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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