生物技術(shù)在植物抗逆性上的應(yīng)用

關(guān)于生物技術(shù)在植物抗逆性上的應(yīng)用第1頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月植物的抗逆性是指植物具有的抵抗不利環(huán)境的某些性狀；如抗寒，抗旱，抗鹽，抗病蟲(chóng)害等。目前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的能提高植物抗逆性的技術(shù)手段主要有基因工程，能影響植物抗逆性的物質(zhì)主要有激素、活性氧、稀土元素等。第2頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月植物抗逆性的分子機(jī)制植物的抗逆性是由多基因控制，且脅迫因子對(duì)植物的傷害結(jié)果具有一致性。植物具有多種抗逆方式，但在干旱、鹽、低溫誘導(dǎo)的抗性具有共同的基因作用機(jī)制。干旱、鹽、低溫等脅迫因子作用于植物常引起滲透脅迫，植物體內(nèi)會(huì)合成調(diào)節(jié)滲透作用的小分子物質(zhì)。在干旱、高鹽、低溫等逆境脅迫下，體內(nèi)會(huì)新合成蛋白質(zhì)或原有的蛋白質(zhì)合成量增多。第3頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的小分子有機(jī)質(zhì)的合成作用機(jī)制：干旱、鹽、低溫等脅迫因子作用于植物常引起滲透脅迫，植物體內(nèi)會(huì)合成調(diào)節(jié)滲透作用的小分子物質(zhì)。通過(guò)滲透調(diào)節(jié)以降低水勢(shì)，保證細(xì)胞正常的生理功能。與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的小分子有機(jī)物包括三類(lèi)：

①氨基酸類(lèi)（如脯氨酸）②糖類(lèi)（如甜菜堿、海藻糖）③醇類(lèi)（如多元醇）第4頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月脯氨酸正常生長(zhǎng)條件下，植物體內(nèi)脯氨酸含量較低，在逆境條件下，其含量增加。脯氨酸合成途徑：①鳥(niǎo)氨酸途徑②谷氨酸途徑脯氨酸合成過(guò)程中涉及兩個(gè)重要的酶：吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR).脯氨酸分解途徑中的主要基因?yàn)镻roDH基因.脅迫條件下,植物中脯氨酸的積累是兩種途徑相互調(diào)控的結(jié)果,即增加脯氨酸合成酶基因的表達(dá)量,同時(shí)抑制脯氨酸降解酶的活性.脯氨酸的誘導(dǎo)合成與植物的抗逆性增強(qiáng)呈正相關(guān).第5頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月與抗逆相關(guān)的蛋白的合成植物在干旱、高鹽、低溫等逆境脅迫下,體內(nèi)出現(xiàn)一些新合成或原有的蛋白質(zhì)合成量增多.這些蛋白質(zhì)可分為兩大類(lèi):(1)功能蛋白,如水通道蛋白、LEA蛋白、調(diào)滲蛋白、抗氧化酶;(2)調(diào)節(jié)蛋白:如轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶、磷脂酶C和一些信號(hào)分子.第6頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月信號(hào)傳導(dǎo)途徑（1）蛋白激酶與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)植物體感受外界脅迫信號(hào),啟動(dòng)或關(guān)閉某些相關(guān)基因,以達(dá)到抵御逆境的目的.蛋白激酶在信號(hào)傳遞過(guò)程中具有重要作用包括：與感受發(fā)育和環(huán)境脅迫信號(hào)有關(guān)的受體蛋白激酶(RPK)、與植物對(duì)干旱、高鹽、低溫等反應(yīng)的信號(hào)傳遞有關(guān)的促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)及鈣依賴而鈣調(diào)素不依賴的蛋白激酶(CDPK)等目前已從擬南芥中已分離到為數(shù)較多的能被干旱、高鹽、低溫、脫落酸（ABA）誘導(dǎo)的蛋白激酶基因第7頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）SOS信號(hào)傳導(dǎo)途徑鹽脅迫下,細(xì)胞內(nèi)的離子平衡的調(diào)節(jié)對(duì)于植物的耐鹽性十分重要通過(guò)對(duì)獲得的擬南芥突變體研究,定義了五個(gè)耐鹽基因:SOS1、SOS2、SOS3、SOS4、SOS5,其中SOS1、SOS2、SOS3三個(gè)基因參與介導(dǎo)了細(xì)胞內(nèi)離子平衡的信號(hào)傳導(dǎo)途徑.第8頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、基因工程提高植物抗逆性二、植物激素提高植物抗逆性三、活性氧的清除與植物的抗逆性四、稀土與植物的抗逆性第9頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、基因工程提高植物抗逆性目的基因的篩選與修飾外源基因?qū)胫参镛D(zhuǎn)基因細(xì)胞的鑒定第10頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、目的基因的篩選與修飾目的基因：遺傳物質(zhì)中與抗性機(jī)理有關(guān)的基因抗寒基因：sacB基因（枯草芽孢桿菌）抗旱基因：膽堿單加氧酶基因（煙草）耐淹基因：pcdⅠ，pcdⅡ，pcdⅢ（水稻）耐鹽基因：羧酸合成酶基因，磷酸合成酶基因（鹽地堿蓬）第11頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目的基因經(jīng)體外切割、拼接、重組引入受體細(xì)胞選用適當(dāng)?shù)膯?dòng)子（使目的基因在受體細(xì)胞中更好的表達(dá)）切去原基因的啟動(dòng)子和內(nèi)含子將選好的啟動(dòng)子連接到目的基因上第12頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、外源基因?qū)胫参锿庠椿驅(qū)胫参锏脑|(zhì)體、細(xì)胞、組織：葉盤(pán)法、聚乙二醇法、微注射法、電穿孔法、超聲波法、粒子轟擊法、超聲波法外源基因直接導(dǎo)入植物體：花粉管通道法、粒子轟擊法、浸泡法、注射法第13頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、轉(zhuǎn)基因細(xì)胞的鑒定為檢測(cè)外源基因是否已經(jīng)進(jìn)入細(xì)胞并獲得表達(dá)，必需對(duì)轉(zhuǎn)基因細(xì)胞進(jìn)行鑒定。目前采用報(bào)告基因檢測(cè)法報(bào)告基因:檢測(cè)外源基因?qū)胫参锛?xì)胞后是否具有功能的一種指示基因，通過(guò)檢測(cè)報(bào)告基因的表達(dá)，可以了解與其相連的外源基因的表達(dá)。第14頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氯霉素已酰轉(zhuǎn)移酶基因（CAT），使氯霉素轉(zhuǎn)化成3-已酰氯霉素和1，3-二已酰氯霉素，從而使氯霉素失活，因此凡是進(jìn)入植物細(xì)胞并抗氯霉素的，說(shuō)明外源轉(zhuǎn)基因已經(jīng)表達(dá)。其他的報(bào)告基因：新霉素磷酸轉(zhuǎn)移酶基因（NPT），熒光素酶基因第15頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、植物激素提高植物抗逆性脫落酸（ABA）提高植物抗逆性多胺提高植物抗逆性乙烯提高植物抗逆性細(xì)胞分裂素提高植物抗逆性第16頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1、脫落酸（ABA）提高植物抗逆性

脫落酸（ABA）是20世紀(jì)60年代最初認(rèn)為它是一種生長(zhǎng)抑制物質(zhì)．隨著研究的不斷深入．發(fā)現(xiàn)ＡＢＡ在植物干旱、高鹽、低溫和病蟲(chóng)害等逆境脅迫反應(yīng)巾起重要作用。

逆境下，植物啟動(dòng)脫落酸合成系統(tǒng)，合成大量的脫落酸，促進(jìn)氣孔關(guān)閉，抑制氣孔開(kāi)放。促進(jìn)水分吸收，并減少水分運(yùn)輸?shù)耐緩?，增加共質(zhì)體途徑水流。降低ＬＥＲ（葉片伸展率），誘導(dǎo)抗旱特異性蛋白質(zhì)合成，調(diào)整保衛(wèi)細(xì)胞離子通道，誘導(dǎo)ＡＢＡ反應(yīng)基因改變相關(guān)基因的表達(dá)，增強(qiáng)植物抵抗逆境的能力。

第17頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

抗旱：

根源信號(hào)物質(zhì),經(jīng)木質(zhì)部蒸騰流到達(dá)葉的保衛(wèi)細(xì)胞,抑制內(nèi)流K+通道和促進(jìn)蘋(píng)果酸的滲出使保衛(wèi)細(xì)胞膨壓下降,引起氣孔關(guān)閉,蒸騰減少。在部分根系受到水分脅迫時(shí),即使葉片的水勢(shì)不變,葉片下表皮中的ABA也增加,伴隨的是氣孔適度關(guān)閉。

抗寒：

ABA在寒冷條件下可以通過(guò)促進(jìn)水分從根系向葉片的輸送以提高細(xì)胞膜的通透性、增加植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量和迅速關(guān)閉氣孔以減少水分的損失、增加膜的穩(wěn)定性以減少電解質(zhì)的滲漏。第18頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、多胺提高植物抗逆性

在逆境條件下,植物會(huì)改變生長(zhǎng)和發(fā)育類(lèi)型以適應(yīng)環(huán)境。許多研究表明,在各種逆境協(xié)迫下,植物體中多胺水平及其合成酶活力會(huì)大量增加,以調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)、發(fā)育和提高其抗逆能力,這種反應(yīng)對(duì)逆境條件下的植物可能有意義。

多胺合成代謝中的3個(gè)關(guān)鍵酶ADC、ODC、SAMDC已在許多植物中得到了純化和鑒定,它們的基因也從多種植物中克隆,并采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了一些認(rèn)為多胺可提高植物抗性的證據(jù),采用各種手段分子生物學(xué)的方法研究多胺對(duì)植物作用的多樣性和提高植物抗脅迫的分子機(jī)制、多胺作用的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是值得考慮的。第19頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

多胺提高植物的抗逆性其機(jī)制可能是:①通過(guò)氣孔調(diào)節(jié)和部分滲透調(diào)節(jié)控制水分的丟失。多胺以保衛(wèi)細(xì)胞中向內(nèi)的K+-通道作為靶點(diǎn),調(diào)節(jié)氣孔的運(yùn)動(dòng)。多胺還可作為滲透調(diào)節(jié)劑,其積累可增加細(xì)胞間滲透,部分調(diào)節(jié)水分丟失。②調(diào)節(jié)膜的物理化學(xué)性質(zhì)。多胺可與膜上帶負(fù)電荷的磷脂及其他基團(tuán)結(jié)合,影響了膜的流動(dòng)性,同時(shí)也間接地調(diào)節(jié)膜結(jié)合酶的活性。③可影響核酸酶和蛋白質(zhì)酶特別是與植物抗逆性有關(guān)的保護(hù)酶活性,保護(hù)質(zhì)膜和原生質(zhì)不受傷害。④清除體內(nèi)活性氧自由基和降低膜脂過(guò)氧化。⑤調(diào)節(jié)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯過(guò)程。第20頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、乙烯提高植物抗逆性

逆境乙烯在生物學(xué)系統(tǒng)中充當(dāng)一個(gè)信號(hào)分子的角色,具有遇激而增,信息應(yīng)變的性質(zhì)和作用。各種環(huán)境脅迫都能引起乙烯產(chǎn)生量的增加,如:機(jī)械脅迫、低溫、水、鹽、干旱等都能使一些植物的乙烯增加。

乙烯大量生成后,主要生理作用有:1、通氣組織的發(fā)生和發(fā)展;2、刺激不定根的生成。第21頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

干旱脅迫下施用乙烯不僅改善了植物體內(nèi)水分狀況,而且刺激了體內(nèi)保護(hù)物質(zhì)的合成累積,穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu);同時(shí),保護(hù)物質(zhì)的存在也會(huì)加快壁物質(zhì)的填充,進(jìn)而增加壁的可塑性。

有試驗(yàn)表明,在干旱處理前用不同濃度的乙烯利處理玉米幼苗,能顯著改變其體內(nèi)的相對(duì)含水量和滲透調(diào)節(jié)能力,增強(qiáng)其抗旱性。乙烯提高玉米幼苗抗旱性的生理基礎(chǔ)可能是通過(guò)脯氨酸、SOD和POD的抗氧化作用保護(hù)細(xì)胞膜免受破壞或破壞程度受到削弱而提高抗旱性。第22頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、細(xì)胞分裂素提高植物抗逆性

CTK在植物多種脅迫中起到從根到冠的信息介質(zhì)的作用,溫度逆境、水分虧缺、鹽脅迫均使CTK含量發(fā)生變化。CTK在根中合成,當(dāng)根處于缺水環(huán)境時(shí),根中CTK合成和運(yùn)輸?shù)牧繙p少,間接導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。研究表明,CTK在植物抗逆和抗病蟲(chóng)害中有獨(dú)特的作用。CTK可清除自由基,減少脂質(zhì)過(guò)氧化作用,提高SOD等膜保護(hù)酶的活性,改變膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物、膜脂肪酸組成的比例,保護(hù)細(xì)胞膜,促進(jìn)冷后水稻幼苗的生長(zhǎng),也可改變過(guò)氧化物酶等的活性,提高淹水后大麥和小麥的抗?jié)常黾佑衩椎漠a(chǎn)量。

第23頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

植物在受到昆蟲(chóng)一定程度的取食后,可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,彌補(bǔ)因昆蟲(chóng)取食而造成的營(yíng)養(yǎng)和生殖的損失。如果植物生長(zhǎng)環(huán)境良好,促進(jìn)作用所增加的生長(zhǎng)量可能超過(guò)取食的損失,對(duì)植物的生長(zhǎng)和生存反而有利,這種現(xiàn)象被稱之為植物的超越補(bǔ)償反應(yīng)，CTK在該調(diào)控系統(tǒng)中承擔(dān)重要作用。

植物在遭受昆蟲(chóng)取食后可通過(guò)降低氣孔擴(kuò)散阻力而提高光合作用,這是因?yàn)槭Ｓ嗳~片的CTK含量增加,有效地促進(jìn)氣孔開(kāi)放,抑制氣孔關(guān)閉,加上地上部分遭受損失后,葉對(duì)根源CTK的相互競(jìng)爭(zhēng)減少,從而相對(duì)增加CTK的供應(yīng)。第24頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、活性氧的清除與植物的抗逆性

正常情況下,細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除是處于一種動(dòng)態(tài)平衡.但植物在遭受逆境脅迫時(shí),這種平衡遭到破壞,活性氧的積累導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化,攻擊膜擬質(zhì)雙分子層中的不飽和脂肪酸,造成膜系統(tǒng)的傷害,最終致使植物受到傷害。第25頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、酶促清除系統(tǒng)與植物的抗逆性

在各種酶促清除系統(tǒng)中SOD處于第一道防線,能清除氧自由基并產(chǎn)生歧化物過(guò)氧化氫,對(duì)二者的濃度起支配作用。第26頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月另一種重要酶就是作為葉綠體過(guò)氧化氫分解系統(tǒng)關(guān)鍵酶—抗壞血酸過(guò)氧化物酶(ASA-POD)ASA作為電子供體第27頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、非酶促清除系統(tǒng)與植物的抗逆性

植物體內(nèi)除上述兩種清除活性氧的保護(hù)酶外,一些非酶促清除劑就是體內(nèi)大量存在的抗氧化劑，如抗壞血酸(ASA)、類(lèi)胡蘿卜素(CAR)、還原型谷朧甘膚(GSH)、谷朧甘膚還原酶(GR)等也能與活性氧反應(yīng),清除活性氧,從而降低或清除膜脂過(guò)氧化作用,對(duì)膜脂起保護(hù)作用。第28頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月29ASA與GSH偶聯(lián)反應(yīng)清除過(guò)氧化氫和氧自由基的機(jī)制如圖抗壞血酸（ASA）與還原型谷胱甘肽（GSH）偶聯(lián)反應(yīng)第29頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月除上述一些保護(hù)酶和抗氧化劑能清除活性,增強(qiáng)植物抗逆性外，有研究表明：細(xì)胞分裂素噴株能明顯促進(jìn)受澇玉米葉片SOD活性上升,阻止膜脂過(guò)氧化,從而增強(qiáng)對(duì)澇潰的抗逆性.油菜素類(lèi)醋類(lèi)物質(zhì)噴施澇漬小麥,可使其SOD活性有所上升，MDA含量及質(zhì)膜透性降低.第30頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一些內(nèi)源活性氧清除劑在逆境脅迫中使植物在一定程度上提高了抗性.這些活性氧清除劑可作為抗逆性育種的指標(biāo),也可人工合成作為植物的抗逆劑或抗衰老劑第31頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、稀土元素與植物的抗逆性植物接觸致害濃度二氧化硫