小麥耐逆基因的表達及其功能分析

李鈴仙

運城護理職業學院，山西運城 044000

研究小麥的耐逆基因對提高小麥逆境抗性、深入了解逆境應答機制、推動作物遺傳改良、推動基礎科學研究均具有重要意義，這些研究成果對實現農業的可持續發展、解決糧食安全等問題具有重要的應用價值。

1 小麥耐逆基因研究概述

1.1 小麥耐逆基因研究的意義

逆境脅迫會導致小麥產量和質量顯著下降，通過研究小麥耐逆基因，可以了解逆境應答機制和耐受性調控網絡，有助于揭示植物在逆境條件下的分子調控機制，從而研發出更具逆境抗性的小麥品種。通過分析耐逆基因的表達特性和功能，可以了解逆境應答信號傳導、轉錄調控網絡，以及逆境相關基因相互作用等方面的信息，進一步加深人們對植物逆境應答的理解，并為其他作物和植物領域的研究提供參考[1]。

1.2 小麥耐逆基因的篩選與鑒定

隨著高通量測序和基因編輯技術的不斷發展，人們可以更加準確地鑒定和驗證小麥耐逆基因，進一步深入了解小麥逆境抗性的分子機制。以下是一些常用的方法和技術，用于篩選和鑒定小麥耐逆基因：逆境脅迫誘導的基因表達譜分析、轉錄組學和基因組學方法，即利用轉錄組學和基因組學的方法、功能性驗證和功能基因組學研究、蛋白質互作網絡分析、基因組關聯分析等。以上方法和技術常常結合使用，以全面、系統地鑒定小麥耐逆基因[2]。

2 小麥耐逆基因表達特性

2.1 逆境脅迫下小麥耐逆基因表達模式

逆境脅迫下小麥耐逆基因的表達模式是指在逆境條件下，耐逆基因的表達變化情況。常見的小麥耐逆基因表達模式包括早期響應型、延遲響應型、持續穩定型、組織特異性、響應性狀相關等。誠然，小麥耐逆基因的表達模式是復雜的，受到多種因素的調控，包括逆境類型、程度和持續時間，以及發育階段和組織特異性等[3]。因此，通過綜合分析不同逆境條件下轉錄組數據和功能驗證實驗，可以更全面地揭示小麥耐逆基因的表達模式和調控機制。

2.2 轉錄調控網絡和信號通路調節作用

轉錄調控網絡和信號通路在小麥逆境應答中發揮著重要的調節作用，常見的轉錄調控網絡和信號通路，以及它們在小麥耐逆性中的調節作用如下。

第一，轉錄因子家族。轉錄因子是調控基因轉錄的主要調節因子。在逆境應答中，許多轉錄因子家族在小麥中發揮重要作用，如AP2/ERF、WRKY、NAC、MYB等。這些轉錄因子通過結合特定的順式作用元件(CIS元件)在基因啟動子區域上，調控逆境相關基因的表達[4]。

第二，激素信號通路。激素信號通路在逆境應答中發揮關鍵作用。例如：植物激素，如乙烯、脫落酸(ABA)、赤霉素(GA)、脫氫表雄酮(BR)等參與調控逆境應答基因的表達和逆境信號傳遞。這些激素通過激活或抑制特定轉錄因子的活性，調節逆境應答基因的轉錄[5]。

第三，MAPK(絲裂原活化蛋白激酶)信號通路：MAPK信號通路參與調控逆境應答的轉導過程。在逆境脅迫下，MAPK被磷酸化激活，并通過磷酸化下游激酶和轉錄因子，介導逆境。

第四，Ca2+信號通路：Ca2+是一個重要的細胞信號分子，在逆境脅迫下發揮著重要的調節作用[6]。逆境脅迫會導致細胞內Ca2+濃度發生變化，激活Ca2+依賴的蛋白激酶和轉錄因子，進而調控逆境應答基因的表達。

第五，miRNA調控網絡。miRNA是一類小分子RNA，在逆境應答中發揮著重要的調控作用。miRNA可以通過與目標mRNA的互補配對，引導RNA降解或抑制轉錄過程，從而調控逆境相關基因的表達。

2.3 不同組織和發育階段中小麥耐逆基因表達差異

在小麥中，這些差異反映了不同組織和發育階段對逆境應答的特定需求和適應策略。以下是一些常見的小麥耐逆基因在不同組織和發育階段中的表達差異：

第一，根部和地上部分[7]。根部和地上部分在逆境應答中發揮不同的作用。根部主要參與水分吸收和根系生長的調節，在干旱和鹽脅迫下表達上調的耐逆基因通常在根部高表達，如根系相關的轉錄因子和脫落酸合成相關基因。而地上部分則主要參與光合作用和碳代謝，對光照、溫度等逆境條件的應答更為突出。

第二，幼苗和成熟期。幼苗和成熟期的小麥在逆境應答中表現出不同的特征。幼苗階段對干旱、鹽脅迫等逆境較為敏感，表達上調的耐逆基因主要涉及生長發育抑制、脫水保護、離子平衡調節等。而成熟期的小麥更多面臨干旱、高溫等逆境，其耐逆基因主要涉及抗氧化、脫水保護和抗逆酶等。

第三，營養器官。小麥的耐逆基因在不同營養器官中的表達差異也是常見的。

第四，發育階段。小麥的不同發育階段對逆境應答的需求和調節機制也存在差異。

3 小麥耐逆基因功能

3.1 小麥耐逆基因生物學功能

小麥耐逆基因常見的生物學功能主要包括以下幾點，第一，脫水保護功能。某些耐逆基因參與調節和維持細胞水分平衡，從而提高小麥對干旱脅迫的耐受性。它們可能通過調節根系結構、根毛發育和水分運輸，或通過調控滲透調節物質的積累，如脫落酸(ABA)和蛋白質等。

第二，抗氧化功能。逆境脅迫會導致活性氧(ROS)的積累，而抗氧化功能的耐逆基因可以清除ROS，維護細胞內的氧化還原平衡。這些基因可能參與抗氧化酶的合成和活性調節，如超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和谷胱甘肽還原酶(GR)等。

第三，營養吸收和離子平衡調節功能。逆境脅迫條件下，小麥需要調節離子吸收和平衡以適應高鹽、低氮或重金屬等逆境環境。耐逆基因參與調控離子通道和轉運蛋白的表達和活性，以保持離子平衡和營養吸收的穩定。

第四，蛋白質穩定性和折疊功能。一些耐逆基因參與調節蛋白質的穩定性和折疊狀態，在逆境條件下保護和修復受損的蛋白質結構。這些基因可能編碼分子伴侶蛋白、蛋白質酶和蛋白質修飾酶等。

第五，轉錄調控功能[8]。耐逆基因中的一些轉錄因子和轉錄調控因子參與調控逆境響應基因的表達。它們與特定的DNA序列結合，并調節目標基因的轉錄水平。這些基因可能參與逆境信號傳導、轉錄因子互作和染色質重塑等調節過程。這些生物學功能的綜合作用使小麥能夠適應不同的逆境環境，并提高其耐受性和逆境適應能力。深入研究小麥耐逆基因的生物學功能，有助于揭示其分子機制，為小麥逆境抗性的改良和提高提供理論基礎。

3.2 對逆境脅迫的響應機制

對逆境脅迫的響應機制，小麥耐逆基因發揮著重要的作用。以下是關于小麥對逆境脅迫的響應機制的說明。

第一，信號感知與傳遞[9]。在逆境脅迫下，小麥通過感知逆境信號，如干旱、鹽脅迫、高溫等，啟動逆境響應。植物通過感受器和轉導蛋白感知外部信號，并通過激活復雜的信號轉導通路傳遞逆境信號。

第二，轉錄調控。逆境脅迫會導致一系列逆境相關基因的轉錄調控。轉錄因子是逆境響應調控的關鍵分子，它們通過結合特定的順式作用元件(Cis元件)在基因啟動子區域上，調控逆境相關基因的轉錄。這些基因參與調節耐逆性相關的生理和生化過程。

第三，抗氧化系統。逆境脅迫會導致活性氧(ROS)的積累，進而造成細胞氧化損傷。小麥通過抗氧化系統清除ROS，并維持氧化還原平衡。該系統包括一系列抗氧化酶(如超氧化物歧化酶、過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶)和非酶抗氧化物質(如抗氧化劑和多酚化合物)。

第四，離子和水分調節。鹽堿和干旱是常見的逆境脅迫，對維持細胞內離子和水分平衡非常重要。小麥通過調節離子吸收和分配、根系結構調整以及水分調節機制應對鹽堿和干旱脅迫。

第五，蛋白質保護與修復。逆境脅迫會引發蛋白質結構的損傷和蛋白質聚集的紊亂。小麥通過調節蛋白質折疊、熱激蛋白的表達和蛋白質降解途徑，保護和修復受損的蛋白質結構。

綜上，小麥耐逆基因在這些響應機制中發揮重要的調控作用，對小麥的逆境適應能力和抗性提供關鍵支持。深入研究這些機制有助于揭示小麥的逆境響應機制，并為小麥的逆境耐性改良提供理論依據[10]。

3.3 小麥耐逆基因與其他基因的相互作用

小麥耐逆基因與其他基因之間存在著復雜的相互作用，這些相互作用對小麥的逆境適應和耐性具有重要影響。以下是小麥耐逆基因與其他基因之間常見的相互作用方式：

第一，轉錄調控網絡。耐逆基因可以通過與轉錄因子和調控基因之間的相互作用參與逆境響應的調控網絡。轉錄因子可以與耐逆基因的啟動子相結合，調控其轉錄水平。此外，轉錄因子之間也可以相互調控，形成復雜的轉錄調控網絡。

第二，信號通路互作。小麥耐逆基因與逆境信號傳導途徑中的其他分子相互作用，共同參與逆境信號的傳遞和調控。例如：耐鹽基因可能與鈉/鉀轉運蛋白和離子通道相互作用，調節細胞內的離子平衡。這些相互作用有助于小麥對鹽脅迫的適應和耐受性。

第三，代謝途徑調控。耐逆基因與代謝途徑中的關鍵酶和調節基因之間存在相互作用。這些相互作用可能影響能量代謝、抗氧化物質的合成、有機物質的積累等代謝過程，從而調節小麥對逆境的響應和適應能力。

第四，蛋白質相互作用。耐逆基因中的蛋白質可能與其他蛋白質發生物理上的相互作用，形成復合物或參與信號傳導通路。這些相互作用可以影響蛋白質的穩定性、活性和亞細胞定位，從而調節小麥的逆境響應。這些相互作用的研究可以揭示小麥逆境響應的復雜調控網絡，并有助于理解小麥耐逆性的分子機制。此外，對耐逆基因與其他基因相互作用的深入研究，可以為基因組編輯、遺傳改良和逆境育種提供指導，以進一步提高小麥的逆境抗性和農業產量。

4 案例應用及分析

4.1 TaDREB3基因及其在小麥育種中的應用案例

TaDREB3是從小麥中分離出的一個耐逆基因，屬于DREB(Dehydration-Responsive Element-Binding)基因家族。此基因在小麥對抗干旱和低溫壓力時起著重要作用。

4.1.1 基因發現和特性分析研究人員通過生物信息學和功能基因組學方法在小麥中鑒定TaDREB3基因。通過實驗室條件下的功能分析，確定TaDREB3基因在干旱和低溫條件下的上調表達與增強耐逆性之間的關聯。

4.1.2 轉基因小麥創建將TaDREB3基因通過遺傳工程的方法轉入普通小麥品種，創建轉基因小麥。在溫室和控制條件下進行初步測試，觀察轉基因小麥在干旱和低溫條件下的生長情況。

4.1.3 田間試驗在多個地點進行田間試驗，以評估轉基因小麥在實際農業條件下的表現。比較轉基因小麥與非轉基因對照品種在干旱和低溫環境下的生長、成熟周期、產量和品質。

4.1.4 安全性和效能評估對轉基因小麥進行詳細的生態和食品安全評估。通過國家和國際法規的審查和批準流程。

4.1.5 商業化推廣一旦安全性和效能得到證實，可將轉基因小麥推向市場。向農民推廣新品種，尤其是在經常遭受干旱或低溫壓力的地區。

通過引入TaDREB3基因，改良后的小麥品種在干旱和低溫條件下顯示出更強的生存和生長能力。這種改良增強了小麥的整體適應性，對提高糧食安全和支持可持續農業具有重要意義。

4.2 對提高小麥耐逆性和產量的潛在影響

在小麥育種中應用特定的耐逆基因TaDREB3，對提高小麥的耐逆性和產量有重要潛在影響。以下是對這種應用的潛在影響的分析。

4.2.1 提高耐逆性一方面，增強了環境適應性。TaDREB3基因提高了小麥在逆境(如干旱和低溫)條件下的生存能力。這意味著即使在不利的環境條件下，改良后的小麥也能保持生長，減少因極端天氣而導致的作物損失；另一方面，減少資源需求。耐逆性強的小麥可能需要較少的灌溉和其他農業輸入，如化肥，尤其是在干旱地區。這不僅能節省資源，還有助于減少農業活動對環境的影響；此外，穩定作物產量。通過增強耐逆性，即使在氣候變化導致逆境頻發的未來，也能保持穩定的作物產量。

4.2.2 增加產量一是提高作物生產力。在正常生長條件下，TaDREB3基因可幫助改良后的小麥更有效地利用可用資源，從而提高單產；二是減少作物損失。在極端天氣條件下，耐逆性強的小麥品種能夠減少損失，確保即使在不利條件下也能獲得可觀的收成；三是增強品質和可持續性。耐逆性小麥不僅可以提高產量，還能改善作物品質，如改善營養成分或口感。同時，減少對農業投入的依賴，有助于提高農業的可持續性。

4.2.3 社會經濟效益一是在食品安全方面，提高耐逆性和產量對全球糧食安全至關重要，尤其是在發展中國家，人口依賴于小麥作為主要糧食來源；二是提高產量和減少損失可以直接提高農民的收入，尤其是在依賴小麥作為收入來源的農村地區；三是適應氣候變化。隨著氣候變化的影響日益顯著，開發能夠適應極端天氣條件的作物品種變得越來越重要。

通過將特定耐逆基因應用于小麥育種，可以顯著提高小麥的耐逆性和產量，這對應對氣候變化、保障糧食安全、促進農業可持續發展具有重大意義。然而還需要考慮這種技術的潛在生態和社會影響，并確保其安全應用。

5 結束語

從小麥耐逆基因相關研究著手，對小麥耐逆基因的表達特性和功能分析進行研究。針對后續研究，將加強對小麥耐逆基因的深入挖掘和功能驗證，進一步發掘小麥逆境抗性育種的潛力。盡管小麥耐逆基因研究面臨著一些挑戰，如基因功能解析的復雜性、基因組編輯技術的效率和安全性等，但通過不斷的探索和創新，小麥耐逆基因研究將為提高小麥逆境抗性、農作物生產和糧食安全作出重要貢獻。