生物和非生物压力

最新进展在植物和微生物基因组学提供了新的和令人兴奋的分子工具允许科学家解剖的生化和分子机制压力耐受性或阻力。这些信息可以被利用来开发新的农作物免受非生物压力的影响。因为很多这些主要非生物应力出现由于一个共同的生化现象,努力改善公差

图20.1。植物响应或适应机制和关键过程受到不同的环境压力

非生物压力有可能带来宽容其他非生物压力。最近,新的科学的努力都集中在修改与压力tolerance-conferring高等植物基因。这些努力已经证明了提高非生物压力耐受性干旱、盐度、温度、氧化、pH值、重金属和洪水压力,也提供了验证提高非生物应力公差的概念通过生物技术作物。

20.2.1盐度和抗旱性

干旱和盐碱的主要和最广泛的环境压力大大限制农作物产量不受灌溉和农业灌溉(Epstein et al ., 1980)。盐度对农业的不利影响是加剧了灌溉管理实践用于提高作物产量。细胞水赤字由于盐度、干旱或温度会导致细胞体积的变化,包括膨,溶质浓度、离子位移,膜结构完整性和蛋白质变性,以及各种细胞过程的改变(布雷,1997)。由于这些非生物压力巨大的经济影响,大部分的初始biotech-nological研究集中在干旱和盐碱。最近的代谢工程报告表明,低分子量的积累osmoprotectants糖的形式(果聚糖),poly-hydroxylated糖醇(多元醇)、脯氨酸等氨基酸和quartenary胺如甜菜碱提供osmoprotection和植物的渗透调节机制。

Pilon-Smits et al。(1995)表明,提高烟草植物的抗旱工程植物生产果聚糖糖含量增加。烟草植物(烟草)工程与细菌sacB基因,编码一个fructosyl转移酶酶针对植物液泡,表现出增加55%的增长率和生物量增加59%生产相对于野生型植物在水分亏缺条件下的控制。研究人员得出结论,果聚糖引入non-fructan-producing物种可能会增强抵抗干旱胁迫。

海藻糖,非还二糖,涉及组件的保护作用在植物能够承受完全脱水(庄士贤et al ., 1993)。在转基因烟草生产过剩的海藻糖通过引入trehalose-6-phosphate合成酶基因的酵母的控制下二磷酸核酮糖羧化酶小亚基子(Holstrom et al ., 1996)。Trehalose-producing植物表现出增加保水性和耐旱在不同的发展阶段,虽然海藻糖很小的细胞水平细胞溶质(0.5毫米)。

许多光合生物积累脯氨酸自然渗透压力的反应。脯氨酸的积累被认为作为氧化还原水槽,游离基清除剂、pH值稳定剂和保护溶质为细胞提供干旱和盐碱(基肖尔et al ., 1995)。mothbean结构性D1-pyrroline-5-carboxylate合成酶基因(双功能酶,这种酶催化作用的转换A1-pyrroline-5-carboxylate谷氨酸,脯氨酸的直接前体)被引入烟草(基肖尔et al ., 1995)。转基因植物生产10 - 18倍更加脯氨酸和表现出相对较高的渗透势比控制在干旱胁迫下叶片sap。此外,proline-overproducing植物盐条件下提高生物量和花的发育。

工程师osmoprotectant甘露醇的生产能力已经证明了高等植物两个拟南芥(Thomas et al ., 1995)和烟草(Tarczynski et al ., 1993)。拟南芥的种子植物overexpressing细菌mltd基因编码甘露醇1-phosphate脱氢酶表现出增强的萌发率在高盐浓度。同样,烟草植物表达mltd基因产生了最大的甘露醇浓度为100毫米,导致增加生物质生产在高盐条件下相对于控制。

生产过剩的循环糖醇(cyclitols如ononitol)的表达式lmt1基因编码一个肌醇o-methyl转移酶在烟草被弗农et al .(1993)作为一个模型系统测试cyclitol生产过剩的角色赋予宽容渗透压力。然而,没有确凿的证据提交给相关生产过剩的cyclitols在这些转基因植物和抗压力。

Saneko et al。(1995)表明,glycinebetaine-containing玉米(玉米l .)行不太敏感的盐度甜菜碱生产过程中压力比突变体缺陷,从而提供这个osmolyte保护潜在的证据。通过引入编码胆碱脱氢酶的大肠杆菌β基因烟草,Lullis et al。(1996)表明增加了耐盐碱转基因植物。烟草植物表达β基因表现出甜菜碱产量的增加,导致增加了80%在耐盐野生型植物,以干重积累。取得了类似的结果在拟南芥overexpressing细菌codA胆碱氧化酶基因(Hayashi et al ., 1997)。拟南芥植物overexpressing codA也表明耐冷应激和表现出稳定的光系统II和正常萌发在高盐。

除了小分子发挥作用在植物抗压力,一系列的蛋白质称为晚期胚胎形成丰富的蛋白质(LEA),首次发现在植物胚胎发生干燥,牵扯作用应力宽容。LEA蛋白基因、HVA1从大麦(大麦l .)被引入大米(栽培稻l .)植物的监管下水稻肌动蛋白启动子(徐et al ., 1996)。转基因HVA1水稻增加耐水赤字和盐度的压力。增加公差也体现在压力下的增长率增加,损害症状,延迟发展,改善复苏后的压力。

虽然上述效应器的能力增加植物的水分亏缺宽容已经证明,可能其中一些单一的效应器可能不是完全足以带来巨大压力公差范围广泛的植物。能够控制几个效应器以协调的方式可能需要达到一致的承受力。为此,近期工程的努力都集中在调制信号转导级和转录监管机构作为一种改变植物内源压力应对机制。Pardo et al。(1998)表明,过度的截短形式的钙调磷酸酶(可以Ca2 + -calmodulin-dependent蛋白磷酸酶参与胁迫信号转导在酵母)介导的盐适应转基因烟草植物。修改后的植物表现出更少的微扰的根系生长和增加射击生存。宽容的增加植物的CaNtransgene隔离人口提供了证据表明,存在一个共同的信号通路在酵母和植物,和不同的蛋白质能够调节压力宽容。

基因工程研究甜瓜品种(Cucumis melo)表达酵母耐HAL1基因(基因编码一种水溶性蛋白,调节单价离子通道)显示,将转基因甜瓜植物在高盐条件下减少根和营养生长。植物含有这种特质始终有一个更高层次的公差比控制植物没有这种特质(borda et al ., 1997)。

20.2.2温度应力

植物的生存能力有极大不同两个极端高温和低温。什么决定了植物的生存能力或适应极端温度只是部分理解,但需要改变农作物抵御极端温度是显而易见的。随着天气的变化由于人类的影响,这将是越来越重要的开发作物物种在更广泛的地域和功能温度范围。

低温是一个强调限制植物生长的主要环境。显著的进步在理解耐寒性和修改冷敏感性植物中已经使用生物技术。质体膜脂肪酸去饱和作用的增加与提高了植物的耐寒性(Steponkus et al ., 1993)。做了几次修改耐寒性通过改变植物的脂肪酸组成。转基因拟南芥和烟草overexpressing脂肪酸desaturase (Fad7)基因进行分析修改耐寒性(玉et al ., 1994)。当暴露于1°C的温度为7天,然后回到最佳温度,转基因植物Fad7并未表现出生长抑制和萎黄病,显示了野生型控制。因此,转基因改造似乎保护烟草从寒冷的伤害。耐寒性是由于overexpressing Fad7gene的增加。

广泛的特异性基因(Des9) D9-desaturase Anacystis nidulans融合植物chloroplast-targeting序列,并引入烟草Ishizaki-Nishizawa et al。(1996)。他们展示了一种转基因植物D9-monosaturated脂肪酸的17倍的速度增长。当这些植物暴露为11天1°C,它们没有显露任何萎黄病的迹象。这表明,植物与增加D9-monosaturated脂肪酸受低温伤害。

因为严寒修改细胞水平衡,植物通常显示干旱或盐度耐受性也低于冰点的温度的耐受性。Transgenically修改增加了干旱和盐碱植物,显然是因为增加的大量的低分子量osmolytes,也增加了低收入耐温性。拟南芥植物overexpressing codA基因表现出高浓度的甜菜碱和证明都改善盐碱和耐寒性增强(Hayashi et al ., 1997)。当细菌β-胆碱脱氢酶基因被引入土豆(茄属植物tuberosum l .)耐寒性表型观察(霍姆博格和布劳,1998)。

许多cold-acclimated基因诱导的植物编码蛋白质亲水(和蛋白质raybet雷竞技最新)待定函数,这些被认为扮演着一个关键角色,耐寒性(托马斯休,1998)。转基因拟南芥植物蛋白质表达的一个软木(COR15am)既定的显示叶绿体1 - 2°C比非转基因更宽容控制叶绿体(Artus et al ., 1996)。

形成的冰晶体在植物细胞中瞬时冻结温度下暴露会导致一种杀死细胞的机械破坏,会影响农作物产量和收获农产品质量。许多freezing-tolerant植物含有细胞抗冻蛋白,降低温度,冰形式(托马斯休,1998)。抗冻蛋白在极地鱼类的血液已经被证明可以抑制冰成核。Hightower et al。(1991)表明,引入一个基因编码一个鱼类抗冻蛋白(法新社)到烟草抑制冰再结晶在转基因组织。虽然没有明确的冻结公差示范演示了在这些转基因植物,这些实验提供了一些验证使用法新社给予宽容快速冻结在植物。

更少的努力已投入工程高温耐受性植物比低温宽容。通常,育种家和生理学家与干旱胁迫相关的热应力在评估和作物产量稳定性能。相信高温压力植物的生长和发展发生在光合功能和生殖过程如开花、授粉和种子集。植物细胞对热应力迅速积累的热休克蛋白(休克)。虽然只有相关证据休克保护细胞免受高温压力,尝试了一些成功修改植物耐热性overexpressing HSP-protein融合。李et al。(1995)和Hinderhofer et al。(1998)表明,拟南芥的基底耐热性可以增加当HSP-reporter融合基因引入植物。

Jaglo-Ottosen et al。(1998)展示了在拟南芥工程师冻结公差的能力通过持续表达的拟南芥低温转录激活蛋白CBF-1。通过修改这种蛋白质的表达,确定为一个主开关的分子生理诱导基因,研究人员证明,可以重定向植物遗传资源是寒冷宽容没有适应的时期。这让人觉得修改thermo-tolerance等应激反应的能力通过工程植物信号和监管途径。

20.2.3重金属压力

在过去的十年里,现代农业实践,比如污水污泥的使用导致的耕地土壤重金属污染。此外,径流从采矿和冶炼操作产生了大面积的土地污染的铜(铜)和锌(锌)(Petalino和柯林斯,1984)。铝(Al)是地壳中最常见的金属(主要在不溶性铝硅酸盐的形式)。当出现在可溶性形式(主要是与)在酸性土壤pH值为5.5或更低,艾尔变得有毒许多农作物和目前被认为代表作物产量和生产力的主要障碍在世界上40%的耕地土壤(Ryan et Al ., 1995)。土壤酸化是由特定的加速农业实践和酸雨的发生。为了保持土壤的生产力水平的提高这些不利影响的污染物,一致的应用石灰是必需的。这个补救实践可能本身产生径流污染,从而产生附加水质量问题。提高水平和地区被污染的土壤需要农作物的发展能够增长存在的重金属和非食用植物地区重金属的封存。这必须通过常规育种或基因工程。

Al毒性的主要效应对植物根系生长的抑制作用。这导致营养缺乏和减少经济增长,从而导致对作物产量产生负面影响(Ryan et al ., 1995)。一种机制,一些Al-tolerant植物物种是假定的利用是释放有机酸如柠檬酸、螯合物Al细胞外质膜,从而防止其吸收(Miyasaka et Al ., 1991)。。德。拉。et al(1997)表明,转基因烟草和木瓜(番木瓜l .)植物,转基因过量生产柠檬酸,导致抗药性显著水平。烟草和木瓜植物被改造的细菌基因编码柠檬酸合成酶(CSb)的监管下组成型启动子。植物表达CSb基因表现出更高水平的10倍的柠檬酸根和根的浓度增长展出300 | | M,而控制显示严重抑制在50岁| | M。

另一种解决重金属耐受性是绑定和隔离中的重金属植物阻止他们的毒性作用,因此传授重金属抗性。一些研究人员已经利用这种方法通过与低分子量金属结合蛋白工程植物金属硫蛋白。金属硫蛋白(MTs)在哺乳动物和真菌和函数中重金属解毒这些系统。转基因芸苔属植物和创建了烟草植物持续表达的哺乳动物MT-II基因(Misra Gedamu, 1989)。植物生长轴承这些结构被证明在有毒浓度的镉(Cd) 100 | | M,而控制表现出严重的根/射击发育不良和萎黄病。这种方法也被用于工程师烟草植物用鼠标(MT-I)基因的控制下组成型启动子(Pan et al ., 1994)。转基因烟草植物MT-1影响镉浓度高达200毫米,而控制植物表现出萎黄病10 | | M。这些早期的实验提供承诺的证据表明,植物可以生长在这些heavy-metal-laden土壤。

20.2.4氧化应激

环境压力的一个常见后果是氧化应激的现象。这些氧化事件出现破坏的各种细胞反应产生活性氧,导致细胞氧化损伤。这些氧化压力也可以直接从暴露于臭氧产生和杀虫剂。虽然植物系统为防止二次氧化应激损伤是复杂的,关键酶促防御系统是超氧化物歧化酶(杆)(圆顶礼帽et al ., 1992)。三种不同类型的杆已确定在植物和分离的基础上他们的代数余子式金属:(i)铜/锌SOD在胞液和叶绿体;(2)铁SOD在叶绿体;和(3)锰在线粒体SOD(圆顶礼帽et al ., 1994)。几个研究人员报告改进的性能在烟草和紫花苜蓿紫花苜蓿植物氧化应激下overexpressing不同植物细胞器SOD基因靶向(Van营地et al ., 1994;Aono et al ., 1995;Slooten et al ., 1995;Mckersie et al ., 1996;车营et al ., 1996)。此外,Aono et al。(1995)表明,SOD和谷胱甘肽还原酶的基因表现出更强的抵抗氧化压力比单独的基因。

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