杜氏鹽藻耐鹽基因的經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用

王任

摘 要：鹽藻是一種生存于極端環(huán)境下的無細(xì)胞壁的單細(xì)胞真核綠藻，開發(fā)和利用鹽藻的耐鹽基因資源對于提高農(nóng)作物的抗鹽能力也具有重要意義。本文概述了植物細(xì)胞耐受鹽脅迫機(jī)制，耐鹽相關(guān)基因應(yīng)用于作物品種改良和鹽堿地利用的經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鹽藻 耐鹽機(jī)制 基因工程

鹽藻是一種生存于極端環(huán)境下的無細(xì)胞壁的單細(xì)胞真核綠藻，可以在從0.05mol/L到飽和 NaCl的培養(yǎng)液中生存，是迄今發(fā)現(xiàn)已知的最耐鹽的真核生物之一；鹽藻還具有非常強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力，它一次最大可以耐受3～4倍的滲透壓的變化；如果通過梯度改變滲透壓，鹽藻可以耐受7倍以上的滲透壓的變化。此外鹽藻對極端溫度、pH、重金屬等環(huán)境脅迫也都具有很高的耐受性。極強(qiáng)的耐鹽能力及簡單的細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及便利的培養(yǎng)條件使鹽藻成為研究植物適應(yīng)鹽脅迫的分子機(jī)制的重要模式生物。同時(shí)，開發(fā)和利用鹽藻的耐鹽基因資源對于提高農(nóng)作物的抗鹽能力也具有重要意義。

在自然環(huán)境中，植物常常會遭遇不利環(huán)境如鹽漬、干旱、澇、冷、凍、高溫和強(qiáng)光照等，這些統(tǒng)稱為非生物脅迫。非生物脅迫是制約植物生長發(fā)育、影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要環(huán)境因素。鹽脅迫是自然界中主要的非生物脅迫之一。在全世界范圍內(nèi)，存在著嚴(yán)重的土壤鹽堿化現(xiàn)象，當(dāng)今全球大約有8億公頃土地存在不同程度的鹽漬化。我國有3億多畝鹽漬化土地，其面積相當(dāng)于全國可耕地面積的25%。土壤鹽堿化和次生鹽堿化嚴(yán)重阻礙了農(nóng)作物的生長，降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量，已經(jīng)成為制約世界灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和影響生態(tài)環(huán)境的重要因素。[1]

隨著人口增加、耕地減少以及水資源的匱乏，提高水資源利用效率、充分開發(fā)和利用鹽堿地有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。鹽堿地改良是世界性的難題，由于傳統(tǒng)措施投資大、效益低，迫使人們考慮采用其它措施來改良利用鹽堿土壤。經(jīng)過數(shù)十年實(shí)踐，人們越來越重視采用生物學(xué)措施和工程措施相結(jié)合的途徑改良鹽堿地。提高植物耐鹽堿的能力以及選擇和培育適宜在鹽堿地上生長并具有較高經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值的植物種或品系，是開發(fā)利用鹽堿地資源最根本、最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑。隨著植物基因工程的發(fā)展以及大量耐鹽基因的鑒定和克隆，利用基因工程方法培育耐鹽作物新品種已成為開發(fā)利用鹽堿地的重要手段。

作物逆境耐性相關(guān)基因的克隆及其耐逆機(jī)制，是目前全球作物遺傳育種和分子生物學(xué)研究的熱點(diǎn)，是取得具有自主性知識產(chǎn)權(quán)的功能基因并進(jìn)而領(lǐng)先應(yīng)用于遺傳育種、成功地進(jìn)行作物品種改良的關(guān)鍵所在。而現(xiàn)在可以有效應(yīng)用于植物耐鹽基因工程育種的基因資源大多受到專利保護(hù)和限制，因此，發(fā)掘新的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因資源成為我國植物基因工程研究的當(dāng)務(wù)之急。

鹽脅迫對植物造成的傷害主要有兩方面的原因：一是由鹽脅迫引起的生理干旱，在鹽脅迫條件下，細(xì)胞內(nèi)的滲透勢小于土壤溶液的滲透壓，植物根系不能吸水，導(dǎo)致植物生長緩慢，甚至缺水干死；二是鹽脅迫造成的離子毒害，外界鹽離子的大量進(jìn)入，破壞了細(xì)胞中原有的離子平衡，進(jìn)而影響細(xì)胞的正常代謝。此外，在鹽脅迫條件下，細(xì)胞內(nèi)會產(chǎn)生氧自由基、過氧化氫和羥基自由基等多種形式的活性氧，導(dǎo)致氧化脅迫的產(chǎn)生。

植物在長期的進(jìn)化過程當(dāng)中，針對鹽脅迫產(chǎn)生了一整套的應(yīng)答機(jī)制。揭示植物鹽脅迫應(yīng)答分子機(jī)理是人們長期以來探索的重大課題。為了生存，植物在遇到鹽脅迫時(shí)激活脅迫應(yīng)答機(jī)制，在形態(tài)和代謝上進(jìn)行調(diào)整，建立新的平衡，保護(hù)和修復(fù)受損的蛋白質(zhì)和膜結(jié)構(gòu)以適應(yīng)或忍耐環(huán)境脅迫。鹽脅迫激活植物脅迫應(yīng)答的細(xì)胞信號通路，引起細(xì)胞應(yīng)答如積累大量的滲透保護(hù)物質(zhì)、維持細(xì)胞內(nèi)離子動(dòng)態(tài)平衡、修復(fù)被破壞的蛋白和膜系統(tǒng)、清除活性氧自由基等。許多植物耐鹽相關(guān)基因已相繼被克隆，其中部分基因與植物耐鹽性狀的關(guān)系也得到確認(rèn)。這些基因有：（1）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因，如磷脂酶基因和一些轉(zhuǎn)錄因子基因；（2）直接參與保護(hù)和修復(fù)膜和蛋白的基因，如熱休克蛋白（Hsps）和分子伴侶基因、胚胎發(fā)育后期豐富蛋白、滲透保護(hù)物質(zhì)合成酶基因和細(xì)胞抗氧化及活性氧清除相關(guān)基因等；（3）水分與離子吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)基因，如水通道蛋白基因和離子轉(zhuǎn)運(yùn)體基因等。在上述基因中，后兩類基因編碼的蛋白直接參與植物對逆境脅迫的應(yīng)答反應(yīng)，其中滲透物質(zhì)（相容性溶質(zhì)）合成酶基因、細(xì)胞抗氧化及活性氧清除相關(guān)基因以及水分與離子吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)基因具有非常重要的作用，它們是植物對鹽脅迫耐受性的主要分子基礎(chǔ)。

根據(jù)植物耐鹽能力的不同，可將植物分成非鹽生和鹽生植物兩類。鹽生植物是在鹽漬環(huán)境下自然生長的植物區(qū)系，其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能及生態(tài)特征表現(xiàn)出對鹽漬生境的高度適應(yīng)。目前人們通過對擬南芥等模式植物的研究，在植物耐鹽方面取得了巨大的研究成果，但是，以非鹽生植物作為研究的模式植物，不可能完全揭示植物的耐鹽機(jī)制。鹽生模式植物（如鹽藻、鹽芥等）正受到世界范圍內(nèi)學(xué)者們的的關(guān)注。

鹽藻響應(yīng)鹽脅迫機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，它也具有信號傳導(dǎo)、滲透調(diào)節(jié)和離子平衡等多種耐鹽機(jī)制，但是鹽藻的這些耐鹽機(jī)制與高等植物相比具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。例如鹽藻在遭受滲透脅迫時(shí)，鹽藻細(xì)胞通過甘油合成與轉(zhuǎn)化來調(diào)節(jié)滲透壓，但鹽藻的甘油合成是如何啟動(dòng)的還不清楚；在經(jīng)受高鹽震蕩后，Na+會大量涌入鹽藻細(xì)胞，但是使鹽藻細(xì)胞內(nèi)Na+濃度保持不變的Na+外排的機(jī)制還不是很清楚，與鹽藻Na+外排相關(guān)的基因還沒有被分離到；此外，鹽藻細(xì)胞在質(zhì)膜內(nèi)外存在如此高的Na+電化學(xué)勢的情況下，如何從外界吸收營養(yǎng)離子也尚待進(jìn)一步研究。[2]

目前鹽藻抗鹽機(jī)制的研究存在的主要問題是：鹽藻中究竟存在多少特異鹽脅迫耐性基因？這些耐鹽基因的表達(dá)與作用機(jī)理如何？鹽藻耐鹽基因在作物耐鹽性狀的遺傳改良上的可利用性及應(yīng)用價(jià)值如何？要弄清楚鹽藻的抗鹽機(jī)制，需要我們進(jìn)一步開展功能基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因芯片技術(shù)及生物信息學(xué)等手段對鹽藻從整體上進(jìn)行系統(tǒng)生物學(xué)的研究。利用現(xiàn)代生物技術(shù)系統(tǒng)地對鹽藻鹽脅迫耐性相關(guān)基因進(jìn)行鑒定，篩選出鹽脅迫耐性基因，進(jìn)行相關(guān)基因的克隆和功能研究，研究鹽藻耐鹽機(jī)制，無論對于鹽藻基礎(chǔ)科學(xué)研究，還是對于作物基因工程育種均具有重要的意義。這些研究成果對于深入了解鹽藻耐鹽機(jī)制、利用價(jià)值與應(yīng)用途徑，對提升我國鹽藻研究水平及其在國際鹽藻學(xué)術(shù)界的地位也具有重要作用。我們相信，隨著參與鹽脅迫響應(yīng)的所有基因的功能得到鑒定，人們就可以綜合地理解植物細(xì)胞響應(yīng)鹽脅迫的生理和生化的機(jī)制，并可以進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)基因手段驗(yàn)證可用于高等植物尤其是作物耐鹽的基因，應(yīng)用于作物品種改良和鹽堿地利用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙可夫，馮立田.中國鹽生植物資源[M]. 北京： 科學(xué)出版社，2001

[2]牛向麗，杜氏鹽藻生物學(xué)特征及其表達(dá)載體的構(gòu)建，鄭州大學(xué)碩士論文，2003endprint