楊樹耐鹽轉基因研究最新進展

摘 要：隨著土壤鹽漬化加重，鹽脅迫成為限制植物生長和生產的重要環境因素之一。利用基因工程技術提高楊樹耐鹽性具有重要意義。本文在前人的基礎上，補充綜述了近年來楊樹耐鹽轉基因研究采用的耐鹽基因，進而整理并繪制了楊樹耐鹽基因參與的信號與代謝途徑圖譜，為篩選和培育耐鹽楊樹新品種提供了重要參考。

關鍵詞：楊樹；耐鹽；轉基因

中圖分類號：S72 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171232028

進入21世紀以來，隨著全球人口的不斷增長、淡水資源急劇減少、工農業污染日趨加劇，土壤鹽漬化日益嚴重。據估計，大約7%的世界陸地、20%的世界耕地都受到高鹽脅迫的影響。土壤鹽漬化已嚴重制約了我國農林業生產的可持續發展。因此，開展耐鹽樹木新品種選育工作十分重要，而利用基因工程技術提高林木耐鹽性具有非常廣闊的前景。

楊樹無性繁殖容易、生長速度快、適應性廣，是工業用材及防護林建設的重要造林樹種。2006年，毛果楊（Populus trichocarpa）全基因組測序完成。且楊樹具有基因組小，易導入外源基因等獨特優勢。因此，楊樹成為林木基因工程研究的模式物種，耐鹽轉基因楊樹也成為林木抗逆研究的熱點。近年來，已有前人對楊樹耐鹽機制及轉基因研究進展進行了綜述[1，2]。但是，這些綜述所概括的耐鹽基因類型并不全面，僅綜述了部分在楊樹中遺傳轉化的耐鹽基因[2]。因此，本文在前人的基礎上，補充綜述了最近幾年來楊樹耐鹽轉基因研究采用的耐鹽基因，進而整理并繪制了楊樹耐鹽基因參與的信號與代謝途徑圖譜（圖1），這為深入了解楊樹耐鹽機制的網絡調控分子機制提供了重要信息，也為篩選和培育耐鹽楊樹新品種提供了重要參考。

1 離子通道相關基因

在鹽脅迫條件下，植物細胞可將細胞質中的大部分Na+轉運并儲藏于液泡中，從而避免細胞質中大量積累過量的Na+而對代謝造成傷害，也可使植物細胞因為滲透勢降低而吸收水分。之前已綜述，將Na+/H+逆向轉運蛋白基因（OsNHX1，SsNHX1，AtNHX1，GmNHX1，HbNHX1）轉入楊樹后，對于維持細胞質中離子的動態平衡，緩解高濃度Na+的毒害作用發揮了重要作用。此外，在鹽脅迫條件下，不僅Na+會對細胞組分造成損傷，Cl-也會對細胞造成傷害。Sun等[3]發現，在雜交楊（美洲黑楊×速生歐美黑楊）中過量表達大豆GmCLC1，可大大改善楊樹耐鹽性，且減少膜結構的損害和增強鹽脅迫過程中的滲透調節和抗氧化酶調節功能。GmCLC1編碼定位于液泡膜上Cl-轉運蛋白，其可將細胞質中的Cl-離子區隔化進入液泡，從而降低鹽脅迫的毒性作用。Yang等[4]報道，在150mM NaCl的脅迫條件下，過量表達毛果楊液泡膜焦磷酸酶PtVP1.1基因的白楊與野生型相比，轉基因植物具有更高的生長量。且轉基因植物根系中Na+外排和H +流入量也明顯高于野生型植物。液泡膜焦磷酸酶和液泡膜H+-ATP酶組成液泡膜質子泵，與跨液泡膜的物質轉運有密切關系。總之，這些離子通道相關蛋白基因可以進行遺傳工程改造樹木耐鹽性。

2 轉錄因子相關基因

在轉錄水平上調控脅迫響應基因的表達是植物應答鹽脅迫的重要策略之一，而轉錄因子在此過程中起到非常重要的作用。因此，將某些鹽脅迫相關的轉錄因子基因轉入楊樹后，在一定程度上提高了楊樹的耐鹽性。將轉錄因子TabZIP基因和DREB基因（AhDREB1，DREB1C，AtDREB1A）轉入楊樹后，在一定程度上提高了楊樹的耐鹽性[2]。此外，Li等[5]將番茄中編碼乙酰應答因子的茉莉酮乙烯應答因子基因（JERFs）轉入雜交楊（銀白楊×中東楊）中，發現轉基因植物與野生型對照相比，在抵御鹽脅迫方面有更強的能力。Yu等[6]的研究結果表明，將克隆自擬南芥的AtHDG11基因轉入毛白楊，與野生型相比，轉基因植物表現出了顯著增強的鹽脅迫耐受性，脯氨酸含量，可溶性糖含量和活性氧清除酶的活性顯著增加，且具有發育良好的根系。NAC蛋白是植物中最大的轉錄因子家族之一，廣泛存在于陸生植物中。Movahedi等[7]將鷹嘴豆中的CarNAC3基因導入美洲黑楊×速生歐美黑楊‘Nanlin895后，轉基因植株耐鹽試驗證明轉基因株系耐鹽能力優于野生型對照。

3 信號轉導相關基因

植物通過調控復雜的信號網絡來應對鹽脅迫。鹽超敏感蛋白SOS2基因編碼一個絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，該酶可激活K+和Na+轉運蛋白的活性。Jie等[8]和Yang等[9]將PtSOS2基因分別導入到了雜交楊（歐洲山楊×美洲山楊T89）和山新楊（山楊×新疆楊）中，結果發現轉基因植株的耐鹽性均顯著提高。類鈣調神經磷酸酶是一種鈣結合蛋白，被認為在植物信號傳導中發揮重要功能。Li等[10]將胡楊中的類鈣調磷酸酶B亞基基因PeCBL6/PeCBL10轉入3倍體毛白楊，在高鹽、干旱和冷脅迫條件下，轉基因苗木的抗性都優于對照。Shaggy類蛋白激酶廣泛存在于植物細胞中，一般作為信號轉導的負調節因子。Han等[11]將源自擬南芥的AtGSK1導入雜交楊（銀白楊×歐洲山楊），轉基因植株表現出了優良的抗旱性和耐鹽性。

4 其它基因

除了以上所述的耐鹽基因外，活性氧清除酶基因（TaMnSOD，chlAPX）、甜菜堿合成相關基因（BADH，CMO，SeCMO，Bet-A）、糖醇合成基因（mtl-D，gut-D）和胚胎發育晚期豐富蛋白基因（TaLEA）也被研究者們轉入楊樹中（圖1），并發現這些轉基因植株與野生型對照相比，具有更強的耐鹽性。

5 結論與展望

土壤鹽漬化已經成為全球性的生態問題，因此耐鹽轉基因楊樹的研究具有重要意義。到目前為止，研究者們已成功培育出幾十種具有一定耐鹽性的轉基因楊樹（圖1）。我國擁有豐富的鹽生植物資源，發掘利用這些抗鹽植物資源，加強抗鹽機理研究，對加速我國農林經濟的可持續發展，以及加強鹽漬土壤的治理和綜合開發具有重大意義。隨著植物耐鹽分子機制研究的不斷深入和轉基因技術的不斷發展，利用基因工程手段提高楊樹耐鹽性，必將取得可喜的進展。

參考文獻

[1]陳述.轉基因楊樹耐鹽性研究進展[J].安徽農學通報（下半月刊），2010（6）：30-32.

[2]羅子敬，孫宇涵，盧楠，李云.楊樹耐鹽機制及轉基因研究進展[J].核農學報，2017（3）：482-492.

[3] Sun W B，Deng D X，Yang L H，et al.Overexpression of the chloride channel gene（GmCLC1）from soybean increases salt tolerance in transgenic Populus deltoides × P.euramericana‘Nanlin895[J].Plant Omics，2013， 6（5）：347-354.

[4] Yang Y，Tang R J，Li B，et al.Overexpression of a Populus trichocarpa H+-pyrophosphatase gene PtVP1.1 confers salt tolerance on transgenic poplar[J].Tree Physiology，2015，35（6）：663-677.

[5] Li Y L，Su X H，Zhang B Y，et al.Expression of jasmonic ethylene responsive factor gene in transgenic poplar tree leads to increased salt tolerance[J].Tree Physiology，2009，29（2）：273-279.

[6] Yu L H，Wu S J，Peng Y S et al.Arabidopsis EDT1/HDG11 improves drought and salt tolerance in cotton and poplar and increases cotton yield in the field[J]. Plant Biotechnology Journal，2015，14（1）：72-84.

[7] Movahedi A，Zhang J，Gao P，et al.Expression of the chickpea CarNAC3 gene enhances salinity and drought tolerance in transgenic poplars[J].Plant Cell Tissue & Organ Culture，2015，120（1）：141-154.

[8]VJie Z，Wang J，Bi Y，et al.Overexpression of PtSOS2 enhances salt tolerance in transgenic poplars[J].Plant Molecular Biology Reporter，2014，32（1）：185-197.

[9] Yang Y，Tang R J，Jiang C M et al.Overexpression of the PtSOS2 gene improves tolerance to salt stress in transgenic poplar plants[J].Plant Biotechnology Journal， 2015，13（7）：962-973.

[10] Li D，Song S，Xia X，et al.Two CBL genes from Populus euphratica confer multiple stress tolerance in transgenic triploid white poplar[J].Plant Cell Tissue & Organ Culture，2012，109（3）：477-489.

[11] Han M S，Noh E W，Han S H.Enhanced drought and salt tolerance by expression of AtGSK1 gene in poplar[J].Plant Biotechnology Reports，2013，7（1）：39-47.

作者簡介：梁斌，河南省新鄉市人，本科，助理工程師，研究方向為森林培育。