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一種抗逆融合基因（WX02）的創制及其在抗逆優質作物育種中的應用項目

鹽堿、干旱、高溫、凍害和洪澇等逆境脅迫嚴重影響作物的正常生長發育，是造成農作物減產和品質下降的主要原因之一，嚴重影響農業的可持續發展。另一方面，對于糧食作物和多數經濟作物來說，其功能葉片中的同化產物和衰老葉片中的營養物質不斷向產量器官的轉運，對作物產量和品質性狀的形成具有重要的作用，作物的過早衰老不僅直接影響糧食作物的產量和品質等要素，對于綠葉類作物和觀賞花卉還會影響到其貨架壽命以及觀賞價值等。克隆葉片衰老和逆境抗性相關基因，并利用生物工程技術調控其在主要經濟作物中的表達方式和表達水平，是提高和穩定作物產量、改善作物品質性狀的有效手段，具有重大的經濟效益和社會效益。然而，很多衰老或逆境抗性相關基因在植物細胞中高表達后，在增強轉基因植株對特定脅迫的抗性、延緩植株衰老的同時，往往伴隨著對植株正常生長和發育的不利影響，如導致植株矮小、生長遲緩或產量下降等，導致該基因無法直接應用于抗逆作物的培育。如果可以特異性地表達這些基因，讓它們在特定的發育階段或脅迫條件下高表達，而在正常的生長過程中維持在較低的基礎水平，可以大大提高它們在基因工程中的應用性。課題組前期克隆了一個植物葉片衰老的負調控因子。在轉基因植物中過表達該基因可以顯著延緩植物的衰老，并賦予植物對高鹽、干旱等脅迫的抗性，但是，轉基因植物的生長發育受到明顯抑制，導致該基因無法被直接應用于抗逆作物的育種工作。課題組前期還分離鑒定了一段含有 14 個氨基酸的多肽序列，命名為 WX01。我們對 WX01的功能研究發現其包含獨特的蛋白降解信號，能夠響應發育與環境信號，在轉錄后水平調控與它融合的目的蛋白的穩定性，從而使目的蛋白在光下正常旺盛生長的植株中降解、但在啟動衰老或者高鹽、高溫和失水等多種逆境脅迫條件下特異積累。我們利用 WX01 與前述衰老負調節因子構建了融合基因 WX02，并轉入模式植物擬南芥中，發現該融合基因可以恢復衰老負調節因子積累造成的植株矮小、生長抑制的表型，但是保留了其延緩衰老、促進光合和提高轉基因植物對高鹽、干旱等逆境脅迫的抗性的功能。課題組進一步將 WX02 融合基因轉入經濟作物大豆中進行功能驗證，獲得了可穩定遺傳的多個株系單拷貝純合轉基因大豆材料。對轉基因大豆的表型分析同樣證明，WX02 轉基因大豆對高鹽、干旱脅迫的抗性顯著提高。上述研究結果表明 WX02 融合基因在抗逆轉基因作物新品種培育中具有重要的應用價值。圍繞該項目已經申請了 2 項國家發明專利，1 項國際 PCT 專利，其中 1 項國家發明專利已經獲得授權。

南開大學 2021-04-13

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