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一種抗逆融合基因（WX02）的創(chuàng)制及其在抗逆優(yōu)質(zhì)作物育種中的應(yīng)用項(xiàng)目

鹽堿、干旱、高溫、凍害和洪澇等逆境脅迫嚴(yán)重影響作物的正常生長發(fā)育，是造成農(nóng)作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降的主要原因之一，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。另一方面，對(duì)于糧食作物和多數(shù)經(jīng)濟(jì)作物來說，其功能葉片中的同化產(chǎn)物和衰老葉片中的營養(yǎng)物質(zhì)不斷向產(chǎn)量器官的轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的形成具有重要的作用，作物的過早衰老不僅直接影響糧食作物的產(chǎn)量和品質(zhì)等要素，對(duì)于綠葉類作物和觀賞花卉還會(huì)影響到其貨架壽命以及觀賞價(jià)值等。克隆葉片衰老和逆境抗性相關(guān)基因，并利用生物工程技術(shù)調(diào)控其在主要經(jīng)濟(jì)作物中的表達(dá)方式和表達(dá)水平，是提高和穩(wěn)定作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)性狀的有效手段，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，很多衰老或逆境抗性相關(guān)基因在植物細(xì)胞中高表達(dá)后，在增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株對(duì)特定脅迫的抗性、延緩植株衰老的同時(shí)，往往伴隨著對(duì)植株正常生長和發(fā)育的不利影響，如導(dǎo)致植株矮小、生長遲緩或產(chǎn)量下降等，導(dǎo)致該基因無法直接應(yīng)用于抗逆作物的培育。如果可以特異性地表達(dá)這些基因，讓它們?cè)谔囟ǖ陌l(fā)育階段或脅迫條件下高表達(dá)，而在正常的生長過程中維持在較低的基礎(chǔ)水平，可以大大提高它們?cè)诨蚬こ讨械膽?yīng)用性。課題組前期克隆了一個(gè)植物葉片衰老的負(fù)調(diào)控因子。在轉(zhuǎn)基因植物中過表達(dá)該基因可以顯著延緩植物的衰老，并賦予植物對(duì)高鹽、干旱等脅迫的抗性，但是，轉(zhuǎn)基因植物的生長發(fā)育受到明顯抑制，導(dǎo)致該基因無法被直接應(yīng)用于抗逆作物的育種工作。課題組前期還分離鑒定了一段含有 14 個(gè)氨基酸的多肽序列，命名為 WX01。我們對(duì) WX01的功能研究發(fā)現(xiàn)其包含獨(dú)特的蛋白降解信號(hào)，能夠響應(yīng)發(fā)育與環(huán)境信號(hào)，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控與它融合的目的蛋白的穩(wěn)定性，從而使目的蛋白在光下正常旺盛生長的植株中降解、但在啟動(dòng)衰老或者高鹽、高溫和失水等多種逆境脅迫條件下特異積累。我們利用 WX01 與前述衰老負(fù)調(diào)節(jié)因子構(gòu)建了融合基因 WX02，并轉(zhuǎn)入模式植物擬南芥中，發(fā)現(xiàn)該融合基因可以恢復(fù)衰老負(fù)調(diào)節(jié)因子積累造成的植株矮小、生長抑制的表型，但是保留了其延緩衰老、促進(jìn)光合和提高轉(zhuǎn)基因植物對(duì)高鹽、干旱等逆境脅迫的抗性的功能。課題組進(jìn)一步將 WX02 融合基因轉(zhuǎn)入經(jīng)濟(jì)作物大豆中進(jìn)行功能驗(yàn)證，獲得了可穩(wěn)定遺傳的多個(gè)株系單拷貝純合轉(zhuǎn)基因大豆材料。對(duì)轉(zhuǎn)基因大豆的表型分析同樣證明，WX02 轉(zhuǎn)基因大豆對(duì)高鹽、干旱脅迫的抗性顯著提高。上述研究結(jié)果表明 WX02 融合基因在抗逆轉(zhuǎn)基因作物新品種培育中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。圍繞該項(xiàng)目已經(jīng)申請(qǐng)了 2 項(xiàng)國家發(fā)明專利，1 項(xiàng)國際 PCT 專利，其中 1 項(xiàng)國家發(fā)明專利已經(jīng)獲得授權(quán)。

南開大學(xué) 2021-04-13

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