[发明专利]一种适度延缓植物衰老和提高逆境抗性的融合基因及其应用

说明书

技术领域

本发明属于植物基因工程领域，具体说是用分子生物学技术人工获得一种适度延缓植物衰老和提高逆境抗性的融合基因及其在转基因植物中的应用。

背景技术

我国是一个农业大国，但是随着人口的逐年增长，耕地面积的不断减少和农业可利用资源的日趋紧张，粮食供给面临着巨大挑战，因此提高和稳定粮食产量、改善粮食品质就成为我国当前国家重大战略发展的需求（周建军等，2014）。

延缓衰老与农作物的增产和品质改良密切相关，对于粮食作物和多数经济作物来说，伴随着产量器官的发育和品质性状的逐渐形成，功能叶片中的同化产物和衰老叶片中积累的营养物质不断向产量器官转运。作物过早衰老必定影响产品产量和品质，某些杂交水稻在发育后期叶片和功能早衰导致结实率低，严重影响了杂交水稻产量潜力的进一步发挥（Gan等，1997）。绿叶类作物的叶片衰老进程不仅影响到产量和品质等要素的形成，而且还会直接影响到采收产量、采后品质和货架寿命。据报道，目前我国的蔬菜采后损失率高达10%-50%（张学杰和闫岩，2009）。对于花卉植物而言，叶片和花器官的衰老进程直接影响到其观赏价值和销售价格。综上所述，改善植物的衰老进程几乎可以影响到所有主要作物的产量和品质。

衰老是叶片发育的最后一个阶段，是一个主动的生理过程，大量的衰老相关基因（senescence-associated genes, SAGs）表达水平增加，参与衰老过程的调节和控制。衰老过程中，细胞内的代谢活动极其活跃，积累在叶片中的大量同化产物，包括可降解的细胞结构，被高效有序地降解和转化，并转运到新生器官，特别是籽粒和果实中（Buchanan-Wollaston等，2005；Lim等，2007；Lin等，2004）。叶片衰老受到内部信号（如叶龄相关信号和内源激素的水平等）和各种环境因子（如温度，光照，逆境等）的协调控制。植物内源激素是影响叶片衰老的主要因子之一，叶片衰老进程的调控与细胞分裂素密切相关。汤日圣等（1998）发现，外施苯基脉型细胞分裂素（4-PU-30）对杂交水稻叶片具有显著的保绿和延缓衰老效果，同时还提高了叶片光合速率，促进籽粒灌浆和干物质积累，增加粒重和产量。刘文大等（2001）采用不同浓度的GA₃、BA、PP₃₃₃喷施天堂草和马尼拉草草坪发现，三种生长调节剂均可使草坪草衰老延缓，延长绿色期，增强抗寒能力。叶片衰老也是受外界环境因子影响的高度程序化过程，病害、遮荫、高温、干旱和水涝等逆境都可能导致植物的早衰。丁四兵等（2004）研究表明，在水稻灌浆期间高温促使水稻剑叶的衰老加快，同时籽粒灌浆加速，有效灌浆期缩短，籽粒充实度降低。文汉和聂凡（2000）发现，干旱导致水稻抽穗后剑叶面积和叶绿素含量下降，叶片易早衰，千粒重降低，产量下降。

近年来，随着分子生物学技术的发展，很多衰老相关基因被克隆（Quirino等，2000），通过分子遗传手段延缓某些植物叶片衰老的成功显示出诱人的前景。Gan和Amasino（1995）在烟草叶片衰老过程中特异性表达细胞分裂素合成途径的关键基因-异戊烯基转移酶（IPT）基因显著延缓了转基因烟草植株的衰老，其中SAG12-IPT转基因烟草的种子产量和干重提高了50%；袁政等（2002）将融合基因SAG12-IPT导入青菜，转基因植株表现出衰老延迟的生理现象，增加青菜采收产量的同时，也可保持商品的新鲜程度，为绿叶类蔬菜的耐储存育种提供了新的思路。张晓等（2008）利用基因枪法将Leafy-ipt融合基因导入冷季型草坪草高羊茅，转基因植株的抗寒性明显提高，延缓了植株的衰老。丁在松等（2007）将玉米的ppc基因转入水稻可以显著提高水稻光合速率，特别是逆境条件下的水稻光合速率，在一定程度上延缓了衰老。

另一方面，环境中多种逆境胁迫如干旱、洪涝、冻害、高温和病害等都会严重影响作物的产量和品质。其中，干旱是我国重大自然灾害之一，也是对作物产量影响最大、区域最广、发生最频繁的气象灾害（王春乙，2007）。近年来受全球变暖的影响, 我国干旱灾害不断加剧，旱灾发生区域从西部、北方逐步扩展到东部、南方, 覆盖我国多个粮食主产区。据统计, 1950~2007年, 全国农业平均每年因旱受灾2173.33万hm²，年均因旱损失粮食高达158亿kg, 占各种自然灾害造成粮食损失的60%以上（康蕾和张红旗，2014）。为了减轻干旱灾害所造成的损失，在加强生态环境动态监测和风险评估、提高水资源利用效率等综合治理的同时，利用植物基因工程等手段培育新的抗旱品种也是一个有力的手段。