一種抗逆融合基因(WX02)的創制及其在抗逆優質作 物育種中的應用項目
鹽堿、干旱、高溫、凍害和洪澇等逆境脅迫嚴重影響作物的正常生長發育,是造成農作物減產和品質下降的主要原因之一,嚴重影響 農業的可持續發展。另一方面,對于糧食作物和多數經濟作物來說, 其功能葉片中的同化產物和衰老葉片中的營養物質不斷向產量器官 的轉運,對作物產量和品質性狀的形成具有重要的作用,作物的過早 衰老不僅直接影響糧食作物的產量和品質等要素,對于綠葉類作物和 觀賞花卉還會影響到其貨架壽命以及觀賞價值等。 克隆葉片衰老和逆境抗性相關基因,并利用生物工程技術調控其 在主要經濟作物中的表達方式和表達水平,是提高和穩定作物產量、 改善作物品質性狀的有效手段,具有重大的經濟效益和社會效益。然 而,很多衰老或逆境抗性相關基因在植物細胞中高表達后,在增強轉 基因植株對特定脅迫的抗性、延緩植株衰老的同時,往往伴隨著對植 株正常生長和發育的不利影響,如導致植株矮小、生長遲緩或產量下 降等,導致該基因無法直接應用于抗逆作物的培育。如果可以特異性 地表達這些基因,讓它們在特定的發育階段或脅迫條件下高表達,而 在正常的生長過程中維持在較低的基礎水平,可以大大提高它們在基 因工程中的應用性。 課題組前期克隆了一個植物葉片衰老的負調控因子。在轉基因植 物中過表達該基因可以顯著延緩植物的衰老,并賦予植物對高鹽、干 旱等脅迫的抗性,但是,轉基因植物的生長發育受到明顯抑制,導致 該基因無法被直接應用于抗逆作物的育種工作。課題組前期還分離鑒 定了一段含有 14 個氨基酸的多肽序列,命名為 WX01。我們對 WX01 的功能研究發現其包含獨特的蛋白降解信號,能夠響應發育與環境信號,在轉錄后水平調控與它融合的目的蛋白的穩定性,從而使目的蛋 白在光下正常旺盛生長的植株中降解、但在啟動衰老或者高鹽、高溫 和失水等多種逆境脅迫條件下特異積累。我們利用 WX01 與前述衰 老負調節因子構建了融合基因 WX02,并轉入模式植物擬南芥中,發 現該融合基因可以恢復衰老負調節因子積累造成的植株矮小、生長抑 制的表型,但是保留了其延緩衰老、促進光合和提高轉基因植物對高 鹽、干旱等逆境脅迫的抗性的功能。課題組進一步將 WX02 融合基因 轉入經濟作物大豆中進行功能驗證,獲得了可穩定遺傳的多個株系單 拷貝純合轉基因大豆材料。對轉基因大豆的表型分析同樣證明, WX02 轉基因大豆對高鹽、干旱脅迫的抗性顯著提高。上述研究結果 表明 WX02 融合基因在抗逆轉基因作物新品種培育中具有重要的應 用價值。圍繞該項目已經申請了 2 項國家發明專利,1 項國際 PCT 專 利,其中 1 項國家發明專利已經獲得授權。
南開大學
2021-04-13