植物基因工程第五章分析报告.doc

第5章抗非生物胁迫基因及应用 植物一生完全生活在绝对顺利适宜的环境中的情况是罕见的，有些植物整个生活周期都是在极严酤的环境中完成的。胁迫（stress)系指对植物生存和生长不利的各种环境因素的总和。胁迫分为生物胁迫和非生物胁迫两大类。生物胁迫是指病害、虫害和杂草。而非生物胁迫则指不利的理化因子，其详细分类见图5-1 本节分为两大部分，第一部分介绍耐除草剂（herbicide)基因及应用，笫二部分介绍抗其他非生物胁迫基因及其应用。 5.1耐除草剂基因及其应用 通过化学方法来控制杂草已成为现代化农业不可缺少的一部分。除草剂的年产量和年销售设已跃居农药之首，据估计美国每年用在除草剂上的费用大约是50亿美元。除 草剂的应用情况取决于作物对除草剂的敏感性、杂草的性质和施用除草剂的花销。那些 对威胁农业生产的重要杂草具有活性的除草剂，在除去这些杂草的同时能显著地伤害作 物，这就限制了这些除草剂的应用。 以往解决除草剂对作物伤害的途径有以下两条：一是应用对作物伤害小的除草剂和 施用方法，如用1，8-萘二甲酸酐（1, 8-napthalic anhydride)处理玉米种子，从而保护幼苗免受土壤中施用的除草剂硫代氨基甲酸盐（thiocarbamate)的毒害；二是通过杂交育种方法，把和栽培作物亲缘关系近的野生植物的对除草剂的抗性引入到栽培品种 中，如已经把对除草剂梅淬布辛（metribuzin）的抗性引入大豆的栽培品种。然而，上述途径尚未被广泛应用。 随着生物技术的发展，现在已经有能力通过遗传工程的方法来培育耐除草剂的作物 品种。这主要通过两种方法：一是通过植物组织或细胞培养，并结合理化诱变，来产生 对除草剂具有耐性的突变体；二是通过基因工程的方法，把耐除草剂基因导入现有作物 品神。对于前一种方法，有一些成功的报道。但是由于各种除草剂的作用机制不同，所 以利用这种方法来筛选对某一特定除草剂的耐性突变体是有很大难度的。植物耐除草剂 的基因工程已经取得较大成功，耐除草剂的转基因植株的出现，不仅扩大了现有除草剂 的应用范围（特别是那些既对环境安全又行之有效的除草剂，而且还影响新型除草剂 的设计和使用。 近年来，关于除草剂作用的生化模式和生物中存在的对除草剂的抗性机理的研究，为植物耐除草剂的基因工程莫定了坚实的基础。目前，耐除草剂的基因工程主要有两种策略：①修饰除草剂作用的靶蛋白（herbicide target protein〉，使其对除草剂不敏感，或促其过量表达以使植物吸收除草剂后仍能进行正常代谢；②引入酶或酶系统，在除草剂发生作用前将其降解或解毒。这两种策略都已在成功地应用。 5.1.1几种主要除草剂及其作用机理 5.1.1.1草甘膦 草甘膦（glyphosate)是一种施用于叶片的广潜、非选择性的有机磷类除草剂。它对于许多一年生和多年生杂草都有极强的控制能力。草甘瞵对动物无毐。由于其很容易 被土壤微生物所代谢，所以它在土壤中无活性。草甘膦特异性地抑制植物和细胞中莽草 酸羟基乙烯转移酶（EPSPS)的活性。EPSPS是芳香族氨基酸合成途径中的一个酶，它可逆地催化 S3P ( shikimate-3-phosphate )和PEP ( phosphoenoplpyrurate )缩合成 EPPS。在植物中，大部分EPSPS的活性中心位于叶绿体中。EPSPS是由一个具有转移肽（包含72个氨基酸）的EPSPS前体（preEPSPS)多肽来合成的。转移肽使得前EP-SPS进入叶绿体中。前EPSPS具有催化EPSPS反应的能力，而这种催化活性同样被草甘膦所抑制。 5.1.1.2磺酰脲类除草剂 磺酰脲(sulfonylurea)是一组除草剂，其典型特征是高单位活性。其中绿贫隆 (chlorsulfuron, CS,是glean中的活性成分）和甲脲磺酰甲酯(sulfometuron methyl, SM是oust中的活性成分）是两种最为人知的磺酰脲类除草剂。磺酰脲类除草剂通过抑 制支链氨基酸合成过程中的一个关键酶一乙酰乳酸合成酶(acetolactate synthetase. ALS)来表现其除草剂作用。在植物和微生物中，ALS催化支链氨基酸生物合成中共同的第一步反应，即丙酮酸和丁酮酸与活性乙醛基缩合（缩合产物分别为α-乙酰乳酸和α-乙酰-α-羟丁酸，这两种分子经过脱水和转氨作用形成缬氨酸和亮氨酸)。离体研究表 明植物中的ALS对于CS的抑制作用相当敏感（I50=18-36nmol/L)。磺酰脲类除草剂显著地抑制植物细胞的分裂，它们对于植物和微生物的毒性可能部分地与酮酸的积累有 关。 5.1.1.3草丁膦 草丁膦（phosphinothricin)是有机磷类除草剂，是非选择性广