作物抗旱机理及其相关基因的研究进展

李 娜 (湖南农业大学农学院,湖南长沙41 01 28)

李 莉 (国家杂交水稻研究中心,湖南长沙41 01 25)

陈光辉 (湖南农业大学农学院,湖南长沙41 01 28)

在世界范围内,干旱问题已经是一个普遍的问题。目前,世界陆地面积有1/3处于干旱或半干旱状态。作物正常生长发育和高产都必须有充足的水分提供保障,因此干旱是影响植物生长最重要的非生物胁迫因素之一。作物耐旱性大多是受多基因控制的,因此,利用常规育种的方法改良作物抗旱性会受到限制。目前,国内外的研究主要集中在利用抗旱相关基因,提高作物的抗旱能力。尤其是在国外,已经有多种抗旱转基因植株问世,并且已经成功地进行了抗旱转基因水稻品种的培育。为此,笔者对作物抗旱相关基因的研究进展进行综述,重点介绍水稻抗旱相关基因的研究进展,旨在总结作物抗旱的机制,以便于更好地培育抗旱品种、开展作物抗旱工作。

1 作物抗旱相关基因研究

作物抗旱相关基因据其功能可归纳为以下几类:一类是功能蛋白基因,在植物抗旱过程中起直接保护作用;另一类是参与干旱胁迫信号转导的信号因子;还有一类是负责调控基因表达的转录因子。

1.1 功能基因

近几年研究发现,作物中存在一些具有抗旱功能的基因,在抗旱胁迫代谢过程中发挥作用。

(1)渗透调节基因 干旱胁迫会对作物产生伤害作用,为了应对这种伤害,作物细胞内代谢物质不断积累,通过调节胞内外渗透压平衡,减少细胞内水分流失,尽可能降低干旱对作物的伤害。参与渗透调节机制的有多种物质,糖类是其中重要的一种,而在众多糖类中,半乳糖是重中之重。过量表达半乳糖合成基因,会引起棉籽糖和半乳糖2种物质的含量上升,有助于提高作物的耐旱性[1]。某些糖类,如海藻糖、果聚糖等也分别以不同的方式在作物干旱期间发挥作用。除了糖类这种调节物质外,还有脯氨酸等氨基酸及其衍生物帮助作物度过干旱期。

(2)抗氧化保护剂 作物生长发育需要充足的水分供应,干旱条件下作物正常生长发育会受到影响,而且这种影响是很多因素构成的,比如氧化损伤。任何一种问题的出现都会导致与之相对应的机制产生,因此,作物体内产生了许多酶类和抗氧化的物质来抵御这种损伤。酶类物质的主要任务是除去活性氧,抵御活性氧对作物造成的伤害。比如,超氧化物歧化酶 (SOD)就在作物耐旱过程中发挥积极作用,干旱胁迫发生时,超氧化物歧化酶活性会大大降低[2]。研究发现,把SOD1转入水稻中,水稻耐旱性明显提高[3]。

(3)分子伴侣 干旱条件下,作物体内会产生多种蛋白其中包括LEA蛋白来抵抗逆境,LEA蛋白可以发挥类似于分子伴侣的功能从而使得植物细胞免受破坏,尤其是在保持细胞膜结构稳定的方面有显著作用[4]。

1.2 转录因子

研究抗旱转录因子是抗旱转基因植物研究中重要的一个领域,目前,研究发现的与抗旱相关的重要的转录因子有MYC/MYB、DREB、WRKY、bZIP和NAC等[5]。

(1)DREB转录因子 DREB转录因子是AP2/EREBP类基因大家庭中的一员。DRE顺式作用元件属于抗旱基因启动子区域,与DREB结合后参与干旱胁迫等反应。DRE顺式作用元件在许多与抗旱相关的基因的调控区域被发现,如拟南芥的rd17、rd10及rd29A等[6]。目前,克隆DREB转录因子基因的研究发展迅速。DREB转录因子已经从许多作物,如玉米[7]、水稻[8]等中被克隆出来。

DREB转录因子在抵御干旱胁迫反应过程中必不可少。干旱条件下诱导高羊茅DREB1A产生,从而增强作物抗旱性[9]。GhDBP2基因存在于棉花子叶中,也受干旱诱导[10]。swDREB1存在于马铃薯中,同样可以被干旱诱导[11]。TINY在生物胁迫和非生物胁迫过程当中扮演重要角色,是一种DREB类似转录因子[12]。近来研究表明,DREB2A属于磷蛋白类,可以被干旱激活并发挥相关作用[13]。

(2)MYB/MYC类转录因子 转录因子种类多种多样,MYB/MYC类转录因子是众多转录因子中数量最大的一类因子[14]。MYB/MYC在作物的多种生理生化过程都发挥作用,但只有少数的因子会参与逆境反应。AtMYB60和AtMYB44被发现于拟南芥中,干旱胁迫期间,它们调控抗旱基因的表达,通过减小气孔开放从而减少水分散失[14,15]。OsMYB3R22来源于水稻,将其导入拟南芥后进行观察,发现拟南芥的耐旱状况得到明显改善[16]。

(3)bZIP类转录因子 干旱胁迫条件下,内源脱落酸可以被诱导合成,然后,bZIP类转录因子也被激活,并与ABRE(ABA responsive element)结合。来源于拟南芥的ABF3或ABF4/AREB2,过量表达后能够诱导ABA的过敏感,从而增强转基因作物的抗旱能力[17]。

(4)WRKY类转录因子 WRKY基因在干旱条件下调控机制还不明确,还有待深入研究。

(5)NAC类转录因子 NAC转录因子,是一类具有多种生物功能的特异转录因子[18]。ANAC055、ANAC019和ANAC072(RD26)过量表达可以提高作物的抗旱性[19];从拟南芥中还分离得到一种NAC基因ATAF1,该因子在干旱胁迫时期发挥负向调控作用[20]。

1.3 信号因子

利用信号因子能够提高作物抵御和适应各种逆境的能力,其中包括增强作物的耐旱性。例如,在烟草转基因植株中,NPK1发挥作用提高烟草的抗旱性[21]。拟南芥中,AHK1在 ANAC、AREB1和DREB2A等基因的上游起正向调控作用,提高抗旱等能力;CRE1、AHK2和AHK3对干旱胁迫具有负向调控作用[22]。

除直接提高抗旱能力外,控制抗旱反应信号输出是应用信号因子的又一个显著优势。拟南芥中的SRK2C(SnRK2.8)在干旱胁迫作用下被检测到超量表达,但在正常情况时,检测不到表达[23]。由此推断,信号因子在控制干旱胁迫反应过程中发挥着分子开关的作用。目前,有几种信号因子已经在干旱胁迫反应中被发现,如AtGSK1、OsCDPK、NPK1等[21]。但由于抗旱胁迫反应这个信号传导途径相对比较复杂,该途径中又存在交叉[24],还有很多问题需要进一步详细研究证实。如OsSIPK在水稻耐旱机制中发挥作用就是就通过调节mRNA表达水平来实现的[25]。

2 水稻抗旱机制及相关基因

水稻是一种重要的粮食作物,作为农业生产中用水量较大的一种作物,灌溉问题是限制水稻生产的主要因素。在全球水资源日益匮乏的状况面前,我国也不得不面对干旱这一自然灾害。这一灾害严重影响着水稻的正常生长,制约着水稻生产的持续发展,随之而来的危机就是粮食安全问题。在此背景下,提高水稻的抗旱能力就显得尤为重要,因此发掘水稻抗旱基因成为改善水稻抗旱能力研究的热点。目前,鉴定、克隆、转化与抗旱性相关的目的基因,并加以利用已经成为培育抗旱品种的一条重要途径。现已经有许多抗旱相关的基因相继被克隆。

2.1 水稻抗旱生理生化机制

作物的抗旱性是内部遗传因子和外界环境因素彼此相互作用的结果。作物在不同程度干旱条件影响下,形成产量的能力即为作物抗旱性[26]。罗利军[27]、Turner[28]等认为作物抗旱性指的是作物在水分缺乏的情况下,依然能够生产出较高产量的能力。水稻抗旱性可分为抗旱性、避旱性和复原性抗旱性3种。

金忠男[29]在抽穗期研究不同品种的水稻,发现旱稻和普通的水稻品种在此时期出现干旱情况的概率有所不同,8月份是干旱多发期,而旱稻可以避开这个时期,把抽穗期调节至7月份,这种自我调节机制明显降低了干旱引发的损失[30]。高吉寅等[31]取水稻幼苗叶片,使其离体24h后测定含水量;他们还对秧苗进行干旱处理,后又复水测定秧苗的存活率,并提出复原性抗旱性作为一种行之有效的方法,应该广泛应用于水稻抗旱育种过程中。

在干旱逆境条件下,水稻自身抗旱生理生化机制发挥作用主要表现为细胞内以下几种物质的调节:①蛋白酶的调节:水稻细胞内多余蛋白被蛋白酶分解,形成大量氨基酸,从而为在抗旱胁迫反应中发挥作用的相关酶类合成做好充分准备;②糖类物质的积累:水稻细胞中糖类物质含量增加,能够使细胞膜更加稳定;③渗透调节:水稻受到干旱胁迫时,许多代谢物质会在体内大量积累,如氨基酸、糖类等,有助于调节细胞内外渗透压平衡,减少水分流失;④有毒物质的降解:一旦发生干旱,水稻体内会积累许多有毒物质,例如活性氧。为了保护细胞,保护酶系统将自动清除这些有害物质;⑤细胞结构调节:细胞壁发生木质化,除此之外还进行自我降解与修复[32]。

2.2 水稻抗旱相关基因

迄今为止,水稻抗旱相关的基因克隆的很少。Takahashi等[33]克隆得到一个wsi18cDNA水稻抗旱基因。Nirmal等[34]从水稻中分离出基因组基因pwsi18,经鉴定与抗旱相关。逐渐深入的理论研究和育种实践表明,作物都有整体抗逆性[19],即同一生理机制能够在不同的逆境条件下发挥作用[35]。据报道,在干旱等胁迫条件下,已经克隆出了调控基因表达的DREB转录因子,分别命名为 DREB2A-B和DREB1A-C[36]。该研究从分子水平证实了作物具有整体抗逆性。许多研究者发现ABA与作物抗旱有着密不可分关系,认为ABA与其次生产物在提早作物成熟方面发挥负向调节作用,因而加强非ABA依赖型抗旱机制的研究、克隆非ABA依赖型抗旱基因[37]研究,是一个有必要继续深入研究的问题。

水稻抗旱基因作用方式各不相同,据此可以把抗旱基因分为功能基因和调节基因2类,功能基因的编码产物在植株抗旱过程中直接起保护作用;调节基因的编码产物则是作为调节功能基因在基因表达和信号转导过程中发挥作用。

(1)抗旱功能基因 Xu等[38]利用基因枪法,把大麦胚胎发育晚期丰富蛋白 (Late embryogenesis abundant protein,Lea)基因转入水稻中,发现Lea蛋白表达量显著增加,同时,水稻耐旱能力明显得到提高,说明干旱胁迫逆境中Lea蛋白能够减轻干旱威胁,保护水稻。脯氨酸合成途径中涉及到2种关键物质,酶P5CS和奁OAT表达基因,通过对二者的克隆与转基因研究发现,脯氨酸的含量上升后,水稻的抗旱能力明显增强。Igarashi等[39]分离得到一个 P5CScDNA(cosP5CS),来源于水稻品种Akibare。研究表明,P5CS基因被各种逆境胁迫所诱导,其中自然也包括干旱胁迫。Zhu等[40]把ABA特异型启动子和P5CS基因一同导入水稻,P5CS转基因植株在逆境胁迫下的表达量与对照相比提高了2.5倍,此外还发现,第二代转基因植株在缺水条件下根和茎的鲜重显著增加。Jin等[41]研究干旱诱导启动子P5CS和组成型启动子 (Act1)在水稻中的表达发现,脯氨酸德含量在对其进行72h干旱处理之后提高了7倍。吴其亮等[42]把拟南芥8OAT基因导入水稻,在干旱胁迫条件下,与对照相比,转如8OAT基因的水稻株系的脯氨酸含量增加了4～14倍。

(2)抗旱调节基因 DREB转录因子是一种DNA结合蛋白,在真核生物中,它能与基因启动子区域中的顺式作用元件发生特异性结合。最近几年来,水稻DREB转录因子的研究发展较快,水稻DREB基因被干旱等逆境胁迫所诱导,调控逆境应答基因使其表达。Dubouzet等[43]克隆得到OsDREB1A基因,该基因在水稻原生质中与DRE发生特异结合,进而激活GUS报告基因,使其在转基因水稻中表达,提高了水稻的耐旱等综合抗逆性。Tian等[44]克隆出3个DREB转录因子,均来自于水稻,分别是OsDREB4-1、OsDREB4-2和OsDREB1-1,发现OsDREB4-1基因只有在苗期受干旱胁迫诱导等逆境诱导的条件下才表达,因此,它可能参与干旱逆境应答反应。

3 展望

经过多年研究,水稻抗旱研究已取得了一定成果。通过抗旱基因的克隆和转化已获得了大量抗旱转基因植株。但是,抗旱性作为一类综合性状,其表现受多基因控制,它的生理生化过程往往是基因与基因之间的共同作用和相互调节。因而,要更全面更系统地从本质上改善水稻的抗旱性,只有不断深入研究干旱逆境下水稻的生理生化反应极其抗旱机理,分离出更多抗旱基因,并多方面、多层次的研究,水稻的抗旱性才能得以真正的提高。

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