[发明专利]来源于野生大豆的一个SIP基因与应用

说明书

技术领域

本发明涉及植物SIP基因及其所编码的蛋白质与应用，特别是涉及一个来源于野生大豆SIP基因及其所编码的蛋白质，以及其在培育抗逆性提高的转基因植物中的应用。本发明属于分子生物学和生物技术领域。

技术背景

干旱、低温和高盐等逆境胁迫是限制植物生长发育的重要因子，也是影响作物产量的主要非生物胁迫因素。植物在适应这些胁迫过程中产生了一系列从细胞到生理水平的应答反应，这些反应往往是通过基因表达的变化实现的，通过分离和鉴定非生物胁迫诱导的基因，并对这些基因功能进行深入研究可逐渐建立一个比较详细的胁迫信号转导网络体系(Xiong et al，2002；Nakashima et al，2006)。

水通道蛋白(Aquaporin AQP)是近年发现的一类专一运输水分的质膜或液泡膜上26～30kD的膜上内在蛋白，与离子通道、甘油通道等功能通道蛋白同属MIP(Major Instrinsic Protein)蛋白家族。目前已经鉴定的植物Aquaporins有两大类，一类是位于质膜的PIP和TIP，质膜AQP(PIP)负责水分的吸收与外排，液泡AQP(TIP)负责调节膨压，因而细胞结构的完整性得以维持(Fotiadis，2001)；另两类是与大豆结瘤素-26Aquaporins同源的和小碱性内部蛋白SIP(Johanson et al，2001)，这些蛋白在调节细胞间水分的运输过程中起重要的特定作用，它们在介导大部分土壤水分吸收的根部表达较丰富(Javot and Maurel，2002)。植物水通道蛋白中有些呈组成型表达，而大多数受环境因子的诱导表达(Forrest et al，2007)。在逆境条件下，如干旱、冷害、机械损伤、渗透胁迫、重金属和淹水缺氧等，在转录水平以及蛋白质水平上大多数AQP表达下降，导致AQP通道活性下降甚至消失，从而限制了植物体内水分流失，维持水分平衡，增加了植物对胁迫因子的耐受能力(Kaldenhoff et al，2006)，而另有报道称AQP在水分胁迫或冷害胁迫下的表达要么上调，要么下调(Aharon et al，2003；Guerrero et al，1990；Sakr et al，2003)。在真菌菌根的根部，编码植物水通道蛋白的基因表达是上调的，并且主要在含有丛枝吸胞细胞的液泡内(Roussel et al，1997；Krajinski et al，2000)，几个编码水通道蛋白在外生菌根的杨树植株上也是上调表达，这与真菌菌根的杨树根部的水分运输能力的增加有关(Marjanovic et al，2005)，Porcel等(2005)年也发现烟草中PIP基因的损害降低了两个灌木真菌菌根在干旱胁迫下的共生效率；Kessarin等(2009)在橡胶树中克隆了两个水通道蛋白基因HbPIP2；1和HbTIP1；1，发现乙烯能诱导HbPIP2；1在韧皮部和乳汁管组织上调表达，而HbTIP1；1在乙烯处理后的韧皮部组织是下调表达，在乳汁管组织中是上调表达，这表明该类蛋白在不同的组织中起着不同的调节水分的作用。盐和干旱胁迫下，水通道蛋白可能具有调节水分通过细胞膜速度的功能(Chrispeels et al，1999)。在玉米根部，盐胁迫降低了外皮层对水分的通透性，渗透压降低了5倍，水分通透性的变化反映了根部水分吸收和运输能力的改变，这种变化可能是由于降低了水通道的开放程度或者开放数量造成的(Azaizeh et al，1991)。水分的跨膜运输还与水通道蛋白的活性有关，水通道蛋白上存在多个磷酸化位点，其开关受磷酸化和去磷酸化调节；在菠菜中，低水势能降低水通道蛋白PM28A的磷酸化程度，而磷酸化程度降低导致水分通透能力下降(Johansson et al，1996)；来自郁金香的两个水通道蛋白基因TgPIP2；1和TgPIP2；2在毕赤酵母中过表达时，蛋白激酶和蛋白磷酸酶影响它们在酵母细胞中的水通道活性，这表明水通道蛋白的活性受磷酸化调节(Abul et al，2009)。植物水通道蛋白具有促进水的长距离运输、细胞内外的跨膜水运输、调节细胞涨缩及运输小分子物质的功能(周宜君等，2006)。一些水通道蛋白与植物响应水分胁迫有关(Ahsron et al，2000)，Yamaguchi-Shinozaki等(1992)发现拟南芥质膜内在蛋白基因rd28在干旱诱导下表达量增多；Yamada等(1997)发现烟草NeMip2和NeMip3都能被干旱诱导表达。水孔蛋白、H⁺/ATPase和Na⁺/H⁺反向运输蛋白在调节细胞水势和胞内盐离子分布中起信号作用。植物体可以通过调控水孔蛋白等膜蛋白以加强细胞与环境的信息交流和物质交换，改变膜对水分的通透性，实现渗透调节，以增强植物的抗旱、耐盐能力。这说明盐和干旱胁迫植物在分子水平上通过影响水通道蛋白的性质和丰度，改变了细胞对水分的吸收能力。这些研究结果都表明植物通过水孔蛋白调节细胞对水分的吸收能力而适应高盐和干旱等不利的环境条件。