[发明专利]一种提高植物耐铝能力的载体及构建方法

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种在植物体内构建新的柠檬酸合成途径以提高植物耐铝能力的载体及构建方法，属于植物基因工程领域。

背景技术

铝是地表上第三大元素，对植物的毒性很强。当土壤溶液酸化后pH值下降到一定值时，铝离子就会从硅酸盐或氧化物中释放出来，溶解到土壤溶液中(Ma JF, Furukawa J. 2003. Recent progress in the research of external Al detoxification in higher plants: a minireview. J Inorg Biochem. 97:46-51)。可溶性的铝可以分为以下几类：自由铝或是Al(H₂O)₆³⁺、聚合铝Al₁₃及低分子量铝化合物。随着土壤pH值的上升，Al(H₂O)₆³⁺转变为Al(OH)²⁺、Al(OH)₂⁺。在中性土壤中，主要以难溶的Al(OH)₃形式存在。在碱性条件下主要是以铝酸盐阴离子Al(OH)₄^－形式存在（Matsumoto H. 2000. Cell biology of aluminum toxicity and tolerance in higher plants. Int Rev Cytol. 200:1-46）。不同形态的铝对植物的毒性有明显的差异。目前一般认为在pH值低于4.5的酸性土壤中，铝主要是以Al(H₂O)₆³⁺形态存在的，即通常所说的Al³⁺，这一形态的铝被认为是对植物毒性最强的形态。

铝并不是植物矿质营养中的必需元素，铝毒被认为是酸性土壤上影响作物生长的主要的限制因子。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（Ma JF. 2000. Role of organic acid in detoxification of aluminum in higher plants. Plant Cell Physiol. 41:383-390）。铝对根的毒害作用部位是根尖，包括根冠与根分生区，因此植物发生铝毒害的最主要症状是其根生长受到快速受阻，这可能是铝通过一种未知的信号传导途径间接抑制根的生长。此外，铝离子交换量占土壤中阳离子交换总量的20%～80%，容易导致土壤阳离子流失，如造成磷、钾、钙、镁、硼、钼等营养元素的缺乏。铝也可以和磷酸基、羟基等极性基团结合，因此它可以与细胞质及膜蛋白结合，影响膜的结构和功能。同时铝可以和ATP形成Al-ATP复合物，使植物细胞能量代谢过程受到限制。

全世界有39.5亿hm²酸性土壤，其中可耕地土壤面积为1.79亿hm²，主要分布在热带、亚热带及温带地区，尤其是发展中国家（Kochian LV. 1995. Celluar .Mechanisms of aluminum toxicity and resistance in plant. Annu Rew Plant physiol plant mol Biol. 46:137）。我国酸性土壤遍及南方15个省区，总面积为2030万hm²，约占全国土地总面积的21%。一直以来，人们通常靠大量的施用石灰，来提高土壤的pH值，使游离铝沉淀，解除铝毒害。但是这种方法难以彻底解决土壤酸度问题，它只能对表层土壤进行改良，对深层土壤的酸性没有多大的作用，同时还存在着潜在的环境问题。因此，筛选和培育耐铝作物品种是提高酸性土壤上的作物产量有效且可持续的方法。