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1、植物抗寒基因工程研究----谢嶺学号：02092501021前言：植物抗寒基因工程研究进展温度是影响植物分布、产量及品质的重要环境因素,提高植物抗寒性对农业生产具有重要的意义.近年来,随着基因工程的发展,对植物的抗寒机理进行了深入的研究,并克隆了许多与抗寒相关的基因.本文从膜稳定性、抗氧化酶活性、抗冻蛋白、低温信号转录因子和渗透调节物质等方面对植物耐冷性基因工程研究进展进行了分析、归纳与总结,旨在为植物抗寒机理研究及植物抗寒育种提供参考.摘要：温度是影响植物分布、产量及品质的重要环境因素,提高植物抗寒性对农业生产
2、具有重要的意义.近年来,随着基因工程的发展,对植物的抗寒机理进行了深入的研究,并克隆了许多与抗寒相关的基因.本文从膜稳定性、抗氧化酶活性、抗冻蛋白、低温信号转录因子和渗透调节物质等方面对植物耐冷性基因工程研究进展进行了分析、归纳与总结,旨在为植物抗寒机理研究及植物抗寒育种提供参考.关键词:植物抗寒性,基因工程,抗寒育种植物生长发育过程中,温度作为一个重要的环境因子对其生长、生殖和分布起着关键的作用.低温不仅在很大程度上限制植物的种植范围,同时还会造成减产和品质下降,严重时甚至绝收.全球每年因低温伤害造成的农作物损
3、失高达数千亿元,因此,植物抗寒性研究及抗寒育种一直是植物学研究领域的热点之一.目前选育耐低温植物品种主要采用常规杂交育种的方法,即利用抗冷性品种与各种生态类型的不抗冷品种杂交,通过混合轮回选择,获得抗冷品种.经过长期研究,育种工作者已育成了不少抗寒新品种,对避免和减少冷害损失起到了重要作用.但是利用常规育种方法存在抗冷性资源不足、选择周期长、费用高等局限性,严重影响育种目标的实现,很难满足生产上对抗寒品种的迫切需要.现代生物技术的迅猛发展为最终解决植物的抗寒性展现了良好的前景.利用现代分子生物学技术,人们已从植物
4、中克隆出众多参与植株耐低温能力形成的基因,研究和分析这些基因的功能,对于揭示植物抗寒的分子基础,加速植物抗寒育种具有重要意义.本文就近年来国内外在植物抗寒基因工程方面的研究进展进行了分析与归纳,旨在为人们进一步认识和利用植物抗寒相关基因提供参考.1膜稳定性相关基因生物膜是植物细胞及细胞器与周围环境间的一个界面结构,它能够接受和传递环境信息,对环境胁迫做出反应.同时,生物膜对保持植物正常生命活动也具有重要的作用[2].研究表明,生物膜是低温冷害作用的首要部位,而且低温伤害的原初反应发生在生物膜系统类脂分子的相变上[
5、3].早在20世纪70年代,Lyons[4]就提出“膜相变的寒害"假说,认为植物正常生理活动需要液晶相的膜状态,在遭受低温伤害时生物膜首先发生膜脂的物相变化,这时膜脂从液晶相变为凝胶相,膜脂上的脂肪酸链由无序排列变为有序排列,膜结合酶的活力降低,且膜上出现孔道或龟裂,使膜的通透性增大,膜内可溶性物质大量向膜外渗透,破坏了细胞内外的离子平衡.同时膜结合酶结构改变,酶促反应速度失去平衡,导致植物细胞生理代谢变化和功能紊乱,从而使植物细胞受到伤害.许多研究表明,膜脂中的类脂和脂肪酸成分的不饱和度明显影响膜脂的相变温度.
6、一般认为,膜脂不饱和脂肪酸含量增高,膜脂相变温度会降低,增加了膜的流动性,从而使植物的抗寒性相应提高.反之,冷敏感植物的膜脂相变可能是由于膜脂脂肪酸的不饱和程度较低,低温下膜脂由液晶相向凝胶相转变,造成细胞膜膜相分离,从而引起细胞代谢紊乱[527].近年来,应用基因工程技术导入脂肪酸去饱和代谢关键酶基因,通过降低脂肪酸的饱和度以提高植物抗寒性的研究,已经取得了突破性的进展[8,9].日本国立基础生物化学研究所首先利用脂肪酸去饱和酶基因进行了植物抗寒性的分子改良.1993年,High等[10]筛选了一个膜脂不饱和脂
7、肪酸突变蓝藻(SynechocystisPCC6803)菌株fad12,并克隆了Δ12去饱和酶基因desA,研究表明desA基因的表达是由于低温首先降低了膜脂的流动性,刺激desA的转录,使膜脂不饱和度增加,从而增加膜脂的流动性.Los等[11]发现,蓝细菌在低温胁迫过程中,desA基因的表达水平在1h内就增加10倍,抗寒性得到提高.Kodama等[12]将从拟南芥中克隆的叶绿体ω23脂肪酸去饱和酶基因(FAD7)导入烟草中进行表达,转基因烟草中十六碳三烯酸和十八碳三烯酸含量提高,其前体物质相应减少,在l℃低温下
8、表现出明显的抗寒性.Ariizumi等[13]将FAD7基因导入水稻中,获得的转基因植株不仅增强了抗寒性,而且也提高了低温下的光合速率和生长速率.除了FAD7基因外,Gibson等[14]从拟南芥中分离得到另一个受低温诱导的脂肪酸去饱和酶基因FAD8,编码合成叶绿体ω23去饱和酶,它与FAD7基因具有75%的核苷酸同源组成,两者的叶绿体ω23去饱和酶能够彼此功能互补,共同
