基因组学在水稻抗旱性中的应用
基因组学课程论文
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基因组学在水稻抗旱性研究中的应用
摘要
由于植物抗逆性遗传极其复杂, 因而植物抗逆性能如水稻抵抗干旱能力的提高受到了极大限制。近年来, 基因组学的兴起对我们全面理解植物抗逆性起着革命性作用。结构基因组学将会使我们挖掘大量全新的抗逆基因, 并能揭示各抗逆性基因的详细结构以及抗逆性遗传进化机理。功能基因组学将会阐明植物抗逆中的复杂的调控网络, 揭示涉及抗逆蛋白的多样性。通过比较基因学的研究, 可以把从模式植物上获得的抗逆遗传信息推广到基因组较复杂的植物上去。大规模的全新基因的发现及其在抗逆反应中的表达模式的研究和它们在抗逆应中作用的理解将会为利用遗传工程进行植物抗逆育种提供广阔的前景。
关键词：水稻；抗旱性；基因组学；功能基因；展望
APPLICATION OF GENOMICS IN THE STUDY OF DROUGHT RESISTANCE IN RICE
ABSTRACT
The resistance of plant genetic and plant resistance can be extremely complex, such as rice drought resistance ability has been greatly restricted. In recent years, the rise of genomics to our comprehensive understanding of plant resistance plays a revolutionary role. Structural genomics will enable us to dig out a lot of new resistance genes, and to reveal the detailed structure of resistance gene the resistance and the genetic evolutionary mechanism. Functional genomics will elucidate the resistance of plants in the complex regulatory network, to reveal diversity resistance protein. Comparative genomics, can be press genetic information with resistance to adversity that obtained from the model plant to the plant with more complex genome. The discovery of new genes in large scale and the study of the expression patterns in the anti - reverse reaction and the understanding of their role in the anti – stress response will provide a broad prospect for the use of genetic engineering for plant resistance breeding.
KEY WORDS: rice drought resistance; genomics; structural genomics; functional
genomics; comparative genomics
引言
在农业生产中, 作物常受到外界自然环境中各种生物胁迫和非生物胁迫, 影响其生长发育,产量降低。如何改良作物抗逆性一直是世界各国关注的农业生态热点问题。近年来,随着现代分子生物学和生物信息学的迅猛发展,植物抗性生理研究及植物适应逆境的生态学研究也从传统的以宏观角度研究植物生理适应现象的表观层面发展到现代从微观角度研究植物生理适应的内在机制及生物生存、进化、适应等的分子层面上来[1]。环境污染和人口爆炸则使粮食的供应更趋紧张。因而需要培育高抗性和高产优质的粮食作物[2]。水稻是我国乃至世界上最重要的粮食作物之一，世界上近1 /2 的人口，包括几乎整个东亚和东南亚的人口，都以稻米为主[3]。同时水稻属于“半水生性”植物，耐旱性介于“旱生性植物”与“水生性植物”之间[4]。水是水稻生长最重要的条件，几乎贯穿水稻整个生育期。水资源短缺正成为制约中国水稻生产持续发展的重要因素，培育抗旱性强的水稻品种，不但能够节约水资源，而且有利于稳产增产、节约能源。基因组学(Genomics) 的出现使生物学研究进入一个新的时期, 即由仅对一个基因的研究转向在基因组规模上同时对大量基因的结构和功能进行系统的研究。无论从思想上还是技术方法上, 基因组学已经影响生命科学的各个领域, 植物的抗逆性研究也不例外。利用基因组学的方法不但可以挖掘大量的抗性基因, 对其功能进行详细的研究, 而且有助于全面理解植物的抗逆机理, 为利用遗传工程提高植物抗性提供基础。目前众多研究者正在利用抗旱群体克隆基因，但是由于抗旱评价指标及抗早遗传机理的复杂性，正向遗传学克隆基因困难重重，进展缓慢，例如在进行抗旱性QTLs定位化不同群体所检测到的QTLs在染色体上的分布差异，这可能与抗旱性指标或遗传背景的变化有关，而某些QTLs控制水稻不同生育时期的抗旱性也进一步说明了抗旱性適传机理的复杂性[5]。因此旱稻品种改良也已取得重大进展。在此, 简要概述了水稻抗旱生理、抗旱机制和抗旱相关基因一些进展, 为提高水稻抗旱性和抗旱育种提供相关参考。
1.基因组学
基因组学(genomics)是研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。用于概括涉及基因作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学分支。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题。基
因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)，又被称为后基因组（postgenome）研究，成为系统生物学的重要方法。
1.1结构基因组学
结构基因组是研究基因组的结构、基因序列及基因定位的一门科学。结构基因组学研究主要依赖于QTL定位(Quantitative Trait Loci mapping)及DNA测序技术。QTL定位是指利用不同表型和基因型的个体，根据染色体上的遗传标记，将与某一个表型相关的基因定位到染色体的特定遗传位点，做出遗传图谱，再通过测序进一步精确定位，得到该基因的物理图谱，按其研究群体亲缘性分为基于亲缘群体的QTL和基于自然群体的QTL[6]。抗性基因的大规模挖掘是研究植物复杂的抗性机理和提高植物抗逆性基础, 而它最终又依赖于大规模的基因组DNA 测序和在逆境胁迫下的表达序列( Expressed Sequence Tags, EST) 的测定, 这也是结构基因组学的目的。随着高效毛细管测序法、DNA 芯片测序法和大规模平行实测法等测序技术的出现。结合计算机技术的发展, 使得大规模测序成为可能。目前, 已经完成了一批微生物的全基因组序列测定, 果蝇、拟南芥等模式生物的基因组序列即将完成。
1.2功能基因组学
功能基因组学, 又称后基因组学(postgenomics),指在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，研究生物体基因调控网络中各基因间相互作用的一门科学。植物的抗逆反应是大量基因差异表达的结果。基因的差异表达不仅表现在转录水平上也表现在翻译水平上, 最终则表现为特异的生物功能的差异。因而在不同的水平上, 对基因在不同组织器官、不同发育阶段和不同环境条件下表达模式的研究可为基因的生物学功能提供证据。功能基因组学的出现使大规模研究植物基因功能已逐渐取代了一次鉴定一个基因的方法。
2.水稻抗旱性研究进展
2.1干旱胁迫对水稻的伤害机理
水稻整个生育期都有可能发生干旱，但不同生育阶段对干旱胁迫的敏感程度
不同。苗期主要是生长受到抑制，特别是对苗高和叶长的影响最大[7]。分蘖期是决定穗数的关键时期，期间受土壤含水量的影响最大；当土壤含水量下降出现干旱胁迫时，对穗数影响最大，分蘖及有效穗降低，抽穗率也受到一定的影响[8]。水稻生殖生长期对水分最为敏感，干旱会造成大量颖花败育、空粒数增加，产量受到显著影响。王贺正等[9]研究表明，水稻拔节长穗期水分胁迫均造成产量显著减产，且拔节长穗期后受胁迫比拔节长穗期前受胁迫减产更显著。干旱胁迫对水稻各生理生化的影响主要表现在2个方面。
2.2水稻在干旱胁迫下的生理变化
水分胁迫对植物的影响非常严重，在干旱胁迫下，植株体内会发生一系列相应的生理生化变化。
2.2.1细胞膜结构遭到破坏
当干旱胁迫时，最明显的变化是由于脱水使膜系统受到损伤，原生质膜的组成和结构发生明显变化，细胞膜透性平衡被破坏，使大量无机离子和氨基酸、可溶性糖等小分子物质被动地向组织外渗透[10]。
2.2.2生长受到抑制
干旱胁迫下，水稻幼苗生长受阻，干物质积累减慢，特别是叶，轻度的水分亏缺就足以使叶生长显著减弱[11]。
2.2.3呼吸作用急剧变化
干旱对呼吸作用有明显影响，呼吸速率先升后降，即胁迫开始的短时间内上升，2-3d 后随着胁迫时间的延长又明显下降[11]。
2.2.4光合作用减弱
干旱胁迫时，叶表面气孔关闭，阻止CO2 扩散，导致光合作用下降。同时，由于得不到外界CO2，光所形成的化学能就不能像正常情况下被用掉，叶片就会发生光抑制作用，造成叶绿体超微结构持续的损害或不可逆的破坏[12]。
2.2.5内源激素代谢失调
干旱胁迫可改变植物内源激素平衡，细胞分裂素（CTK）含量降低，乙烯（Eth）含量升高，最重要的是内源脱落酸（Abscisic acid，ABA）水平显著增加。而ABA累积起着调节细胞反应的作用[13]，它使保卫细胞膨压下降，引起气孔关闭，蒸腾强度下降，从而减少水分损失。
2.2.6核酸代谢受到破坏
随着细胞脱水，核酸酶活性提高，DNA 和RNA 含量减少，多聚核糖体解聚及ATP 合成减少，使蛋白质合成受阻，分解加强，脯氨酸（Pro）含量增加。因此有人认为，干旱之所以引起植物衰老甚至死亡，可能与核酸代谢受到破坏有直接关系。此外，干旱胁迫还可能引起植株体内水分重新分配、氮代谢受到破坏及酶系统发生变化等。当水稻受水分胁迫后，首先发生细胞透性变化，继而出现代谢失调，严重的还会对细胞造成机械性损伤，最终导致死亡。
2.3水稻抗旱相关基因及抗旱机理
通过多种途径如microarray，ESTs，差减文库、qRT-PCR等已分离鉴定出多种水稻干旱胁迫响应基因[14]。Yang 等将干旱胁迫响应基因主要归为三类：（1）转录调控因子，如DREB1、AREB、NF-YB 等；（2）转录后RNA/蛋白修饰，如磷酸化/去磷酸化；（3）渗透调节或分子伴侣。干旱胁迫可以诱导水稻转录因子的表达，同时转录因子的表达也会启动下游通路中一系列自我防卫和胁迫适应相关基因的表达[15]。Philippe 等发现，水稻ABA和胁迫诱导基因Asr 基因小家族在水稻抗旱胁迫应激反应中具有重要的调节作用，在水稻抗旱中可能起着重要作用。SNAC2 是从粳型旱稻IRA109 中分离的响应胁迫的NAC 基因。Hu 等研究发现，过量表达SNAC2的转基因植株对冷胁迫、盐胁迫和PEG处理的耐受性显著提高，对ABA 更敏感。水稻抗旱性调控基因OsSKIPa 编码人类Ski 互作蛋白的水稻同源蛋白，正调节水稻细胞的活性和胁迫耐受性。过量表达OsSKIPa显著提高了水稻在干旱胁迫下清除活性氧的能力；同时与胁迫相关基因如SNAC1 以及CBF2、PP2C、RD22的水稻同源基因的表达也显著提高，水稻苗期和生殖生长期对ABA、盐、甘露醇和干旱胁迫的耐受性显著增强[16]。Jeong 等发现在组成性表达的启动子GOS2和根部特异表达的启动子RCc3 的驱动下，OsNAC10过表达显著增强了营养生长期水稻对干旱、高盐和低温的抗性，其水稻根部的特异表达，增大了根系，增强了抗旱能力，进而提高了干旱条件下的水稻产量。
水稻抗旱性状QTL 定位发现抗旱性是由多基因控制的复杂数量遗传性状，受微效多基因控制，易受环境影响，表现为连续变异，基因型和表现型之间没有明确的对应关系。借助分子标记技术、采用适当的统计学分析方法可以将控制抗旱性状的多个基因分解开并定位于染色体上，进而分析各基因的单个效应与互作效应。抗旱相关数量性状定位有助于改良水稻抗旱性的分子辅助育种工作的开展。
迄今为止，已定位出水稻抗旱相关QTL超过680 个，其中与根形态性状相关的QTL有228 个，与生理特征（脱落酸、渗透调节、相对含水量）相关QTL40 个，其他与植株抗旱性相关QTL有418个[17]。
2.4水稻抗早性的分子遗传研究
随着植物生理学和遗传学的交叉, 特别是近年来分子遗传学的快速发展, 为作物抗早性分子遗传研究提供了有利的工具, 使抗早性分子遗传研究更加走向深入。虽然水稻抗早性受不同基因控制, 属于数量性状, 但是由于限制性片段长度多态性RfLP等分子标记技术的发展, 使数量性状基因定位QTls成为现实。水稻抗早性状的QTls研究发展较快。Lilley等(1996)[18]在染色体1,3,7 和8 上定位了4 个与致死渗透势有关的位点, 染色体8 上的RG1标记位点与渗透突破点、相对含水量、渗透调节有关。Courtois等(2000)[19]的研究表明,在染色体1,5,9上有3个控制叶片卷曲的QTls, 在3 种不同年份和地点实验条件下是共同的; 在染色体3, 4 和9 上有4 个控制叶片卷曲的QTls , 在2 种实验条件下是共同的。徐吉臣等(2011)[20]间检测在染色体2,3,4,5,6,9 和10 上8 个QTls分别控制着最大根长、根干重、根茎干重比。
近年来, 水稻的抗旱基因工程取得了一定的进展,得到了一大批转不同基因的抗早植株。Weizhong等(1977)[21]将2 个基因HAL1和cor47都转入水稻中。转基因水稻显示出对多种胁迫的耐性, 即耐早、耐低温和耐盐。中国在这方面也取得了重要进展, 朱宝成等人联合攻关所构建的脯氨酸合成酶基因导入水稻悬浮细胞从而得到转基因水稻植株, 这种基因在一种启动子的作用下, 不断积累脯氨酸合成酶, 目前己经得到第4 代转基因植株种子。有关专家认为这种抗早耐盐转基因水稻的研究居国际领先水平阅。转基因抗早性水稻种子的获得, 为水稻抗旱性育种开辟了广阔的前景。
3.展望
随着现代科技的发展，从分子水平上研究作物与环境的关系，已是现代分子生态农业所研究的重要内容之一。近年来的二代深度测序平台的建立，是基因组学研究的一个重大突破，越来越多的作物全基因组测序完成，各种逆境处理下基因表达组图谱的信息以及蛋白组学、代谢组学等的变化差异，都为从生态基因组角度研究植物如何适应环境提供了许多信息。综上所述, 水稻在水分胁迫下的逆境伤害及其抗旱生理生化机制的研究取得了一系列进展, 也积累了丰富的资料。
特别是分子遗传学的发展, 使水稻抗旱性的分子遗传研究及抗早性育种取得了较大进展,从而使水稻抗早性物质基础及其生理功能以及通过基因遗传工程手段进行抗旱基因重组创造抗旱新类型的研究成为当前的研究热点, 也是我们追求的一个重要目标, 并且取得了重大突破但是, 我们对水稻抗旱性方面还有许多领域需要深入研究。
进一步加强稻属抗早基因资源的发掘以及抗早生理学和遗传学的研究。通过生物技术、转基因技术、太空育种等技术手段使抗早性和早地适应性与现有品种的优良性状结合起来, 培育出适应不同地区的抗早性强、产量高、米质优、熟期多样化的新品种。
深入研究水稻在早作环境中的形态特征和生理生化特性, 寻找并建立科学合理的抗早性鉴定指标体系, 并加强对现有种质的抗早性鉴定, 以挖掘并遗传利用现有的抗早资源, 同时应注重对现有抗早品种的推广应用和改良工作。
深入研究水稻品种不同生育期的耐早性, 摸清水稻耐早规律, 进一步揭示水分条件—生理过程—产量因素的关系。在明确适宜本地区早作条件的高产品种的基础上, 对早作环境中高产、优质、低耗、高效的整地、施肥、管水、防治病虫等综合配套技术进行攻关研究, 建立高效节水栽培技术体系[22]。
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