口袋K。32:发展耐旱作物的生物技术

水和农业

不利环境因素,其中,缺水是农业发展的最严重制约因素,约占全球潜在产量损失的70%1个。农业是世界上最大的水消费国,在世界上干旱地区,其中包括许多发展中国家,农业用水可超过消费的90%。

据预测,全球变暖还会严重影响最严重的发展中国家,在农业系统最易受气候条件影响和温度小幅上升对生产力极为不利的地方。联合国粮食及农业组织2估计到2025年,非洲大约有4.8亿人可能生活在缺水地区,随着气候条件的恶化,目前60万平方公里的适度限制将受到严重限制。

水变得越来越稀缺和珍贵。因此,提高农业用水效率至关重要。这将需要对水资源管理采取综合办法,以鼓励有效和公平地利用水资源,williamhill并确保可持续性。发展耐旱性增强的作物品种,通过传统育种方法和基因工程,也是以更少的水满足全球粮食需求的重要战略。

发展抗旱作物

传统育种需要确定作物品种间干旱的遗传变异性,或者在性相容的物种中,并将这种耐受性引入到具有适宜农艺性状的系中。尽管传统的抗旱育种已经并将继续取得一些成功,这是一个缓慢的过程,受适宜基因育种的可用性限制。一些传统的抗旱育种计划的例子是水稻的发展,威廉希尔 官网网址印度卡尔纳尔中央土壤盐度研究所培育的耐盐耐碱小麦和印度芥菜品种,印度3.;抗旱性增强的玉米杂交种的开发4;努力将对野生相关品种小麦的耐盐性纳入研究5;国际玉米小麦改良中心将抗旱性作为选育性状纳入玉米小麦新种质的选育中6

通过基因工程开发耐性作物,另一方面,需要确定植物抗逆境的关键遗传决定因素,把这些基因导入作物中。干旱引发了植物广泛的生理反应,并影响了大量基因的活性:基因表达实验已经鉴定出几百个基因,这些基因在干旱期间要么被诱导要么被抑制。7

植物抗旱机理

植物对复杂环境的变化做出反应,集成的方式,允许它们对给定时间出现的特定条件和约束集作出反应。因此,对非生物胁迫耐受性的遗传控制不仅非常复杂,但也深受其他环境因素和植物发育阶段的影响。

植物对缺水的生理反应包括叶片萎蔫,叶面积减少,叶子脱落,通过把营养物质引导到植物的地下部分来刺激根的生长。在开花和种子发育(生殖阶段)期间,植物更易受干旱影响。因为植物的资源被偏离以支williamhill持根系生长。此外,脱落酸(ABA)一种植物应激激素,诱导叶片气孔关闭(涉及气体交换的微小气孔);从而减少蒸腾过程中的水分损失,降低光合作用的速率。这些响应在短期内提高了工厂的用水效率。

植物细胞是维持水分平衡所必需的。为了维持水的平衡,植物在水势为负时吸收水分细胞通过溶质的积累降低水势,比如糖,氨基酸,有机酸和离子-尤其是钾(K+)。由于细胞酶被离子严重抑制,这些物质必须从细胞溶质(细胞的基本液体物质)中去除,并储存在特殊的储存细胞器中,液泡。在胞质溶胶中积累且不干扰酶反应的相容溶质包括糖醇(甘露醇和山梨醇)。氨基酸脯氨酸,和甜菜碱。植物合成这些化合物增强了耐旱性。8

植物对干旱的反应伴随着参与感知干旱胁迫和传递胁迫信号的基因的激活。一类是编码蛋白质的基因,保护细胞免受干燥的影响。9。这些基因包括控制相容溶质积累的基因;被动跨膜转运;需要水运输系统的能源;以及保护和稳定细胞结构免受活性氧物质的干燥和破坏9

由干旱激活的第二组基因由调节蛋白组成,调节蛋白进一步调节应激信号的转导和调节基因表达。植物中至少存在四种独立的应激反应基因调控途径。形成高度复杂和冗余的基因网络8日,9。其中两个途径依赖于ABA激素,其中两个独立于ABA。这些途径也与对额外压力因素的感知和反应有关,包括冷,高温、高盐度。

基因工程耐旱植物

虽然不是农作物,拟南芥在阐明压力耐受的基本过程中发挥了重要作用,所获得的知识也在一定程度上转移到了重要的食用植物上10个。已知的许多与耐受性有关的基因最初是在拟南芥中分离出来的。通过基因工程将一些应激诱导基因引入植物,提高了转基因作物对干旱的耐受性,冷应力和盐度应力8日,9。下一节将回顾一些示例。

脱落酸(ABA)应激反应的遗传调控

植物体内的ABA水平随着水分胁迫的发生而大大增加,导致气孔关闭,从而减少叶片蒸腾过程中的水分流失水平,激活应激反应基因。这个反应是可逆的:一旦水再次可用,ABA水平下降,和气孔重新开放。因此,提高植物对ABA的敏感性是提高抗旱性的一个非常重要的目标。

急诊室1,在拟南芥,编码的ß-subunit farnesyl-transferase,与ABA信号有关。植物缺乏急诊室1活动增加了对干旱的耐受性,但产量也严重下降。为了有条件,ABA可逆下调,加拿大的一组研究人员使用一个干旱诱导启动子来驱动反义表达。急诊室1,两者都有拟南芥和菜籽油植物11。转基因植物在水分胁迫下表现明显更好,与传统品种相比,产量始终较高。重要的是,在充足的水条件下,转基因和对照在性能上没有差异,证明该技术无屈服阻力11。多地点试验证实,与非转基因对照相比,由于加强了对干旱的保护,产量增加了15-25%。http://www.performanceplants.com)。

公司表现植物,一家加拿大植物生物技术公司,正在开发商业化的技术,名义收益率保护技术™(YPT™)。Ypt™也正在为玉米开发,大豆、棉花,观赏植物和草坪草将于2011年初提供给农民。

ABA对干旱胁迫的独立基因调控

转录因子DREB1型德雷布2,在ABA独立的抗旱途径中很重要,诱导应激反应基因的表达。的本机形式的过表达DREB1型,和组成性的活动形式德雷布2,提高转基因的耐受性拟南芥植物干旱,高盐度和低温。尽管这些基因最初是在拟南芥植物,据报道,它们在许多其他重要作物中的存在及其在抗应力方面的作用,比如大米,西红柿,大麦,油菜,玉米,大豆、黑麦,小麦和玉米,这表明这是一个保守的,植物的普遍应力防御机制9。这个函数守恒使得德雷布基因是通过基因工程改善作物耐旱性的重要目标。

结论

尽管在阐明抗旱基因机制方面取得了重大进展,还有相当大的挑战。在现场条件下,作物受到不同程度的多重胁迫,因此,值得更多关注的研究领域之一是植物对多种胁迫的反应。在那里,植物对多种胁迫的反应不能从对单个胁迫的反应中推断出来12。因此,有必要对新开发的品种进行多重胁迫试验,并在大量条件下进行广泛的实地研究,评估绝对产量增加时的耐受性。

另一个主要挑战是在获得转基因植物的实地试验批准方面越来越困难和费用。由于采取了若干措施以确保现场试验的安全和负责任的设计,过度的预防不应成为确保我们为实现更可持续的农业使用所有可用工具的障碍。

工具书类

  1. Boyer J。年代。(1982)。科学218:443-448。
  2. 粮农组织(2007)。http://www.fao.org/newsroom/en/news/2007/1000654/index.html
  3. CSSRI(2001)。http://plantress.com/files/salt_karnal.htm(网址:http://plantress.com/files/salt_karnal.htm)
  4. 布鲁斯·W。B。等。(2002)。J.有效期马胃蝇蛆。53:这边是。
  5. 科尔默T.D et al . .(2006年)。J.有效期马胃蝇蛆。57:1059 - 1078。
  6. 里波特J-M.波兰D.(2004)。http://www.cimmyt.org/english/docs/proceedings/molecApproaches/pdfs/MolecularApproaches.p
  7. 萨希C.等。(2006年)。植物生理学127:1-9。
  8. Umezawa等人(2006年)。货币Op。生物技术17:113-122。
  9. Shinozaki K。以及山口县新崎县。(2007)。J.有效期马胃蝇蛆。58:221 - 227。
  10. 张杰.Z.等。(2004)。植物生理学。135:615 - 621。
  11. 王等。(2005)。工厂J 43:413-424。
  12. Mittler R。(2006年)。植物科学的趋势。11:15-19。

*2008年3月

下一个口袋K:作物生物技术交流