[发明专利]一种提高植物耐铝毒能力的植物表达载体及其应用

说明书

技术领域

本发明属于植物基因工程领域，具体涉及一种提高植物耐铝毒能力的植物表达载体的构件与应用。

背景技术

我国南方的土壤大多为红壤，营养贫瘠，呈酸性，使土壤中的磷和施放到土壤中的磷肥呈不可溶状态，因而植物难以吸收利用，发育受阻，生长量低下。在酸性土壤里，磷与铝和铁形成溶解度很低的化合物。此外在酸性土壤中，铝变成了可溶性的，很容易进入植物的根部，抑制根部的生长和发育，使根系不能吸收水分和摄取营养物，从而导致了作物产量降低，因此在酸性土壤中生长的植物常受铝的毒害。酸性土是典型的低产土壤，其中铝(Al)毒被认为是影响作物生长的主要限制因子。微摩尔水平的铝离子即可对植物产生毒害，而酸性土壤溶液中Al³⁺的浓度约为10～100μmol/L^-1(Ma JF.2000.Role of organicacid in detoxification of aluminum in higher plants.Plant Cell Physiol.41：383-390)。铝毒害的最初反应是抑制铝敏感基因型植物的根系生长，进而抑制植物对水分、养分的吸收，影响植物的正常生长发育(Delhaize E，Ryan PR.1995.Aluminum toxicity and tolerance in plants.Plant Pysiol.107：315-332；Foy CD.1983.The pysiology of plant adaptation to minealstress.Iowa State J Res.57：355-392)。在酸性土壤中铝离子对植物危害的分子机制是多种多样的。一方面，过多的游离铝和交换性铝离子可以通过抑制根尖生长发育，造成植株对其它离子及水分的吸收障碍，从而影响植物的生长发育。另一方面，铝也可以与细胞质中以及膜上蛋白的磷酸基、羟基等极性基团结合，影响膜的结构和功能。

农业生产上常用的措施是在酸性土壤中撒石灰以提高土壤的pH值，然而在发展中国家的农民经常是负不起施用石灰的费用，另外，播撒石灰不能治理下层土壤的酸性。随着生物技术的快速发展，人们通过基因工程手段来改造现有植物品种使之具有耐铝性已成为可能。通过在植物中过量或异位表达有机酸合成酶基因，如苹果酸脱氢酶与柠檬酸合成酶基因，可以提高植物体内的有机酸含量，而这些有机酸通过根系分泌到土壤中，熬合土壤中的铝离子，就能解除酸性土壤中高浓度的铝对植物的毒害。这样不仅可以提高转基因植物对铝毒的耐受能力，而且还有利于植物对磷等其它必需营养元素的吸收和利用。

研究结果表明在酸性土壤上生长良好的植物对铝毒有强的耐受性，植物对铝毒的抗性在许多情况下与植物分泌有机酸的能力密切相关，在植物体内，有机酸也能够降低铝的毒害作用。有机酸可在质膜的外部螯和铝离子，因此能够阻止植物对于铝的吸收。已知能有效去除铝毒的有机酸是柠檬酸，草酸，酒石酸，苹果酸，丙二酸，琥珀酸和醋酸。苹果酸是植物代谢中的一个关键产物，参与代谢反应中的许多步骤，包括光合作用、气孔和小叶运动、营养吸收、呼吸作用、氮素同化作用和脂肪酸氧化等过程(王忠，王三根，李合声等.2002.植物生理学(第一版)北京：中国农业出版社：157-164)。在缺磷的酸性或碱性土壤中，许多植物会在根部分泌出大量的柠檬酸、草酸或者苹果酸等有机酸，以螯合土壤中铝、铁等重金属离子，缓解铝毒危害并释放出磷酸根离子供植物吸收利用。