù)雜的過程。甘氨酸甜菜堿就是其中的一個(gè)最為常見的響應(yīng)逆境脅迫的小分子物質(zhì)。

1 甜菜堿的生理功能及其生物合成

甜菜堿是一種非毒性的小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其化學(xué)本質(zhì)為一種季銨型水溶性生物堿。植物中的甜菜堿主要有12種，其中的甘氨酸甜菜堿（glycinebetaine）最早被發(fā)現(xiàn)，研究的也最多，簡稱甜菜堿。高等植物中的藜科和禾草科中，甜菜堿的分布較多，尤其是在受水鹽、干旱及高溫等常見非生物脅迫的情況下，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中會(huì)積累大量的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，而無機(jī)離子則被運(yùn)輸?shù)揭号葜?，通過這樣方式維持細(xì)胞膨壓，提高植物對(duì)逆境的適應(yīng)能力。甜菜堿合成部位為植物成熟葉片的葉綠體中，主要分布于葉綠體及細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，其生物合成是以膽堿為底物經(jīng)兩種酶催化合成：膽堿在膽堿單加氧酶的作用下變?yōu)樘鸩藟A醛，再經(jīng)過甜菜堿醛脫氫酶的催化生成甜菜堿。

2 甘氨酸甜菜堿生物合成相關(guān)酶

2.1 膽堿單加氧酶（choline monooxygenase，CMO）的分子生物學(xué)

膽堿單加氧酶是植物中特有的一種酶，該酶在1989年才被Brouquisse 等[1]從菠菜的（Spinacia oleracea）葉綠體中檢測到；1995年，Burnet等[2]又將其純化。CMO是一種由單基因編碼的鐵氧還蛋白依賴型酶，其分子量為98 kD，為均一的二聚體，亞單位45 kD，等電點(diǎn)5.1?，F(xiàn)已經(jīng)克隆了甜菜（Beta vulgaris L.）[3]、大麥[4]、三色莧（Amaranthus tricolor）[5]、遼寧堿蓬（Suaeda liaotungensis）[6]、鹽角草（Salicornia europaea）[7]等植物中CMOcDNA的全序列。

2.2 甜菜堿醛脫氫酶（betaine aldehyde dehydrogenase，BADH）的分子生物學(xué)

1981年，Pan等[8]首次從高等植物中分離得到BADH。BADH是由兩個(gè)分子量相等的單體組成的二聚體，以NAD為電子受體，它對(duì)底物甜菜堿醛高度專一，該酶活性能被巰基試劑P-Chloromercuribenzoate和Mersalyl抑制，二硫蘇糖醇（DTT）可使其活性不完全恢復(fù)，表明巰基對(duì)酶活性的保持是非常重要的。Weretilnyk[9] 于1990年從菠菜中首次克隆了BADH的cDNA。目前已克隆了遼寧堿蓬（Suaeda liaotungensis） [10]、Pseudomonas aeruginosa[11]、菠菜（Spinacia oleracea）、海欖雌（Avicennia marina）[12]、中亞濱藜（Atriplex centralasiatica）[13]、oilseed rape （Brassica napus） [14]、細(xì)葉結(jié)縷草（Zoysia tenuifolia）[15]、山菠菜（Atriplex hortensis）[16-17] 等的BADH 基因。

3 甜菜堿合成相關(guān)酶基因工程

3.1 膽堿單加氧酶基因工程

膽堿單加氧酶（CMO）是甜菜堿合成的限速酶，它催化合成甜菜堿的前體甜菜堿醛，近些年對(duì)于CMO基因的研究并不廣泛。2012年，Luo D等[18]發(fā)現(xiàn)，水稻的基因組中存在CMO基因及BADH基因，但在正常及水鹽、干旱等非生物脅迫情況下并無甜菜堿的積累。通過對(duì)CMO基因活性的檢測表明，有大量CMO基因轉(zhuǎn)錄本存在多種選擇性剪接事件的發(fā)生，尤其是5'端編碼區(qū)序列缺失的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致了CMO基因轉(zhuǎn)錄本移碼后提前終止事件的發(fā)生，以及翻譯起始密碼或功能結(jié)構(gòu)域的丟失。玉米中CMO基因的表達(dá)也發(fā)現(xiàn)了類似情況，但山菠菜中的膽堿單加氧酶（AhCMO）基因則被正常剪接。通過將山菠菜的CMO基因轉(zhuǎn)入煙草從而獲得的轉(zhuǎn)基因植株會(huì)在水鹽等非生物脅迫的情況下大量積累甜菜堿，提高植物耐鹽性。2010年，羅伯祥等[19]將AhCMO基因轉(zhuǎn)入水稻，也得到了AhCMO基因的表達(dá)能提高水稻的耐鹽性這一結(jié)論。2012年李慧等[20]對(duì)杜梨膽堿單加氧酶（PbCMO）的研究表明雖然CMO基因的表達(dá)存在物種特性，不同植物膽堿的合成部位和誘導(dǎo)合成因素存在差別，但是杜梨PbCMO在植株不同器官對(duì)鹽脅迫和滲透脅迫的響應(yīng)過程中是起作用的，并且認(rèn)為這可能是通過脫落酸介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑來進(jìn)行調(diào)控的。

3.2 甜菜堿醛脫氫酶基因工程

甜菜堿醛脫氫酶在膽堿合成甜菜堿的過程中催化甜菜堿醛脫氫產(chǎn)生甜菜堿。在正常情況下，植物中BADH的表達(dá)量很低，但在低溫、鹽堿和干旱的條件誘導(dǎo)下，BADH活性顯著提高，近年來BADH 基因被大量應(yīng)用于提高植物耐鹽抗性的基因工程中。2012年Fan W J等[21]獲得的轉(zhuǎn)山菠菜BADH基因的甘薯，在外源的BADH基因過表達(dá)情況下，植物體內(nèi)的甜菜堿大量積累，提高了甘薯對(duì)水鹽、干旱非生物脅迫的耐受性。通過對(duì)轉(zhuǎn)基因甘薯多個(gè)生理指標(biāo)的檢測，做出了甜菜堿的積累能提高或降低與非生物脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，提高植物抗逆能力的推測。2013年，Wang J Y等[22]對(duì)組成型啟動(dòng)子和環(huán)境誘導(dǎo)型啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)SLBADH基因在番茄中表達(dá)差異的探究表明：35S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)外源基因表達(dá)的轉(zhuǎn)基因番茄的生長狀況不如野生植株，而P5啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)BADH表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株的生長狀況不受影響，且在水鹽等非生物脅迫的條件下，后者表現(xiàn)為具有更高的耐受性。

3 展 望

目前對(duì)BADH和CMO基因工程的研究大多是側(cè)重于單個(gè)基因的轉(zhuǎn)化，所得的轉(zhuǎn)基因植株響應(yīng)非生物脅迫的程度還有不足，轉(zhuǎn)基因植物同時(shí)具有外源CMO基因及BADH基因的情況還不多見，且基因工程中外源基因的啟動(dòng)子往往是組成型啟動(dòng)子，在文獻(xiàn)中也多有組成型啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)外源基因表達(dá)影響植物正常生長發(fā)育的報(bào)道，環(huán)境誘導(dǎo)型啟動(dòng)子啟動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)有望在基因工程中進(jìn)一步提高植物響應(yīng)非生物脅迫的能力。

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