植物抗逆性的研究
摘要：干旱、高温、低温、高盐等极端条件对植物生长造成严重的危害，对农业生产造成相当大的影响。为了减轻其不利影响，目前采用分子生物学的方法，在基因组成、表达调控及信号转导等分子水平上认识植物抗逆机理，通过基因工程手段导入抗逆相关基因，改良作物的胁迫抗性。综述了植物抗逆相关基因的克隆、功能验证以及应用等方面的进展。
关键词：植物；抗逆性；高温；低温；高盐；基因工程
干旱、盐碱、金属离子和低温等逆境条件严重抑制植物生长发育，会引起植物植株生理生化、形态等方面的变化，甚至死亡。因此，开展抗逆研究、提高作物抗逆能力，能够使作物增产稳产。随着分子生物学的发展，借助分子生物学手段，从基因组成、表达调控及信号转导等方面进行深入研究，揭示抗逆的分子机理，并导人相关基因改良作物的胁迫抗性，近年来取得较大进展，在农作物抗逆育种上展示出了广阔的应用前景。
一、抗旱
当植物耗水大于吸水时，会使组织内水分亏缺，过度水分亏缺的现象称为干旱。旱害则是指
土壤水分缺乏或大气相对湿度过低对植物的危害。干旱对植物生产的不利影响主要有：(1)降低细胞含水量，破坏细胞膜系统；(2)增加透性，降低光合作用；(3)使植物的物质代谢生长发育迟缓、死亡。干旱胁迫可激活相关基因，如LEA蛋白、抗氧化酶和水孑L蛋白等的转录，并导致编码蛋白的积累。植物抵抗旱害的能力称为抗旱性。
1．1 晚期胚胎发生富集蛋白(LEA蛋白)
LEA蛋白在植物胚胎发育后期的种子中大量积累，低温、重金属、高盐，特别是干旱等逆境刺激均能诱导其转录和累积。LEA蛋白在逆境中有脱水保护、渗透调节和清除自由基活性等作用。LEA蛋白有LEA1～LEA6 6类，其中I EA1～LEA3与植物抗逆性相关。
Cheng等[1 利用基因枪法转化水稻成熟胚愈伤组织，获得转基因水稻株系，分析表明LEA2有较强的抗脱水作用。Straub等研究发现，大麦HVA1(LEA3同源蛋白)与种子的干旱脱水有关，且干旱、极端温度及盐胁迫均可诱导其迅速在幼苗中表达。Xu等[4]研究转HVA1基因水稻发现，T。代对快速水分胁迫和高盐的耐受性较强，且与HVA1蛋白积累水平呈正相关，说明HVA1蛋白可防止干旱胁迫对细胞膜的损伤，有潜在的抗旱作用 。
1．2 水分通道蛋白(Aquaporin)
水孔蛋白存在于所有器官组织中，可分为4类[8]，同一器官可表达多种不同类型的水孔蛋白。水孔蛋白表达具有组织特异性，并受发育阶段和环境因素的调节。野生马铃薯水孔蛋白 cP P2口基因mRNA与果实成熟中细胞的扩张作用相一致，冰草MIP2A可能控制水分从木质部薄壁细胞流向木质部导管腔。向日葵液泡水孔蛋白SunTIP7转录物在干旱胁迫下积累，表明其与干旱有关m]。Kaldenhoff等利用反义基因技术抑制拟南芥质膜PIPlb的表达，PIPla的表达也被抑制，原生质体透性降低为对照的1／3，而量增加5倍，说明根量的增加弥补了水孔蛋白数量的不足和导水率的降低。PIP2在拟南芥根皮层中大量表达导致根皮层水导度、渗透作用及伤流降低。
1．3 Rubiscozip code活化酶
Rubisco活化酶表达量的增加也可增强植物的抗旱性能。干旱情况下，植物体内的ATP含量降低，Rubisco活化酶活性也随之降低，为减小干旱造成的不利影响，Rubisco活化酶的表达增强。
二、抗高温
由高温引起植物伤害的现象称为热害，而植物对高温胁迫的适应则称为抗热性。植物受高温伤害后会出现各种症状：树干(网络对话特别是向阳部分)干燥、裂开；叶片出现死斑，叶色变褐、变黄；鲜果(如葡萄、番茄等)灼伤，后来受伤处与健康处之间形成木栓，有时甚至整个果实死亡；高温胁迫对植物生殖的危害尤甚，花粉发育对高夜温十分敏感，开花前7～9 d是对高夜温十分敏感的发育时期，导致雄性不育、花序或子房脱落等异常现象。不同植物能够忍耐的极限高温差异很大。甘蓝型油菜、玉米、西葫芦植株49~51℃ 10 min致死，马铃薯叶42．5℃ 1 h致死，苜蓿种子120℃ 30 min致死，红松花粉7O℃ 1 h致死。番茄开花、结果受高温影响最严重，高于26℃昼温／2O℃夜温结果等受到影响，高于35℃昼温／jigsawpuzzle26℃夜温严重受影响。
在高温环境中，植物体容易产生热激反应，从而诱导热激蛋白的产生。1984年fmanLin等将H 尸基因转入大豆获得了具有耐热性的大豆植株，此后又相继从番茄、拟南芥中分离出了HSP基因，并且通过研究证明HSP的过量表达确实能提高植物的耐热性。
三、抗寒
零度以上低温对植物的危害叫做冷害或寒害。当气温低于10℃时，就会出现冷害，最常见
的症状是变色、坏死和表面斑点等，木本植物上则出现芽枯、顶枯。植物开花期遇到较长时问的低温，也会影响结实。冻害是0℃ 以下的低温所致。植物受冻害时，细胞失去膨压，组织柔软，叶色变褐，最终干枯死亡。严格地说，冻害就是冰晶的伤害。不同植物耐冷性有显著差异，热带、亚热带来源作物如玉米、番茄、豆类和一些温带果树在O℃就会被杀死，这类作物组织中不能结冰，对冷害(0～ 2O℃)敏感。另一些植物如冬一年生、二年生植物可忍受一4O℃低温，还有一些植物如温带的一些树木能在一196℃下存活 近年来，低温冻害情况时有发生，严重影响植物的生长及产量。最近有关抗寒基因研究取
得了许多进展。
3．1 脱水蛋白基因
脱水蛋白具有与水分子结合的能力，其结合在冰晶表面，可有效防止冰品格生长。脱水蛋白的K片段在冻融过程中与酶分子结合，具有防冻作用。蜜桔CuCOR19是一种脱水蛋白，具有清除羟基和过氧化物自由基活性的功能，用其转化烟草研究发现，可有效提高抗冻能力。
3．2 脂肪酸去饱和酶基因
植物脂肪酸不饱和程度和冷敏感性密切相关，有些酶可催化饱和脂肪酸中顺式双键的形成，把相变温度降至接近O℃ ，减轻冻害的不利影响，将这些相关基因转入植物中，可显著提高植物的抗寒能力。
3．3 超氧化物歧化酶基因
低温环境下，植物膜结构受到破坏，从而影响其生长，超氧化物歧化酶(SOD)可维护膜系统稳定性，增强植物在低温下的生长能力。Breugem[ 利用质体转化技术获得了转基因抗寒玉米。
3．4 植物抗冻蛋白(AFP)基因
AFP是植物对低温的一种适应机制，广泛存在于植物中。将AFP基因从植物中分离，并导入到抗寒性弱或不抗寒植物中，提高这些植物的抗寒性，减轻低温胁迫，是植物抗寒转基因研究的重点。
四、耐盐
土壤中可溶性盐过多对植物的不利影响叫盐害。盐分过多使土壤水势下降，严重地阻碍植物生长发育，是造成盐碱地区限制作物收成的重要因素。盐分胁迫对植物的伤害，主要通过盐离子的直接作用即离子胁迫和间接的脱水作用2种途径。由于盐胁迫下，植物吸收不到足够的水分和矿质营养，造成营养不良，致使叶绿素含量低，影响光合作用。由于光合作用没有得到足够的营养和能量，因此，植物必须加强呼吸作用，以维持正常的生理功能，从而消耗大量积累的有机物质，使植物的营养物质处于负增长，最终导致植物生长受抑
制，甚至死亡。盐胁迫直接影响细胞的膜脂和膜蛋白，使脂膜透性增大和膜脂过氧化，从而影响膜的正常生理功能。
植物在盐胁迫下生长受害有2个阶段。第一阶段快速的渗透调节，使伸长生长(extension growth)减少，植株暗绿色。第二阶段，慢速的形成离子毒性，植株生长受到严重抑制。植物对盐分过多的适应能力称为耐盐性。植物耐盐性主要是生理耐盐，相关的机制有离子区隔化、渗透调节、激素调节、光合途径的改变等。
4．1 脯氨酸合成相关基因
脯氨酸合成途径有谷氨酸途径以及鸟氨酸途径两种。在盐胁迫下，植物体内脯氨酸含量迅速增加。脯氨酸合成主要包括两种酶：吡咯啉一5一羧酸合成酶(P5CS)和吡咯啉一5一羧酸还原酶(PSCR)，这两种酶的基因已从不同植物中得到分离和克隆。对拟南芥幼苗进行盐胁迫处理，植株中P5CR基因和P5CS看美剧基因转128 CROP RESEA只CH 2010，24(1)录水平都迅速提高E。引。KishorE盯 等将从乌头叶豇豆中克隆的教育机构简介P5CS基因转入烟草中，发现转基因植株中脯氨酸含量比对照高出数倍，耐盐性也明显提高。
4．2 甜菜碱合成相关基因
甜菜碱可以有效提高植物的耐盐性，其合成的前体为乙酰胆碱。在植物体内甜菜碱由乙酰胆碱经过胆碱单加氧酶(CMO)、甜菜碱醛脱氢酶(BADH)两步催化而成。BADH 基因是目前抗盐基因工程中研究较多的一个基因。梁峥等Ezs]将菠菜中的BADH基因转入烟草中，得到的转基因植株耐盐性明显提高。
4．3 SOS信号传导途径
盐胁迫下，细胞内的离子平衡的调节对于植物的耐盐性十分重要。Arizona大学的朱健康研
究室通过对获得的拟南芥突变体研究，定义了5个耐盐基因：O 1，SO 2，SOS3，S0 4，SOS5，其中 0S1，SOS2，SOS3三个基因参与介导了胞内离子平衡的信号传导途径[2g]。目前，已从拟南芥中克隆了Na ／PH 逆向转运蛋白基因AtNHX1，赵宇玮等将其转人草木樨状黄芪，得到的转基因植株耐盐性明显高于野生型植株Eao]bbc新闻。
五、展 望
干旱、高温、低温、盐胁迫等逆境条件严重影响植物生长，危及植物生存。目前，不少植物抗逆相关基因已被克隆，其分子机制也逐步被揭示。但总的来说，人们对植物抗逆的了解还十分有限，难以从根本上解决逆境对植物造成的危害，而且植物在自然环境中往往同时受到多种环境因素的胁迫，植物同时耐多种胁迫机制更加复杂，可能存在交叉、互作。因此，如何完善植物特异的和交叉共有的信号传导途径研究，更好地揭示植物的抗逆分子机制，为植物的遗传改良提供更多的有利基因和鉴定技术，是今后植物抗逆基因研究的关键。
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