谷氨酰胺合成酶植物基因工程应用研究进展

谷氨酰胺合成酶植物基因工程应用研究进展 谷氨酰胺合成酶植物基因工程应用研究进 展 106广东农业科学2007年第1期 谷氨酰胺合成酶植物基因工程应用研究进展 潘丽峰,李昆志,陈丽梅 (昆明理工大学生物工程技术研究中心,云南昆明650224) 摘要:简要概述了通过植物遗传操作分别增强细胞质型谷氨酰胺合成酶(Gs1)和叶绿体型谷氨酰胺合成酶(G) 在植物叶片叶肉细胞的细胞质和叶绿体中的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达水平以提高植物氮素利用率的应用研究进展. 关键词:谷氨酰胺合成酶;氮素营养;基因工程;转基因植物 中图分类号:Q789;Q946.59文献标识码:A文章编号:1004—874x(2007)01—0106—03 Progress0ngeneticengineeringlorapplication一'??一''?' 0fplantglutaminesynthetases PANLi—feng,LIKun—zhi,CHENLi—mei (B/otechno/ogyResearchCenter,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunmin g650224,China) Abstract:Thispaperreviewsthatoverexpressionofcytosolicglutaminesymhetase(GS1)an dchloroplasticglutaminesyn— thetase(GS2)atcytoplasmandchloroplastinleafmesophyllcells,respectively,cartincreaset henitrogenuseefficiency. Keywords:glutaminesynthetase;nitrogennutrition;geneticengineering;transgenicplant 谷氨酰胺合成酶(glutaminesynthetase,GS;E.C, 6.3.1.2)是第一个从植物中分离纯化和鉴定的酶,也 是第一个被发现的能将植物无机盐形式的氨催化同化 成有机氮形式的酶j.在谷氨酸合成酶的联合作用 下,GS将植物吸收的无机态氨转变成有机形式的谷氨 酰胺(Gln)和谷氨酸(Glu),在高等植物体内含氮有机 物的生物合成中作为N的供体l2j.通过对转谷氨酰 胺合成酶基因植物的研究发现,它们可以在氮含量较 低的土壤中或施用低水平氮肥的条件下生长并且获得 较高的产量.当在适宜的土壤中生长时,与对照植物 相比,它们的生长更迅速,产量更高,营养体和种子中 氮,氨基酸和蛋白的含量也较高l3_3. 1GS的种类及功能 1.1GS的种类及在细胞中的分布 GS以多种形式存在于植物体中.生化研究表明, GS同工酶因定位不同而产生差异,当GS定位于细胞 质时,GS就以细胞质型谷氨酰胺合成酶(GS1,GS3A 和Gs3B)的形式存在;当GS定位于叶绿体时,GS就 以叶绿体型谷氨酰胺合成酶(G)的形式存在l4j. 收稿日期:2006—11—06 基金项目:云南省中青年学术技术带头人后备人才培养项 目(2006py01—10) 作者简介:潘丽峰(1981一),男,硕士研究生 GS广泛分布于高等植物的种子,叶,根,根瘤和果 实等器官中.在大多数植物叶片中,GS主要以GS1 和GS2形式存在,但也有少数植物叶片中只有 GS2~sj.在植物的根中,GS同样以GS1和GS2形式 存在,但以GS1为主.根瘤和种子萌发的子叶中,GS 以细胞质GS3A和GS3B的形式大量表达[6-7j. 1.2GS的功能 GS在植物发育过程的许多器官中具有活性.对 豌豆,水稻,拟南芥,豆类,玉米和大豆等高等植物GS 研究表明,GS1和GS2的生理功能与它们存在的组织 和细胞特异性表达模型相关;叶绿体型GS2大量存在 于叶肉细胞中,而细胞质型GS1存在于叶肉细胞中比 较少,主要存在于韧皮筛管中【5,.由于GS1在植物 的根中大量存在,其主要功能是催化根中硝酸盐还原 的铵和从土壤中吸收的铵同化成有机形态氮[;在豆 科植物的根瘤中,GS1催化同化根瘤菌固定的氨[10]; 在发芽的子叶中,GS1催化同化活化的含氮储存 物;GS2主要分布于植物的叶中,其主要功能是在 叶绿体再同化光呼吸过程中释放出的氨中起作用[12]. GS的不同功能由不同的GS同功酶形式承担,这 些同功酶来自不同基因表达差异【6,13j.在豌豆,菜豆 属以及拟南芥中,叶绿体型GS2是由单个核基因编码 的,而在这些品种中,细胞质型GS是由多个基因编码 的.在体外和转基因植物体内对这些GS基因的 表达分析有助于阐明不同GS形式在植物氮代谢中的 作用. 豌豆GS基因家族由4个不同的但同源的核基因 组成.其中3个编码细胞质型GS同功酶,1个编码叶 绿体型GS2[6,15].Northern杂交分析表明,叶绿体型 GS2基因在叶中因植物光敏色素和光呼吸效应进行光 依赖表达[16].细胞质型GS的3个基因(GS1,GS3A 和GS3B)也表现出不同的功能.尽管GS1在根瘤中 也表达,在根中它是主要的同工酶.GS3A和GS3B在 根瘤和种子萌发时子叶中大量表达【6'l6J.尽管GS3A 和GS3B在基因序列上几乎一致,基因特异性S1一核 酸酶分析表明,GS3A基因的表达一直比GS3B基因 高[.用启动子一GUS融合基因和转基因植物分析 表明叶绿体型GS2只在光合成细胞中表达,细胞质型 GS3A在大多数器官中只在维管韧皮部细胞中表达. GS3A同样在根和根瘤分生组织中大量表达J.从细 胞类型和器官水平的紧密控制调节看,GS的不同基因 在氨同化中承担着相互不重叠的功能. 2过量表达GS基因提高植物氮素利用率基 因工程 GS是植物氮同化过程的关键酶,因此,植物氮素 营养基因工程将通过植物基因工程 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 研究GS在植 物氮素营养代谢中的作用,改变植物氮代谢途径中GS 在氮同化中的表达水平,或在植物中异位表达其他物 种来源的基因,如细菌等的氮同化和利用的酶来增加 额外的氮同化途径,达到提高植物氮素同化和利用能 力,促进植物生长目的J. 2.1异位过量表达GS1基因增强植物氮素利用能力 植物光呼吸过程中,氨在线粒体中被释放并累积 起来,释放的总量可能超过同期初级氮同化作用的10 倍,由于光呼吸氨的释放有一个从线粒体出来再进入 叶绿体的运输过程,在叶片细胞质中过量表达GS1可 大大地增强光呼吸氨的再同化,可增强氮素利用率,促 进植物的生长.研究表明植物GS的酶活性是植物生 长速率的影响因素之一,若抑制这个酶引起严重的表 现型生长现象.在烟叶叶肉细胞中过量表达细胞质型 GS1,不但影响烟草的生长和光呼吸,还会增加烟草的 鲜重,干重和叶可溶蛋白含量,同时导致叶中游离氨的 含量下降6,7倍,也就是说细胞质GS1对植物氮素 利用的增加存在潜在的影响.与非转化GS1植物的 对照相比,异位过量表达豌豆细胞质GS1或GS3A的 烟草,其生长速率显着提高.在白杨幼树中异位过量 表达菠萝细胞质型GS1,能提高氮同化效率和促进生 长.在低氮(0.3mmol/LNOa一溶液)和高氮(10 mmol/LNOa一溶液)水平条件下,转基因白杨叶中的 107 游离氨比非转基因的白杨叶少85%,游离谷氨酰胺和 总游离氨基酸含量增加,而且对转基因白杨的生长有 促进作用.N追踪试验表明,转基因白杨比非转基因 白杨多27%15N形成结构化合物【"J.菠萝GS1基因 表达还影响白杨树幼苗早期营养体生长,叶形态及叶 中成分含量.转基因白杨表现出显着增加茎节和叶数 (12%),增加叶面积(叶长和叶宽),但是叶的形状没有 改变,GS活性增加66%,叶绿素含量提高33%,蛋白 质含量增加21%,并且植株的高度与幼叶中的GS含 量呈正比关系,并认为GS酶活性是植物营养生长的 指示值【18J.因此,GS1基因植物遗传工程能够潜在增 加光呼吸氨同化效率,提高植物氮利用率. 2.2异位过量表达Gs2基因增强植物氮素利用能力 增强植物的光呼吸作用和增加对光呼吸释放的氨 的同化有利于植物生长.在烟草叶中过量表达GS2 导致烟叶中的游离氨下降3.7倍,这与GS1促进植物 生长的效果类似【19]. 对大麦GS2突变株的研究表明光呼吸氨从线粒 体进入叶绿体间有一亚细胞通道供叶绿体GS2催化 再同化的氨.大麦GS2缺陷型突变株就因不能再同 化光呼吸氨,即使叶中有低含量的GS1也会在自然条 件下死亡[20J.这表明GS2在叶肉细胞中再同化光呼 吸氨起到重要作用.异位过量表达GS2的光呼吸突 变株表现出光呼吸和光合作用碳固定下降[16,21],而 ,50倍的累积[22-23].大麦GS2突变株,由 氨却有2 于不能再同化光呼吸氨成谷氨酰胺也导致丝氨酸和甘 氨酸的比例下降5倍【22J,而且光呼吸氨基酸含量下 降. 抑制叶绿体GS2基因表达的植株广泛存在叶萎 黄现象以及在生长,鲜重和干重方面减少.当将抑制 的GS2基因植物置于提高cch(0.8%,1.2%)的环 境下生长以抑制光呼吸或将补充额外的谷氨酰胺 ,其萎黄现象可以减轻.因此,GS2抑制植株 (Gin)时 类似于大麦GS2缺乏[20,23].已有研究表明大麦GS2 突变也可以生存于光呼吸抑制(1%cch,V/,厂)或补充 Gin的条件下引.这些结论表明叶绿体GS2突变由 于没有再同化光呼吸氨而缺乏有机氮而死亡[24]. 2.3过量表达GS基因促进植物生长机制 GS表达水平与光合作用和光呼吸水平密切相 关【'-22].现有的试验数据证明过量表达GS可能 影响调节和维持光合作用[25-26].在烟叶中过量表达 GS1可以通过cch突变点和光呼吸代谢水平来提高 植物光呼吸,这由较低水平的游离氨基酸,较高水平的 光呼吸代谢产物和增加cch光呼吸突变点所证实. 过量表达GS1的烟草由于cch补赏点没有改变,这可 108 能同时增强了光合作用,2.这些结果表明,过量表 达细胞质GS1同工酶可以改变植物的生长机制.因 此,可以通过操纵GS1的表达量来获得增加氮利用率 的转基因作物. 过量表达GS2是提高植物氮素利用率的合理途 径.GS2对催化再同化光呼吸氨来提高植物氮素利用 至关重要.在植物体中,光呼吸期间释放出的氨的量 是初级氮同化的10倍【19J.在叶肉细胞中高水平表达 GS2,增强了再同化光呼吸释放出氨的能力L25,27J. 与对照植物相比,通过抑制内源GS的方法增加 氮同化位点的转基因植物,其生长更快,植物的营养体 和种子中的氮含量,氨基酸含量和蛋白含量更高,这些 特性在豆荚科植物中表现的更明显【28J. 3展望 在过去的50年中,全球作物氮肥的施入量超过之 前施人量总和的20倍.但是,作物对氮肥的利用率却 很低,在收获的作物中不超过50%.而且,大量使用 氮肥会导致水环境的污染.因此,改善植物的氮素利 用率,特别是提高作物对氮素的利用率,将对作物产量 的提高,作物农艺性状的改善及环境保护起到重要作 用. 通过植物基因工程操作的方法改变植物氮同化过 程中关键酶的表达,或使这些酶过量表达或异位表达 来增加植物氮同化的途径以提高植物氮素利用率是一 个有效的途径.近代分子生物学在功能基因组方面的 研究使得目的基因在调节启动子的控制下向特定组织 的表达成为可能,可望通过遗传工程进行植物分子改 良育种,获得大幅度提高细胞质GS1和叶绿体GS2 在作物叶片细胞质和叶绿体中的表达水平的作物新品 种,使其在正常的氮含量或施人较少氮肥的情况下或 者在贫瘠的土壤中生长得更好,这将对发达的和发展 中的农业生产系统产生重大的影响.随着对植物氮同 化过程中关键酶生理功能的研究日益深入,通过基因 工程的方法来提高植物氮素利用率将成为必然的趋 势,这对挖掘作物自身潜力以及高效利用土壤氮素养 分资源,实现现代农业持续发展具有重要意义. 参考文献: [1]MiflinBJ,LeaPJ.TheBiochemistryofPlants[M].New York:Academicpre~s,1990,16:121. 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