原文作者：于晓东

　　摘 要：非生物胁迫尤其是水盐胁迫一直是影响农业生产的关键因素，培育耐盐耐寒新品种也一直是生物育种的研究方向，甜菜碱作为一种小分子的非毒性渗透调节剂，是植物响应非生物胁迫的重要物质。综述了甘氨酸甜菜碱合成途径中的胆碱单加氧酶和甜菜碱醛脱氢酶这两种关键酶的分子生物学特性及其基因工程的最新研究进展。
 　　关键词：甜菜碱；胆碱单加氧酶；甜菜碱醛脱氢酶；基因工程；非生物胁迫
　　中图分类号： q946.88 文献标识码：a doi编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.07.004
　　glycine betaine and its relationships with plant salt resistance
　　yu xiao-dong， lai lu-di， wang jing-yu
　　（college of life science，liaoning normal university， dalian， liaoning 116081，china）
 　　abstract： abiotic stress， especially the water salt stress had always been the key factors that affected agricultural production， cultivating salt-tolerant hardy varieties had also been a biological breeding research direction， betaine as a non toxic osmotic regulator， it was an important material of plant response to abiotic stress. molecular biological characteristics of the two key enzymes and their genetic engineering of the latest research progress of the single oxygenase choline and betaine aldehyde dehydrogenase in glycine betaine synthesis pathway was reviewed in this paper.
 　　key words： betaine； cmo； badh； transgene； abiotic
　　低温、干旱等非生物胁迫会影响高等植物的生长发育，导致作物产量降低，品质变坏等。WWw.11665.CoM在逆境环境里，植物往往会产生相应的应答，来减弱甚至是消除不利因素带来的危害，应答反应涉及多个信号通路的许多生化反应，是一个涉及多个基因及多个基因产物的非常复杂的过程。甘氨酸甜菜碱就是其中的一个最为常见的响应逆境胁迫的小分子物质。[论文网]
 　　1 甜菜碱的生理功能及其生物合成
　　甜菜碱是一种非毒性的小分子渗透调节物质，其化学本质为一种季铵型水溶性生物碱。植物中的甜菜碱主要有12种，其中的甘氨酸甜菜碱（glycinebetaine）最早被发现，研究的也最多，简称甜菜碱。高等植物中的藜科和禾草科中，甜菜碱的分布较多，尤其是在受水盐、干旱及高温等常见非生物胁迫的情况下，细胞质基质中会积累大量的有机渗透调节物质，而无机离子则被运输到液泡中，通过这样方式维持细胞膨压，提高植物对逆境的适应能力。甜菜碱合成部位为植物成熟叶片的叶绿体中，主要分布于叶绿体及细胞质基质中，其生物合成是以胆碱为底物经两种酶催化合成：胆碱在胆碱单加氧酶的作用下变为甜菜碱醛，再经过甜菜碱醛脱氢酶的催化生成甜菜碱。
 　　2 甘氨酸甜菜碱生物合成相关酶
　　2.1 胆碱单加氧酶（choline monooxygenase，cmo）的分子生物学
　　胆碱单加氧酶是植物中特有的一种酶，该酶在1989年才被brouquisse 等[1]从菠菜的（spinacia oleracea）叶绿体中检测到；1995年，burnet等[2]又将其纯化。cmo是一种由单基因编码的铁氧还蛋白依赖型酶，其分子量为98 kd，为均一的二聚体，亚单位45 kd，等电点5.1。现已经克隆了甜菜（beta vulgaris l.）[3]、大麦[4]、三色苋（amaranthus tricolor）[5]、辽宁碱蓬（suaeda liaotungensis）[6]、盐角草（salicornia europaea）[7]等植物中cmocdna的全序列。
 　　2.2 甜菜碱醛脱氢酶（betaine aldehyde dehydrogenase，badh）的分子生物学
　　1981年，pan等[8]首次从高等植物中分离得到badh。badh是由两个分子量相等的单体组成的二聚体，以nad为电子受体，它对底物甜菜碱醛高度专一，该酶活性能被巯基试剂p-chloromercuribenzoate和mersalyl抑制，二硫苏糖醇（dtt）可使其活性不完全恢复，表明巯基对酶活性的保持是非常重要的。weretilnyk[9] 于1990年从菠菜中首次克隆了badh的cdna。目前已克隆了辽宁碱蓬（suaeda liaotungensis） [10]、pseudomonas aeruginosa[11]、菠菜（spinacia oleracea）、海榄雌（avicennia marina）[12]、中亚滨藜（atriplex centralasiatica）[13]、oilseed rape （brassica napus） [14]、细叶结缕草（zoysia tenuifolia）[15]、山菠菜（atriplex hortensis）[16-17] 等的badh 基因。

　　3 甜菜碱合成相关酶基因工程
　　3.1 胆碱单加氧酶基因工程
　　胆碱单加氧酶（cmo）是甜菜碱合成的限速酶，它催化合成甜菜碱的前体甜菜碱醛，近些年对于cmo基因的研究并不广泛。2012年，luo d等[18]发现，水稻的基因组中存在cmo基因及badh基因，但在正常及水盐、干旱等非生物胁迫情况下并无甜菜碱的积累。通过对cmo基因活性的检测表明，有大量cmo基因转录本存在多种选择性剪接事件的发生，尤其是5'端编码区序列缺失的现象，这就导致了cmo基因转录本移码后提前终止事件的发生，以及翻译起始密码或功能结构域的丢失。玉米中cmo基因的表达也发现了类似情况，但山菠菜中的胆碱单加氧酶（ahcmo）基因则被正常剪接。通过将山菠菜的cmo基因转入烟草从而获得的转基因植株会在水盐等非生物胁

迫的情况下大量积累甜菜碱，提高植物耐盐性。2010年，罗伯祥等[19]将ahcmo基因转入水稻，也得到了ahcmo基因的表达能提高水稻的耐盐性这一结论。2012年李慧等[20]对杜梨胆碱单加氧酶（pbcmo）的研究表明虽然cmo基因的表达存在物种特性，不同植物胆碱的合成部位和诱导合成因素存在差别，但是杜梨pbcmo在植株不同器官对盐胁迫和渗透胁迫的响应过程中是起作用的，并且认为这可能是通过脱落酸介导的信号传导途径来进行调控的。
 　　3.2 甜菜碱醛脱氢酶基因工程
　　甜菜碱醛脱氢酶在胆碱合成甜菜碱的过程中催化甜菜碱醛脱氢产生甜菜碱。在正常情况下，植物中badh的表达量很低，但在低温、盐碱和干旱的条件诱导下，badh活性显著提高，近年来badh 基因被大量应用于提高植物耐盐抗性的基因工程中。2012年fan w j等[21]获得的转山菠菜badh基因的甘薯，在外源的badh基因过表达情况下，植物体内的甜菜碱大量积累，提高了甘薯对水盐、干旱非生物胁迫的耐受性。通过对转基因甘薯多个生理指标的检测，做出了甜菜碱的积累能提高或降低与非生物胁迫相关基因的表达，提高植物抗逆能力的推测。2013年，wang j y等[22]对组成型启动子和环境诱导型启动子驱动slbadh基因在番茄中表达差异的探究表明：35s启动子驱动外源基因表达的转基因番茄的生长状况不如野生植株，而p5启动子驱动badh表达的转基因植株的生长状况不受影响，且在水盐等非生物胁迫的条件下，后者表现为具有更高的耐受性。
 　　3 展 望
　　目前对badh和cmo基因工程的研究大多是侧重于单个基因的转化，所得的转基因植株响应非生物胁迫的程度还有不足，转基因植物同时具有外源cmo基因及badh基因的情况还不多见，且基因工程中外源基因的启动子往往是组成型启动子，在文献中也多有组成型启动子驱动外源基因表达影响植物正常生长发育的报道，环境诱导型启动子启动相关基因表达有望在基因工程中进一步提高植物响应非生物胁迫的能力。
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