植物甘氨酸甜菜堿與耐鹽性

于曉東 賴鷺迪 王旌宇

摘 要：非生物脅迫尤其是水鹽脅迫一直是影響農業生產的關鍵因素，培育耐鹽耐寒新品種也一直是生物育種的研究方向，甜菜堿作為一種小分子的非毒性滲透調節劑，是植物響應非生物脅迫的重要物質。綜述了甘氨酸甜菜堿合成途徑中的膽堿單加氧酶和甜菜堿醛脫氫酶這兩種關鍵酶的分子生物學特性及其基因工程的最新研究進展。

關鍵詞：甜菜堿；膽堿單加氧酶；甜菜堿醛脫氫酶；基因工程；非生物脅迫

中圖分類號： Q946.88 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.07.004

Glycine Betaine and Its Relationships with Plant Salt Resistance

YU Xiao-dong， LAI Lu-di， WANG Jing-yu

（College of Life Science，Liaoning Normal University， Dalian， Liaoning 116081，China）

Abstract： Abiotic stress， especially the water salt stress had always been the key factors that affected agricultural production， cultivating salt-tolerant hardy varieties had also been a biological breeding research direction， betaine as a non toxic osmotic regulator， it was an important material of plant response to abiotic stress. Molecular biological characteristics of the two key enzymes and their genetic engineering of the latest research progress of the single oxygenase choline and betaine aldehyde dehydrogenase in glycine betaine synthesis pathway was reviewed in this paper.

Key words： betaine； CMO； BADH； transgene； abiotic

低溫、干旱等非生物脅迫會影響高等植物的生長發育，導致作物產量降低，品質變壞等。在逆境環境里，植物往往會產生相應的應答，來減弱甚至是消除不利因素帶來的危害，應答反應涉及多個信號通路的許多生化反應，是一個涉及多個基因及多個基因產物的非常復雜的過程。甘氨酸甜菜堿就是其中的一個最為常見的響應逆境脅迫的小分子物質。

1 甜菜堿的生理功能及其生物合成

甜菜堿是一種非毒性的小分子滲透調節物質，其化學本質為一種季銨型水溶性生物堿。植物中的甜菜堿主要有12種，其中的甘氨酸甜菜堿（glycinebetaine）最早被發現，研究的也最多，簡稱甜菜堿。高等植物中的藜科和禾草科中，甜菜堿的分布較多，尤其是在受水鹽、干旱及高溫等常見非生物脅迫的情況下，細胞質基質中會積累大量的有機滲透調節物質，而無機離子則被運輸到液泡中，通過這樣方式維持細胞膨壓，提高植物對逆境的適應能力。甜菜堿合成部位為植物成熟葉片的葉綠體中，主要分布于葉綠體及細胞質基質中，其生物合成是以膽堿為底物經兩種酶催化合成：膽堿在膽堿單加氧酶的作用下變為甜菜堿醛，再經過甜菜堿醛脫氫酶的催化生成甜菜堿。

2 甘氨酸甜菜堿生物合成相關酶

2.1 膽堿單加氧酶（choline monooxygenase，CMO）的分子生物學

膽堿單加氧酶是植物中特有的一種酶，該酶在1989年才被Brouquisse 等[1]從菠菜的（Spinacia oleracea）葉綠體中檢測到；1995年，Burnet等[2]又將其純化。CMO是一種由單基因編碼的鐵氧還蛋白依賴型酶，其分子量為98 kD，為均一的二聚體，亞單位45 kD，等電點5.1。現已經克隆了甜菜（Beta vulgaris L.）[3]、大麥[4]、三色莧（Amaranthus tricolor）[5]、遼寧堿蓬（Suaeda liaotungensis）[6]、鹽角草（Salicornia europaea）[7]等植物中CMOcDNA的全序列。

2.2 甜菜堿醛脫氫酶（betaine aldehyde dehydrogenase，BADH）的分子生物學

1981年，Pan等[8]首次從高等植物中分離得到BADH。BADH是由兩個分子量相等的單體組成的二聚體，以NAD為電子受體，它對底物甜菜堿醛高度專一，該酶活性能被巰基試劑P-Chloromercuribenzoate和Mersalyl抑制，二硫蘇糖醇（DTT）可使其活性不完全恢復，表明巰基對酶活性的保持是非常重要的。Weretilnyk[9] 于1990年從菠菜中首次克隆了BADH的cDNA。目前已克隆了遼寧堿蓬（Suaeda liaotungensis） [10]、Pseudomonas aeruginosa[11]、菠菜（Spinacia oleracea）、海欖雌（Avicennia marina）[12]、中亞濱藜（Atriplex centralasiatica）[13]、oilseed rape （Brassica napus） [14]、細葉結縷草（Zoysia tenuifolia）[15]、山菠菜（Atriplex hortensis）[16-17] 等的BADH 基因。

3 甜菜堿合成相關酶基因工程

3.1 膽堿單加氧酶基因工程

膽堿單加氧酶（CMO）是甜菜堿合成的限速酶，它催化合成甜菜堿的前體甜菜堿醛，近些年對于CMO基因的研究并不廣泛。2012年，Luo D等[18]發現，水稻的基因組中存在CMO基因及BADH基因，但在正常及水鹽、干旱等非生物脅迫情況下并無甜菜堿的積累。通過對CMO基因活性的檢測表明，有大量CMO基因轉錄本存在多種選擇性剪接事件的發生，尤其是5'端編碼區序列缺失的現象，這就導致了CMO基因轉錄本移碼后提前終止事件的發生，以及翻譯起始密碼或功能結構域的丟失。玉米中CMO基因的表達也發現了類似情況，但山菠菜中的膽堿單加氧酶（AhCMO）基因則被正常剪接。通過將山菠菜的CMO基因轉入煙草從而獲得的轉基因植株會在水鹽等非生物脅迫的情況下大量積累甜菜堿，提高植物耐鹽性。2010年，羅伯祥等[19]將AhCMO基因轉入水稻，也得到了AhCMO基因的表達能提高水稻的耐鹽性這一結論。2012年李慧等[20]對杜梨膽堿單加氧酶（PbCMO）的研究表明雖然CMO基因的表達存在物種特性，不同植物膽堿的合成部位和誘導合成因素存在差別，但是杜梨PbCMO在植株不同器官對鹽脅迫和滲透脅迫的響應過程中是起作用的，并且認為這可能是通過脫落酸介導的信號傳導途徑來進行調控的。

3.2 甜菜堿醛脫氫酶基因工程

甜菜堿醛脫氫酶在膽堿合成甜菜堿的過程中催化甜菜堿醛脫氫產生甜菜堿。在正常情況下，植物中BADH的表達量很低，但在低溫、鹽堿和干旱的條件誘導下，BADH活性顯著提高，近年來BADH 基因被大量應用于提高植物耐鹽抗性的基因工程中。2012年Fan W J等[21]獲得的轉山菠菜BADH基因的甘薯，在外源的BADH基因過表達情況下，植物體內的甜菜堿大量積累，提高了甘薯對水鹽、干旱非生物脅迫的耐受性。通過對轉基因甘薯多個生理指標的檢測，做出了甜菜堿的積累能提高或降低與非生物脅迫相關基因的表達，提高植物抗逆能力的推測。2013年，Wang J Y等[22]對組成型啟動子和環境誘導型啟動子驅動SLBADH基因在番茄中表達差異的探究表明：35S啟動子驅動外源基因表達的轉基因番茄的生長狀況不如野生植株，而P5啟動子驅動BADH表達的轉基因植株的生長狀況不受影響，且在水鹽等非生物脅迫的條件下，后者表現為具有更高的耐受性。

3 展 望

目前對BADH和CMO基因工程的研究大多是側重于單個基因的轉化，所得的轉基因植株響應非生物脅迫的程度還有不足，轉基因植物同時具有外源CMO基因及BADH基因的情況還不多見，且基因工程中外源基因的啟動子往往是組成型啟動子，在文獻中也多有組成型啟動子驅動外源基因表達影響植物正常生長發育的報道，環境誘導型啟動子啟動相關基因表達有望在基因工程中進一步提高植物響應非生物脅迫的能力。

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