水稻抗旱机制及相关基因研究进展

1、水稻抗旱机制及相关基因研究进展论文导读：作物抗旱性不仅与作物的种类、品种基因型、形态性状及生理生化反响有关。水稻抗旱性是水稻体内水分与生理功能相互作用的结果。对基因的结构和表达调控机制缺乏详细的研究就进行转基因试验。关键词：水稻，抗旱，机制，功能基因水稻(Oryza sativa L)是世界和中国最重要的粮食作物之一，是全世界约50以上人口的主食，水稻生产普及除南极以外的各大洲，主要分布在开展中国家。中国水稻生产用水量占农业用水总量的65 以上。随着全球变暖趋势的加剧，中国作为水资源相对匮乏的国家，水短缺问题日趋严重。据统计，干旱造成水稻的减产可超过其它因素所造成减产的总和，严重影响水稻的产量

2、和品质，干旱已成为中国水稻生产上长期存在的主要非生物胁迫，因此提高水稻抗旱能力已经成为育种工作急需解决的关键问题之一。干旱胁迫导致水稻基因表达和表达量发生变化，从而影响水稻体内的生化、生理状态【5】。研究干旱胁迫下水稻应急响应的分子机制及其功能基因的调节作用，进而应用分子操作改进品种，创造新的节水抗旱种质是农业生产可持续高效开展的一个有效手段 。笔者简要介绍水稻抗旱生理生化机制与抗旱相关基因研究进展，为水稻抗旱育种提供理论依据。1干旱胁迫水稻的伤害机理与抗旱机制1.1 伤害机制干旱胁迫下，水稻最早和最敏感的反映就是气孔对CO2导度下降，RUBP羧化酶活性降低，电子传递链下降，光合磷酸酶活性及光

3、合量子效率降低而引起光合能力下降，降低了光合作用。论文格式。与光合作用同步的还有呼吸作用，虽然呼吸作用对干旱胁迫的敏感性要小于光合作用。一般而言，轻度干旱可使作物叶、茎及整株呼吸速率升高，而后随着干旱程度的增加和延长才逐渐降低。植物的光合作用和呼吸作用是植物体内相互依存的两个过程。没有光合作用形成有机物，就不能有呼吸作用；如果没有呼吸作用，光合过程也无法完成。两者无论哪一方出现问题，双方都会失常.最终引起叶片叶绿素分解加快，膜系统遭受到破坏，严重时导致组织死亡，使生长受抑。在正常情况下，作物根系吸收的NO。一经过正常代谢最终复原成NH。被利用而不会发生硝酸积累。但在干旱条件下，酶的合成速度下降

4、，尤其是参与NO。一同化的关键酶硝酸复原酶活性下降，导致植物体内发生硝酸积累，而发生毒害作用。同时水解酶活性增加，从而使蛋白质降解，蛋白质含量减少，可溶性氮含量增加.这对水稻的生长代谢极为不利。蒋明义等研究发现，随着胁迫强度的增加和时间的延长02和H202大量产生，膜脂过氧化加剧，细胞膜的完整性被破坏。土壤含水量的降低，使叶片质膜透性和丙二醛含量显著增加，而且丙二醛的积累与膜透性的增加呈极显著的正相关，从而使多种酶和膜系统遭到严重损伤 膜上膜的空隙越来越大，离子大量外泄，严重时细胞死亡 ，植株生长停止，逐渐萎蔫死亡。1.2 抗旱机制植物对干旱信号的形态学反响是通过气孔口来调整气孔开度，防止植物

5、体内水分散失，维持一定的光合作用。尽管气孔仅占叶面积的1一2，但大约有90的水分是通过气孔而失去的，因此通过控制气孔来减少水分损失是提高水分利用率最重要的途径。气孔反响有两种方式：是对空气湿度的直接反响。当空气湿度下降时，保卫细胞及其附近表皮细胞直接向大气蒸发水分，引起气孔关闭，此时叶其它部位并未发生水分亏缺，从而防止水分亏缺在整片叶中发生，降低了对植物产生伤害的可能性。二是对叶水势变化的反响。当叶水势降至某一阈值时，引起气孔关闭，而气孔关闭反过来又减少水分散失和有助于叶水势恢复。渗透调节是指细胞内渗透势的调节，是植物适应水分胁迫的主要生理机制。在受到轻度干旱胁迫时，可以诱导植物细胞内发生溶质

6、积累，植物通过渗透调节降低水势，维持一定的膨压，从而维持细胞生长，气孔开放和光合作用等生理过程的进行。植物渗透调节主要通过脯氨酸、甜菜碱等亲和性溶质的积累而实现。此外，离子和水分通道的变化调节着离子和水分进出细胞，也是渗透调节的重要方面。由于高浓度的无机离子常引起代谢紊乱，而脯氨酸等小分子有机化合物的大量积累不会破坏生物大分子的结构和功能，表现出良好的亲水性，而且具有较强的渗透调节作用，是理想的渗透物质因此近年来，游离小分子有机物质特别是氨基酸在渗透调节、结构保护和代谢调控等方面的作用和意义受到越来越多的重视。处于干旱胁迫时植物本身能形成一些防御机制，如活性氧的酶促与非酶促两大去除系统，对胁迫

7、形成的活性氧积累作出积极反响。其中，超氧化物歧化酶(SOD)是生物体内普遍存在的一种酶，在保护酶系中处于核心地位。许多报道认为水分胁迫下植物体内SOD活性与植物抗氧化胁迫能力呈正相关。此外，过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)也是很重要的两种保护酶，它们协同起作用共同抵抗干旱胁迫诱导的氧化伤害。论文格式。如SOD催化两个超氧自由基发生歧化反响形成O2和H202 ，H202再被POD和CAT催化除掉。胚胎发育晚期丰富蛋白 (1ate embryogenesis abundant protein，Lea)是种子发育过程中逐渐形成的类小分子特异多肽，通常在胚胎发育晚期特定阶段表达，在植物个体发

8、育的其它阶段，Lea蛋白也能因ABA或干旱脱水诱导而在其他组织中高水平表达。Lea蛋白具有高度亲水性，植物在干旱胁迫时，面临的最主要问题是细胞组成成分的晶体化，这将破坏细胞的有序结构，而Lea蛋白的亲水性能把足够的水分捕获到细胞内，从而保护细胞免受到干旱胁迫的伤害。因此，Lea蛋白与植物的抗旱性有着密切的联系。目前推测Lea蛋白可能有以下三方面作用：(1)作为脱水保护剂；(2)作为一种调节蛋白而参与植物渗透调节：(3)通过与核酸结合而调整细胞内其他基因的表达许多实验已证实，植物受到水分胁迫后体内ABA含量显著增加，ABA调节细胞反响，使气孔关闭，蒸腾强度下降，从而减少水分损失。但关于ABA对气

9、孔的调节机制尚不十分清楚。此外，ABA积累的作用还在于它可能作为抗旱性诱导激发机制的一局部，能抑制与活泼生长有关的某些基因，同时能激活与抗旱诱导有关的某些摹冈等，但这问题都还有待于进一步研究证实。水通道蛋白(Aquaporin)是跨膜通道的主嵌入蛋白(major intrinsic proteins，MIP )家族中一种，具有运输水分的功能，它可以形成专一的水运输通道，允许水自由进入，而将离子或其它有机物拒之门外。研究说明，干旱能诱导水通道蛋白基因表达，从而改变膜的水分通透性，便于水分透过胞质膜或液泡膜进入细胞，使脱水胁迫下的细胞保持一定的膨压，有利于实现渗透调节，维持正常的生命活动。2 水稻

10、抗旱相关基因的应用研究21 水稻抗旱相关基因及在转基因中的应用干旱胁迫在植物体内诱导一系列生理生化反响，同时植物对干旱胁迫响应及其抗旱、旱机制涉及一系列基因的差异表达，形成基因表达调控网络。只有真正解析该网络，才能揭示植物抗旱的机理，实现对植物抗旱能力的调控。根据抗旱基因作用方式的不同，将抗旱基因分成两类，第一类是功能基因，其编码产物对水稻抗旱性直接起保护作用，如胚胎发育晚期丰富蛋白(LEA)、脯氨酸合成关键酶基因1-吡咯啉一5一羧酸合成酶(P5C5 )和鸟氨酸一8氨基转移酶( OAT)、海藻糖合成酶基因海藻糖一6一磷酸合酶(TPS)和海藻糖一6一磷酸磷酸酯酶(TPP)等；第二类是调节基因，其

11、编码产物在信号转导和基因表达过程中起调节功能基因的作用，如DREB转录因子等。22 抗旱功能基因研究Xu等将大麦胚胎发育晚期丰富蛋白(Late embryogenesis abundant protein，Lea)蛋白基因(HVA)用基因枪法导入水稻悬浮细胞系后发现，在水稻ACT1启动子作用下，Lea蛋白表达量增加， 占可溶性蛋白的0525，其耐旱能力明显增加，说明Lea蛋白对水稻具有保护作用。同时对脯氨酸合成途径的关键酶P5CS和 OAT表达基因的克隆与转基因研究说明，通过转基因工程来提高脯氨酸的含量可以有效提高水稻的抗旱能力。Igarashi等从水稻(Oryza sativa L)品种Ak

12、ibare的cDNA文库中别离并鉴定了一个P5CS cDNA(cosP5CS)，其氨基酸序列与拟南芥的P5CS具有742的同源性，Northern blotting分析说明P5CS基因是被干旱胁迫所诱导，同时也可以被高盐、脱水、ABA和低温等其他逆境胁迫诱导。Zhu等舰将ABA特异启动予与P5CS基因一并转入水稻中，P5CS表达量转基因植株在逆境胁迫下较对照提高了25倍，同时发现在水分胁迫下第2代转基因植株根和茎鲜重明显增加。Ray、Jin等通过对组成型启动子(Act1)和干旱诱导启动子启动P5CS在水稻的表达，干旱胁迫72h后，脯氨酸含量提高7倍。吴其亮等将拟南芥8OAT基因导入到水稻，获得

13、8OAT基因超量表达的转基因株系，在干旱条件下，转基因水稻的脯氨酸含量是对照的5l5倍，同时其萌发率、苗高、根长及产量都显著高于对照。23 抗旱调节基因研究DREB转录因子是能够与真核生物基因启动子区域中顺式作用元件发生特异性作用的DNA结合蛋白。DREB转录因子能够特异结合DRECRT元件，调控启动子含有DRECRT元件的一大类逆境应答基因的表达，通过多基因的协同作用来增强作物对多种逆境的抵抗力和适应能力。近年来水稻DREB基因的研究取得较大进展，水稻DREB基因受干旱、高盐、低温以及其他逆境胁迫诱导，从而使逆境应答基因得以表达，并预示着DREB基因在增强水稻的综合抗性及提高其稳产性等各方面

14、将有巨大的应用前景。Dubouzet等 克隆了OsDREB1A基因，在水稻原生质中OsDREB1A能特异结合DRE并激活GUS报告基因的转录，在转基因水稻植株中表达，使其对干旱、高盐和冷害等胁迫环境具有较高耐性。Tian等从水稻中克隆了3个DREB转录因子基因OsDREB11、OsDREB4-1、OsDREB42，同时认为OsDREB41基因的表达在苗期受干旱和高盐诱导，可能参与对干旱和高盐的分子应答反响。总结与展望作物抗旱性不仅与作物的种类、品种基因型、形态性状及生理生化反响有关，而且受干旱发生时期、强度及持续时间的影响。水稻抗旱性是水稻体内水分与生理功能相互作用的结果，也是水稻与环境相互作

15、用的结果。论文格式。水稻的耐旱性是一种数量遗传性状，受多基因调控，存在多种调控途径并可能交叉的过程 ，在对水稻进行抗旱鉴定中，应从形态、生理、生化等众多指标中筛选出对抗旱性有显著影响的几个主要指标，进行综合分析判断才更有效；仅使用某些指标的绝对值比拟其抗旱性，不能消除品种间固有差异，必然影响到判断的准确性。人们已通过各种方法鉴定和克隆了一些水稻抗旱基因，在表达调控上也做了不少研究，并通过基因工程的方法获得了具有一定抗旱能力的转基因水稻。但是，由于抗旱性是由多基因控制的综合性状，其生理生化过程是基因相互作用、共同调节的结果，而过去的研究一直停留在某一个或几个基因上，在获得了某一个抗旱基因后，对基

16、因的结构和表达调控机制缺乏详细的研究就进行转基因试验，这样往往会引起转基因植株的代谢紊乱，影响其本身的生长发育，得不到应有效果；而且，单个基因的转基因操作实际上只能提高局部抗性。因此，要从根本上提高水稻的抗旱性，只能从综合、系统的角度对干旱逆境下的生理生化反响及对水稻造成的伤害和抗旱机理作更深入的研究，找出更多抗旱基因，对它们进行多方面多层次的研究，才能在整体水平上提高抗旱性。参考文献【1】MayraRodriguez，Eduardo Canales，CarlosJBorroto，et a1Identification ofgenes induced upon water-deficit st

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