[发明专利]一种提高植物抗钠盐同时增加钾和氮利用能力的方法及基因

说明书

本发明公开了一种提高植物抗钠盐同时增加钾和氮利用能力的方法及基因，通过将拟南芥PP2A‑C5基因导入目的植物，提高植物抗钠盐同时增加钾和氮利用能力。本发明可极好地应用于植物品种的改良，提高植物对于土壤高钠盐的抵抗力，并在高钠盐土壤中植株仍有很强钾和氮的利用能力，植物可以通过对钾和氮的利用提高植物的生长量。本发明对在高盐土壤(如海涂土)和盐碱化土壤(高钠盐、高钾盐及其他盐)上种植农作物、扩大植物种植面积、提高植物产量有重要意义。

技术领域

本发明涉及基因工程领域，特别涉及一种提高植物抗钠盐同时增加钾和氮利用能力的方法及基因。

背景技术

土壤盐份是作物和植被得以正常生长必不可少的成分。植物生长除了稳定良好的土壤特性外，支撑其生长的一个关键是平衡地供给营养元素。但是，土壤中过多的盐分，特别是氯化钠的含量，对植物生长是有害，直接的危害是多余的钠离子在细胞质中积累影响胞浆中酶的活性，从而影响各种生化反应。由于地球上大多数植物为淡土植物(glycophytes)，他们无法忍受土壤的高盐度，造成地球上大量的高盐土壤不能为人类所利用，成为影响土地资源利用的一个重要因素。同时，由于人类不良的农业耕作方式，土地的侵蚀和盐碱化程度越来越大，进一步影响了土地的供给和产出。因此，土壤高盐为已成为降低农业生产能力的主要环境压力。

在过去的1000年中，人们一直在利用传统的育种方法努力提高农作物的产量，并为人类提供足够的食物作出了巨大的贡献。联合国粮农组织估计，随着人类人口数量的不断增长和对食品品质的要求的提高，到2050年，通过传统育种方法提高农作物的产量只能满足人口对粮食增长需求量的60％。

地球上生长有大量的盐生植物(海洋、海涂和高度盐碱化的土壤上自然生长的植物)，但这些植物绝大多数不是人类的通用食物。人们也无法通过传统的杂交育种的方法将这些植物的抗盐特性转移到农作物上。然而，现代基因工程和分子育种可以为我们提供一种提高植物抗盐能力的方法，利用这种方法改良农作物性状的前提是要发现并获得有提高植物抗盐能力的功能基因，包括与盐代谢(吸收、转运、同化、储存或排出等)直接相关的功能基因和对直接相关基因有调控作用(伴侣分子、蛋白转录后调控等)的调控基因。

与盐代谢如吸收、转运、同化、储存或排出等相关的基因鉴定工作已取得了较多的研究成果。SOS1是细胞膜结合的Na⁺/H⁺逆向转运体，可以将细胞质胞浆中多余的Na⁺跨膜转出细胞膜到细胞间的空隙中，从而降低盐害。NHX1是液泡膜结合的Na⁺/H⁺逆向转运体，可以将细胞质胞浆中多余的Na⁺跨膜转入到液泡中储存，从而降低对胞浆中酶的危害。AVP1是液泡膜H⁺泵，通过将液泡内的H⁺泵出膜到细胞质改变液泡膜的电势增加Na⁺泵入液泡内的能力，以降低盐害，提高植物的抗盐能力。在获得抗盐基因并证明其功能后，科学家利用功能耦合的2个基因共同过表达，可以进一步提高植物的抗盐性能。如，一个液泡H⁺泵AVP1和液泡的Na⁺/H⁺双向转运体基因共同过量表达植物，其抗盐效果好于单个逆向转运NHX1和单个液泡H⁺泵AVP1的效果。这种效果在模式植物拟南芥得到证明后应用与棉花等植物，效果同样抗盐明显。不仅如此，双基因转化植株还有较好的抗旱性，还能提高棉花纤维产量和质量。尽管氯离子是植物必需的微量营养素，与钠离子一样，细胞浆高浓度的氯离子有毒害作用。当土壤中增加NaCl浓度，植物细胞面临的Na⁺毒性和氯离子的共同毒性。氯离子被运输到液泡中可以防止其在细胞质中积累而降低毒性。事实上，这种方法似乎被某些耐盐柑橘和葡萄所证实。液泡膜结合氯离子通道基因CLC蛋白可以将氯离子运输入液泡内，同时换来一个质子到细胞质，它的功能类似于在液泡膜上NHX逆向转运蛋白。拟南芥CLC基因突变体，atclcc-1，对NaCl非常敏感，而atclcc同源基因过表达转基因植物可以增加盐的耐受性，证明了CLC的蛋白质确实扮演着重要的耐盐角色。