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植物抗病基因工程的研究进展及前景展望

时间:2005-11-14 08:43来源:中国水稻信息网 作者:bioguider 阅读:
        引言  

        植物病害给人类带来严重的危害,因而人类与植物病害的斗争贯穿于农业的发展与进步之中。兴起于20世纪初期的经典遗传学使人们能够通过杂交育种成功地培育出新抗病品种,大幅度地提高粮食产量。近年来,分子生物学理论和技术的不断发展完善,使人们不但能够从分子水平上进一步研究植物与病原菌的相互作用机制,而且还可以通过基因工程这一现代生物技术直接、快速和高效地培育抗病作物品种。  

        1 植物抗病基因工程的原理  

  植物抗病基因工程指的是用基因工程(遗传转化)的手段提高植物的抗病能力,获得转基因植物的方法。植物抗病基因工程主要包括以下内容:抗病及其他相关基因的分离和克隆;与合适的载体及标记基因构成适于转化的重组质粒;用不同的转化方法向受体植物导人重组质粒;筛选转化子并鉴定转基因植株。此外,还有一种可以获得抗病转基因植物的方法是将具有抗病能力的植物或微生物的  DNA  直接导入受体植物,从后代中筛选具有抗病能力的个体,经过稳定得到转基因抗病植株。  

        2  利用基因沉默技术培育抗病作物  

  据美国加利福尼亚大学戴维斯分校  (UC  Davis)  的科学家宣称,利用“基因沉默”技术,可以培育抗细菌病害的作物品种,使很多种多年生果树和坚果树包括核桃、苹果和葡萄等,免于催患细菌性根癌病。UC  Davis  果树学系的科学家  Abhaya  Dankekar  和  Matthew  EsCovbar  发现,“基因沉默技术可用于抑制细菌性根癌病时的肿瘤形成”。果树基因工程权威  Dandeka  :教授说:“基因沉默是当前植物科学中最吸引人的技术之一。”细菌性根癌病是由常见的土壤细菌根癌土壤杆菌(根癌农杆菌)  (Agrobacterium  tume  faciens)  引起的。这种细菌具有通过水平基因转移过程,将其自身的  DNA  转移于其所感染的植物的  DNA  的独特能力。通过这种特殊的寄生方式,根癌土壤杆菌可使受感染的植物形成根癌。科学家们用番茄和拟南芥为实验材料。通过中断或抑制目标基因的活性,达到“基因沉默”。选定的目标是两种可导致植物生长激素过度产生的细菌基因,因为植物生长激素的过度产生,可导致细胞无控制地增殖和根癌形成。  

  利用“基因沉默”技术育成的基因工程植物,虽可被根癌土壤杆菌感染,但不会产生导致根癌形成的激素。已证明,与对照比较,基因工程番茄和拟南芥植株中根癌的形成减少了90%以上。但这些基因工程植物,除了不会产生根癌外,其他方面与其非转基因对照完全相同。“基因沉默”技术可用于利用砧木进行嫁接的果树。  

        3 用于植物抗病基因工程的目的基因  

        3.1 植物抗病基因  

  狭义上的抗病基因  R(resistance  gene)  是指寄主体内能特异性识别病原并激发抗病反应的基因,它与病原菌的无毒基因  Avr  (avirulence  gene)  互补。编码胞外和胞内两种类型的受体蛋白,是抗病反应信号转导链的起始组份,当与病原菌的无毒基因直接或间接编码产物(配体)互补结合后,启动并传导信号,激发如过敏反应  HR  (hypersensitive  osponse)  和系统获得抗性  SAR  (System  acquired  resistance)  的抗病反应。由于  R  基因是一类诱导表达的不知产物和性质的基因,传统的基因分离方法不再适合。因此分离  R  基因一直是个难题。第一个植物  R  基因  Hml  是1992年  Johal  等用转座子标签法  (transposon  tagging)  克隆到的。近年来随着图位克隆  (positional  cloning)  等方法在  R  基因分离上的成功应用,已先后分离出近20个抗病基因。  

        3.2 病原体无毒基因  

     目前无毒基因在植物抗病基因工程上的实际应用远比植物本身的抗病基因广,且有良好的应用前景,因此对无毒基因的克隆具有重要的意义。克隆无毒基因主要有:(1)基因库互补法。通过细菌交配实验,将一个病原菌小种基因文库的克隆互补到另一个小种菌株中,从而使后者的寄主特异性发生改变而进行克隆;(2)产物导向法。根据无毒基因编码的产物性质,先分离无毒基因的转录产物合成寡核苷酸探针,然后从病原菌基因组文库或  cDNA  文库中筛选无毒基因克隆。Avr4  和  Avr9  便是用此方法克隆到的;(3)转座子标签法。与  R  基因转座子标签法克隆方法类似,只是所用的是原核生物转座子如Tn5。  

        3.3 植物防卫反应基因  

  植物的防卫机制极其复杂,包括水解酶和病程相关蛋白  (PR蛋白)  的产生、植物保卫素的合成和积累、细胞壁的木质化作用以及富含轻脯氨酸糖蛋白在细胞壁的积累等许多方面。这里主要介绍植物产生的水解酶和PR蛋白。  

        3.3.1 几丁质酶基因和葡聚糖酶基因  几丁质酶  chitinase  和葡聚糖酶在正常情况下只在植物体内有低水平的组成型表达。但病原菌侵染、诱导物处理及各种伤害可诱导产生高水平的  chitinase  和葡聚糖酶。这两种酶的作用底物在植物中不存在,但存在于大多数真菌的细胞壁中。纯化的几丁质酶和葡聚糖酶单独或同时存在,都能抑制病原真菌的生长。自1986年  schlumbaum  等首次报道提纯的菜豆几丁质酶具有抗真菌活性以来,已经相继从菜豆、水稻、烟草、油菜、马铃薯、小麦、玉米和甜菜等多种植物中克隆到了几丁质酶基因,对立枯丝菌等20多种真菌表现出体外抑菌活性。一些葡聚糖酶基因也从大豆、大麦、烟草等作物中分离,与合适的启动子构建重组质粒后转化植物获得了转基因植物。  (责任编辑:泉水)
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