MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物抗旱基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

李君霞，代書桃，陳宇翔，朱燦燦，秦 娜，宋迎輝，王春義，芮戰(zhàn)許，梁秋芳，李 符，王生軒

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002;2.鄧州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河南 鄧州 474150)

干旱是主要的非生物脅迫之一，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)及種植范圍,進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，開展植物抗旱育種具有重要意義。植物的抗旱性大多屬于受多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，抗旱機(jī)制復(fù)雜。利用傳統(tǒng)育種方法改良植物的抗旱性存在周期長、優(yōu)異種質(zhì)資源缺乏且容易受外界環(huán)境影響等問題。因此，植物抗旱性改良進(jìn)展緩慢。利用現(xiàn)代分子生物技術(shù)發(fā)掘利用優(yōu)異的抗旱基因資源改良植物的抗旱性，能克服傳統(tǒng)育種的以上缺點(diǎn)，是提高植物抗旱豐產(chǎn)能力的有效途徑?？购祷蛑饕譃?種：功能基因和調(diào)節(jié)基因。轉(zhuǎn)錄因子屬于調(diào)節(jié)基因，可以調(diào)控多個與抗旱等逆境相關(guān)的基因的表達(dá)，通過超表達(dá)一些關(guān)鍵抗旱轉(zhuǎn)錄因子可以使植物的抗旱性得到改善，這是提高植物抗旱性的最有效的方法和途徑[1-2]。目前，與植物抗旱性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子家族主要有bZIP(Basic leucine zipper)、NAC[NAM(No apical meristem)、ATAF1(Arabidopsistranscription activation factor 1)、ATAF2、CUC2(Cup-shaped cotyledon 2)]、AP2/ERF(APETALA2/Ethylene response factor)、 WRKY、MYB(v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)家族等。其中，MYB轉(zhuǎn)錄因子是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一[3]，目前已在擬南芥(Arabidopsisthaliana)、水稻(Oryzasativa)、棉花(Gossypiumhirsutum)中分別鑒定了198、183、200個MYB基因[3-5]。

MYB轉(zhuǎn)錄因子家族成員眾多，功能多樣，參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[6-7]、抵御病原菌[8]、木質(zhì)部發(fā)生和木質(zhì)素合成[9-11]等，在干旱脅迫等非生物脅迫調(diào)控中具有重要作用[12-27]。目前，眾多研究已經(jīng)證實(shí)過表達(dá)MYB基因可以提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性[20-27]。基于此，闡述了MYB 轉(zhuǎn)錄因子的基本結(jié)構(gòu)及其在擬南芥、煙草(Nicotianatabacum) 及水稻、玉米(Zeamays)、大豆(Glycinemax)等作物抗旱基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展，以期為 MYB 轉(zhuǎn)錄因子的利用及植物抗旱遺傳改良和育種提供參考。

1 MYB轉(zhuǎn)錄因子的基本結(jié)構(gòu)特征

MYB 轉(zhuǎn)錄因子的N端均具有高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域MYB結(jié)構(gòu)域[28]，該結(jié)構(gòu)域通常包含1～4個不完全重復(fù)序列(R),每個R由大約52個氨基酸殘基組成，序列中均勻分布的3個色氨酸殘基形成1個疏水核心[29]，每個R可形成3個α-螺旋結(jié)構(gòu),第2和第3個螺旋與3個均勻分布的色氨酸殘基形成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(HTH)結(jié)構(gòu)[30]。每個R的第3個螺旋是“識別螺旋”,能夠直接與DNA接觸并嵌入其大溝中[31]。在與DNA接觸的過程中,2個R緊密結(jié)合于DNA大溝中,使2個“識別螺旋”協(xié)同作用,結(jié)合到特定的DNA序列上[31]。

根據(jù)R數(shù)目的不同,MYB轉(zhuǎn)錄因子可以分為4種類型: 1R-MYB/MYB-related、R2R3-MYB、3R-MYB (R1R2R3-MYB)、4R-MYB[32-33]。其中，1R-MYB/MYB-related通常只包含1個R,它們是重要的端粒結(jié)合蛋白，其主要作用是維持染色體結(jié)構(gòu)的完整性，但在調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄過程中也發(fā)揮一定的作用；R2R3-MYB含有2個R,該類成員較多，它們廣泛地參與細(xì)胞分化、激素應(yīng)答、次生代謝、環(huán)境脅迫響應(yīng)以及抵抗病蟲的侵害；3R-MYB (R1R2R3-MYB)含有3個連續(xù)的R,該類成員相對較少，主要在細(xì)胞周期和細(xì)胞分化過程中發(fā)揮作用，同時也調(diào)控植物對逆境的耐受性；4R-MYB含有4個R，該類成員較少，關(guān)于其與植物生理過程的相關(guān)性研究較少[33]。目前，發(fā)現(xiàn)的與抗旱有關(guān)的MYB轉(zhuǎn)錄因子絕大部分都是R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子[20-27]。

2 MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物抗旱基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

目前，已經(jīng)從不同植物中克隆了很多MYB基因，一部分MYB基因已經(jīng)在擬南芥、煙草甚至糧食作物等中進(jìn)行了遺傳轉(zhuǎn)化，且證實(shí)了超表達(dá)MYB基因可提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性[20-27，34-60]。

2.1 擬南芥抗旱基因工程

對基因功能的研究大部分從模式植物擬南芥開始，因?yàn)閿M南芥染色體少、基因組小，轉(zhuǎn)化周期短，且其轉(zhuǎn)化再生體系已經(jīng)非常完善。目前，已經(jīng)將擬南芥、小麥(Triticumaestivum)、苦蕎麥(Fagopyrumtataricum)、水稻、大豆、棉花、扁豆(Lablabpurpureus)等的MYB基因在擬南芥中進(jìn)行了遺傳轉(zhuǎn)化，且已證實(shí)超表達(dá)MYB基因的擬南芥植株的抗旱性有不同程度的提高[20-27，34-43]，為植物抗旱育種奠定了基礎(chǔ)。

2.1.1 擬南芥MYB基因 擬南芥AtMYB44基因受干旱、高鹽、低溫、ABA(Abscisic acid)誘導(dǎo)表達(dá)，在維管結(jié)構(gòu)和葉表皮的保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)；超表達(dá)AtMYB44基因的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株對ABA的敏感性增強(qiáng)，在ABA處理下，氣孔開度變小，氣孔關(guān)閉速度加快；組成型超表達(dá)AtMYB44基因使得轉(zhuǎn)基因擬南芥植株生長緩慢、開花推遲、籽粒變小，但卻使干旱脅迫條件下轉(zhuǎn)基因植株葉片失水速率降低，存活率較野生型對照提高4倍；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，AtMYB44基因通過下調(diào)ABA信號負(fù)調(diào)控子PP2C(Serine/threonine protein phosphatases 2C)基因的表達(dá)量來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性[20]。類似的，擬南芥AtMYB15基因在營養(yǎng)器官、生殖器官及氣孔保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)，受ABA、干旱、高鹽誘導(dǎo)表達(dá)；在擬南芥中超表達(dá)AtMYB15基因，ABA處理后，轉(zhuǎn)基因植株氣孔開度降低、氣孔關(guān)閉速度加快，且轉(zhuǎn)基因植株中ABA合成基因 (ABA1、ABA2)、ABA信號基因ABI3(Abscisic acid-insensitive 3)、ABA依賴途徑中的脅迫響應(yīng)基因[ADH1(Alcohol dehydrogenase 1)、RD22(Responsive to dehydration 22)、RD29B]的表達(dá)量均上調(diào)；在擬南芥中超表達(dá)AtMYB15基因，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的存活率較野生型對照提高2倍，葉片失水速率降低[21]。說明超表達(dá)AtMYB15基因植株抗旱性的提高主要得益于ABA合成、信號、響應(yīng)基因表達(dá)量的提高。同樣的，超表達(dá)AtMYB37基因也提高了轉(zhuǎn)基因植株對ABA的敏感性，主要體現(xiàn)在抑制種子萌發(fā)、誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉及抑制氣孔張開，也增加了ABA信號調(diào)控基因及ABA響應(yīng)基因[ABF2(ABA responsive element binding factors 2)、ABF3、COR15A(Cold regulated 15A)、COR15B、COR47、DREB2A(Dehydration responsive element binding factors 2A)、MYC2(v-myc avian myelocytomatosis viral oncogene homolog)、RAB18(Responsive to ABA 18)、RD22、RD26、RD29A、RD29B、SnRK2.2(Sucrose non-fermenting 1-related protein kinase 2.2)、SnRK2.3]的表達(dá)量；另外，組成型超表達(dá)AtMYB37基因使擬南芥開花推遲，但提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥植株的抗旱性，干旱脅迫處理后，轉(zhuǎn)基因植株存活率較野生型對照提高1倍，株高、生物量顯著提高，更值得注意的是,莢果數(shù)量和籽粒產(chǎn)量顯著提高20%以上[22]。

2.1.2 糧食作物MYB基因 小麥、水稻等都是主要的糧食作物，對其MYB基因進(jìn)行抗旱性研究，對于后期糧食作物抗旱遺傳改良具有重要的直接借鑒作用。

前人從小麥中克隆PEG(Polyethylene glycol)脅迫誘導(dǎo)MYB基因TaMYB30-B，在擬南芥中超表達(dá)該基因提高了轉(zhuǎn)基因植株發(fā)芽期和幼苗期的抗旱性，幼苗干旱處理30 d復(fù)水后，所有轉(zhuǎn)基因植株恢復(fù)正常生長，野生型對照全部死亡；干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株葉片脯氨酸、可溶性糖含量均較野生型對照顯著升高，MDA(Malondialehyde)含量顯著降低；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中一些干旱脅迫相關(guān)基因[RD29A、ERD1(Early responsive to dehydration 1)]的表達(dá)量較野生型對照顯著提高[23]。說明TaMYB30-B基因通過上調(diào)干旱脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。小麥TaMYB33基因除了受干旱誘導(dǎo)表達(dá)外，還受高鹽、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥中超表達(dá)該基因，培養(yǎng)基干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的根長顯著增加；土培干旱后復(fù)水，轉(zhuǎn)基因植株能夠正常生長結(jié)實(shí)，野生型對照全部死亡；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中ICE1[Inducer of CBF(C-repeat binding transcription factor 3)expression 1]、AAO3(Abscisic aldehyde oxidase 3)、P5CS(Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase)基因及鋅指蛋白基因AZF2、ZAT12表達(dá)量均顯著提高[24]。說明TaMYB33基因主要通過調(diào)節(jié)滲透平衡和ROS(Reactive oxygen species)清除來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。類似的，小麥TaMYB19基因受干旱、高鹽、低溫、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥中超表達(dá)該基因提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥植株的抗旱性，主要表現(xiàn)在干旱脅迫條件下轉(zhuǎn)基因植株的葉片失水速率較野生型對照降低，葉片可溶性糖、脯氨酸含量顯著增加，MDA含量和電解質(zhì)滲漏率顯著降低，且干旱復(fù)水后野生型對照全部死亡，而轉(zhuǎn)基因植株的存活率為57.7%～60.0%；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株中RD29A、RD22、MYB2等脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量提高[25]。同樣的，在擬南芥中超表達(dá)小麥TaMYBsm1-D基因也能提高干旱條件下轉(zhuǎn)基因后代的脯氨酸含量及發(fā)芽率，降低葉片失水速率和MDA含量，顯著提高轉(zhuǎn)基因植株的存活率，并上調(diào)一些干旱脅迫響應(yīng)基因(DREB2A、P5CS1、RD29A)的表達(dá)量[26]。

近期，ZHAO等[27]從小麥中分離出6個新的MYB基因，其在小麥的不同組織中均表達(dá)，且受高溫、干旱、高鹽、ABA誘導(dǎo)表達(dá)。在擬南芥中超表達(dá)其中的一個MYB基因TaMYB80，培養(yǎng)基條件下，轉(zhuǎn)基因幼苗的抗旱性和耐熱性提高；進(jìn)一步進(jìn)行土壤培養(yǎng)，干旱條件下，轉(zhuǎn)基因植株存活率(70%)仍較野生型對照(30%)顯著提高，葉片失水速率顯著降低；另外，轉(zhuǎn)基因植株細(xì)胞內(nèi)ABA水平提高，ABA正調(diào)控的脅迫相關(guān)基因[AtMYB15、AtHSFA6b(Heat shock transcription factor A6b)、AtDREB2A、AtRD22、AtRD29b]的表達(dá)量也提高。說明TaMYB80基因通過上調(diào)ABA正調(diào)控的脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗逆性。研究[34]發(fā)現(xiàn)，小麥TaMYB31基因有3個同源基因TaMYB31-A、TaMYB31-B、TaMYB31-D，其中TaMYB31-B在各組織中的表達(dá)量均較高，且受干旱、ABA誘導(dǎo)表達(dá)。超表達(dá)TaMYB31-B基因的擬南芥植株較野生型對照矮小，對ABA的敏感性增強(qiáng)；干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株根長增加，葉片失水速率降低，存活率顯著提高。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中一些蠟質(zhì)合成基因[WIN1(Wax inducer 1)/SHN1、CYP96A15(Cytochrome P450 96A15)、FAR3(Fatty acyl-coa reductase 3)、CER1-L1(E ceriferum 1-L1)、WSD1(Wax ester synthase/diacylglycerol acyltransferase 1)]、干旱脅迫響應(yīng)基因[LTP3(Lipid-transfer protein 3)、KIN1(Kinase 1)、LEA(Late-embryogenesis-abundant protein)]的表達(dá)量提高，參與ABA降解途徑的CYP707A3基因表達(dá)量降低。說明超表達(dá)TaMYB31-D基因植株抗旱性的提高主要得益于蠟質(zhì)合成、干旱脅迫響應(yīng)等基因表達(dá)量的提高。

除了小麥，前人[35]從苦蕎麥中研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tMYB9基因受干旱、高鹽、低溫、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，超表達(dá)FtMYB9基因擬南芥植株對ABA的敏感性增強(qiáng)。土培干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的存活率(85%)顯著高于野生型對照(10%)；轉(zhuǎn)基因植株葉片MDA含量降低，脯氨酸含量和保水能力提高，且一些脅迫相關(guān)基因(P5CS1、DREB2A、RD29B、COR15A等)的表達(dá)量升高。同樣的，苦蕎麥FtMYB13基因也受干旱、高鹽、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，超表達(dá)FtMYB13基因同樣提高了轉(zhuǎn)基因植株干旱脅迫條件下的存活率，降低了轉(zhuǎn)基因植株ROS和MDA含量，提高了脯氨酸含量和光合效率，且一些脅迫相關(guān)基因(CBF1、CBF2、CBF3、COR15A、DREB2A、ERD10、KIN1、P5CS1、RD17、RD22、RD29A、RD29B)的表達(dá)量也提高；不同的是，超表達(dá)FtMYB13基因降低了轉(zhuǎn)基因植株對ABA的敏感性[36]。類似的結(jié)果在水稻中也有出現(xiàn)，水稻OsMYB3R-2基因受干旱、高鹽、低溫誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥中超表達(dá)OsMYB3R-2基因，轉(zhuǎn)基因植株生長稍微緩慢，但抗旱能力(存活率提高、葉片失水速率降低)、耐低溫能力(存活率提高)均提高，且一些脅迫響應(yīng)基因[DREB2A、COR15A、RCI2A(Rare-cold-inducible 2A)]的表達(dá)量提高[37]。

2.1.3 其他植物MYB基因 研究發(fā)現(xiàn)，大豆GmMYBJ1基因受干旱、高鹽、低溫誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥中超表達(dá)該基因提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性和耐冷性，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的存活率(75%～80%)顯著高于野生型對照(40%)，葉片失水速率及MDA含量降低，且一些脅迫相關(guān)基因(AtRD29B、AtCOR47、AtCOR78、AtCOR15A)的表達(dá)量提高[38]。說明MYB基因主要通過上調(diào)脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性，不同MYB基因調(diào)控的脅迫相關(guān)基因不大相同。另外，超表達(dá)棉花GaMYB85基因可以使轉(zhuǎn)基因擬南芥植株對ABA的敏感性增強(qiáng)，氣孔變大，氣孔開放率降低，抗旱、耐鹽、耐冷性提高；在干旱脅迫條件下，超表達(dá)GaMYB85基因擬南芥植株脯氨酸、葉綠素含量均增加，葉片失水速率降低，葉片相對含水量提高，且一些脅迫相關(guān)基因(RD22、ADH1、RD29A、P5CS、ABI5)的表達(dá)量提高[39]。同樣的，超表達(dá)扁豆LpMYB1[40]基因及CpMYB10[41](CraterostigmaplantagineumMYB10)基因也提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥植株的抗旱性和耐鹽性，且超表達(dá)CpMYB10基因使轉(zhuǎn)基因擬南芥植株根系變龐大。

研究發(fā)現(xiàn)，菊花(Chrysanthemummorifolium)CmMYB2基因受干旱、高鹽、低溫及ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥中超表達(dá)該基因，推遲了轉(zhuǎn)基因植株開花時間，增強(qiáng)了對ABA的敏感性，降低了氣孔開度，提高了干旱脅迫條件下的發(fā)芽率和存活率(78.6%～86.5%，野生型對照為17.3%～19.8%)；表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中一些脅迫相關(guān)基因(RD22、RD29A、RAB18、COR47、ABA1、ABA2)的表達(dá)量提高，一些開花相關(guān)基因[CO(CONSTANS)、FT(Flowering locus T)、SOC1(Suppressor of overexpression of constans 1)、LFY(LEAFY)、AP1]的表達(dá)量降低[42]。近期發(fā)現(xiàn)，白楊(Populustomentosa)PtoMYB170基因在幼嫩葉片和木質(zhì)部表達(dá)，超表達(dá)PtoMYB170基因的白楊植株生長緩慢、葉片小、葉片卷曲下垂，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因白楊木質(zhì)化程度較野生型對照增加，木質(zhì)部次生細(xì)胞壁加厚；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，PtoMYB170基因主要激活了木質(zhì)素合成基因[PAL4(Phenylalanine ammonia-lyase 4)、CCOAOMT1(Caffeoyl-CoA O-methyltransferase 1)、CCR2(Cinnamoyl-CoA reductase 2)、COMT2(Catechol O-methyltransferase 2)、CAD1(Cinnamyl alcohol dehydrogenase 1)]的表達(dá)，且其主要在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)[43]。在擬南芥中超表達(dá)PtoMYB170基因，促進(jìn)了擬南芥植株氣孔關(guān)閉，降低了葉片失水速率，增加了抗旱性[43]。說明PtoMYB170基因可以促進(jìn)木質(zhì)素積累，且可通過調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。

2.2 煙草抗旱基因工程

除了擬南芥外，煙草也是遺傳轉(zhuǎn)化的模式植物,它具有操作容易、 組織培養(yǎng)周期短、 轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以大大縮短轉(zhuǎn)化再生周期，是基因功能驗(yàn)證的良好受體材料。目前，已經(jīng)在煙草中證實(shí)，超表達(dá)小麥、棉花、甘蔗(Saccharumofficinarum)等的MYB基因可以提高轉(zhuǎn)基因煙草植株的抗旱性[44-53]。

2.2.1 糧食作物MYB基因 研究發(fā)現(xiàn)，小麥MYB基因TaPIMP1受干旱和Bipolarissorokiniana誘導(dǎo)表達(dá)，超表達(dá)TaPIMP1基因提高了轉(zhuǎn)基因煙草的抗旱性及抗青枯病能力，脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的PAL (Phenylalanine ammonia-lyase ) 活性和SOD(Superoxide dismutase)活性分別較野生型對照提高75.0%～87.5%和6.8%～30.8%[44]。TaMyb1D基因受干旱、H2O2誘導(dǎo)表達(dá)，在煙草中超表達(dá)該基因增加了轉(zhuǎn)基因植株的葉肉細(xì)胞密度；干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株葉片相對含水量、CAT(Catalase)活性提高，葉片失水速率、MDA含量及H2O2水平降低，根長增加，轉(zhuǎn)基因植株存活率顯著提高；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中一些ROS清除基因[CAT、SOD、POD(Peroxidase)]和干旱脅迫相關(guān)基因[NtP5CS1、NtSUS1(Sucrose synthase gene)、NtLEA5、NtLTP1、NtSAMDC(S-adenosyl-L-methionine decarboxylase gene)]的表達(dá)量均上調(diào)[45]。說明TaMyb1D基因通過上調(diào)干旱脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量及ROS清除酶活性來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。類似的，WEI等[46]也發(fā)現(xiàn)，小麥MYB基因TaODORANT1受干旱、高鹽、ABA、H2O2誘導(dǎo)表達(dá)，在煙草中超表達(dá)該基因，轉(zhuǎn)基因植株對ABA的敏感性增強(qiáng)；干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株葉片含水量、CAT、SOD活性均較野生型對照增加，葉片失水速率、離子滲漏率、MDA含量及H2O2水平均降低,氣孔開度變小，根系增長，存活率顯著提高；表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株中一些脅迫相關(guān)基因[CAT、NtNCED3(Nine-cis epoxycarotenoid dioxygenase 3)、NtERD10C、NtERD10D、NtLEA5、NtABF2、NtP5CS1、NtSAMDC、NtADC(Arginine decarboxylase)]的表達(dá)量提高。說明TaODORANT1基因也通過上調(diào)干旱脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量及ROS清除酶活性來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)作物MYB基因 棉花GbMYB5基因沉默植株在干旱脅迫條件下的存活率(50%)較野生型對照(90%)顯著降低，脯氨酸含量、抗氧化酶[SOD、 POD、CAT、GST(Glutathione-S-transferase)]活性降低，MDA含量增加。為進(jìn)一步驗(yàn)證GbMYB5基因的抗旱性，在煙草中超表達(dá)該基因，提了轉(zhuǎn)基因植株對ABA的敏感性；干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因煙草的存活率(70%～80%)較野生型對照(30%)提高，葉片失水速率降低，相對含水量增加，氣孔開度及氣孔開放率明顯降低，脯氨酸含量和抗氧化酶活性提高，MDA含量降低；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，抗氧化酶基因(SOD、CAT、GST)、多胺合成基因(ADC1、SAMDC)及干旱響應(yīng)基因(NCED3、RD26、ERD10D)的表達(dá)量均提高[47]。類似的，在煙草中超表達(dá)甘蔗SoMYB18基因也提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性[48]。

2.2.3 果樹MYB基因 枸桔(Poncirustrifoliata)PtsrMYB基因受干旱、高鹽、低溫、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在煙草中超表達(dá)該基因，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株葉片失水速率、MDA及ROS含量均降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中2個ADC基因的表達(dá)量提高，且多胺含量提高；ADC基因啟動子區(qū)域存在很多MYB識別順式作用元件，且酵母單交雜試驗(yàn)證實(shí)，PtsrMYB可與ADC基因啟動子中的2個區(qū)域結(jié)合[49]。推測在一定程度上PtsrMYB基因通過調(diào)控ADC基因來調(diào)控多胺含量進(jìn)而調(diào)控轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。杜梨(Pyrusbetulaefolia)MYB基因PbrMYB21也有同樣的功能[50]。PbrMYB2基因受干旱、高鹽誘導(dǎo)表達(dá)，在煙草中超表達(dá)PbrMYB21基因，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株葉片失水速率降低，氣孔開度減小，電解質(zhì)滲漏率、MDA含量及ROS含量均顯著降低；而PbrMYB21基因沉默杜梨對干旱的敏感性增強(qiáng)，抗旱性降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與野生型對照相比，超表達(dá)PbrMYB21基因煙草中ADC基因的表達(dá)量增加，多胺含量提高，而PbrMYB21基因沉默植株正好相反；ADC基因啟動子區(qū)存在MYB識別順式作用元件，說明ADC基因可能是PbrMYB21基因的靶標(biāo)基因，超表達(dá)PbrMYB21基因煙草植株抗旱性的提高可能一部分歸因于PbrMYB21基因上調(diào)ADC基因表達(dá)量進(jìn)而提高多胺含量。蘋果(Malusdomestica)MdSIMYB1基因受干旱、高鹽、低溫及IAA(Indoleacetic acid)、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，超表達(dá)MdSIMYB1基因煙草種子萌發(fā)對ABA不敏感。在干旱、高鹽、低溫脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因煙草植株的抗性水平提高，這主要得益于一些脅迫響應(yīng)基因(NtDREB1A、NtERD10B、NtERD10C)表達(dá)量的提高；另外，超表達(dá)MdSIMYB1基因促進(jìn)了轉(zhuǎn)基因煙草植株根系的生長，轉(zhuǎn)基因植株根系強(qiáng)壯，從而有利于提高轉(zhuǎn)基因植株的抗逆性；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，根系強(qiáng)壯主要?dú)w因于轉(zhuǎn)基因植株中生長素響應(yīng)基因(NtIAA4.2、NtIAA4.1、NtIAA2.5)表達(dá)量的提高[51]。

2.2.4 其他植物MYB基因SbMYB15(SalicorniabrachiataMYB15)基因也受干旱、高鹽、低溫、高溫及SA(Salicylic acid)誘導(dǎo)表達(dá)，但不受ABA誘導(dǎo)表達(dá)。在煙草中超表達(dá)SbMYB15基因提高了轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽性和抗旱性，這主要得益于脅迫條件下轉(zhuǎn)基因植株葉綠素、脯氨酸、可溶性糖、總氨基酸含量及膜穩(wěn)定性增加，電解質(zhì)滲透率、MDA和ROS含量降低及一些脅迫相關(guān)基因(LEA5、ERD10D、LTP1、HSF2、ADC、P5CS、SOD、CAT)表達(dá)量提高[52]。另外，超表達(dá)甜根子草(Saccharumspontaneum)SsMYB18基因可以提高轉(zhuǎn)基因煙草植株的抗旱性、耐冷性、耐鹽性；與非轉(zhuǎn)基因植株相比，在干旱、高鹽、低溫脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性增加，MDA含量降低，脯氨酸含量增加[53]。

2.3 糧食及經(jīng)濟(jì)作物抗旱基因工程

在擬南芥、煙草中進(jìn)行MYB基因的遺傳轉(zhuǎn)化，最終是為了在農(nóng)作物尤其是糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物上應(yīng)用，提高其抗旱性。目前，已經(jīng)在水稻、玉米、大豆等中進(jìn)行了MYB基因的遺傳轉(zhuǎn)化，并證實(shí)超表達(dá)MYB基因可提高糧食作物的抗旱性[54-60]，這為今后糧食作物的抗旱育種奠定了良好的基礎(chǔ)，儲備了重要的基因資源。

2.3.1 糧食作物MYB基因 水稻是主要的糧食作物之一，其染色體較少，基因組較小，遺傳轉(zhuǎn)化體系已經(jīng)非常成熟，已成為遺傳轉(zhuǎn)化的模式植物。水稻OsMYB48-1基因受PEG、ABA、H2O2、脫水誘導(dǎo)表達(dá),在水稻中超表達(dá)該基因,轉(zhuǎn)基因植株對ABA的敏感性增強(qiáng)，且體內(nèi)ABA積累量增加；干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因水稻植株存活率較野生型對照顯著提高，葉片失水速率和MDA含量顯著降低,脯氨酸含量顯著增加；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)ABA合成基因(OsNCED4、OsNCED5)、早期信號基因 (OsPP2C68)、后期響應(yīng)基因 (RAB21、OsLEA3、RAB16C、RAB16D)的表達(dá)量均較野生型對照提高[54]。說明OsMYB48-1基因通過調(diào)控ABA合成來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。類似的，OsMYBR1基因在不同組織、不同生育時期均受干旱、冷誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻中超表達(dá)OsMYBR1基因，轉(zhuǎn)基因植株對ABA的敏感性增強(qiáng)；干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株脯氨酸和可溶性糖含量均較野生型對照顯著增加，存活率顯著提高127.5%～148.8%；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，干旱和ABA處理?xiàng)l件下，轉(zhuǎn)基因水稻植株體內(nèi)4個脅迫相關(guān)基因[OsP5CS1、OsProt(Proline transporter ptotein)、OsLEA3、OsRAB16]的表達(dá)量明顯提高[55]。OsMYB6基因同樣受干旱誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻中超表達(dá)該基因，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的存活率(62.2%～64.9%)較野生型對照(11.3%)顯著提高，脯氨酸含量和CAT、POD活性同樣增加，電解質(zhì)滲漏率和MDA含量降低，一些非生物脅迫相關(guān)基因[OsLEA3、OsDREB2A、OsDREB1A、OsP5CS、SNAC1(Stress-responsive NAC)、OsCATA]的表達(dá)量提高[56]。另外，在水稻中超表達(dá)甘蔗ScMYBAS1-3基因也提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性[57]。

玉米是主要的糧食作物之一，提高玉米的抗旱性對于國家糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在玉米中超表達(dá)OsMYB55基因，干旱和高溫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的株高、莖粗、生物量及葉綠素含量均較野生型對照提高，且一些脅迫相關(guān)基因[WRKY120基因,AP2/EREBP家族基因,DNA復(fù)制許可因子基因MCM3(Minichromosome maintenance protein 3)、MCM4、MCM6等]的表達(dá)量提高[58]。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)作物MYB基因 大豆GmMYB84基因受干旱、高鹽、H2O2、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在大豆中超表達(dá)該基因，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株存活率較野生型對照顯著提高3.25倍，主根長增加(正常條件下無差異)，脯氨酸、可溶性糖含量和抗氧化酶(POD、CAT、SOD)活性顯著升高，MDA含量和失水速率降低。同時發(fā)現(xiàn)，GmMYB84基因通過調(diào)控ROS含量來調(diào)控主根伸長。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，H2O2處理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)GmMYB84基因大豆植株中ROS清除相關(guān)基因[CAT1/2/3、FeSOD1/2/3、Cu/ZnSOD1/2/3、POD家族基因 (At5g24070、At4g25980、At5g19890)]的表達(dá)量提高；干旱條件下，轉(zhuǎn)GmMYB84基因大豆植株中干旱脅迫相關(guān)基因(GmRD22、GmP5CS、GmRBOHBs)的表達(dá)量升高[59]。另外，大豆GmMYB118基因受干旱、高鹽及低溫脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，超表達(dá)該基因也可以提高轉(zhuǎn)基因植株(擬南芥、大豆)在干旱脅迫條件下的存活率，轉(zhuǎn)基因植株中脯氨酸、葉綠素含量均較野生型對照提高，ROS和MDA含量均較野生型對照降低[60]。

3 問題與展望

干旱是主要的非生物脅迫逆境之一，嚴(yán)重影響植物生長發(fā)育及產(chǎn)量、品質(zhì)。因此，提高植物抗旱性對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用?；蚬こ逃N有其獨(dú)特的優(yōu)勢，不僅基因來源廣泛而且能夠?qū)崿F(xiàn)對特定性狀精確高效的改良，有著廣闊的應(yīng)用前景。MYB轉(zhuǎn)錄因子是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，在植物抵御干旱脅迫反應(yīng)中具有重要的調(diào)控作用。目前，MYB 轉(zhuǎn)錄因子在擬南芥、煙草及水稻、玉米、大豆等糧食作物抗旱基因工程中的應(yīng)用方面取得了一定的進(jìn)展，成功獲得一些轉(zhuǎn)基因抗旱材料，為植物尤其是作物抗旱遺傳改良及育種奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但該領(lǐng)域還存在一些亟待解決的問題。首先，目前獲得的轉(zhuǎn)基因植物的抗旱性鑒定大多僅僅局限于苗期，但是苗期抗旱生殖生長期不一定抗旱，而生殖生長期是否抗旱直接關(guān)系到產(chǎn)量是否受損，故在苗期抗旱性鑒定的基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)行生殖生長期抗旱性鑒定；大多數(shù)抗旱性鑒定是在室內(nèi)進(jìn)行的，但室內(nèi)模擬環(huán)境與真正的大田環(huán)境不同，大田環(huán)境受影響因素較多，故應(yīng)在室內(nèi)抗旱性鑒定的基礎(chǔ)上進(jìn)行田間抗旱性鑒定。其次，抗旱性屬于復(fù)雜的多基因控制的數(shù)量性狀，一般獲得的轉(zhuǎn)單個抗旱基因植株的抗旱性提高幅度有限，故今后應(yīng)該加強(qiáng)多基因共同導(dǎo)入植物的系統(tǒng)研究，以提高轉(zhuǎn)基因植物的抗旱性。另外，大多數(shù)MYB基因是采用組成型強(qiáng)啟動子驅(qū)動的，雖然能夠提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性，但有時會影響轉(zhuǎn)基因植株的生長發(fā)育，例如生長緩慢、開花推遲、籽粒變小等，甚至?xí)档彤a(chǎn)量，故在今后的研究及實(shí)際應(yīng)用中建議使用干旱誘導(dǎo)型啟動子驅(qū)動MYB基因的表達(dá)，以提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性且不影響轉(zhuǎn)基因植株的生長發(fā)育。最后，是轉(zhuǎn)基因生物安全問題，即非目的基因的外源基因或序列的引入，今后應(yīng)該深入研究、優(yōu)化無標(biāo)記選擇技術(shù)，并開發(fā)新的無標(biāo)記選擇技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)除目的基因外的任何其他基因或序列的零轉(zhuǎn)入。