[發明專利]一種植物抗凍基因及其應用

有效

• 申請號: 201310652288.6
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號: CN103665124A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 徐吉臣;劉潔;徐筱;徐倩;王署輝
• 申請（專利權）人: 北京林業大學
• 主分類號: C07K14/415
• 分類號: C07K14/415;C12N15/29;C12N15/84;A01H5/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;陳曉慶

技術領域

本發明涉及一種植物抗凍基因及其應用。

背景技術

凍害（cold?injury）是農業氣象災害的一種，即0℃以下的低溫使植物體內結冰，導致對植物的傷害。在低溫逆境下，植物的個體形態及細胞形態、結構及生理生化過程都會發生一系列變化。從宏觀上來說，植物表面有斑點產生，植物組織由內而外發生了顏色的變化，且相關機能下降，容易發生病害感染，停止生長或逐步死亡。一些變化還會出現在木本植物上，如頂枯，芽枯，自頂端向下部逐漸枯萎，樹皮破損膠質外流以及脫葉的現象。從微觀上來說，植物在越冬期間，如果遭遇零下低溫，在細胞內、細胞間隙、木質部導管及管胞中就會形成小冰晶。細胞內的冰晶可使質膜發生不可逆的損傷，膜系統變得不穩定且失去半透性，在細胞間隙形成的小冰晶會造成細胞內的水分外流，從而使細胞失水，蛋白質變性，導致細胞發生收縮凹陷，最終導致植物凍害的發生（Burke?et?al.1976;Pearce?R.S.,2001）。此外，植物長時間遭受冷凍狀態，冰晶會自發經歷重結晶過程，以減少表面積，同樣產生了植物凍害（Knight?C.A.et?al.,1995）。“世界上氣溫每降低1℃,糧食就會減產40%”，全世界每年因為凍害造成的經濟損失達到10億美元。1999年，我國廣東、廣西、福建三省的低溫凍害造成經濟損失150億元左右,受害面積在1500萬畝以上；2009年冬天大雪和2010年倒春寒等氣候的影響,使得石家莊市100萬畝小麥出現不同程度的死苗死粟現象,減產幅度在2-3成左右。水稻在幼苗期與分蘗期，遇到持續低溫的天氣，常發生白苗和節節白的癥狀。棉花種子受害后仍能吸脹發芽，但胚根尖端不能生長，幼苗根的皮層破壞。

植物抗寒性研究及抗寒育種一直是植物學研究領域的熱點之一。通過改造植物的遺傳特性,使其具有抵御凍害的脅迫，從而最大限度免受凍害的影響。常規雜交育種方法由于周期長、費用高等局限性，很難滿足生產上對抗寒抗凍品種的需要。近年來，隨著分子生物學技術的發展，越來越多的基因被發掘，利用基因工程技術培育轉基因植株成為培育新品種的有效途徑，這一方式具有可控性強、培育周期短、成本低等優點。

植物在低溫脅迫下，相應的抗性基因網絡得意啟動，以維護細胞的正常功能。目前有關植物抗寒性相關的基因可以分為調節因子基因和功能基因兩大類。其中與抗寒功能相關的基因包括維持細胞膜結構相關的基因、滲透調節相關基因、抗凍蛋白等。

（1）維持細胞膜結構相關的基因

生物膜是植物細胞及細胞器與周圍環境間的一個界面結構，它能夠接受和傳遞環境信息，對環境脅迫做出反應。研究表明，生物膜是低溫冷害作用的首要部位，而且低溫傷害的原初反應發生在生物膜系統類脂分子的相變上。一般認為，膜脂不飽和脂肪酸含量增高，膜脂相變溫度會降低，增加了膜的流動性，從而使植物的抗寒性相應提高。反之，冷敏感植物的膜脂相變可能是由于膜脂脂肪酸的不飽和程度較低，低溫下膜脂由液晶相向凝膠相轉變，造成細胞膜膜相分離，從而引起細胞代謝紊亂。

Steponkus的研究表明，冷敏感植物與抗冷植物相比，飽和脂肪酸含量要高。宋洪偉等在研究小漿果資源的抗寒性時發現，膜脂不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸比值與抗寒性正相關。

（2）滲透調節相關基因

植物體內會產生一些具有保水作用的滲透調節物質來降低植物體內的水勢，維持體內的水分平衡。這類滲透調節物質有脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖和醇類物質等，對提高細胞內滲透壓，降低細胞質冰點起重要作用。

（3）抗凍蛋白