[發明專利]磷酸絲氨酸氨基轉移酶基因在促進植物生長并提高抗鹽性方面的應用

在審

• 申請號: 201911340908.6
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN110938638A
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 韓曉芳;楊永利;張清;王勇
• 申請（專利權）人: 天津泰達綠化集團有限公司
• 主分類號: C12N15/54
• 分類號: C12N15/54;C12N9/10;C12N15/82;A01H5/00;A01H6/00
• 代理公司: 天津濱?？凭曋R產權代理有限公司 12211
• 代理人: 李莎

本發明提供了磷酸絲氨酸氨基轉移酶基因在促進植物生長并提高抗鹽性方面的應用和方法，在農業生產上具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及植物基因工程技術領域，具體涉及一種控制植物體內絲氨酸合成、促進生長并提高抗鹽性基因在農業生產上應用和方法，是一種運用生物基因工程技術培育高產、抗鹽植物新種質的方法。

背景技術

L-絲氨酸(L-Serine，L-Ser)是生物體中非常重要的氨基酸。除了是蛋白質重要組成成分和在許多酶活性中心起催化作用外，L-絲氨酸還是許多細胞生命活動所必須的生物大分子，如甘氨酸、色氨酸和半胱氨酸等氨基酸合成的底物，并參與氮代謝、鞘磷脂、脂質代謝和一碳單位的代謝等，還和抗性有關。

鹽脅迫下植物的各種生命活動都受到不同程度的影響，主要表現為抑制植物的生長發育、破壞植物細胞結構以及影響維持植物正常生理代謝所需生物分子的合成等方面。當土壤中鹽分過多時，通常會對植物造成生理干旱、離子的毒害作用、破壞正常代謝。植物在遭遇低溫和鹽脅迫等非常環境時，會啟動多種調節響應措施來應對不利影響，例如，細胞內增加可溶性糖、氨基酸等物質的含量以增加細胞的吸水能力，調動酶促和非酶促系統以清除積累的活性氧等。

有研究顯示植物在鹽脅迫環境下存在L-Ser積累，擬南芥PSP1和PGDH1基因的啟動子序列分析顯示有很多非生物脅迫特異性的序列存在。在擬南芥中過表達一個來自一種藻的PGDH基因可以提高其抗鹽和抗冷性，但在研究中未解釋絲氨酸或是這個基因如何影響了植物的抗性。

發明內容

目前的研究表明，在大部分有機體中，L-Ser主要通過磷酸化途徑合成。但是在植物中，L-Ser合成主要由與光呼吸有關的乙醇酸途徑和磷酸化絲氨酸合成途徑合成。光呼吸一些最重要的反應發生在線粒體基質中導致乙醇酸合成途徑中L-Ser的合成。在這些反應中，一個甘氨酸分子在甘氨酸脫羧復合體的作用下脫羧，脫氨，產生CO₂、NH₃，并伴隨著NAD⁺還原為NADH。甘氨酸剩余的亞甲基轉移給四氫葉酸(THF)形成亞甲基四氫葉酸，亞甲基四氫葉酸和第二個甘氨酸在絲氨酸羥甲基轉移酶(SHMT)的作用下形成L-Ser。因此，光呼吸可以為氨基酸、核酸和蛋白質等的代謝提供一碳單位，還能為硝酸還原酶提供能量，還為很多次級代謝物的合成提供前體物質，如抗性物質甜菜堿的前體物質——甘氨酸。光呼吸與抗性密切相關。我們早期的研究顯示，在浮萍和擬南芥中，過表達光呼吸途徑中與絲氨酸代謝有關的酶的編碼基因AtAGT可以提高其抗鹽性。

在植物，動物和細菌體中，磷酸化絲氨酸合成途徑都被保存了下來。植物磷酸化絲氨酸合成途徑發生在質體中。這條途徑中涉及了三個催化反應，分別由3-PGA脫氫酶(PGDH,EC 1.1.1.95)，3-磷酸絲氨酸氨基轉移酶(PSAT,EC 2.6.1.52)，3-磷酸絲氨酸磷酸化酶(PSP,EC 3.1.3.3)所催化。前體物質3-PGA被PGDH氧化，NAD⁺作為輔助因子，形成3-磷酸羥基丙酮酸(3-PHP)，3-PHP又被PSAT催化生成3-磷酸絲氨酸，在這個反應中L-谷氨酸作為氨基酸供體，釋放出2-酮戊二酸。最后一步是3-磷酸絲氨酸在PSP酶的催化下去鱗酸化形成絲氨酸。研究顯示，磷酸化絲氨酸合成途徑在植物的環境脅迫中有重要作用，但具體的抗性機制還不清楚。

在本發明中，我們從擬南芥中克隆出磷酸絲氨酸氨基轉移酶AtPSAT1基因，通過植物表達載體轉入植物中，發現它不僅可以誘導植物體內源絲氨酸和甘氨酸過量合成，促進植物的生長，生物量提高而且抗鹽性也有提高。這種轉基因技術可能在農業生產上具有良好的應用前景。

因此，本發明提供的技術方案如下。

磷酸絲氨酸氨基轉移酶AtPSAT1基因在促進植物生長和/或提高植物抗鹽性方面的應用。