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    MYB轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗逆基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

    2021-12-09 16:14:30段俊枝李瑩馮麗麗孫巖齊紅志齊學(xué)禮楊翠蘋王楠燕照玲陳海燕張會(huì)芳卓文飛平西栓
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年21期
    關(guān)鍵詞:抗逆性轉(zhuǎn)基因籽粒

    段俊枝 李瑩 馮麗麗 孫巖 齊紅志 齊學(xué)禮 楊翠蘋 王楠 燕照玲 陳海燕 張會(huì)芳 卓文飛 平西栓

    摘要:水稻(Oryza sativa)經(jīng)常遇到干旱、高鹽、低溫等非生物脅迫及病蟲害等生物脅迫,抑制其生長發(fā)育,甚至降低籽粒產(chǎn)量。MYB(myeloblastosis)在調(diào)控水稻響應(yīng)各種非生物脅迫(干旱、高鹽、低溫等)及生物脅迫(病蟲害等)反應(yīng)中具有重要作用。本文闡述了水稻MYB轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)、分類及其在水稻抗旱、耐鹽、耐冷、耐熱、耐低磷、抗病原菌、抗蟲等抗逆基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展,為MYB 在水稻及其他作物抗逆育種中的應(yīng)用提供參考。

    關(guān)鍵詞:水稻;MYB 轉(zhuǎn)錄因子;抗旱;耐鹽;耐冷;耐熱;耐低磷;抗病;抗蟲;基因工程

    中圖分類號(hào): S511.01? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

    文章編號(hào):1002-1302(2021)21-0046-08

    收稿日期:2021-03-26

    基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(編號(hào):31701510)。

    作者簡介:段俊枝(1981—),女,河北滄州人,博士,助理研究員,主要從事作物遺傳育種研究,E-mail:junzhi2004@163.com;共同第一作者:李 瑩(1984—),女,河南焦作人,碩士,主要從事小麥栽培育種及期刊編輯方面的工作,E-mail:liying1233@163.com。

    通信作者:卓文飛,博士,副研究員,主要從事農(nóng)業(yè)信息及期刊編輯方面的工作,E-mail:kjcankao@126.com;平西栓,研究員,主要從事農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣管理工作,E-mail:njzpxs6410@126.com。

    水稻(Oryza sativa)是我國乃至世界上重要的糧食作物之一,世界上半數(shù)以上的人口以大米為主食[1]。水稻在生長發(fā)育過程中,經(jīng)常遭遇干旱、高鹽、低溫及病蟲害等逆境脅迫,抑制其生長發(fā)育,甚至降低籽粒產(chǎn)量。減少這種逆境脅迫對水稻造成的危害,不僅可以提高水稻生產(chǎn)力,而且還可以擴(kuò)大水稻種植范圍,將水稻種植于目前尚不能種植的邊際土地上[2-3],進(jìn)而提高水稻總產(chǎn)量,這對于保障國家糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。培育抗逆水稻品種是減少這些逆境脅迫對水稻造成危害的有效途徑。采用傳統(tǒng)的遺傳育種方法培育抗逆水稻品種雖然簡便可行,但進(jìn)展緩慢。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展,挖掘優(yōu)異的抗逆基因,然后通過基因工程育種技術(shù)提高水稻的抗逆性,是培育水稻抗逆新品種最有效的途徑。

    為了應(yīng)對逆境脅迫,植物在長期的進(jìn)化過程中,形成了一系列感知、適應(yīng)逆境脅迫的有效機(jī)制。當(dāng)植物響應(yīng)并適應(yīng)逆境脅迫時(shí),植物體內(nèi)的一系列生理、生化過程會(huì)發(fā)生改變,且許多抗逆相關(guān)基因會(huì)被激活,進(jìn)而引起抗逆蛋白的積累,以抵御逆境脅迫。抗逆基因的表達(dá)大多是由轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的,目前已知的逆境脅迫應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子有MYB(myeloblastosis)、NAC[NAM(No apical meristem)、ATAF1(Arabidopsis transcription activation factor 1)、ATAF2、CUC2(cup-shaped cotyledon 2)]、bHLH(Basic helix-loop-helix)、AP2/ERF (APETALA2/ethylene responsive factor)、bZIP(basic region/leucine zipper motif)、WRKY等[4-8]。其中,MYB轉(zhuǎn)錄因子廣泛存在于動(dòng)物、植物、真菌中,是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一。目前,已在水稻[9]、擬南芥(Arabidopsis thaliana)[9]、小麥(Triticum aestivum L.)[10]、香蕉(Musa acuminata)[11]中分別鑒定了155、197、393、285個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子。 MYB轉(zhuǎn)錄因子具有多種生物學(xué)功能,不僅參與植物生長發(fā)育的調(diào)控[12-18],而且還參與植物對干旱、高鹽、低溫、病原菌侵染等逆境脅迫的抗逆反應(yīng)[19-26]。目前,已經(jīng)從植物中分離獲得了許多MYB 轉(zhuǎn)錄因子,且在水稻中進(jìn)行了遺傳轉(zhuǎn)化,MYB轉(zhuǎn)錄因子在不同程度上分別提高了水稻對干旱、高鹽、低溫、高溫、低磷及蟲等的抗性,有的甚至提高了轉(zhuǎn)基因水稻的籽粒產(chǎn)量。本文闡述了水稻MYB轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)、分類及其在水稻抗旱、耐鹽、耐冷、耐熱、耐低磷、抗病、抗蟲等抗逆基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展,為MYB轉(zhuǎn)錄因子在水稻及其他作物抗逆遺傳改良中的應(yīng)用提供參考。

    1 水稻MYB轉(zhuǎn)錄因子家族成員結(jié)構(gòu)、分類

    水稻MYB 轉(zhuǎn)錄因子的N端均具有高度保守的MYB結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域通常包含1~5個(gè)不完全重復(fù)序列(R,約含52個(gè)氨基酸殘基)[9,27],可形成3個(gè)α-螺旋結(jié)構(gòu),第2和第3個(gè)α-螺旋與R中均勻分布的3個(gè)色氨酸殘基形成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)[28];第3個(gè)螺旋是“識(shí)別螺旋”,可直接與DNA接觸并嵌入其大溝中,在接觸過程中,2個(gè)R緊密結(jié)合于DNA大溝中,使2個(gè)“識(shí)別螺旋”協(xié)同作用,結(jié)合到特定的DNA序列上[29]。MYB轉(zhuǎn)錄因子的C端通常含有一個(gè)富含酸性氨基酸的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域,其作用具有一定的可塑性,調(diào)控蛋白活性。

    水稻 MYB 轉(zhuǎn)錄因子家族包含 155 個(gè) MYB 基因,根據(jù)R數(shù)目,可以分為4種類型:MYB-related、MYB-R2R3、MYB-R1R2R3、Atypical MYB,分別包含62、88、4、1個(gè)MYB基因,以MYB-R2R3類型最多,占56.77%,MYB-related類型次之,占40.00%[9]。其中,MYB-related類型通常但不一定只包含1個(gè)R[30];MYB-R2R3類型包含2個(gè)R,MYB-R1R2R3類型包含3個(gè)R;Atypical MYB類型包含5個(gè)R[9]。水稻 MYB 基因不均勻地分布在12條染色體上,1號(hào)染色體分布最多,6號(hào)染色體次之,11號(hào)染色體次最少[9]。

    2 MYB轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗非生物脅迫基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

    目前,已經(jīng)克隆獲得眾多MYB基因,其中一部分MYB基因在水稻中超表達(dá),提高了轉(zhuǎn)基因植株對非生物脅迫(干旱、高鹽、低溫、高溫、低磷、低氮等)的耐受性,有的甚至提高了轉(zhuǎn)基因水稻的籽粒產(chǎn)量[31-50]。但是,這些MYB基因的抗逆范圍不同,有的可以提高轉(zhuǎn)基因水稻植株的單一抗性,如抗旱、耐鹽、耐冷、耐熱、耐低磷、耐低氮等[31-45];有的可以提高轉(zhuǎn)基因水稻植株的綜合抗性,例如抗旱并耐鹽、耐冷、耐熱等[46-50]。

    2.1 單一抗性

    2.1.1 抗旱、耐鹽

    水稻OsMYBR1基因受干旱誘導(dǎo)表達(dá),正常生長條件下,超表達(dá)OsMYBR1水稻植株的表型與野生型對照無明顯差異,但是轉(zhuǎn)基因水稻植株對ABA(abscisic acid)的敏感性降低。干旱脅迫條件下,超表達(dá)OsMYBR1顯著增加了轉(zhuǎn)基因水稻植株可溶性糖和脯氨酸含量,提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株存活率,增幅為1.3~1.5倍;進(jìn)一步分析發(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[OsP5CS1(Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase 1)、OsProt(proline transporter ptotein)、OsTIJI3(late-embryogenesis-abundant protein 3)、OsRAB16(responsive to ABA? 16)]的表達(dá)量明顯提高[31]。類似的,谷子(Setaria italica)SiMYB56基因也受干旱誘導(dǎo)表達(dá),在水稻中超表達(dá)該基因?qū)D(zhuǎn)基因植株的生長沒有任何不良影響,且提高了轉(zhuǎn)基因植株?duì)I養(yǎng)生長期和生殖生長期的抗旱性。與野生型對照相比,干旱脅迫條件下,營養(yǎng)生長期,超表達(dá)SiMYB56基因水稻植株存活率顯著提高4~7倍,丙二醛(MDA)含量降低,木質(zhì)素含量增加;田間生殖生長期,超表達(dá)SiMYB56基因水稻植株籽粒產(chǎn)量顯著增加,這主要得益于單株穗數(shù)、穗長的增加。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),干旱脅迫條件下,SiMYB56能激活木質(zhì)素合成基因PAL(phenylalanine ammonia lyase)、4CL5(4-coumarate-coa ligase 5)、CAD(cinnamyl alcohol dehydrogenase)、CCR10(cinnamoyl-CoA reductase 10)等的表達(dá)。另外,超表達(dá)SiMYB56基因?qū)е翧BA在轉(zhuǎn)基因水稻種子中積累,深入分析發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因水稻植株中ABA合成基因[NCED5(nine-cis epoxycarotenoid dioxygenase 5)]、ABA信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)基因[ABIL2(abscisic acid-insensitive-like 2)、ABF1(ABA? responsive element binding factors 1)、ABF2、bZIP23(basic leucine zipper 23)]、ABA響應(yīng)基因[P5CS1(Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase 1)、LEA7]的表達(dá)量提高[32]。說明SiMYB56通過調(diào)控木質(zhì)素合成和ABA信號(hào)通路來提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。此外,甘蔗ScMYBAS1有4種可變剪接體,它們在調(diào)控植物生長及抗逆性方面作用不同,其中,超表達(dá)ScMYBAS1-3基因促進(jìn)了干旱脅迫條件下轉(zhuǎn)基因水稻植株的生長發(fā)育,提高了葉片含水量,最終提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性[33]。

    水稻OsMYB91基因受高鹽、干旱誘導(dǎo)表達(dá),超表達(dá)OsMYB91基因延緩了轉(zhuǎn)基因水稻的生長發(fā)育,提高了轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)ABA含量;高鹽脅迫條件下,超表達(dá)OsMYB91基因提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株體內(nèi)脯氨酸含量,降低了H2O2、MDA含量,且提高了鹽脅迫相關(guān)基因[SLR1(slender rice 1)、LEA3、SOS1(salt overly sensitive 1)、RAB16A、NHX1(Na+/H+antiporter 1)、P5CS1]的表達(dá)量[34]。說明超表達(dá)OsMYB91基因水稻植株耐鹽性的提高主要得益于活性氧清除能力、滲透調(diào)節(jié)能力和鹽脅迫相關(guān)基因表達(dá)量的提高。

    2.1.2 耐冷、耐熱

    水稻OsMYB3R-2基因受冷脅迫誘導(dǎo),超表達(dá)OsMYB3R-2基因提高了水稻植株的耐冷性,低溫(2 ℃)處理72 h后,野生型對照存活率低于20%,而轉(zhuǎn)基因水稻植株存活率均高于50%,且轉(zhuǎn)基因水稻植株脯氨酸含量提高。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),OsMYB3R-2的靶標(biāo)基因是B型細(xì)胞周期蛋白基因OsCycB1;1,低溫條件下,轉(zhuǎn)基因水稻植株中一些細(xì)胞周期蛋白基因(OsCycB1;1、OsCycB2;1、OsCycB2;2)的表達(dá)量也均較野生型對照提高,且轉(zhuǎn)基因水稻植株細(xì)胞分裂指數(shù)較野生型對照提高。另外,超表達(dá)OsCycB1;1基因水稻植株的耐冷性也提高[35]。說明超表達(dá)OsMYB3R-2基因水稻植株耐冷性的提高主要是通過調(diào)控細(xì)胞循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。另外,水稻OsMYBS3基因在水稻所有組織中普遍存在,也受冷脅迫誘導(dǎo)表達(dá),在田間條件下,超表達(dá)OsMYBS3基因水稻植株的表型和產(chǎn)量均與野生型對照相似;4 ℃脅迫條件下,轉(zhuǎn)基因水稻植株的耐冷性較野生型對照提高。表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因水稻植株中一些脅迫響應(yīng)基因[GAD(qlutamate decarboxylase)、WRKY77、MRP4(multidrug resistance protein 4 )、TPP1(trehalose-6-phosphate phosphatase 1)、TPP2]的表達(dá)量提高;出人意料的是,OsMYBS3抑制DREB1/CBF(dehydration-responsive element binding protein 1/C-repeat binding factor)依賴?yán)湫盘?hào)途徑,DREB1快速短暫地響應(yīng)冷脅迫,OsMYBS3緩慢地響應(yīng)冷脅迫,兩者分別屬于適應(yīng)短期、長期冷脅迫的不同信號(hào)途徑[36]。此外,在水稻中超表達(dá)OsMYB30基因,提高了轉(zhuǎn)基因植株的冷敏感性;相反的,敲除OsMYB30基因突變體的耐冷性提高。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因植株中BMY(β-amylase )基因表達(dá)量降低,BMY活性、麥芽糖(對細(xì)胞膜有保護(hù)作用)含量均降低。OsMYB30可與BMY基因啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合,調(diào)控BMY基因的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控淀粉的分解[37]。說明OsMYB30通過負(fù)調(diào)控BMY基因的表達(dá)來調(diào)控淀粉的分解和麥芽糖含量,進(jìn)而調(diào)控耐冷性,以后有望通過基因敲除技術(shù)敲除OsMYB30基因來提高水稻及其他作物的耐冷性。

    水稻OsMYB55基因受高溫脅迫誘導(dǎo)表達(dá),超表達(dá)該基因的轉(zhuǎn)基因水稻植株耐熱性提高。在高溫(35 ℃)脅迫條件下,轉(zhuǎn)OsMYB55基因水稻植株株高、地上部及根系生物量均較野生型對照顯著提高,籽粒產(chǎn)量降低幅度也顯著降低。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)OsMYB55基因水稻植株中一些氨基酸代謝相關(guān)基因的表達(dá)量提高,OsMYB55可以與這些基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合并激活其表達(dá),例如OsGS1;2(Glutamine synthetase 1;2)、GAT1(glutamine amidotransferase 1)、GAD3(glutamate decarboxylase 3)基因等。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),高溫脅迫條件下,轉(zhuǎn)基因植株中總氨基酸含量顯著增加[38]。說明OsMYB55通過激活氨基酸代謝相關(guān)基因的表達(dá)來提高氨基酸代謝,進(jìn)而提高轉(zhuǎn)基因植株的耐熱性。相反的,一些水稻MYB基因OsPL(purple leaf)會(huì)降低水稻植株的耐熱性。研究發(fā)現(xiàn),水稻突變體pl在籽粒灌漿后期表現(xiàn)紫色葉片、葉鞘,葉片衰老,該突變體細(xì)胞異常,葉綠體扭曲,葉綠素含量低,花青素含量高;進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),灌漿期,該突變體中一些花青素合成基因[PAL、CHS(chalcone synthase)、ANS(anthocyanidin synthase)]表達(dá)量提高,光合相關(guān)基因表達(dá)量下降,SOD(superoxide dismutase)、CAT(catalase)活性顯著增強(qiáng),總可溶性糖及ABA、JA(jasmonic acid)、IAA(indoleacetic acid)含量顯著增加,耐40 ℃高溫[39]??梢娍梢酝ㄟ^敲除OsPL基因的方法來提高水稻及其他作物的耐熱性。

    2.1.3 耐低磷、低氮等

    水稻OsMYB2P-1基因受磷饑餓誘導(dǎo)表達(dá),在水稻中超表達(dá)該基因提高了轉(zhuǎn)基因植株的磷饑餓耐性;相反的,沉默該基因表達(dá),增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因植株對磷缺乏的敏感性。在豐磷條件下,超表達(dá)OsMYB2P-1基因植株主根長較野生型對照短;而在缺磷條件下,超表達(dá)OsMYB2P-1基因植株主根和側(cè)根長均較野生型對照長,說明OsMYB2P-1可能與根系結(jié)構(gòu)調(diào)控有關(guān)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),超表達(dá)OsMYB2P-1基因提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株中磷響應(yīng)基因[SQD(UDP-sulfoquinovose synthase)、IPS1(induced by Pi starvation 1)、PAP10(purple acid phosphatase 10)、miR399a、miR399j]的表達(dá)量。另外,缺磷條件下,超表達(dá)OsMYB2P-1基因水稻植株中高親和磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因[PT6(phosphate transporter 6)、PT8、PT10]的表達(dá)量提高;豐磷條件下,超表達(dá)OsMYB2P-1基因水稻植株中低親和磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因PT2的表達(dá)量提高[40],說明OsMYB2P-1可能作為磷依賴的調(diào)節(jié)因子控制磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)。綜上,OsMYB2P-1通過調(diào)控根系結(jié)構(gòu)、提高磷響應(yīng)基因及磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)量來提高轉(zhuǎn)基因植株的磷饑餓耐性。類似的,缺磷條件下,OsMYB4P基因表達(dá)量也提高。無論高磷還是缺磷條件下,超表達(dá)OsMYB4P基因水稻植株的長勢均較野生型對照好,主根和側(cè)根長均較野生型對照長,根和嫩葉中磷濃度均高于野生型對照,尤其是根。高磷條件下,超表達(dá)OsMYB4P基因水稻植株的側(cè)根密度大于野生型對照,側(cè)根長也長于野生型對照,且轉(zhuǎn)基因水稻幼苗根和嫩葉中磷濃度顯著高于野生型對照;低磷條件下,超表達(dá)OsMYB4P基因水稻幼苗嫩葉中磷濃度急劇下降,但是根中磷濃度仍保持在較高水平。表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),超表達(dá)OsMYB4P基因提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株嫩葉中磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(PT1、PT2、PT4、PT7、PT8)的表達(dá)量,但在根中降低或者不變(PT8基因除外)[41]。說明OsMYB4P通過調(diào)控根系結(jié)構(gòu)、激活磷穩(wěn)態(tài)相關(guān)基因來提高磷的利用,進(jìn)而提高轉(zhuǎn)基因植株的磷饑餓耐性。另外,在水稻中超表達(dá)OsMYB5P基因,同樣提高了轉(zhuǎn)基因植株的磷饑餓耐性;相反,敲除OsMYB5P基因,提高了轉(zhuǎn)基因植株對磷缺乏的敏感性。高磷或缺磷條件下,超表達(dá)OsMYB5P基因水稻植株主根長、側(cè)根長均長于野生型對照,側(cè)根密度大于野生型對照,苗高均高于野生型對照,說明OsMYB5P調(diào)控植物生長發(fā)育;超表達(dá)OsMYB5P基因水稻植株中磷含量較野生型對照提高,說明OsMYB5P調(diào)控磷吸收和缺磷脅迫適應(yīng)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),OsMYB5P直接與OsPT5基因啟動(dòng)子區(qū)的MBS (MYB binding site)元件結(jié)合,提高OsPT5基因的表達(dá)水平;且超表達(dá)OsMYB5P基因提高了Pht1;3(phosphate transporter1;3)的表達(dá)量[42]。說明轉(zhuǎn)OsMYB5P基因水稻植株磷饑餓耐性的提高主要是通過調(diào)控磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)量來實(shí)現(xiàn)的。相反的,一些水稻MYB基因MYB1會(huì)降低水稻植株的磷饑餓耐性。研究發(fā)現(xiàn),水稻MYB1基因突變后導(dǎo)致磷的吸收和積累增加,并伴隨磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因(PHT1;2、PHT1;8)和參與磷饑餓信號(hào)途徑基因[PHO2.1(phosphate transporter 2.1)]的表達(dá)量提高。MYB1基因影響初生根和側(cè)根的伸長,對初生根伸長的影響依賴于磷,對側(cè)根伸長的影響不依賴于磷。此外,磷饑餓條件下,GA(gibberellic acid)誘發(fā)的側(cè)根伸長在野生型植株中被嚴(yán)重抑制,在myb1突變體中這種抑制作用得到部分緩解,這主要?dú)w因于myb1突變體中GA合成基因表達(dá)量的提高[43]。說明MYB1既參與磷饑餓信號(hào)傳導(dǎo)、負(fù)調(diào)控磷的吸收和積累,又參與GA合成,可以通過敲除MYB1基因的方法提高水稻及其他作物的磷吸收和積累,增強(qiáng)磷饑餓耐性。

    低氮脅迫條件下,對谷子轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)了25個(gè)類MYB轉(zhuǎn)錄因子?;蚬δ芊治霭l(fā)現(xiàn),SiMYB3 基因受低氮脅迫誘導(dǎo)表達(dá),低氮脅迫條件下,超表達(dá)SiMYB3基因水稻植株幼苗總根長、側(cè)根數(shù)高于野生型對照;2年的田間試驗(yàn)結(jié)果表明,低氮脅迫條件下,轉(zhuǎn)基因植株的生物量顯著高于野生型對照,且粒質(zhì)量、總氮含量、籽粒氮含量均顯著高于野生型對照。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因水稻植株中生長素合成相關(guān)基因TAR2(tryptophan aminotransferase related 2)的表達(dá)量提高[44]。說明SiMYB3通過調(diào)控根生長素合成來調(diào)控根系發(fā)育進(jìn)而提高轉(zhuǎn)基因植株的耐低氮能力。

    水稻OsARM1(arsenite-responsive MYB 1)調(diào)控砷(As)相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因。敲除OsARM1基因提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株對As(Ⅲ)的耐受性,超表達(dá)OsARM1基因調(diào)高了轉(zhuǎn)基因水稻植株對As(Ⅲ)的敏感性。低As(Ⅲ)條件下,敲除OsARM1基因植株中更多的As從根轉(zhuǎn)運(yùn)到嫩葉;高As(Ⅲ)條件下,超表達(dá)OsARM1基因植株中更多的As積累在根中,暗示OsARM1在調(diào)控As從根到嫩葉的轉(zhuǎn)移中具有重要作用。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵的As響應(yīng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因[ Lsi1(silicon influx transporter 1 )、Lsi2、Lsi6]在超表達(dá)OsARM1基因水稻植株中表達(dá)量降低,在OsARM1基因敲除水稻植株中表達(dá)量提高[45]。說明OsARM1基因在調(diào)控As吸收和根到嫩葉的轉(zhuǎn)移中具有重要作用。

    2.2 綜合抗性

    2.2.1 抗旱+耐鹽

    水稻OsMYB6基因受干旱、高鹽誘導(dǎo)表達(dá),干旱和高鹽脅迫條件下,超表達(dá)OsMYB6基因水稻植株的存活率較野生型對照顯著提高約5倍。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因植株脯氨酸含量和CAT、POD(peroxidase)活性大幅增加,相對電解質(zhì)滲漏率降低,一些脅迫相關(guān)基因(OsP5CS、OsDREB1A、OsDREB2A、OsCATA、OsLEA3、SNAC1)的表達(dá)量提高[46]。說明超表達(dá)OsMYB91基因提高了轉(zhuǎn)基因植株的活性氧清除能力、滲透調(diào)節(jié)能力和脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量,進(jìn)而提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱和耐鹽性。類似的,水稻OsMYB48-1基因受PEG(polyethylene glycol)、高鹽、ABA、低溫誘導(dǎo)表達(dá),超表達(dá)OsMYB48-1基因增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因水稻植株對ABA的敏感性,提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株體內(nèi)ABA含量及對干旱、高鹽的耐受性。其中,干旱脅迫條件下,超表達(dá)OsMYB48-1基因顯著提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株的存活率和葉片脯氨酸含量,降低了葉片失水速率和MDA含量。表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),超表達(dá)OsMYB48-1基因顯著提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株中一些ABA合成基因 (OsNCED4、OsNCED5)、早期信號(hào)基因 [OsPP2C68(serine/threonine protein phosphatases 2C 68)]、后期響應(yīng)基因 (RAB21、OsLEA3、RAB16C、RAB16D)的表達(dá)量[47]。說明超表達(dá)OsMYB48-1基因可促進(jìn)轉(zhuǎn)基因水稻植株中ABA的合成,進(jìn)而提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性和耐鹽性。另外,在水稻中超表達(dá)金魚草(Antirrhinum majus)MYB 基因AmROSEA1同樣提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性和耐鹽性。正常生長條件下,超表達(dá)AmRosea1基因延緩了轉(zhuǎn)基因水稻植株的生長發(fā)育。干旱脅迫條件下,超表達(dá)AmRosea1基因顯著提高轉(zhuǎn)基因水稻植株的存活率,存活率較野生型對照提高2.7~3.1倍;高鹽脅迫條件下,野生型對照全部死亡,而超表達(dá)AmRosea1基因水稻植株存活率為69%~75%。表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),干旱、高鹽脅迫條件下,超表達(dá)AmRosea1基因水稻植株中大量脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量提高,主要涉及脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因[RD22(responsive to dehydration 22)、OsMYB48-1]、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑基因[COI1(coronatine-insensitive protein 1)、EBF1(early B cell factor 1) ]、離子平衡基因(鉀轉(zhuǎn)運(yùn)子4基因)、活性氧清除酶基因[CAT、POD、APX(ascorbic acid peroxidase)、GST(glutathione-S-transferase )][48]。

    2.2.2 抗旱+耐冷、耐熱等

    水稻OsMYB2基因受高鹽、低溫、干旱誘導(dǎo)表達(dá),正常生長條件下,超表達(dá)OsMYB2基因并沒有改變轉(zhuǎn)基因水稻植株的表型,但增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因水稻植株對ABA的敏感性,提高了轉(zhuǎn)基因水稻植株對高鹽、低溫和干旱的耐受性。高鹽、低溫和干旱脅迫條件下,超表達(dá)OsMYB2基因水稻植株中可溶性糖、脯氨酸含量和CAT、SOD、POD活性提高,H2O2和MDA含量降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),超表達(dá)OsMYB2基因提高了脯氨酸合成酶基因及一些脅迫相關(guān)基因(OsLEA3、OsRab16A、OsDREB2A)的表達(dá)量[49]。說明超表達(dá)OsMYB2基因水稻植株抗逆性的提高主要得益于活性氧清除能力及脅迫相關(guān)基因表達(dá)量的提高。

    與其他MYB基因不同,MYBS2基因受干旱、高溫抑制,在水稻中超表達(dá)MYBS2基因,降低了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性和耐熱性。干旱脅迫條件下,無論是水培還是土培條件下超表達(dá)MYBS2基因均顯著降低了轉(zhuǎn)基因水稻植株的存活率,更值得注意的是,超表達(dá)MYBS2基因轉(zhuǎn)基因水稻植株籽粒產(chǎn)量顯著降低36%~45%。干旱脅迫條件下,無論是水培還是土培條件下沉默MYBS2基因水稻植株的存活率均顯著提高,且轉(zhuǎn)基因水稻植株的籽粒產(chǎn)量也顯著提高26%~54%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),MYBS2通過調(diào)控αAmy3(α-amylase 3)基因的表達(dá)來調(diào)控糖平衡,進(jìn)而調(diào)控轉(zhuǎn)基因植株的生長發(fā)育及抗逆性[50]。說明可以通過敲除MYBS2基因的方法提高水稻及其他作物的抗旱性和耐熱性。

    3 MYB轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗生物脅迫基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

    目前,關(guān)于MYB基因?qū)ι锩{迫的響應(yīng)研究較少,尤其在水稻上的研究更少?,F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),有些MYB基因在水稻中超表達(dá)可以提高轉(zhuǎn)基因植株對病原菌、稻飛虱等的耐受性[51-52]。

    苯丙素類包括各種化合物,如木質(zhì)素單體和羥基肉桂酸(HCAAs),是植物保護(hù)自身免受非生物脅迫和病原體感染所必需的物質(zhì)。在水稻中超表達(dá)MYB30、MYB55、MYB110基因,轉(zhuǎn)基因水稻中肉桂酸/木質(zhì)素單體途徑基因(磷酸合成酶基因、脫氫醌合成酶基因、兒茶酚氧位甲基轉(zhuǎn)移酶基因、PAL1等)的表達(dá)量提高,阿魏酸(一種羥基肉桂酸)含量較野生型對照和轉(zhuǎn)空載體對照增加,對病原真菌和病原細(xì)菌的抗性增強(qiáng)[51]。

    在水稻中超表達(dá)OsPAL6、OsPAL8基因均提高了轉(zhuǎn)基因植株對褐飛虱的抗性,轉(zhuǎn)基因植株中水楊酸和木質(zhì)素含量提高;相反的,抑制OsPAL6、OsPAL8基因表達(dá)降低了轉(zhuǎn)基因植株對褐飛虱的抗性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),OsMYB30直接調(diào)控OsPAL6、OsPAL8基因的表達(dá),從而調(diào)控褐飛虱抗性[52]??梢奜sMYB30基因在作物抗褐飛虱育種中具有重要作用,可以通過超表達(dá)OsMYB30基因的方法提高水稻及其他作物對褐飛虱的抗性。

    4 展望

    水稻是全球重要的糧食作物之一,在農(nóng)業(yè)發(fā)展中占有舉足輕重的地位,穩(wěn)定并提高其產(chǎn)量是保證國家糧食安全的重要途徑。但水稻在生長發(fā)育過程中,不可避免地遭受到干旱、高鹽、低溫及病蟲害等逆境脅迫,抑制其生長發(fā)育,甚至降低籽粒產(chǎn)量。因此,培育抗逆水稻品種以提高其抗逆性對保障糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。植物的抗逆性狀是多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀,且易受環(huán)境影響,采用傳統(tǒng)遺傳育種方法選育抗逆品種存在效率低、周期長等缺點(diǎn);而分子育種具有定向創(chuàng)造遺傳變異、實(shí)現(xiàn)優(yōu)良基因高效重組和聚合等優(yōu)點(diǎn)。因此,利用分子生物學(xué)技術(shù)挖掘利用優(yōu)異的抗逆基因,并通過基因工程育種技術(shù)提高水稻的抗逆性,是培育水稻抗逆新品種最有效的途徑。

    MYB轉(zhuǎn)錄因子在水稻生長發(fā)育及抵御非生物脅迫和生物脅迫過程中具有重要的調(diào)控作用。超表達(dá)MYB基因可以提高轉(zhuǎn)基因水稻植株的抗逆性,有的甚至可以提高轉(zhuǎn)基因植株在逆境條件下的籽粒產(chǎn)量,這為水稻抗逆育種提供了非常重要的基因資源。除了水稻,MYB基因在其他作物上也表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗逆性[53-61],有望在水稻及其他作物抗逆改良育種中應(yīng)用,尤其是那些可以在生殖生長期提高轉(zhuǎn)基因植株抗逆性并提高籽粒產(chǎn)量的MYB基因。盡管,一些MYB基因可以提高生殖生長期轉(zhuǎn)基因水稻的抗旱性,并最終提高籽粒產(chǎn)量,但是大部分MYB基因只是提高了苗期水稻的抗逆性,生殖生長期是否抗逆尚未得知。因此,對這些MYB基因的轉(zhuǎn)基因植株應(yīng)該進(jìn)行生殖生長期抗逆性鑒定,以確定其功能強(qiáng)弱,為以后的抗逆育種應(yīng)用提供依據(jù)。另外,抗逆性鑒定最好在田間進(jìn)行,因?yàn)槭覂?nèi)模擬環(huán)境與田間自然環(huán)境終究不同,田間自然環(huán)境更復(fù)雜,也更貼近于生產(chǎn)。

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