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植物抗氨基酸突变体研究进展

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河南农业科学,2015,44(7):1-4 Journal of Henan Agricultural Sciences doi:10.15933/j.cnki.1004—3268.2015.07.001 植物抗氨基酸突变体研究进展 孙海燕 ,杨 靖 ,李友勇 (1.河南科技学院,河南新乡453003;2.现代生物育种河南省协同创新中心,河南新乡453003) 摘要:抗氨基酸突变体筛选是植物氨基酸品质改良的前提和基础。为进一步探讨抗氨基酸突变体 的筛选方法及其有效利用,综述了植物抗氨基酸突变体研究现状、筛选方法及其取得的成就、存在 的问题、应用前景,为植物的氨基酸品质改良提供参考。 关键词:植物;抗氨基酸突变体;筛选 中图分类号:¥330 文献标志码:A 文章编号:1004—3268(2015)07—0001—04 Advance in Plant Mutants Resistant to Amino Acid SUN Haiyan 一,YANG Jing 一,LI Youyong ’ (1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China; 2.Collaborative Innovation Center of Modern Biological Breeding,Henan Province,Xinxiang 453003,China) Abstract:The screening of mutants resistant to amino acid are the premise and foundation for quality im- provement of amino acids in plant.In order to further study the screening and utilization of mutants resis— tant to amino acid.This review briefly summarized the present situation of mutants resistant to amino acid, screening methods,achievements,problems and application prospect,SO as to provide reference for quality improvement of amino acids in plant. Key words:plant;mutants resistant to amino acid;screening 氨基酸是构成植物细胞蛋白质的重要组成成 分,同时有些氨基酸还是植物生长过程中重要的生 酸品质改良提供参考。 理活性物质。植物氨基酸代谢在植物生物化学中有 l 氨基酸胁迫植物生长的机制 氨基酸及其类似物对植物的胁迫作用机制一般 认为是反馈抑制,即植物在高浓度外源氨基酸中生 重要地位。过去对植物氨基酸代谢的研究主要是来 自于动物和微生物,但近20 a来,以植物为材料的 氨基酸生化研究报道越来越多,对植物氨基酸代谢 的认识也更加深刻。氨基酸的吸收受呼吸抑制剂制 约,是一个主动过程 ,当植物体的外源氨基酸在 一长时,很可能会导致植物本身体内的氨基酸浓度升 高,当体内氨基酸浓度升高后,会抑制有关合成途径 调节酶的活性,倘若这种抑制时间较长,最终会导致 代谢失调,使植物体生长受到抑制 ̄2-3 3。而某些植 定的浓度范围时,随着其浓度的升高,逐渐表现出 对植物体生长的抑制和胁迫作用。利用氨基酸的这 种特殊生理作用,已筛选出一系列的抗氨基酸突变 体,但由于受植物的各种生理分化条件的制约,这些 物突变体或细胞系获得对氨基酸的抗性后,使合成 氨基酸途径的调节酶对氨基酸抑制不敏感,从而允 抗性突变体在植物氨基酸品质改良中未得到有价值 的利用。植物抗氨基酸突变体从筛选到有效利用, 是一个复杂的过程,综述了抗氨基酸突变体的筛选 许细胞内氨基酸及氨基酸类似物过量积累,若获得 这样的突变体或细胞系,便可获得高氨基酸含量的 植物新类型,从而改良植物的氨基酸品质 ]。 方法及其取得的成就、存在的问题,旨在为植物氨基 收稿日期:2015—02—09 基金项目:河南省教育厅基础研究项目(2011B21000);河南省基础与前沿技术研究项目(132300410354) 作者简介:孙海燕(1977一),女,河南社旗人,实验师,硕士,主要从事生物技术育种改良工作。 E—mail:haiyan2O05O101@163.corn 2 河南农业科学 第44卷 2 氨基酸胁迫下抗性突变体的筛选 2.1 氨基酸抗性细胞系的筛选 Carlson 研究获得的蛋氨酸类似物抗性烟草, 体内蛋氨酸含量比对照系高5倍。此后人们从不同 植物中获得多种类型的抗性突变细胞系:抗蛋氨酸 类似物的烟草、胡萝卜突变体 ,抗色氨酸类似物 5一甲基色氨酸的胡萝卜突变体 ,抗苯丙氨酸类 似物的烟草突变体 ,抗脯氨酸类似物羟基脯氨酸 烟草突变体 ,大麦… 、玉米 、水稻 。 抗赖氨 酸类似物和苏氨酸突变体。筛选的大多数突变体表 现出过量生产相应氨基酸的特性,有的抗性系还表 现出其他氨基酸含量的增加,如Chaleff 通过研究 获得的水稻抗s一氨基乙基半肤氨酸(S—AEC)突 变系,其中赖氨酸、甲硫氨酸含量分别提高2~3倍。 20世纪80年代前后,缪树华等 首先在我国 应用玉米抗赖氨酸和苏氨酸类似物突变体。后来, 我国许多学者相继研究了其他作物,如水稻 、芦 笋 抗L一半胱氨酸类似物突变体,羊草、甘蔗的 抗脯氨酸突变体 ,红豆草 。 、芹菜 、莲 的抗 赖氨酸和苏氨酸突变体,柑桔 、油菜 、甘蓝 和小冠花 的抗羟脯氨酸突变体等,紫花苜蓿耐羟 脯氨酸变异体 ,烟草抗苯丙氨酸突变体 ,小麦 抗赖氨酸突变体 。 虽然这些研究获得了一批细胞系,这些细胞系 的特殊氨基酸含量有2~4倍的增加,但由于细胞系 到植株分化的障碍,以及分化的植株农艺性状改变 太多,均未获得有价值的植物品种。 2.2氨基酸抗性离体胚胎的筛选 李友勇等 、杨靖等 分别试验了10种必需 氨基酸和11种非必需氨基酸对小麦离体胚胎的生 长胁迫反应,结果表明,不同氨基酸对小麦胚胎生长 的胁迫浓度和强度不同;同族的氨基酸对试管植株 有基本相同的作用强度;而L一胱氨酸、L一天冬酰 胺、L一丙氨酸和L一脯氨酸在较高浓度时均未表现 出生长抑制作用。此结果表明,非必需氨基酸胁迫 植物的途径有多态性,这些多态性对研究植物氨基 酸代谢有重要意义。受氨基酸胁迫的不同基因型小 麦品种,蛋白质含量高的,其幼苗生长好,对氨基酸 的抗性强;反之,幼苗生长差,对氨基酸的抗性弱。 杨靖等 对Opaque一2等32个玉米自交系胚 的抗赖氨酸(L)加苏氨酸(T)筛选结果表明,不同的 玉米自交系对赖氨酸+苏氨酸的抗性不同, Opaque一2和旅大红骨类群对L+T有较强抗性,籽 粒中游离赖氨酸含量较高;普通玉米自交系抗L+T 能力较弱,种子中游离赖氨酸含量较低。玉米中存 在典型的天冬族氨基酸生物合成的反馈抑制代谢途 径,试管L+T胁迫方法可用于筛选和鉴定玉米高 赖氨酸基因型。 孙海燕等 引用赖氨酸+苏氨酸为选择剂对 500多个小麦品种的离体胚胎进行抗赖氨酸的筛 选,结果显示,不同小麦品种对赖氨酸+苏氨酸的抗 性不同,通过氨基酸含量测定,抗性基因型和非抗性 基因型种子中的游离赖氨酸和全赖氨酸含量差异不 显著,没有发现种子中这2种氨基酸含量较高的样 本,此现象主要是缘于小麦中赖氨酸等必需氨基酸 的合成和积累特性的保守性。这说明,小麦抗赖氨 酸+苏氨酸胁迫特性与小麦种子高赖氨酸含量是 2个概念,小麦种子中积累目标氨基酸,需要有持续 合成和有效积累的特性。 2.3氨基酸抗性种子的筛选 陈璋等 以赖氨酸及其类似物处理甘薯萌动 种子,结果表明,不同甘薯种子对赖氨酸的反应敏感 程度不同,其中抗赖氨酸及其类似物的甘薯种子能 过量积累赖氨酸,并可通过无性繁殖加以固定,从而 筛选出高赖氨酸含量的个体,改良甘薯品种。 李晓琳等 将不同蛋白质含量的小麦品种种 子,置于含不同浓度赖氨酸、苏氨酸的N 基本培养 基溶液中发芽,结果显示,高蛋白质含量基因型比低 蛋白质含量基因型可忍耐更高浓度的氨基酸胁迫; 外源氨基酸可被幼苗吸收积累并产生生长抑制,不 同蛋白质含量基因型幼苗积累氨基酸的量存在差 异,根据此差异可初步筛选出高蛋白质、高氨基酸含 量的小麦基因型。 3 不同构型氨基酸的胁迫反应 氨基酸有D一型、L一型和DL一型等不同的构 型。按照生物化学原理,大多数氨基酸代谢有反馈 抑制机制,而反馈抑制的抑制物是本身产物 ,植 物中的氨基酸应是L一型氨基酸,因此L一型氨基 酸应是抑制物,但试验研究中发现L一型、D一型和 DL一型氨基酸在胁迫植物生长中有不同的表现 。 李友勇等 进行了脯氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、丙 氨酸和丝氨酸5种氨基酸的L一、D一型和DL一型 异构体对离体小麦胚植株生长的影响试验,结果表 明,在1~7 mmol/L时,脯氨酸异构体均不抑制植株 生长;L一缬氨酸和L一蛋氨酸严重抑制植株生长, D一缬氨酸和D一蛋氨酸不抑制或轻微抑制植株生 长;丙氨酸和丝氨酸则相反,L一型无抑制作用,D一 型是严重抑制类型,和其他L一型氨基酸的抑制作 第7期 孙海燕等:植物抗氨基酸突变体研究进展 用一致;DL一型异构体的抑制作用介于D一型和 L一型之间。脯氨酸3种异构体对离体小麦植株生 长都不具抑制作用,并且有一定程度促进生长作用, 该结果说明植物细胞可忍耐较高浓度的外源脯氨 酸。过去有大量研究指出,胁迫下植物细胞中脯氨 酸可积累,因此把细胞内脯氨酸浓度作为植物抗逆 性的一个重要生理指标,试验结果从另一角度证实 植物的这一特性,高剂量的外源脯氨酸可使体内脯 氨酸积累,但对植物生长无害。至于D一丙氨酸和 D一丝氨酸抑制植物生长的机制,推测可能是蛋白 质合成过程中与L一丙氨酸的竞争抑制,并且其生 长抑制作用是可恢复的,这是酶代谢抑制的一种典 型表现。因此认为,D一丝氨酸和D一丙氨酸可能 存在与多数L一型氨基酸一样的反馈抑制机制,但 这种抑制的酶学机制和作用受体等有待深入探讨。 DL一型氨基酸的作用大体介于D一型氨基酸和L一 型氨基酸之间,是由于DL一型氨基酸是D一型氨基 酸和L一型氨基酸的等量混合物,说明DL一型氨基 酸对离体植株起作用的成分是相应的L一型或D一 型氨基酸。 4 抗氨基酸突变体的研究成就 4.1 确定了筛选抗氨基酸突变体的有效方法 从植物体的愈伤组织细胞系到胚胎和种子,在 氨基酸的胁迫下都表现出对氨基酸的不同抗性。并 且在抗性较强的细胞系、胚胎和种子的幼苗中均表 现出氨基酸的过量积累,因此用氨基酸作为抗性选 择剂,是筛选抗氨基酸突变体的有效方法。 4.2对筛选高氨基酸含量基因型方法做出了有益 探索 在抗氨基酸的细胞系筛选中,由于细胞系到植 株分化的障碍,以及分化的植株农艺性状改变太多, 因而都没有获得有价值的植物品种;在对植物种子 的抗氨基酸筛选中由于种子中胚乳的存在,使氨基 酸的作用明显受到胚乳的影响,种子表现出对氨基 酸敏感性相对较弱;在胚试管筛选中,较低附加浓度 的氨基酸即可筛选出抗性差异基因型,说明胚的反 应比种子更敏感,胚一旦植入试管,胁迫即发生。因 此,在氨基酸的抗性筛选中用胚作材料的试管筛选 更可靠,筛选结果更准确。 4.3有力验证了氨基酸的代谢机制 植物细胞系、胚和种子,在高浓度的氨基酸胁迫 下,均表现出生长抑制,这亦是对氨基酸代谢反馈抑 制作用的有力验证。 4.4氨基酸抗性突变体的筛选对品质育种的启示 在对小麦的研究中,发现蛋白质含量与生长表 现、氨基酸抗性及抗性变异体出现的频率存在一定 的相关性,蛋白质含量高的品种,生长表现好,抗性 强,变异频率相对较高;蛋白质含量低的品种,生长 表现差,抗性弱,变异频率相对较低 ” 。由此可 以根据小麦在氨基酸胁迫下的生长抑制程度,定性 地判断其蛋白质含量水平,为品质育种提供一种辅 助手段,具有一定的参考价值。该结论在其他植物 中尚需进一步试验论证。 5 抗氨基酸突变体筛选存在的问题及 应用前景 抗氨基酸突变体的筛选中,外界因素诱变抗氨 基酸突变体的高氨基酸特性只能在当代突变体中表 达,在后代个体中很难稳定表达并遗传;自然状态下 的突变体突变率低,资源有限,限制了高氨基酸育种 的进程;抗氨基酸突变体筛选及氨基酸含量的测定 过程比较复杂,再加上有些限制性氨基酸在植物体 中的含量较少,在现有的检测条件下很难判断出其 氨基酸含量的基因型差异。但氨基酸抗性突变体在 自然界是广泛存在的,并且可以通过外界诱导等途 径获得抗目标氨基酸的突变体,在抗性突变体的筛 选和鉴定中人们已做了大量的工作,获得了一定的 成效,积累了一定的方法,在很多植物体中也获得了 一些高氨基酸变异体。以后的工作应着重于采用更 先进、便捷、准确的方法筛选出更多的高含量氨基酸 突变体,使高含量氨基酸性状能够持续表达并在后 代中稳定遗传。随着植物分子育种技术的发展和分 析检测技术的更新,一定能筛选出高含量氨基酸变 异体,尤其是农作物的突变体,以应用于改良农作物 品质,丰富现有的种质资源。 参考文献 [1] 张福锁.植物的有机营养[M].北京:中国科学技术出 版社,1993:138—149. 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