论文摘要：冻害是指零下低温对植物造成的伤害。由于全球气温上升，极端温度出现的频率增加引起农业冻害的发生，例如北方春季倒春寒，南方冬季出现的冻雨严重地抑制了农作物的生长，甚至颗粒无收。提高作物的抗冻性以维持农业的可持续性发展是植物育种学家面临的重大课题。为了能更有效加快作物抗冻育种工作以利于我国形成稳定农业生产，本文中就近年来国内外农作物在抗冻基因，抗冻蛋白，以及抗冻生理生化机制研究进展方面作一较为系统的论述，从而为利用基因工程手段进行作物抗冻育种及有关生理的研究提供启示。
论文关键词：农作物抗冻性,抗冻基因,抗冻蛋白,生理生化变化
植物为抵抗冰点以下的低温使植物组织内结冰引起的伤害称为冻害。低温冻害是农作物减产的重要因素，全球每年因低温寒害造成许多农作物的损失高达数千亿美元。研究并提高作物抗冻能力，培育出抗冻作物品种在增加作物抵御骤然低温能力，维护作物产量，维持农业的持续发展显得非常重要。因此，作物抗冻性研究具有着重要的科学理论意义和应用价值。长期以来，人们从植物生理学、遗传育种学、形态学、生物化学、细胞生物学及分子生物学等多方面对植物抗冻机理进行了广泛的研究。近年来，随着对抗冻机理的认识不断加深，分子生物学及生物化学技术的发展与渗透，有关低温诱导特异蛋白质及其相关基因的克隆、应用与作物抗冻性关系方面已取得了突破性进展。本文就作物对低温胁迫的抗冻基因、抗冻蛋白、生理生化变化等方面的研究进展作一概述，从而为利用基因工程手段进行植物抗冻育种及有关生理的研究提供了新的启示，也为作物增产提供理论依据。
1与作物抗冻相关的抗冻基因
1.1COR基因表达提高农作物的抗冻性
已知的抗冻基因很多，但是目前农业上研究较多的是COR(Cold–regulated)冷诱导基因，如COR15a、COR78、COR6.6、COR47等，对COR15a基因研究比较深入。Artus等对拟南芥COR15a基因的研究为冷诱导基因的抗冻作用首次提供了直接的证据。该研究发现，未经低温锻炼的转基因拟南芥植株中COR15a的表达可使叶绿体的耐冻性增强，其耐受的低温限度从-2～-4C增加到了-5～-8C。为了进一步鉴定COR15a基因的调控机理，Artus等用CaCl和缓冲液洗过的样品放入试管，然后加入酒精在-2C冰浴15分钟，试管外形成冰的悬浮，再经30分钟等温处理后，样品以每分钟0.8C速度下降。在此过程中，用双醋酸荧光素染色检查原生质体质膜的半通透性。结果显示COR15a基因表达的原生质体膜半通透性明显低于未转基因型植株，这表明COR15a的表达对膜起保护和稳定作用。低温对细胞膜的损伤主要原因是由于冰冻引起的细胞脱水而导致膜的脂双层向六角形II相转变以及膜的破裂，而COR15a的表达增强可减少质膜遇低温时所产生的由脂双层向六角形II相转变的机率。研究进一步发现，COR15a通过降低了二油磷脂酰乙醇胺向六角形II转相变的温度，并改变叶绿体被膜内膜的弯曲性，从而减少对膜的伤害。减少膜的伤害可使植株存活率提高，Puhakaine等用电击法通过农杆菌pGV2260，将COR15a基因侵染拟南芥。研究发现，低温条件下，转基因拟南芥植株比对照植株降低了LT5，并且转基因植株的存活率也明显高于对照植株。但也有特殊，Jaglo-Ottosen的研究发现，虽然COR15a转基因拟南芥的抗冻性提高了，但植株的抗冻力提高并不显著。他们认为，这可能由于单个COR15a基因不足以明显提高植株的抗冻能力，植物的抗冻性是由多基因共同作用的效果。
COR其它基因的表达也能增强抗冻性。前人研究发现，转基因的马铃薯没有低温刺激由于CBF过表达诱导COR表达使脯氨酸和总含糖量增加而增强植株抗冻性。COR19转入烟草，和对照烟草植株相比较，转基因植株电渗值较低、发芽率较高、抗冻性有所提高。对小麦低温处理，在20C生长4周后，每两天降低4C，降到12C达到COR14b最佳水平，这表明低温诱导小麦COR14b水平升高使抗冻性增加。
1.2CRT/DRE调节诱导增强农作物抗冻性
从转基因的拟南芥中发现，由于CBF1/DREB1b或CBF3/DREB1a基因的超表达，使上述含有CRT/DRE调节元件的冷相关基因能在正常温度环境中表达，这种含有CRT/DRE调控元件并由CBF/DREB1转录活化因子诱导表达的基因称为CBF调控元件。Stockinger等首次分离了结合CRT/DRE序列的蛋白质的cDNA，分子量为24kD,具有两组分的核定位序列和作为激活结构域的酸性区域。CRT/DRE调节元件相互作用，调节启动子区域含该顺式作用元件的基因的表达，主要在低温和短日照下启动表达，使细胞表现出抗冷能力。Gilmour等研究发现，拟南芥暴露在低温下，迅速诱导CBF目的基因表达，CBF调节子CRT/DRE致使植物抗冻性增强，用Northernblot分析证明，CBF调节子由COR基因和该基因启动子中的CRT/DRE顺式作用元件共同组成。低温时ICE被激活，激活的ICE能特异地结合到CBFs基因的启动子上，诱导CBF/OREB1基因的转录产生CBF/DREB1，进一步作用于COR基因的启动子内CRT/DRE顺式作用元件，使低温应答基因开始转录、表达，从而使植物产生抗寒性。
1.3CBF表达增强农作物冷冻适应性
CBF(C-repeat-bindingfactors)基因家族是一个包括CBF1、CBF2、CBF3、CBF4的小基因家族，其成员在植物抗寒、抗旱及抗盐碱方面起着很大的作用。 1/4 1 2 3 4 下一页 尾页 |
