一种抗逆融合基因(WX02)的创制及其在抗逆优质作 物育种中的应用项目
盐碱、干旱、高温、冻害和洪涝等逆境胁迫严重影响作物的正常生长发育,是造成农作物减产和品质下降的主要原因之一,严重影响 农业的可持续发展。另一方面,对于粮食作物和多数经济作物来说, 其功能叶片中的同化产物和衰老叶片中的营养物质不断向产量器官 的转运,对作物产量和品质性状的形成具有重要的作用,作物的过早 衰老不仅直接影响粮食作物的产量和品质等要素,对于绿叶类作物和 观赏花卉还会影响到其货架寿命以及观赏价值等。 克隆叶片衰老和逆境抗性相关基因,并利用生物工程技术调控其 在主要经济作物中的表达方式和表达水平,是提高和稳定作物产量、 改善作物品质性状的有效手段,具有重大的经济效益和社会效益。然 而,很多衰老或逆境抗性相关基因在植物细胞中高表达后,在增强转 基因植株对特定胁迫的抗性、延缓植株衰老的同时,往往伴随着对植 株正常生长和发育的不利影响,如导致植株矮小、生长迟缓或产量下 降等,导致该基因无法直接应用于抗逆作物的培育。如果可以特异性 地表达这些基因,让它们在特定的发育阶段或胁迫条件下高表达,而 在正常的生长过程中维持在较低的基础水平,可以大大提高它们在基 因工程中的应用性。 课题组前期克隆了一个植物叶片衰老的负调控因子。在转基因植 物中过表达该基因可以显著延缓植物的衰老,并赋予植物对高盐、干 旱等胁迫的抗性,但是,转基因植物的生长发育受到明显抑制,导致 该基因无法被直接应用于抗逆作物的育种工作。课题组前期还分离鉴 定了一段含有 14 个氨基酸的多肽序列,命名为 WX01。我们对 WX01 的功能研究发现其包含独特的蛋白降解信号,能够响应发育与环境信号,在转录后水平调控与它融合的目的蛋白的稳定性,从而使目的蛋 白在光下正常旺盛生长的植株中降解、但在启动衰老或者高盐、高温 和失水等多种逆境胁迫条件下特异积累。我们利用 WX01 与前述衰 老负调节因子构建了融合基因 WX02,并转入模式植物拟南芥中,发 现该融合基因可以恢复衰老负调节因子积累造成的植株矮小、生长抑 制的表型,但是保留了其延缓衰老、促进光合和提高转基因植物对高 盐、干旱等逆境胁迫的抗性的功能。课题组进一步将 WX02 融合基因 转入经济作物大豆中进行功能验证,获得了可稳定遗传的多个株系单 拷贝纯合转基因大豆材料。对转基因大豆的表型分析同样证明, WX02 转基因大豆对高盐、干旱胁迫的抗性显著提高。上述研究结果 表明 WX02 融合基因在抗逆转基因作物新品种培育中具有重要的应 用价值。围绕该项目已经申请了 2 项国家发明专利,1 项国际 PCT 专 利,其中 1 项国家发明专利已经获得授权。
南开大学
2021-04-13