三十而立:转基因技术的新突破(二)

编译:UnknownC4

(本文主要由专题文章《转基因:新的品种》(Transgenics: A new breed)[1]和展望文章《为了可持续的粮食生产,利用膜转运蛋白改良作物》(Using membrane transporters to improve crops for sustainable food production)[2]相关内容编译而成,内容较长,此为第二部分)

Transgenics

在转基因技术的而立之年,科研人员除了发明新技术和新的育种思路之外,对转基因技术的目标——植物基因也有了更深刻的认识。而这些知识将很可能使我们解决耕地问题和营养不良问题方面有新的突破。

新方向,植物膜转运蛋白

研究人员通过对全球作物产量的分析发现,在营养不良最为严重的发展中地区,影响作物的产量的一大因素是无机养分和水分的缺乏[3][4]。考虑到单纯提高灌溉水平和化肥用量并不是一种可持续的增产策略[5],我们需要把眼光放到更有创造性的手段上,利用转基因技术在有限的资源下获得更高的食物产量[6]。

膜转运蛋白位于细胞膜上,在植物体内负责矿物质和水分的运输,从而可以控制植物耐旱的能力。而它们也控制植物的能量来源——蔗糖——的输送,所以成为人们试图提高植物吸收水分和养分的效率的重要目标。此外,它们还对植物对恶劣土质,如盐化或酸性土壤的耐受有着关键的作用。

在过去的二十年间,生理学家、遗传学家以及生物物理学家从分子水平上揭示了很多植物吸收营养和应对胁迫(对植物生长不利的环境因素)的奥秘。全基因组测序法,以及各种研究膜蛋白功能的实验方法的发明,使得我们能对膜蛋白进行分门别类。新一代测序法的出现,让我们对植物界多样的膜蛋白有进一步的了解,并能借助分子标记对作物进行优选,或是利用基因工程技术,让这种多样性为农业生产所用。而在 TALEN 以及基因修改这些技术上的突破[7],则使我们可能不需要转入外源基因,而在分子水平对作物进行改良。

本文的第二第三部分将着重介绍膜转运蛋白机理研究对于全球粮食安全问题的重大贡献,其中包括现在正在转化到实际生产的一些研究,比如耐盐化土壤和耐酸性土壤作物的开发,以及谷物中微量元素强化等等;还包括了一些目前尚未产业化的那些研究成果。文中讨论了雨后春笋般地植物转运机理研究突破对全球食品安全问题能够有多大的助益,我们又如何能缩短从实验室发现新性状到把它运用到田间的时间。

改良作物,抗铝耐盐

全世界有30%的土壤是酸性土壤,考虑到其中只有一小部分适合种植作物[8],这对于农业生产是一个不小的制约。铝在 pH 值大于5的土壤中以无害的复合物形式存在,但在酸性土壤中,则大量以铝离子 Al3+ 的形式出现。在土壤溶液(土壤中可溶于水的部分总和)中的铝离子会破坏一些植物的根尖,影响根的生长,从而影响植物对水分和养分的吸收。而包括农业用地在内,全世界大约有7%的土地被土壤中的高盐度或高钠离子浓度所影响,有超过30%灌溉作物以及7%的旱地作物的产量受到了土壤盐度的限制。因为灌溉用水中含有微量的盐分,灌溉农作物还会进一步高土壤盐度。所以,培育抗铝或耐盐的作物品种,就能够使它们更容易适应不良的耕地条件。

植物抵抗离子的一大手段就是液泡隔离,将有害的离子隔离在液泡(植物细胞中很显著的一个结构,用于贮存水分、隔离废物等等)中之后,它们就不会干扰正常新陈代谢的进行。谷物中最为抗铝的水稻,使用的抗铝方法里,就有一种是借助几种转运蛋白共同作用,实现铝离子的液泡隔离[9][10]。通过遗传学分析,人们已经发现了其中一种转运蛋白 Nrat1 抗铝和不抗铝的不同基因型,这些基因型很大程度上能够解释,孟加拉国所产的夏稻(Oryza sativa aus)不同个体之间抗铝能力的不同,而这使得人们有希望利用对应的分子标记来加速水稻的育种[11]。对于钠离子而言,则通过借助钠/氢离子逆向转运蛋白,在叶片细胞中将钠离子液泡隔离,从而实现耐盐的特性[12],大麦主要采用的就是这种策略[13]。通过对这些转运蛋白的研究,人们可以提高液泡隔离的效率,从而增强对于对应离子的耐受程度。

通过对主要谷物中天然抗铝品种的研究表明,除去液泡隔离之外,部分植物的耐铝离子机制在于它们的根系会主动排出有机酸根离子[14],这些离子有着特殊结构,能像蟹钳一样同铝离子“螯合”生成无害产物,从而使得根尖免受伤害,保护根系的生长。转运蛋白在这一过程中扮演了重要角色,负责将这些有机酸根离子从根细胞中输送到周围土壤里。在小麦中就有一个叫做 TaALMT1 的基因,它编码一个由铝离子控制的负离子通道,用来让植物的根分泌苹果酸根离子[15]。人们通过使用能识别 TaALMT1 的分子标记,就能快速筛选出抗铝的小麦品种,而 TaALMT1 基因本身也可以使其它的作物能更加耐受土壤中的铝离子,像大麦这种最不抗铝的作物,在表达了这个基因之后,在酸性土壤的产量也有大幅增加[16]。而与之相对应的,一些膜转运蛋白能让植物的根系分泌柠檬酸根离子,它们被叫做 MATE 转运蛋白[17][18]。在高粱[18]、大麦[19]和玉米[20]中,根尖的 MATE 转运蛋白是它们对抗铝离子的主要手段。而最近人们从高粱中发现了跟抗铝性状基因 SbMATE 的相关分子标记,于是这些标记就可以被育种专家用来把最有效的 SbMATE 基因引入作物中去,而这一成果正在酸性土壤实验田中测试[18]。

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图1:改良作物以提高抗铝能力。
照片中所示是在酸性土壤生长的大麦幼苗,土壤中含有大量有毒的铝离子(Al3+)。其中一株幼苗通过转基因技术,转入了来自小麦的抗铝转运蛋白基因(TaALMT1),而另一株则是未经转基因的野生型(WT)亲本。下图所示为位于植物根尖细胞膜上的 TaALMT1 负离子通道(蓝色)。在酸性土壤中,铝离子(红色圆球)激活 TaALMT1 (虚线),导致苹果酸根离子流到细胞膜之外的质外体(细胞壁)中。苹果酸根离子(OA-,黄色圆球)和质外体中的铝离子结合,从而使根尖细胞免受其毒害。本图改自参考资料[42]中的图2。

植物细胞的耐盐性则更主要地依赖于位于细胞膜上负责钠离子和钾离子[21]的运输的 HKT 家族蛋白[22]。在模式植物拟南芥(Arabidopsis)中的研究表明,“第一类”HKT 蛋白能够选择性的转运钠离子,避免它在叶片中过度蓄积产生毒性,从而保护植物叶片少受高盐胁迫的影响[22]。第一类 HKT 蛋白在植物体内,连接根系到叶片的营养输送通路上得到表达[22],包括把水分和矿物营养从根系输送到叶片的木质部导管周围的细胞,以及叶脉细胞之中。这类蛋白能除去水稻和拟南芥木质部中的过量钠离子,从而使负责光合作用的叶片组织中钠离子含量不会高于有毒水平[23][24][25]。人们也在小麦中发现了类似的机理,由 HKT1;4 和 HKT1;5 基因实现[26][27]。值得一提的是,最近研究人员将小麦的近亲,更耐受钠离子的“一粒小麦”(Triticum monococcum)中更远古版本的 HKT1;5 基因,导入到现代农业广泛种植的,不耐钠的硬粒小麦(Triticum turgidum ssp durum)中后,使硬粒小麦在高盐土地上的亩产提高了25%,显示了这一机理的巨大潜力[27]。另外,某些特定的“第二类”HKT 蛋白[28]能协助控制植物根系对正离子的吸收[29],如果我们在这一基础上,结合那些把钠离子隔离在液泡中的蛋白的话[30][31],就有可能进一步提高作物的耐盐能力。这种 HKT 蛋白和液泡隔离法的结合,使得我们在开发耐盐作物的分子育种和转基因过程中如虎添翼。

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图2:HKT 转运蛋白所介导的植物耐盐力。
本图说明了第一类 HKT 转运蛋白在保护植物不受高盐胁迫影响中的作用。这些 HKT 转运蛋白在高盐胁迫下介导植物将钠离子(Na+)从木质部中移出,从而避免叶片中钠离子累积过量,以保护这一光合作用的重要器官。图中所示的是小麦的例子。

通过对转运蛋白的研究,我们知道了植物抗铝和耐盐的几大策略:液泡隔离,从根系分泌有机酸根离子以排除铝离子,控制钠离子的运送和吸收等等。而编码这些转运蛋白的基因则可以被我们用来开发抗铝或者耐盐的农作物,这将同常规农业管理手段——如施用石灰等提高土壤 pH 值——一样,成为提高作物产量的重要手段之一。

SWEET 蛋白,致病死穴?

植物叶片的光合作用会生成糖类,然后经由叶脉输送到各处,以供根系、分生组织和种子的发育之用。于是很容易推出,糖类的运输速率和植株内的分布状况会直接影响最后作物的产量这一结论。而且对于植物而言,蔗糖不仅是一种能量分子,它同时还能够带动叶脉中所有其他营养和信号分子的运送。但这一过程具体的实现机理直到最近才逐渐被人们了解。20世纪90年代初人们就发现了蔗糖-质子共转运蛋白 SUT1 是将蔗糖运送到叶脉中的关键转运蛋白[32]。可当时人们并不清楚叶细胞合成蔗糖之后,是用什么机理把它们释放出来,最后送到 SUT1 那里的。最近利用基于荧光共振能量转移技术开发的糖分子检测手段[33][34],人们发现了参与这个运送过程的一系列蛋白,并戏剧性地称之为“SWEET”(参见附录英文缩写,同时也是“甜”的意思)蛋白。现在已知的作物基因组中有大约20种 SWEET 基因,它们所对应的蛋白位于叶脉中的韧皮薄壁组织细胞膜上,而韧皮薄壁组织负责把蔗糖送出到 SUT1 蛋白那里。糖类的进出叶脉由植物激素、膨压反馈以及糖类浓度所控制[35]。了解了这一机理,能够使我们通过改变植物体内能量和碳源的分配,从另一个方向来试图提高作物产量。

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图3:SWEET 糖转运蛋白在植物将蔗糖运送到细胞壁空间过程中的作用,以及致病菌对它的诱导。
a. SWEET 转运蛋白(红色)位于韧皮组织细胞(植物维管结构中的一种细胞)里,将光合作用所产生的蔗糖(S)向外运送到细胞壁,细胞壁上的 SUT1 在质子泵(一种膜蛋白,可利用高能分子 三磷酸腺苷(ATP)将氢离子(H+)从膜的低浓度一侧泵向高浓度一侧,制造并维持浓度梯度供其它蛋白使用)的驱动之下,将送来的蔗糖主动转运到导管——植物中称作筛管分子-伴胞复合体的结构——之中,最后向种子输送。光合作用主要发生在栅栏组织(植物叶表皮下的一层组织,在显微镜下细胞呈栅栏状排列,故名)中。b. SWEET 蛋白成为病菌感染过程中植物的“死穴”。病原体借助其第三类分泌系统(类似注射器的结构,可以直接向宿主细胞“注射”蛋白)直接向植物注入类转录激活因子效应物,诱导 SWEET 蛋白的表达,从而使植物细胞释放出糖类,作为病菌的重要能量来源。

这里还需要提到一点,人们现在已经确定这些负责糖类输送的 SWEET 蛋白也和植物的抗病性相关,给植物疾病机理的研究带来了全新的认识[36][37][38][39]。病原体在植物茎叶的生长需要从宿主获取养分。水稻白叶枯病菌利用自身的 TALE(细菌中的转录因子,可以直接影响目标 SWEET 基因的启动子)以在被感染的水稻细胞中诱导 SWEET 基因的表达。我们通过利用 TALEN 这一人工技术,修改染色体中 SWEET 基因的启动子以阻止病原体的诱导,或者使用有特异性的微 RNA 表达,阻止 SWEET 基因在韧皮部以外的植物组织的表达,这样就能开发出抗白叶枯病的水稻[40][41]。对这些关键基因的发现,结合 TALEN 技术,使我们有了全新的手段,不需要引入外源基因,通过基因工程技术就可以同时改良产量和抗病性,以开发更优良的作物。

(待续)

附录:文中所提到缩略词中英文全称一览

HKT:高亲和钾转运体(High-affinity potassium transporter)
MATE:多药及毒性化合物外排(multidrug and toxic compound extrusion)
SbMATE:高粱多药及毒性化合物外排蛋白(Sorghum bicolor MATE)
Nrat1:自然抗性相关的巨噬细胞蛋白1(Natural resistance-associated macrophage protein aluminium transporter 1)
SUT1:蔗糖转运蛋白1(Sucrose transport protein 1)
SWEET:“糖类终将被转运出来”转运体(Sugers Will Eventually be Exported Transporter)
TaALMT1:小麦铝激活苹果酸转运蛋白1(Triticum aestivum aluminium-activated malate transporter 1)
TALE:类转录激活因子效应物(Transcriptional-activator-like effector)
TALEN:类转录激活因子效应物核酸酶(TALE nuclease)

参考文献与链接

1. http://www.nature.com/news/transgenics-a-new-breed-1.12887
2. http://www.nature.com/nature/journal/v497/n7447/full/nature11909.html (需登录)
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