植物耐旱基因工程的研究進(jìn)展

李孟陽

摘 ? ?要：目前將先進(jìn)的生物技術(shù)應(yīng)用于各領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。在種植領(lǐng)域應(yīng)用生物技術(shù)后可對植物的耐旱基因進(jìn)行有效研究，并在研究的過程中獲取穩(wěn)定的耐旱植株，而后將研發(fā)出的耐旱植株應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、生態(tài)環(huán)境、城市綠地改造建設(shè)中，如此能夠促進(jìn)這些領(lǐng)域的快速發(fā)展。主要針對植物耐旱基因工程當(dāng)前的研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：植物耐旱基因工程;研究意義;研究進(jìn)展

文章編號： 1005-2690（2021）10-0024-02 ? ? ? 中國圖書分類號： Q943.2 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

在高等植物生長的過程中，高等植物會因為周圍惡劣環(huán)境的影響而停止發(fā)育，如干旱或低濕與高溫等，特別是在干旱的環(huán)境中會因高等植物缺乏水分而阻礙植物生長。因此，為了使高等植物在干旱環(huán)境中順利地生長發(fā)育，研究人員針對植物耐旱基因進(jìn)行了深入性研究，且利用當(dāng)下先進(jìn)的生物技術(shù)在實現(xiàn)植物具備耐旱能力的同時，促進(jìn)植物更好地生長，進(jìn)一步促進(jìn)與植物相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1 ? 研究植物耐旱基因工程的重要意義

1.1 ? 有效提升植物的耐旱能力且延長植物的壽命

從全球角度看，干旱問題已成為世界性問題且影響植物的生長發(fā)育。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，半干旱地區(qū)已經(jīng)占據(jù)陸地面積1/3以上。而植物的生長需要肥沃的土地與充足的水分，干旱地區(qū)的土地水分含量極少，故而無法促進(jìn)植物生長。因此，植物正呈現(xiàn)出大面積消失的現(xiàn)象且對人類的生存產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，各國專家、學(xué)者針對植物如何有效抗旱進(jìn)行了研究。通過研究植物耐旱基因，可在掌握植物生長所需及植物內(nèi)部擁有的具體成分后，通過轉(zhuǎn)化植物基因的措施獲取抗旱轉(zhuǎn)基因植株，將其種植在半干旱區(qū)域，可以有效抵抗惡劣的干旱環(huán)境，從而實現(xiàn)正常生長發(fā)育。另外，通過轉(zhuǎn)化植物基因提升植物的耐旱能力后，植物的壽命也得到了顯著延長，主要是植物耐旱能力增強(qiáng)后不會因為缺水而發(fā)生死亡現(xiàn)象，進(jìn)一步提高了植物壽命[1-2]。

1.2 ? 促進(jìn)植物品種更新?lián)Q代

開展植物耐旱基因研究，可以研發(fā)出新的植物品種，使這些植物品種都具有抗旱能力且可在惡劣的環(huán)境中生長。如果將這些具有抗旱能力的新品種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得更多優(yōu)質(zhì)的植物種子，在促進(jìn)抗旱植物新品種健康生長的同時提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收益，并推動農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。另外，抗旱植物新品種在實際種植后并不需要過多地為植物補(bǔ)充水分，可顯著降低農(nóng)戶的勞動量，還將節(jié)省更多的時間。

1.3 ? 有效促進(jìn)植物基因研究領(lǐng)域的快速發(fā)展

植物耐旱基因研究成功后，促進(jìn)了植物基因研究領(lǐng)域的快速發(fā)展，并為研究工作提供了更多準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，能夠讓研究人員根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)研究植物其他方面的基因，進(jìn)而達(dá)到不斷創(chuàng)新植物新品種且促進(jìn)與植物種植相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。另外，植物耐旱基因的研究，還推動了我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了綜合國力的提升。

1.4 ? 可引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命且?guī)悠渌袠I(yè)快速發(fā)展

在植物耐旱基因研究成功后，可將原有的各類植株轉(zhuǎn)化成耐旱植株，如果應(yīng)用于與植物種植相關(guān)的領(lǐng)域中，還可引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命，并且會帶動相關(guān)行業(yè)快速發(fā)展，如在城市綠地改造工程中應(yīng)用耐旱植株，可以顯著減輕后續(xù)工作人員的工作量及工作壓力。通過植物耐旱基因的研究研發(fā)出了耐旱植株，將耐旱植株應(yīng)用于城市綠地改造工程中，可以顯著降低工作人員補(bǔ)水的次數(shù)，在顯著減小工作人員工作壓力的同時可將節(jié)省出的時間應(yīng)用于其他工作中?？梢?，基因研究工程是推動與植物種植相關(guān)領(lǐng)域的重要工程，也是提升我國環(huán)境建設(shè)水平與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要措施[3]。

2 ? 當(dāng)前植物耐旱基因工程的研究進(jìn)展

2.1 ? 研究出具有滲透調(diào)節(jié)能力物質(zhì)的合成關(guān)鍵酶基因

2.1.1 ? α糖類

在低等維管植物中含有的海藻糖是合成關(guān)鍵酶基因的重要組成部分，海藻糖的本質(zhì)屬于還原性雙糖且與蔗糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)存在較強(qiáng)相似度，但是在甜度方面卻遠(yuǎn)低于蔗糖。海藻糖可實現(xiàn)細(xì)胞磷脂雙分子膜在處于干燥的環(huán)境中不會產(chǎn)生液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，可有效穩(wěn)定細(xì)胞磷脂雙分子膜且進(jìn)一步穩(wěn)定高分子物質(zhì)。另外，在極少數(shù)極端耐旱植物中發(fā)現(xiàn)了海藻糖的存在。如果應(yīng)用植物基因工程技術(shù)在不能合成海藻糖的植物中植入海藻糖關(guān)鍵酶基因，可以讓這些植物不斷累積海藻糖，并提升耐旱能力。

2.1.2 ? 脯氨酸合成酶

脯氨酸具有較強(qiáng)的水溶性且擁有的偶極性能夠?qū)崿F(xiàn)疏水端與蛋白質(zhì)之間有效的聯(lián)結(jié)，結(jié)合后的疏水端與水分子會促進(jìn)蛋白在脯氨酸的作用下獲取更多的水分子，從而提升蛋白質(zhì)水溶性，并且讓這些可溶性蛋白質(zhì)能夠參與到滲透調(diào)節(jié)的過程中。同時，在脯氨酸促進(jìn)水含量不斷增加后可有效防止細(xì)胞產(chǎn)生脫水的問題，進(jìn)一步阻止了蛋白產(chǎn)生變化的現(xiàn)象發(fā)生。在此過程中顯著增強(qiáng)了脯氨酸具有的合成能力，從而達(dá)到提高植物耐旱能力的目標(biāo)。

2.1.3 ? 甜菜堿

甜菜堿屬于季銨型水溶性生物堿范疇且為非毒性滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。甜菜堿的作用不僅能實現(xiàn)植物細(xì)胞在受到干旱與鹽堿影響時保持滲透平衡的狀態(tài)，還具有穩(wěn)定復(fù)雜性蛋白質(zhì)高結(jié)構(gòu)的能力，進(jìn)而讓植物在代謝時可保持酶類良好的活性。如果甜菜堿完成合成后不會產(chǎn)生進(jìn)一步代謝的過程，形成的滲透調(diào)節(jié)劑則會表現(xiàn)出永久性或半永久性。近年來，研究人員在研究甜菜堿時，通過甜菜堿體外試驗的過程可知，此堿可以穩(wěn)定雙螺旋DNA，還可以有效降低DNA退火溫度的功能。因此，從研究中可了解到甜菜堿能夠在水分脅迫的作用下實現(xiàn)轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的過程。另外，還有研究學(xué)者通過研究認(rèn)為，甜菜堿在脅迫條件解除后處于恢復(fù)期間時，蛋白質(zhì)合成的過程得到加速。

2.2 ? 抗氧化防御系統(tǒng)基因工程的研究進(jìn)展

如果植物所處的環(huán)境存在較大的干旱脅迫，植物內(nèi)部會產(chǎn)生活性氧，從而導(dǎo)致蛋白代謝、脂類代謝出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，存在的酶會失去活性且產(chǎn)生膜脂過氧化現(xiàn)象等。為了避免植物在面對干旱環(huán)境時產(chǎn)生活性氧并受到活性氧的侵害，促進(jìn)植物細(xì)胞處于正常生理代謝，需要在植物體內(nèi)植入抗氧化防御系統(tǒng)，實現(xiàn)有效清除活性氧的目標(biāo)。經(jīng)過研究學(xué)者深入研究后構(gòu)建出一套防御系統(tǒng)，此系統(tǒng)是由酶系與抗氧化物質(zhì)共同組成的，如過氧化物酶物質(zhì)、超氧化物酶物質(zhì)、過氧化氫酶物質(zhì)、抗壞血酸物質(zhì)、類胡蘿卜素物質(zhì)、含巰基低分子化合物等。如果植物受到干旱的影響而產(chǎn)生活性氧，這些物質(zhì)會共同發(fā)揮出自身的功能，抵制活性氧對植物細(xì)胞的傷害。能夠有效避免活性氧對植物細(xì)胞傷害的物質(zhì)是SOD。如果植物在生長的過程中受到了干旱的脅迫會實施氣孔關(guān)閉的過程，在氣孔關(guān)閉后會減少氧氣的輸入量，從而增加超氧化物自由基的產(chǎn)生。同時，大幅度增加植物光呼吸的過程，產(chǎn)生大量過氧化氫，從而阻礙細(xì)胞正常的代謝功能且進(jìn)一步影響了植物存活與正常生長，而SOD可有效清除植物中產(chǎn)生的過氧化氫，并促進(jìn)植物抵御干旱環(huán)境。

2.3 ? 脅迫蛋白的研究

脅迫蛋白為水孔蛋白，且具有水分運輸?shù)墓δ?，并屬于高度保守膜蛋白，其含有跨膜區(qū)段且連接方式為個環(huán)連接模式。分析水孔蛋白的功能可知，水孔蛋白可實現(xiàn)膨壓的調(diào)節(jié)且能夠促進(jìn)細(xì)胞與介質(zhì)之間實施被動式的跨膜水運輸過程，還有效參與了水分長途運輸?shù)倪^程等。水孔蛋白具有的調(diào)節(jié)功能可分為兩種模式，一是利用蛋白水平中擁有的磷酸化與脫磷酸化實施活性調(diào)節(jié)的過程，經(jīng)過研究可知是CDPK充分發(fā)揮著作用，而影響CDPK活性與表達(dá)的因素為植物激素;二是通過調(diào)控基因水平達(dá)到調(diào)節(jié)目的。學(xué)者在研究水孔蛋白的表達(dá)時發(fā)現(xiàn)，此物質(zhì)的特點為時空特異性，水孔蛋白表達(dá)的有效調(diào)節(jié)依靠的是植物發(fā)育的過程與干旱因素的干預(yù)。另外，還有一些研究學(xué)者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，冰草高鹽對于水孔蛋白會產(chǎn)生一定的影響且會促進(jìn)mRNA水平快速下降。如果植物細(xì)胞內(nèi)含有的滲透活性物質(zhì)不斷增加，也會對水孔蛋白具有的mRNA水平產(chǎn)生一定的影響，且會表現(xiàn)出mRNA水平逐漸恢復(fù)的過程。

2.4 ? 脫水素的研究

脫水素與植物中的植物激素產(chǎn)生互相作用的過程，也需要針對兩者的相互作用進(jìn)行研究。經(jīng)過學(xué)者研究后發(fā)現(xiàn)，ABA可以對脫水素進(jìn)行誘導(dǎo)從而達(dá)到有效表達(dá)的目的，如果植物受到外源ABA的影響，會產(chǎn)生植物內(nèi)含有的脫水素含量逐漸升高。另外，從一些相關(guān)報道中可知，植物激素并不是唯一影響脫水素表達(dá)的物質(zhì)，只是還未研究出其他物質(zhì)的干預(yù)機(jī)理。通過深入性的研究，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用高效誘導(dǎo)劑達(dá)到促進(jìn)脫水素充分表達(dá)的目的，可以有效提升植物抗逆性能。還有相關(guān)研究表明，植物處于逆境狀態(tài)結(jié)束進(jìn)入恢復(fù)期后，脫水素含量會產(chǎn)生逐漸下降甚至消失的過程。

3 ? 結(jié)束語

在全球干旱環(huán)境不斷拓展下需開展植物基因研究工作，特別是植物耐旱基因的研究可實現(xiàn)植物在半干旱區(qū)域正常生長，進(jìn)而利用植物改變半干旱區(qū)域的環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善，進(jìn)而達(dá)到實現(xiàn)人類可持續(xù)生存與發(fā)展的目標(biāo)。另外，研究學(xué)者還要加大植物抗旱能力的研究力度，進(jìn)而研發(fā)出耐旱能力更強(qiáng)的植物，促進(jìn)與植物種植相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 王建紅，任桂芳，馮慧.植物抗旱基因工程研究進(jìn)展[J].北京園林，2003（1）：26-30.

[ 2 ] 張樹珍，王自章.植物耐旱的分子基礎(chǔ)及植物耐旱基因工程的研究進(jìn)展[J].生命科學(xué)研究，2001（S1）：134-140.

[ 3 ] 江香梅，黃敏仁，王明庥.植物抗鹽堿、耐干旱基因工程研究進(jìn)展[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001（5）：57-62.