引用本文
李君霞, 王春义, 丁宇涛, 代书桃, 朱灿灿, 宋迎辉, 秦娜, 陈宇翔. MYB转录因子在植物耐盐基因工程中的应用进展[J]. 浙江农业学报, 2020,32(10): 1910-1920.
LI Junxia, WANG Chunyi, DING Yutao, DAI Shutao, ZHU Cancan, SONG Yinghui, QIN Na, CHEN Yuxiang. Progress on application of MYB transcription factor in plant salt tolerance genetic engineering[J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2020,32(10): 1910-1920.
  
Doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2020.10.21
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MYB转录因子在植物耐盐基因工程中的应用进展
李君霞, 王春义, 丁宇涛, 代书桃, 朱灿灿, 宋迎辉, 秦娜, 陈宇翔
河南省农业科学院 粮食作物研究所,河南 郑州450002

作者简介:李君霞(1973—),女,河南禹州人,副研究员,主要从事谷子遗传选育及栽培研究。E-mail:lijunxia@126.com

收稿日期: 2020-04-24
基金资助: 现代农业产业技术体系(nycytx-CARS-06); 河南省农业科学院自主创新专项
摘要

盐胁迫是影响植物生长、发育及作物产量的重要环境因子。耐盐育种是保障农业生产的重要措施,利用基因工程技术提高植物耐盐性是优于传统育种的有效途径。MYB转录因子是植物中最大的转录因子家族之一,在包括盐胁迫在内的植物非生物胁迫调控中有重要作用。本文系统阐述了MYB转录因子的基本结构及其在拟南芥、烟草及水稻、大豆、番茄等植物耐盐基因工程中应用的研究进展,为MYB转录因子的利用及植物耐盐遗传改良及育种提供参考。

关键词: 植物; MYB转录因子; 耐盐; 基因工程
中图分类号:S184 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2020)10-1910-11
Progress on application of MYB transcription factor in plant salt tolerance genetic engineering
LI Junxia, WANG Chunyi, DING Yutao, DAI Shutao, ZHU Cancan, SONG Yinghui, QIN Na, CHEN Yuxiang
Cereal Crops Institute, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China
Abstract

Salt stress is a major environmental factor that affects plant growth, development and crop yields. Salt tolerance breeding is an important measure to ensure agricultural production. It is an effective way to improve plant salt tolerance through genetic engineering technology compared with the conventional breeding methods.MYB family is one of the largest transcription factor families in plants, which plays an important role in regulation on plant tolerance to abiotic stresses including salt stress. This paper systematically and comprehensively elaborated the application of MYB transcription factors in salt tolerance genetic engineering of Arabidopsis thaliana, tobacco ( Nicotiana tabacum), rice ( Oryza sativa), soybean ( Glycine max) and tomato ( Solanum lycopersicum),etc, so as to provide some references for the utilization of MYB transcription factors and salt tolerance genetic improvement and breeding.

Keyword: plant; MYB transcription factor; salt tolerance; genetic engineering

据不完全统计, 全世界盐碱地总面积约为9.54亿hm2, 我国盐碱地总面积约为3 600万hm2, 盐碱化的耕地约760万hm2, 占全国可利用土地总面积的4.88%[1, 2]。土壤盐渍化是主要的环境胁迫因子之一, 严重影响植物生长及作物产量, 进而影响农业生产[3, 4, 5]。因此, 进行植物耐盐育种具有十分重要的现实意义。植物的耐盐性大多属于受多基因控制的复杂数量性状, 耐盐机制复杂, 利用传统育种方法改良植物的耐盐性进展缓慢、收效甚微。利用现代分子生物技术发掘利用优异的耐盐基因资源来改良植物的耐盐性是提高植物耐盐丰产能力有效的途径。

植物对早期盐胁迫信号的感知、转导主要由转录因子控制, 例如DREB(dehydration responsive element binding factors)、bZIP(basic leucine zipper)、NAC/NAM(no apical meristem)、ATAF1(Arabidopsis transcription activation factor 1)、MYB(v-MYB avian myeloblastosis viral oncogene homolog)等。其中, MYB转录因子是植物中最大的转录因子家族之一[3], 目前已在拟南芥(Arabidopsis thaliana )、水稻(Oryza sativa)、棉花(Gossypium hirsutum)、马铃薯(Solanum tuberosum)中分别鉴定了198、183、200、233个MYB基因[6, 7, 8, 9]。MYB转录因子家族成员众多, 功能多样, 参与信号转导[10, 11]、木质部发生和木质素合成[12, 13, 14]、花青素合成等[15], 而且还参与植物对高盐、低温等非生物胁迫及病原菌侵染等生物胁迫的抗逆反应[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30]。目前, 众多研究已经证实过表达MYB基因可以提高转基因植株的耐盐性[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30]。本文阐述了MYB转录因子的基本结构及其在拟南芥、烟草(Nicotiana tabacum) 及水稻、大豆(Glycine max)、番茄(Solanum lycopersicum)等植物耐盐基因工程中应用的研究进展, 以期为MYB转录因子的利用及植物耐盐遗传改良和育种提供参考。

1 MYB转录因子的基本结构特征

MYB 转录因子的得名是因其N端都有一段高度保守的DNA结合结构域, 即 MYB结构域, 且该结构域由1~4个串联的不完全重复序列(R)组成, 该重复序列由大约52个氨基酸组成[31], 包含氨基酸残基和间隔序列, 其中氨基酸残基以螺旋-转角-螺旋(HTH)的形式参与到与DNA的结合过程中[32], 间隔序列则由一个色氨酸残基组成, 大约每间隔18个氨基酸就会间隔着一个色氨酸残基, 序列中均匀分布的3个色氨酸残基形成一个疏水核心[33], 对维持HTH的构型具有重要意义[34]。MYB转录因子的C端是具有多样性的转录调控区域, 调控蛋白活性。

根据MYB重复序列数目, MYB转录因子可以分为4种类型:4R-MYB含有4个重复序列, 3R-MYB(R1R2R3-MYB)含有3个连续的重复序列, R2R3-MYB含有2个重复序列, 1R-MYB/MYB-related类型通常(但不一定)只包含1个单一的MYB重复序列[31, 35, 36]。4种类型的MYB转录因子在植物中均有发现, 以R2R3-MYB类型居多, 例如水稻、拟南芥中R2R3-MYB类型分别占所有MYB转录因子的56.77%、70.05%[37], 而且抵御逆境有关的MYB转录因子大部分都是R2R3-MYB类型[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30]。

2 MYB转录因子在植物耐盐基因工程中的应用进展

目前, 已在不同植物中分离并克隆得到很多MYB基因, 且一部分MYB基因在拟南芥、烟草、粮食及经济作物等中超表达提高了转基因植株的耐盐性甚至产量[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 38], 为今后植物的耐盐遗传改良奠定了坚实的基础。

2.1 拟南芥耐盐基因工程

对基因功能的研究大部分从模式植物拟南芥开始, 因为拟南芥染色体少、基因组小, 转化周期短, 且转化再生体系已经非常成熟。将来自拟南芥、小麦( Triticum aestivum)、苦荞麦(Fagopyrum tataricum)、水稻、玉米(Zea mays)、大豆、棉花、苜蓿(Medicago truncatula)、扁豆(Lablab purpureus)等中的MYB基因在拟南芥中进行超表达, 提高了转基因拟南芥植株的耐盐性[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 38], 为植物耐盐育种奠定了基础。

2.1.1 拟南芥MYB基因

拟南芥AtMYB44基因受干旱、高盐、低温、脱落酸(abscisic acid, ABA)诱导表达, 在维管结构和叶表皮的保卫细胞中表达, 超表达AtMYB44基因的转基因拟南芥植株较野生型对照生长缓慢, 花期推迟, 且籽粒变小, 但是在高盐胁迫下条件下的存活率较野生型对照显著提高3.9~4.2倍; 转基因植株对ABA的敏感性增强, 在ABA处理下, 气孔开度变小, 气孔关闭速度加快; 进一步分析发现, 转基因植株中一些编码PP2Cs(serine/threonine protein phosphatases 2C)蛋白(负调控ABA信号转导)的盐诱导基因的表达量下调, 例如ABI2(abscisic acid-insensitive 2)、PP2CA等[23]。说明AtMYB44通过下调一些PP2Cs基因的表达来提高转基因植株的耐盐性。类似地, AtMYB20基因也受高盐、干旱、ABA诱导表达, 超表达AtMYB20基因也提高转基因拟南芥植株的耐盐性, 转基因植株叶绿素含量显著高于野生型对照, 失水率显著低于野生型对照; 且表达分析发现, 转基因植株中编码PP2Cs蛋白的基因ABI1、ABI2、AtPP2CA的表达量也下调[24]。说明AtMYB20也是通过下调编码PP2Cs蛋白基因的表达来提高转基因植株的耐盐性。此外, AtMYB15基因在营养器官、生殖器官及气孔保卫细胞中均表达, 也受ABA、干旱、高盐诱导表达, 在拟南芥中超表达AtMYB15基因, ABA处理后, 转基因植株气孔开度降低、气孔关闭速度加快, 且转基因植株中ABA合成基因ABA1、ABA2, ABA信号基因ABI3, ABA依赖途径中的胁迫响应基因AtADH1(alcohol dehydrogenase 1)、RD22(responsive to dehydration 22)、RD29B的表达量均上调; 高盐胁迫条件下, 转基因植株的耐盐性提高[25]。说明超表达AtMYB15基因植株耐盐性的提高可能归因于ABA合成、信号、响应基因表达量的提高。

2.1.2 粮食作物MYB基因

小麦TaMYB73基因受干旱、高盐、茉莉酸(jasmonic acid, JA)、ABA等诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因, 正常条件下, 转基因植株表型与载体对照无差异; 但在水培高盐条件下, 载体对照植株叶片生长缓慢, 根长明显较转基因植株短; 在土培高盐胁迫条件下, 转基因植株同样表现出较强的生长能力, 转基因植株的耐盐性提高; 且转基因植株中一些调节基因CBF3(C-repeat binding transcription factor 3)、ABF3(ABA responsive element binding factors 3)及下游响应基因(AtRD29A、AtRD29B)的表达量均上调; 进一步分析发现, TaMYB73可与AtCBF3、AtABF3基因启动子序列结合[26]。说明TaMYB73通过上调AtCBF3、AtABF3等基因的表达来提高转基因植株的耐盐性。类似地, TaMYB33基因也受干旱、高盐、ABA诱导表达, 在拟南芥中超表达TaMYB33基因, 高盐胁迫条件下, 转基因植株的根长也显著增加; 进一步分析发现, 转基因植株中ICE1(inducer of CBF expression 1)、AAO3( abscisic aldehyde oxidase 3)、P5CS(Δ 1-pyrroline-5-carboxylate synthetase)基因及锌指蛋白基因AZF2、ZAT12的表达量显著提高[27], 说明TaMYB33可能通过调节渗透平衡和ROS清除来提高转基因植株的耐盐性。另外, TaMYB19基因受干旱、高盐、低温、ABA诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因, 经300 mmol· L-1 NaCl处理7 d后, 所有野生型对照均死亡, 转基因植株的存活率为32.75%~41.4%; 高盐胁迫条件下, 转基因植株叶片可溶性糖含量较野生型对照显著增加, 丙二醛(malondialehyde, MDA)含量和电解质渗漏率均显著低于野生型对照; 另外, 超表达TaMYB19基因还提高了转基因拟南芥植株的耐冷性, -8 ℃处理6 h后常温培养1 d, 野生型对照全部死亡, 转基因植株存活率为67.6%~70.6%[28]。此外, TaSIM[29]、TaMYB32[30]、TaMYB56-B[38]基因也均受高盐胁迫诱导表达, 分别在拟南芥中超表达这些基因, 也均提高了转基因植株的耐盐性, 且超表达TaMYB56-B基因植株中一些冷胁迫诱导基因的表达量上调, 例如DREB1A/CBF3、COR15a(cold regulated 15a)等基因, 说明TaMYB56-B基因通过调控一些参与DREB1/CBF信号转导的胁迫相关基因的表达来介导信号转导。

苦荞麦FtMYB9基因受干旱、高盐、低温、ABA诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因提高了转基因植株对ABA的敏感性。高盐胁迫条件下, 转基因植株的存活率(80%)显著高于野生型对照, 转基因植株叶片MDA含量降低, 脯氨酸含量和保水能力提高, 且一些胁迫相关基因(P5CS1、DREB2A、RD29B、COR15A等)的表达量升高[39]。FtMYB13基因也受干旱、高盐、ABA诱导表达, 但在拟南芥中超表达该基因降低了转基因植株对ABA的敏感性, 同样提高了转基因植株的耐盐性; 在高盐胁迫条件下, 转基因植株活性氧和MDA含量降低, 脯氨酸含量和光合效率增加, 一些胁迫相关基因CBF1、CBF2、CBF3、COR15A、DREB2A、ERD10(early responsive to dehydration 10)、KIN1(kinase 1)、P5CS1、RD17、RD22、RD29A、RD29B的表达量提高[40]。

除了小麦、荞麦, 水稻[41]和玉米[42]MYB基因在拟南芥中超表达也提高了转基因植株的耐盐性。水稻OsMYB3R-2基因受干旱、高盐、低温诱导表达, 超表达该基因的转基因拟南芥植株生长稍微缓慢, 发芽对ABA不敏感, 但耐盐、耐低温能力提高, 且一些胁迫响应基因DREB2A、COR15a、RCI2A(rare-cold-inducible 2A)的表达量提高[41]。玉米ZmMYB3R基因受干旱、高盐、ABA诱导表达, 超表达该基因提高了转基因拟南芥植株在干旱和高盐胁迫条件下的存活率; 且转基因植株过氧化氢酶(catalase, CAT)、过氧化物酶(peroxidase, POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性, 对ABA的敏感性提高, 气孔关闭速度加快, 一些胁迫/ABA响应基因RD29A、RD29B、ABF3、ABA1、NCED3(nine-cis epoxycarotenoid dioxygenase 3)的表达量提高, 说明ZmMYB3R通过依赖于ABA的途径提高转基因植株的耐盐性[42]。

2.1.3 经济作物MYB基因

经济作物大豆GmMYB76基因受高盐诱导表达, GmMYB92基因受高盐和低温诱导表达, GmMYB177基因受干旱和高盐诱导表达, 超表达GmMYB76、GmMYB92、GmMYB177基因的转基因拟南芥植株对ABA的敏感性均增强, 高盐胁迫条件下, 超表达GmMYB76、GmMYB92、GmMYB177基因的拟南芥植株的存活率均较野生型对照显著升高, 且超表达GmMYB76、GmMYB92基因的拟南芥植株的存活率高于超表达GmMYB177基因的拟南芥植株; 低温胁迫条件下, 超表达GmMYB76、GmMYB92、GmMYB177基因的拟南芥植株的脯氨酸含量均较野生型对照显著提高, 存活率也提高, 但仅超表达GmMYB76、GmMYB177基因的拟南芥植株达到显著水平; 表达分析发现, 超表达GmMYB76、GmMYB92、GmMYB177基因拟南芥植株中一些胁迫相关基因的表达量上调, 但这些基因不尽相同, 分别是rd29B、DREB2A、P5CS、RD17、ERD10、COR78/rd29A, DREB2A、RD17、P5CS, rd29B、ABI2、DREB2A、RD17、P5CS、ERD10、COR6.6、ERD11、COR78, 其中DREB2A、RD17、P5CS3基因均能被GmMYB76、GmMYB92、GmMYB177基因上调表达[43]。另一个大豆MYB基因GmMYB12B2不仅受高盐诱导表达, 还受UV(ultraviolet)诱导表达, 超表达GmMYB12B2基因可以提高转基因拟南芥植株对UV和高盐的抗性, 且提高了脯氨酸含量和一些盐胁迫相关基因(DREB2A、RD17)的表达量[44]。从野生大豆中克隆GsMYB15基因, 其受高盐、虫害、JA、水杨酸(salicylic acid, SA)诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因, 高盐胁迫条件下, 野生型对照全部停止生长且叶片萎蔫变白, 而转基因植株的存活率在42%~53%; 同时, 转基因植株对棉铃虫的抗性也提高; 进一步分析发现, 转基因植株中一些盐胁迫相关基因D29B、DREB2A、MYB2、ANACO19及防御相关基因EDR1、ACS6(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase 6)、PAD4(phytoalexin deficient 4)、APX1(ascorbic acid peroxidase 1)、CYP79B2(cytochrome oxidase P450 79B2)的表达量提高[45], 说明GsMYB15通过上调上述盐胁迫及防御相关基因的表达来提高转基因植株的耐盐性和抗虫性。

除了大豆, 经济作物棉花[46]、苜蓿[47, 48]中一些MYB基因也能提高转基因拟南芥植株的耐盐性。棉花GhMYB73基因受高盐、ABA诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因, 高盐胁迫条件下, 转基因植株的子叶绿化率较野生型对照提高, 且一些渗透胁迫基因NHX1(Na+/H+ antiporter 1)、SOS3(salt overly sensitive 3)、P5CS1的表达量提高, 推测GhMYB73通过提高渗透胁迫能力来提高转基因植株的耐盐性[46]。苜蓿MtMYBS1基因受高盐、干旱、ABA诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因提高了转基因植株的耐盐性和耐渗透性。高盐胁迫条件下, 转基因植株脯氨酸含量提高, MDA含量降低, 且一些盐胁迫诱导基因AtRD22、AtRD29A、AtRD29B、AtP5CS、AtMYB2、AtDREB2a的表达量提高[47], 说明MtMYBS1通过上调这些盐胁迫相关基因的表达来提高转基因植株的耐盐性。类似地, MsMYB4基因也受盐诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因同样提高了转基因植株的耐盐性[48]。

2.1.4 其他植物MYB基因

除了上述植物, 在拟南芥中超表达甜樱桃(Prunus avium)、菊花(Chrysanthemum morifolium)、玫瑰(Rosa hybrida)、扁豆等植物中的MYB基因也能提高转基因植株的耐盐性[49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56]。

甜樱桃PacMYBA基因受高盐、SA、JA诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因, 提高了转基因植株对高盐和Pseudomonas syringe pv. tomato的抗性, 其中高盐胁迫条件下, 转基因植株叶片渗透势降低, 脯氨酸含量和POD活性增加, 且一些高盐胁迫相关基因GST1(glutathione-s-transferase 1)、APX1等及病菌防护相关基因PR-1(pathogenesis related gene-1)、PR-2、PR-5等的表达量提高[49]。说明PacMYBA通过上调这些盐胁迫及病菌防护相关基因的表达来提高转基因植株的耐盐性。菊花CmMYB2基因除了受高盐诱导外, 还受干旱、低温、ABA诱导表达, 超表达该基因的转基因植株开花时间推迟, 对ABA的敏感性增强, 气孔开度降低, 抗旱性(存活率是野生型对照的4倍多)和耐盐性(存活率是野生型对照的3倍)均显著提高; 进一步分析发现, 转基因植株中一些胁迫相关基因RD22、RD29A、RAB18(responsive to ABA 18)、COR47、ABA1、ABA2的表达量提高, 一些开花相关基因CO(CONSTANS)、FT(flowering locus T)、SOC1(suppressor of overexpression of constans 1)、LFY(LEAFY)、AP1(APETALA1)的表达量降低[50], 说明转CmMYB2基因植株开花推迟和抗逆性的提高归因于这些开花相关基因表达量的降低和抗逆相关基因表达量的提高。类似地, 玫瑰RhMYB96基因也受高盐、干旱诱导表达, 超表达RhMYB96基因也增强了转基因拟南芥植株对ABA的敏感性, 高盐胁迫条件下, 转基因植株主根长和生物量增加, 清除活性氧能力增强, 一些胁迫相关基因RD29A、RAB18、RD20、RD26、KIN2、P5CS1、P5CS2及ABA相关基因ABI1、ABI2、HAI1(hepatocyte growth factor activator inhibition 1)的表达量上调[51]。综上, RhMYB96可能通过调控这些胁迫及ABA相关基因表达量的提高进而提高转基因植株的耐盐性和ABA敏感性。另外, 超表达扁豆LpMYB1基因也提高了转基因拟南芥植株的抗旱性和耐盐性[52]; 超表达LcMYB1(Leymus chinensis MYB1)基因通过提高转基因拟南芥植株活性氧清除能力来提高转基因植株的耐盐性[53]; 超表达FvMYB1(Fraxinus velutina MYB1)基因不仅提高了转基因拟南芥植株活性氧清除能力, 还提高了渗透调节能力及一些胁迫响应基因DREB、RD29A、ERD10C、SOD、P5CS、LEA5(late-embryogenesis-abundant protein)、ADC1(arginine decarboxylase 1)表达量, 进而提高了转基因植株的耐盐性[54]。

MYB基因除了通过提高胁迫相关基因的表达量来提高转基因植株的耐盐性外, 还能够通过调控根系发育来提高转基因植株的耐盐性[55, 56]。CpMYB10(Craterostigma plantagineum MYB10)受干旱和ABA诱导表达, 超表达CpMYB10基因拟南芥植株具有庞大的根系, 抗旱、耐盐性提高; 且转基因植株对葡萄糖不敏感, 对ABA敏感性增强, 说明CpMYB10可以改变ABA和葡萄糖信号响应[55]。毛果杨(Populus trichocarpa)PtrSSR1基因受高盐诱导表达, 在拟南芥中超表达该基因, 转基因植株对ABA的敏感性增加, 内源ABA水平升高, 且转基因植株侧根发生受抑制; 但高盐胁迫条件下, 转基因植株的耐盐性提高, 且侧根发生较野生型对照快; 进一步分析发现, 转基因植株中一些ABA和高盐胁迫相关基因NCED3、ABI1、CBL1的表达量提高[56]。说明PtrSSR1基因通过调控侧根发生和ABA信号来提高转基因植株的耐盐性。

2.2 烟草耐盐基因工程

除了拟南芥外, 烟草也是遗传转化的模式植物, 具有遗传转化操作容易、组织培养周期短、转化效率高等优点, 可以大大缩短转化再生周期。目前, 已将小麦、苹果(Malus domestica)、甘蔗(Saccharum officinarum)等的MYB基因在烟草中进行了超表达, 不同程度上提高了转基因烟草植株的耐盐性[57, 58, 59, 60, 61, 62, 63]。

小麦TaODORANT1基因受干旱、高盐、ABA、H2O2诱导表达, 超表达该基因的转基因烟草植株对ABA的敏感性增强; 高盐胁迫条件下, 转基因植株叶片CAT活性较野生型对照提高, 离子渗透率、MDA含量及H2O2水平均降低, 根系增长, 耐盐性提高, 且转基因植株的抗旱性也提高; 表达分析发现, 干旱和高盐条件下, 一些胁迫相关基因NtCAT、NtNCED3、NtERD10C、NtERD10D、NtLEA5、NtABF2、NtLTP3(lipid-transfer protein 3)、NtP5CS1、NtSAMDC(S-adenosyl-L-methionine decarboxylase gene)、NtADC的表达量提高[57]。类似地, TaPIMP1基因也可提高转基因烟草的抗旱性、耐盐性, 还可提高转基因植株对青枯病(Ralstonia solanacearum)的抗病性, 转基因植株的苯丙氨酸转氨酶(phenylalanine ammonia-lyase, PAL)和SOD活性提高[58]。

苹果MdSIMYB1基因受干旱、高盐、低温及IAA、ABA诱导表达, 超表达MdSIMYB1基因烟草种子萌发对ABA不敏感, 且转基因烟草植株的耐盐、抗旱、耐冷性提高, 这主要得益于一些胁迫响应基因(NtDREB1A、NtERD10B、NtERD10C)表达量的提高; 另外, 超表达MdSIMYB1基因促进了转基因烟草植株根系的生长, 转基因植株根系强壮, 从而有利于提高转基因植株的抗逆性, 进一步分析发现, 根系强壮主要归因于转基因植株中生长素响应基因NtIAA4.2、NtIAA4.1、NtIAA2.5表达量的提高[59]。同样地, 在烟草中超表达甘蔗SoMYB18基因也提高了转基因植株的抗旱性和耐盐性, 高盐胁迫条件下, 转基因植株SOD、CAT活性升高, 脯氨酸、叶绿素含量增加, 脂质过氧化程度减轻[60]; 超表达SsMYB18(Saccharum spontaneum MYB18)基因提高了转基因烟草植株的耐盐性和耐冷性, 转基因植株抗氧化酶SOD、POD、CAT活性增加, MDA含量降低, 脯氨酸含量增加[61]; 超表达海榄雌(Avicennia marina)AmMYB1基因同样提高了转基因植株的耐盐性[62]。

与前面MYB基因有所不同, SbMYB15(Salicornia brachiata MYB15)基因虽然受干旱、高盐、低温、高温及SA诱导表达, 但不受ABA诱导表达, 在烟草中超表达SbMYB15基因同样可以提高转基因植株的耐盐性和抗旱性, 这主要得益于胁迫条件下转基因植株叶绿素、脯氨酸、可溶性糖、总氨基酸含量及膜稳定性的增加, 电解质渗透率、MDA含量及活性氧含量的降低及一些胁迫相关基因LEA5、ERD10D、LTP1、HSF2(heat shock transcription factor 2)、ADC、P5CS、SOD、CAT表达量的提高[63]。

2.3 粮食及经济作物耐盐基因工程

在拟南芥、烟草中进行MYB基因的遗传转化, 最终是为了在农作物尤其是粮食作物、经济作物上应用, 提高其耐盐性。目前, 已在水稻、马铃薯、大豆等中进行了MYB基因的遗传转化, 且提高了转基因植株的耐盐性[64, 65, 66, 67, 68, 69, 70], 这为今后粮食、经济作物的耐盐育种直接奠定了良好的基础、储备了重要的基因资源。

水稻是主要的粮食作物之一, 其染色体较少, 基因组较小, 遗传转化体系已经非常成熟, 已成为遗传转化的模式植物。水稻OsMYB91基因受高盐、干旱、热击及ABA、SA、萘乙酸(naphthalene acetic acid, NAA)诱导表达, 超表达OsMYB91基因的水稻植株生长缓慢, 体内ABA积累增加, 耐盐性提高; 进一步分析发现, 转基因植株体内脯氨酸含量及活性氧清除能力(H2O2及MDA含量降低)增加, 盐胁迫相关基因SOS1、NHX1、LEA3、RAB16A、P5CS1及SLR1(slender rice 1)表达量提高[64]。说明OsMYB91通过提高活性氧清除能力、渗透调节能力和盐胁迫相关基因的表达量来提高转基因植株的耐盐性。类似地, OsMYB6 基因受干旱和高盐诱导表达, 在水稻中超表达该基因, 干旱和高盐胁迫条件下, 转基因植株的存活率(62.2%~64.9%和43.9%)均较野生型对照(11.3%和0)显著提高, 脯氨酸和CAT、POD活性增加, 相对电解质渗漏率和MDA含量降低, 一些非生物胁迫相关基因(OsLEA3、OsDREB2A、OsDREB1A、OsP5CS、SNAC1、OsCATA)的表达量提高[65]。OsMYB48-1基因受PEG(polyethylene glycol)、ABA、H2O2、脱水诱导表达, 受高盐和低温轻度诱导表达, 在水稻中超表达OsMYB48-1基因, 增强了植株对ABA的敏感性, 增加了植株体内ABA积累量, 提高了植株的抗旱性和耐盐性; 进一步分析发现, 转基因植株体内ABA合成基因(OsNCED4、OsNCED5)的表达量均较野生型对照提高[66]。说明OsMYB48-1通过调控ABA合成来提高转基因植株的抗旱性和耐盐性。另外, 在水稻中超表达金鱼草(Antirrhinum majus)MYB基因AmROSEA1也提高了植株的抗旱性和耐盐性, 高盐胁迫复水后, 野生型对照全部死亡, 转基因植株的存活率为69%~72%; 转录组分析发现, 高盐胁迫条件下, 转基因植株中一些基因的表达量发生变化, 这些基因主要涉及胁迫信号转导、激素信号途径、离子平衡、活性氧清除酶等[67]。

马铃薯是主要的粮食作物, IbMYB1(Ipomoea batatas MYB1)是花青素合成的关键调控子, 在马铃薯中超表达IbMYB1基因提高了转基因植株的耐盐性, 在高盐胁迫条件下, 转基因植株中次生代谢物(酚类、黄酮类、花青素)积累量增加, DDPH自由基清除能力、PSⅡ 光化学效率提高; 进一步分析发现, 类黄酮合成基因CHS(chalcone synthase)、DFR(dihydroflavonol 4-reductase)、ANS(anthocyanin synthase gene)的表达量也提高。说明IbMYB1通过提高次生代谢物积累来提高转基因植株的耐盐性[68]。

大豆是重要的经济作物, GmMYB118基因受干旱、高盐、低温胁迫诱导表达, 超表达GmMYB118基因提高了拟南芥、大豆植株的抗旱性和耐盐性, 转基因植株的脯氨酸、叶绿素含量均较野生型对照提高, 活性氧和MDA含量均较野生型对照降低[69]。同样地, 在大豆中超表达GmMYB68基因, 提高了大豆的耐盐碱性、渗透调节能力及光合速率; 值得注意的是, 正常条件下, 转基因植株表型与野生型对照无差异, 但是高盐胁迫条件下, 转基因植株的粒数及百粒质量显著提高[70], 表明GmMYB68基因是提高大豆及其他作物耐盐碱性的重要基因资源。

2.4 其他植物耐盐基因工程

除了前面的植物, 目前在番茄、白桦(Betula platyphylla)中也已证实超表达MYB基因可以提高转基因植株的耐盐性[71, 72, 73, 74], 为未来农业生产安全提供了保障。

番茄是重要的蔬菜, 目前从番茄中已经分离了一些MYB基因, 且超表达这些基因可以提高转基因番茄的耐盐性[71, 72, 73]。番茄ARS1(altered response to salt stress 1)基因的T-DNA插入突变体ars1植株在正常条件下产量与野生型对照无差异, 但在高盐胁迫条件下产量降低, 植株Na+积累量和气孔导度增加, 蒸腾速率提高; 而超表达ARS1基因番茄植株的气孔导度降低, 叶片水分利用效率提高, 耐盐性提高[71], 说明超表达ARS1基因通过提高转基因植株的水分利用效率来提高耐盐性。类似地, 番茄MYB102 基因受高盐诱导表达, 在长期高盐胁迫条件下, 超表达该基因的转基因番茄植株的生长受抑制程度较野生型对照显著降低, 活性氧水平和电解质渗漏率降低, 活性氧清除酶(SOD、POD、CAT)活性、抗氧化物(抗坏血酸、谷胱甘肽)和脯氨酸含量均显著提高, 且一些盐胁迫相关基因SOS1、SOS2、NHX3、NHX4、HAK5、CPK1(calcium dependent protein kinases 1)、CPK3的表达量上调[72]。说明超表达MYB102基因可以提高转基因植株对活性氧的清除能力和渗透调节能力, 进而提高抗逆性。另外, 超表达番茄MYB49基因也可以提高转基因番茄的耐盐性, 而且对干旱、高盐、疫霉病的抗性也提高, 在上述胁迫条件下, 转基因植株中活性氧、MDA含量及电解质渗透率降低, POD、SOD活性及叶绿素、脯氨酸含量、光合速率提高[73], 说明超表达MYB49基因通过提高转基因植株的活性氧清除能力来降低细胞膜损伤及细胞死亡、保护叶绿体等, 进而提高抗逆性。

白桦BplMYB46基因受高盐、渗透、ABA诱导表达, 在白桦中超表达BplMYB46基因可以提高转基因植株的耐盐性, 而沉默BplMYB46基因则降低了转基因植株的耐盐性[74]。高盐胁迫条件下, 超表达BplMYB46基因的白桦植株SOD、POD、P5CS基因表达量提高, 进而活性氧清除能力和脯氨酸含量提高; 气孔开度降低, 进而水分散失量降低。另外, 超表达BplMYB46基因的白桦植株木质素积累量增加, 次生细胞壁加厚, 次生细胞壁合成基因PAL、CCoAOMT(caffeoyl-CoA O-methyltransferase)、4CL(4-coumarate-coa ligase)、POD、LAC(laccase)、CCR(cinnamoyl-CoA reductase)、CESA(cellulose synthase)的表达量提高, 说明超表达BplMYB46基因通过提高转基因植株的活性氧清除能力和木质素积累来提高转基因植株的耐盐性。

3 问题与展望

土壤盐渍化是主要的环境胁迫因子之一, 严重影响植物生长及作物产量。因此, 提高植物耐盐性对农业生产具有重要意义。由于植物的耐盐性状是复杂的数量性状, 受多基因控制, 易受环境影响, 通过常规的育种技术选育耐盐品种存在预见性差、效率低和周期长等问题。随着农业生产对作物耐盐品种的要求不断提高, 基因工程技术是解决这些问题的有效途径, 相比传统的常规育种, 基因工程育种有其独特的优势, 不仅基因来源广泛而且能够实现对特定性状精确高效的改良, 有着广阔的应用前景。MYB转录因子是植物中最大的转录因子家族之一, 在植物抵御高盐胁迫反应中具有重要的调控作用。目前, MYB转录因子在拟南芥、烟草及水稻、大豆、番茄等植物耐盐基因工程中的应用方面取得了一定的进展, 成功获得一些转基因耐盐材料, 为植物尤其是作物耐盐遗传改良及育种奠定了坚实的基础。但该领域还存在一些亟待解决的问题。首先, 目前获得的转基因植物的耐盐性鉴定大多仅仅局限于室内、苗期, 但是室内模拟环境与真正的大田环境不同, 大田环境受影响因素较多; 且苗期耐盐, 生殖生长期不一定耐盐, 而生殖生长期是否耐盐直接关系到产量是否受损, 故在室内、苗期耐盐性鉴定的基础上应进行大田、生殖生长期耐盐性鉴定。其次, 耐盐性属于复杂的多基因控制的数量性状, 一般获得的转单个耐盐基因植株的耐盐性提高幅度有限, 故应该加强多基因共同导入植物的系统研究, 以提高转基因植物的耐盐性。另外, 大多数MYB基因是采用组成型强启动子驱动的, 虽然能够提高转基因植株的耐盐性, 但有时会影响转基因植株的生长发育, 例如生长缓慢、开花推迟、籽粒变小等, 甚至会降低产量, 故建议使用盐胁迫诱导型启动子驱动MYB基因的表达, 在提高转基因植株的耐盐性同时还不会影响转基因植株的生长发育。最后, 是转基因生物安全问题, 即非目的基因的外源基因或序列的引入, 应该深入优化已有无标记选择技术, 开发新的无标记选择技术, 实现除目的基因外的任何其他基因或序列的零转入。

(责任编辑 张 韵)

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