[发明专利]利用小鼠一氧化氮合成酶基因提高植物的抗旱性

说明书

技术领域

本发明属于作物遗传育种领域，具体地说利用农杆菌将小鼠一氧化氮合成酶基因转化到植物中，使之能在植物中高效表达，提高植物的抗旱能力。

背景技术

干旱是影响植物生长发育的主要环境因子之一，干旱能影响植物的水分状态，使植物缺水遭受伤害。据统计，世界干旱、半干旱地区占陆地面积的34.9％，干旱对世界作物产量的影响，在诸多自然逆境中占首位，其危害相当于其它灾害之和。我国干旱、半干旱地区约占国土面积的52％，全国灌溉区年缺水约300亿立方。因缺水而少收粮食350~400亿公斤；特别是我国主要产粮区如华北、东北和西北，是我国缺水最严重的地区。在我国西部和北部地区，干旱胁迫还严重地影响了地表植被的生长，导致了越来越严重的生态问题。如：草地退化、土壤荒漠化等。因此了解干旱胁迫下细胞内保存水分的机制很重要。在干旱胁迫条件下，植物会诱导表达一些基因，通过研究这些被干旱胁迫所诱导的基因，可能找到植物对干旱胁迫的适应及抵御机理，并为植物抗旱基因工程提供理论支持。近年来，相继从拟南芥等植物中克隆出了一些受干旱诱导的基因，如蛋白激酶基因、光合基因、渗透调节基因、功能蛋白基因等，干旱胁迫信号经历一系列的传递过程，最后诱导这些特定基因的表达。同时也从高等植物中分离出一系列调控干旱相关基因表达的编码转录因子的基因，通过转录因子之间以及与其它相关蛋白之间的相互作用，激活或抑制干旱等胁迫因子诱导的基因表达。

一氧化氮(NO)是近年来发现的一种非常重要的生物活性分子，它普遍存在于原生动物、细菌、酵母、动植物中。NO可以作为动物生理代谢过程中一种关键的第二信使，参与血管松弛、神经传导以及先天性免疫反应。NO是一种具有自由基性质的气体分子，它可以获得一个电子或者失去一个电子形成NO⁺和NO^-。由于NO有一个不配对的电子，所以它很容易和氧气(O₂)、超氧(O^-2.)和其它化合物发生反应，在供氧充足的情况下NO可以与O^-2.反应生成过氧化亚硝酸(ONOO^-)。自1996年后，越来越多的研究表明NO参与很多植物生理代谢调节。NO可以作为植物抗逆反应的信号分子，同时参与植物的呼吸作用、光形态建成、种子萌发、根的生长发育、果实组织的成熟和衰老。但总体来说，大多数领域的研究仍处于起步阶段，很多问题，诸如NO在植物生长发育中的作用、NO与植物抗逆性、NO与植物内源激素的关系、NO的分子作用机制等，都有待进一步深入探讨。

植物受到干旱胁迫时，体内活性氧的浓度发生了很大变化。解除活性氧种类毒害的酶，例如谷胱甘肽还原酶、超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶，在对干旱胁迫的反应中增加；降低叶片含水量和随后的气孔关闭均能产生超氧阴离子自由基；在干旱过程中光呼吸活性也伴随乙醇酸氧化酶活性的增加，提高过氧化氢的合成。

大量试验证实了NO参与活性氧自由基的形成，并与活性氧协同作用诱导植物抗逆反应。NO可以抑制烟草的过氧化氢酶和抗坏血酸酶的活性。NO通过抑制顺乌头酸酶来参与植物的抗逆反应，一方面是由于线粒体顺乌头酸酶被NO失活后，降低经线粒体的电子传递链电子流，从而减少活性氧(ROS)的生成；另一方面由于顺乌头酸酶活性被抑制后导致细胞内柠檬酸浓度升高，诱导与抗逆有关的交替氧化酶(AOX)活性上升，而后者也可以减少ROS的产生。Jiang等在玉米干旱胁迫响应中，观察到由于ABA诱导NADPH氧化酶活性增强而使ROS水平升高，这表明ABA、ROS和NO之间关系紧密(植物2002)。Zhang等在研究外源NO影响渗透胁迫下小麦种子萌发及活性氧代谢时，发现NO供体硝普钠(SNP)通过促进渗透胁迫下过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性的上升和脯氨酸含量的积累，抑制脂氧合酶(LOX)的活性，提高渗透胁迫下小麦种子萌发过程中的抗氧化能力(植物学报2003)。

NO可能通过脱落酸调节植物的抗旱反应。干旱胁迫能迅速在植物根系、叶片等部位诱发植物激素脱落酸(ABA)的合成。早在上世纪60年代，Wright等证明渗透胁迫可诱导细胞合成ABA，当植物受到干旱、低温、盐害等环境胁迫时(自然杂志1969)，细胞迅速积累ABA。ABA积累与植物品种间抗旱性强弱有关，ABA含量可作为抗旱性鉴定的评价指标之一。