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花生多基因转基因在抗非生物胁迫方面优于传统单基因性状的研究进展

马纳尔博雅1,阿玛拉纳莎·雷迪V2Lokesh U1Kiranmai K3.——安东尼·约翰逊AM1Pandurangaiah米1,纳雷什·库马尔A3., Jayamma N1贾加迪什·库马尔N1还有Chinta Sudhakar1

1Sri Krishnadevaraya大学植物分子生物学研究室,Anantapuramu, Andhra Pradesh-515003

2堪萨斯州立大学思罗克莫顿植物科学中心农学系,美国曼哈顿KS 66506

3.印度农业科学院作物生理学系,印度班加罗尔- 560065

*通讯作者:
Chinta Sudhakar教授
植物学系,
克里希那德瓦拉亚大学,安得拉邦阿南塔普拉姆-印度515003
电话:0091 8554 255054;+ 919440030464
电子邮件:
(电子邮件保护)

收到日期:03/12/2018;接受日期:27/12/2018;发表日期:05/01/2019

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摘要

花生是世界上第三大油籽作物,生长在干旱和半干旱地区。作物生长在雨养条件下往往暴露在恶劣的环境中非生物压力这严重影响了作物生产和产量。在作物中引入抗逆性性状可以提高作物的抗逆性,减轻作物在胁迫条件下的产量损失。的成功繁殖开发耐胁迫作物品种的方法是由几个研究领域的努力确定的,包括植物生理学分子生物学等遗传学.此外,育种计划的其他主要限制是物种壁垒和基因组不相容。因此,利用新的分子生物学工具揭示耐胁迫的重要机制,并通过转基因方法过表达胁迫特异性基因来改造耐胁迫作物仍然是一个可行的选择。本文主要综述了花生转基因作物在干旱、盐和氧化胁迫等非生物胁迫下,通过过度表达调控代谢途径、细胞成分和胁迫响应途径的候选基因而获得的抗干旱、盐和氧化胁迫转基因作物。综述了转基因花生事件的意义和性状能力对提高花生非生物胁迫耐受性的重要性。本文还着重介绍了花生转基因事件研究的新进展以及多基因转基因与单基因转基因相比在提高花生非生物耐受力方面的新颖性。

关键字

花生,基因转移,非生物胁迫,共表达,多基因转基因

简介

非生物压力是主要的制约因素作物生长在干旱和半干旱地区,改变植物内部稳态并对生长和生产力产生不利影响的植物[1-3.].在非生物胁迫中,干旱和盐碱化在自然系统和农业系统中较为普遍,严重影响作物品质,造成重大产量损失;因此,获得了研究人员的极大关注[45].亚洲、非洲、南美和北美等半干旱热带地区是花生种植的主要地区,产量占全球总产量的60%,干旱和盐碱化是影响花生产量和质量的主要压力源[6-8].植物适应了不同的非生物胁迫耐受机制来应对变化环境通过改变细胞代谢维持细胞膨胀,渗透调节等条件[9],转录因子编码基因的差异表达[10]、生物合成途径中的关键酶[1112]以及与压力感知和细胞信号传递有关的蛋白质[1314].

花生(花生)是继大豆和油菜籽之后的第三大油料作物,全球产量6066万吨,全球种植面积为3220万公顷,平均产量为1.88吨/公顷。印度是仅次于中国的第二大花生生产国,产量为685万吨,种植面积为580万公顷[15].它是主要的食用油料种子作物之一,含有40-50%的油脂、蛋白质(22-30%)、矿物质(P、Ca、Mg和K)、碳水化合物和维生素(E、K和B组),也可用作牲畜饲料[16-19].落花生广泛种植在世界干旱和半干旱地区的雨养条件下;由于它的生产取决于一个特定地区的年降雨量,而该地区的年降雨量不时变化,因此它更容易受到干旱、盐度、高温和重金属胁迫等非生物胁迫[20.-22].

在这种情况下,需要使用可靠的技术来提高花生在非生物胁迫条件下的生产力,以获得最大的成功率来应对这些不利条件。传统技术存在许多局限性,如物种障碍、基因组不亲和、授粉等,使其无法开发理想的作物农艺特征(2324].基因工程方法已被证明比传统方法更通用和相对更快,并有助于克服开发具有所需性状的作物植物的所有障碍[25-27].几位研究人员[28-36]通过基因工程的方法,将tf基因和代谢途径的关键酶等不同基因渗透到花生中,成功开发出了抗不同生物和非生物胁迫的转基因花生。

非生物胁迫耐受性是一个多基因性状,涉及不同的信号级联和机制。尽管过度表达单基因的转基因植物取得了成功,但这并不足以实现作物对非生物胁迫的预期耐受性,因为这是一个复杂的现象,因此需要在各种代谢途径和数量性状中共表达多个基因[37].在过去的二十年中,研究人员一直致力于通过引入多个基因(多基因转移,MGT)而不是单基因转移来开发具有更多耐受性性状的转基因[38-41].拟南芥等模式植物中多个基因的共表达[42]、烟草[4344]显示出比单基因转基因更强的抗非生物胁迫能力,在玉米等作物植物中也报道了类似的结果[45],甘蔗[46]和花生[4748].

到目前为止,关于花生转基因耐非生物胁迫的综述报道主要集中在干旱和盐度[6].因此,有必要对其他非生物胁迫耐受性事件和近年来花生转基因的研究成果进行文献综述。本文以干旱、盐碱、高温、氧化胁迫等方面的研究为例,综述了花生非生物抗逆性转基因的技术和性状研究进展。本文重点介绍了转基因技术在开发多基因转基因方面的进展,即通过插入多个基因来获得具有抗非生物胁迫能力的花生转基因。本文共讨论了17种花生转基因,这些转基因是通过单基因和多基因调控而获得的,这些基因被报道参与各种非生物胁迫耐受机制(表1).

基因源 农杆菌属菌株 质粒 改变基因 启动子 特征 参与机制 参考
1.花生转基因单基因抗非生物胁迫
Macrotyloma uniflorum EHA105 pCAMBIA2301 MuWRKY3 CaMV35S 干旱 低MDA, H2O2,超氧化物,更多脯氨酸,糖和抗氧化酶 62
拟南芥 EHA105 pSARK IPT 衬衣 干旱 增加光合作用、气孔导度和蒸腾作用 50
拟南芥 C58 pBI29 DREB1A rd29A, CaMV35S 干旱 蒸腾效率,根系发育 5152
拟南芥 - pCAMBIA2300 DREB1A rd29A 干旱 渗透液积累较多,脯氨酸较多;高RWC;低EL;叶绿素还原较少;根:生枝比,根体积; 55
- LBA4404 pCAMBIA1301 PDH45 CaMV35S 干旱 改善细胞水平耐受性 56
大肠杆菌 - pCAMBIA1380 mtlD CaMV35S 干旱 增加甘露醇的积累和ROS清除活性 59
拟南芥 LBA4404 pBinAR AtNAC2 CaMV35S 干旱 更高的CSI, RWC,降低RWL; 57
Macrotyloma uniflorum EHA105 pCAMBIA2301 MuNAC4 CaMV35S 干旱 促进侧根生长,增强抗氧化酶调节,调节渗透,减少膜损伤 32
节细菌属pascens LBA4404 pHS724 考克斯 2 xcamv35s 盐度 甘氨酸甜菜碱合成 63
蓬子有腕门 LBA4404 pCAMBIA1301 pAPX CaMV35S 盐度 较高的叶绿素含量、RWC、茎长、茎重和根重;减少电解质泄漏; 35
拟南芥 EHA105 pGreen0029, pSoup HDG11 rd29 干旱和盐度 抗氧化酶、脯氨酸含量较高;根系较长;比叶面积增加;气孔密度降低;更高的光合速率;增加内在水分利用效率 72
拟南芥 LBA4404 pPZP212 AVP1 CaMV35S 干旱和盐度 生物量和较高的光合速率 70
拟南芥 LBA4404 pGNFA -
(pAHC17)
NHX1 CaMV35S 干旱和盐度 盐和脯氨酸积累 28
拟南芥 GV3101 pBISN1 NHX1 CaMV35S 干旱和盐度 叶绿素含量高;大的光合表面积,光合速率 65
蓬子有臂的 - pCAMBIA1301 ASR1 CaMV35S 干旱和盐度 高叶绿素,RWC;降低电解质泄漏和丙二醛含量;脯氨酸、糖和淀粉的积累;降低H2O2、O2自由基;高SOD转录水平 71
芸苔属植物carinata - pBinAR ZAT12 LEA 干旱和盐度 延迟叶片枯萎,增强渗透调节,改善水分和叶绿素的保留,减少电解质泄漏。 73
狼尾草glaucum LBA4404 pGreen0229 eIF4A rd29A 干旱,盐度和氧化应激 卓越的增长业绩,
叶绿素滞留和自由基清除。
74
2.利用多基因处理的花生转基因抗非生物胁迫
拟南芥 LBA4404 pKM12GW Dreb2a, hb7, abf3 CaMV35S 干旱和盐度 通过增加解毒酶的表达,增加细胞膜和叶绿素的稳定性,改善细胞水平的耐受性,
活性氧清除和渗透调节。
47
Oriza、马唐
狼尾草glaucum

Pisum一。
EHA105 pKM12GW OsAlfin1,
PgHSF4,
豌豆PDH45
CaMV35S,
Rd29A,
2 x35s。
干旱与氧化应激 较高的根系生长,凉爽的作物冠层,较高的RWC,增强表达HSPs, RBX1, Aldo还原酶,LEA5而且PRP2应激反应基因。对乙烯利、甲基紫精耐受 48

表1:利用基因工程技术开发了花生转基因作物,以适应不同的非生物胁迫。

花生转基因单基因抗非生物胁迫

抗旱性

异戊基转移酶(IPT)是细胞分裂素生物合成途径的关键酶,也被报道参与了干旱胁迫的耐受。成熟条件下过表达拟南芥IPT基因和胁迫诱导启动子SARK [49]导致更高的光合效率,与实验室和野外条件下干旱胁迫下的野生型植物相比,这与提高生物量有关。在减少灌溉条件下,这些转基因作物的气孔导度和蒸腾效率也较高[50].Bhatnagar等人[51]通过在两种不同启动子下过表达胁迫诱导转录因子基因DREB1A,开发了花生转基因;a). CaMV35s启动子和b). rd29A作为胁迫诱导启动子在种子萌发四周后表现出不同的生长模式。在水分胁迫条件下,转基因植物的蒸腾效率高于野生型植物,产量较高[52].在rd29A启动子下过表达DREB1A也能提高收获指数,并与较高的根冠比相关[53],并在渗湿计系统中显示出较好的深层根系[54].AtDREB1A在干旱敏感花生品种GG20中过表达可提高保水能力,通过脯氨酸积累提高叶绿素含量渗透调节[55].曼朱拉莎等人[56]过表达了一种植物DNA解旋酶基因PDH45,并报道了转基因花生在水分胁迫下增加了内在细胞水平的耐受性,还报道了转基因的绿色性质,通过保持优越的叶肉效率和低Δ13 C,可用于衡量水分利用效率(WUE)。NAC转录因子基因AtNAC2在花生中过表达后,在水分胁迫条件下,与野生型相比,花生的保水能力增强,保持绿色,膜损伤减少[57].过表达MuNAC4转基因花生表现出比野生型植物更强的侧根发育、渗透调节和更好的抗氧化防御机制,从而增强了对干旱的耐受性[32].

甘露醇,一种相容的溶质,据报道在植物缺水胁迫时积累[58].Bhauso等人[59]转化了一种细菌mtlD基因,该基因编码甘露醇1-磷酸脱氢酶,该酶可将甘露醇1-磷酸转化为甘露醇[60]变成落花生。mtlD基因过表达转基因甘露醇生物合成量比野生型增加1.3 ~ 1.8倍,与耐旱性呈正相关。这些mtlD过表达的花生转基因材料也被报道保持得更好光合作用在干燥实验中,与野生型植物相比,机械和减少了氧化损伤[61].从大叶花生(Macrotyloma uniflorum)中分离到一个新的植物特异性转录因子WRKY3,用于花生转基因的开发。在干旱胁迫条件下,MuWRKY3转基因基因通过积累渗透物、ROS清除系统和抗氧化机制提高了细胞水平的耐受性[62].

耐盐应力

关于花生抗盐胁迫转基因的报道只有两篇。Vadawale等人[63]过表达了一种功能性酶胆碱氧化酶(COX),据报道,这种酶与甜菜碱生物合成有关。甜菜碱是植物在非生物胁迫下合成的渗透保护剂之一,主要是在盐胁迫下[64].他们报告了转基因植物在100 mM NaCl胁迫下的存活率,而未转基因植物则表现出叶片边缘卷曲和烧焦的现象。他们将这些结果与COX基因的过表达和甜菜碱合成的增加联系起来[63].在150 mM NaCl胁迫下,表达AtNHX1的花生植株生长良好,光合速率、气孔导度和蒸腾速率较高[65].盐生植物Salicornia brachiate过氧化物酶(pAPX)基因的过表达使花生在150 mM NaCl胁迫下的叶绿素含量和RWC高于WT,电解质泄漏减少[35].

抗多种非生物胁迫

干旱和盐度是主要的非生物胁迫;大约8.3亿公顷。均受到土壤盐度的影响[66]影响到印度约761万公顷土地[67]在世界范围内,20%的陆地表面在任何时候都受到干旱的影响[68].因此,开发具有多重非生物胁迫耐受性的花生转基因作物对作物改良具有重要意义。

NHX1是Na+/小时+反转运蛋白存在于液泡膜上,参与钠的区隔化+离子进入液泡,对植物细胞有害[69].拟南芥NHX1基因在花生中过表达可以通过吸收更多的Na来提高耐旱性和耐盐性+在胁迫条件下,液泡中脯氨酸的积累比野生型植物多。在高浓度NaCl (200 mM)胁迫和干旱胁迫下,转基因植株也能存活,而WT植株则无法存活[28].另一种来自拟南芥液泡膜蛋白H+-焦磷酸酶是一种由AtAVP1编码的质子泵,通过农杆菌介导的基因转化将其转移到花生中,与野生型相比,转基因花生在干旱和盐胁迫下均保持了形态性状。胁迫条件下转基因植物较高的叶绿素含量、光合效率和蒸腾速率均支持上述结果[70].Tiwari等人[71]通过过表达SbASR-1基因,开发了花生转基因技术。SbASR-1基因是从咸水杨(Salicornia brachiata)中克隆的,该基因编码脱落酸胁迫成熟1 (ASR-1)蛋白,是LEA家族中的一组蛋白。与野生型植物相比,在盐胁迫和干旱胁迫条件下,转基因植物的叶绿素含量减少较少,保水能力较高,脯氨酸、可溶性糖等溶质相容性更好。花生中Prd29A: AtHDG11基因盒的过表达导致多个非生物耐胁迫基因的上调[72],它们负责抗氧化酶的表达、相容溶质的积累、ROS清除酶以及在干旱和盐胁迫条件下提高内在水分利用效率的基因。在干旱和盐胁迫条件下,这些发现与更健康的形态性状和产量呈正相关[72].

据报道,在LEA启动子下过表达BcZAT12的花生转基因在NaCl和PEG胁迫下通过积累更多的脯氨酸和提高渗透调节和保水能力,赋予了多重非生物胁迫耐受力。这些转基因也显示了增加的表达抗氧化剂酶系统和更好的表型性状,如较少的叶片枯萎,这与胁迫条件下较少的叶绿素减少有关[73].真核翻译起始因子基因(eIF4A)狼尾草glaucumSanthosh Rama Bhadra Rao等人报道转化为花生并赋予非生物耐受力[74].在模拟胁迫条件下,通过保持较高的膜完整性和优越的表型性状,转基因植株保持了较高的叶绿素保留率,增加了抗氧化酶的表达,并改善了水分保持性。

花生抗非生物胁迫的多基因转基因研究

非生物胁迫宽容是一个复杂的现象,涉及到许多基因及其产物的参与[7576].科学家们通过操纵参与生化途径的单个基因或调控下游基因,在几种植物物种中开发了数百种转基因技术。这些转基因成功地赋予了对特定胁迫的耐受性,但没有达到所需的多重胁迫耐受性水平[77].为了获得作物的多重抗胁迫能力,研究人员致力于将多个基因同时引入植物系统。目前研究人员主要采用的多基因转移方法有三种:常规方法、再转化和共转化,其中共转化是可靠且省时的选择[78].共转化是指采用多点克隆方法将两个或两个以上的基因同时由一个单独的载体携带,或将所有基因同时由一个载体携带。在多位点克隆策略中,两个或多个基因通过经典的限制消化和连接反应或涉及重组的先进网关克隆技术连接在一个载体上。多基因转移在作物植物中的应用已有多篇报道,本文综述了利用多基因转移实现花生抗非生物胁迫转基因的研究进展。

普鲁特维等人[47]利用改良GATEWAY克隆技术,在本构启动子CaMV35s下共表达拟南芥TF基因AtDREB2A、AtHB7和AtABF3,构建了花生品种TMV2 [37]并赋予转基因植物更好的耐旱性和耐盐性。这些TFs基因的共表达有助于减少细胞膜损伤并保持较高的叶绿素含量。他们还改变了几个下游基因的表达,这些基因涉及获得性耐受力(GRX,醛还原酶,丝氨酸苏氨酸激酶样蛋白,Rbx1,脯氨酸氨基肽酶,HSP70, DIP和Lea4),渗透压产生显示了在应激条件下提高的细胞水平耐受力。同时表达从不同来源植物中克隆的Alfin1、PgHSF4和PDH45基因,并在3种不同表达元件下过表达,构建了花生多基因转基因。在缺水条件下,转基因植株表现出较野生型植株更高的生长和生产力,从而提高了抗逆性。在水分胁迫下,转基因植株根系生长加快,冠层温度降低,RWC提高。转基因植物表现出乙烯利和甲基紫精诱导的氧化胁迫耐受性提高,tf对几种胁迫响应基因的下游调控揭示了转基因植物通过减少氧化损伤来增强抗旱性[48].

结论

目前综述了花生转基因中过表达酶、渗透保护剂和转录因子编码基因的研究进展,这些基因在干旱、盐度和氧化应激等非生物胁迫中起调控作用。与单基因转基因相比,表达多基因的转基因植物被证明具有更高的抗非生物胁迫能力。因此,多基因转基因技术是提高花生等半干旱作物非生物胁迫耐受性以克服气候变化不利条件的可行选择。多个基因的叠加和表达也提供了对多种非生物胁迫的耐受性。此外,多基因策略的优势在于它具有成本效益,节省时间,减少了几个可选择标记的使用,而且多个基因叠加在一起可以最大限度地减少基因在后代中分离的机会。

鸣谢

BV非常感谢CSIR-SRF奖学金(编号:09/383(0051)/2016-EMR-I), CS感谢DBTGOI的财政支持(BT/PR15503/AGR/02/913/2015)。日期:09-05-2017)。AMAJS承认来自新德里UGC的DS Kothari博士后奖学金(BL/16-17/0364)。

参考文献

全球科技峰会