[发明专利]磷酸丝氨酸氨基转移酶基因在促进植物生长并提高抗盐性方面的应用

说明书

本发明提供了磷酸丝氨酸氨基转移酶基因在促进植物生长并提高抗盐性方面的应用和方法，在农业生产上具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及植物基因工程技术领域，具体涉及一种控制植物体内丝氨酸合成、促进生长并提高抗盐性基因在农业生产上应用和方法，是一种运用生物基因工程技术培育高产、抗盐植物新种质的方法。

背景技术

L-丝氨酸(L-Serine，L-Ser)是生物体中非常重要的氨基酸。除了是蛋白质重要组成成分和在许多酶活性中心起催化作用外，L-丝氨酸还是许多细胞生命活动所必须的生物大分子，如甘氨酸、色氨酸和半胱氨酸等氨基酸合成的底物，并参与氮代谢、鞘磷脂、脂质代谢和一碳单位的代谢等，还和抗性有关。

盐胁迫下植物的各种生命活动都受到不同程度的影响，主要表现为抑制植物的生长发育、破坏植物细胞结构以及影响维持植物正常生理代谢所需生物分子的合成等方面。当土壤中盐分过多时，通常会对植物造成生理干旱、离子的毒害作用、破坏正常代谢。植物在遭遇低温和盐胁迫等非常环境时，会启动多种调节响应措施来应对不利影响，例如，细胞内增加可溶性糖、氨基酸等物质的含量以增加细胞的吸水能力，调动酶促和非酶促系统以清除积累的活性氧等。

有研究显示植物在盐胁迫环境下存在L-Ser积累，拟南芥PSP1和PGDH1基因的启动子序列分析显示有很多非生物胁迫特异性的序列存在。在拟南芥中过表达一个来自一种藻的PGDH基因可以提高其抗盐和抗冷性，但在研究中未解释丝氨酸或是这个基因如何影响了植物的抗性。

发明内容

目前的研究表明，在大部分有机体中，L-Ser主要通过磷酸化途径合成。但是在植物中，L-Ser合成主要由与光呼吸有关的乙醇酸途径和磷酸化丝氨酸合成途径合成。光呼吸一些最重要的反应发生在线粒体基质中导致乙醇酸合成途径中L-Ser的合成。在这些反应中，一个甘氨酸分子在甘氨酸脱羧复合体的作用下脱羧，脱氨，产生CO₂、NH₃，并伴随着NAD⁺还原为NADH。甘氨酸剩余的亚甲基转移给四氢叶酸(THF)形成亚甲基四氢叶酸，亚甲基四氢叶酸和第二个甘氨酸在丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)的作用下形成L-Ser。因此，光呼吸可以为氨基酸、核酸和蛋白质等的代谢提供一碳单位，还能为硝酸还原酶提供能量，还为很多次级代谢物的合成提供前体物质，如抗性物质甜菜碱的前体物质——甘氨酸。光呼吸与抗性密切相关。我们早期的研究显示，在浮萍和拟南芥中，过表达光呼吸途径中与丝氨酸代谢有关的酶的编码基因AtAGT可以提高其抗盐性。

在植物，动物和细菌体中，磷酸化丝氨酸合成途径都被保存了下来。植物磷酸化丝氨酸合成途径发生在质体中。这条途径中涉及了三个催化反应，分别由3-PGA脱氢酶(PGDH,EC 1.1.1.95)，3-磷酸丝氨酸氨基转移酶(PSAT,EC 2.6.1.52)，3-磷酸丝氨酸磷酸化酶(PSP,EC 3.1.3.3)所催化。前体物质3-PGA被PGDH氧化，NAD⁺作为辅助因子，形成3-磷酸羟基丙酮酸(3-PHP)，3-PHP又被PSAT催化生成3-磷酸丝氨酸，在这个反应中L-谷氨酸作为氨基酸供体，释放出2-酮戊二酸。最后一步是3-磷酸丝氨酸在PSP酶的催化下去鳞酸化形成丝氨酸。研究显示，磷酸化丝氨酸合成途径在植物的环境胁迫中有重要作用，但具体的抗性机制还不清楚。

在本发明中，我们从拟南芥中克隆出磷酸丝氨酸氨基转移酶AtPSAT1基因，通过植物表达载体转入植物中，发现它不仅可以诱导植物体内源丝氨酸和甘氨酸过量合成，促进植物的生长，生物量提高而且抗盐性也有提高。这种转基因技术可能在农业生产上具有良好的应用前景。

因此，本发明提供的技术方案如下。

磷酸丝氨酸氨基转移酶AtPSAT1基因在促进植物生长和/或提高植物抗盐性方面的应用。