光敏色素基因与作物改良利用

马燕斌，吴 霞，王 霞 ,2，韩青龙 ，张相斌 ，段晓康 ，李燕娥

（1.山西省农业科学院棉花研究所，山西运城044000；2.运城学院生命科学系，山西运城044000；3.山西省农业厅，山西太原030001）

目前，经过遗传学、细胞生物学、分子生物学、育种学等相关研究领域的交叉及深入研究，研究人员已经能够较系统地在基因组水平对植物进行改良，并取得了较好的研究进展。在国内研究单位中，山西省农业科学院棉花研究所是把基因功能研究、生物技术改良与作物遗传育种相结合的综合性科研单位。多年来，经过科研人员的不断努力，已经选育出和正在选育的棉花及其他作物的新品种与新种质资源在逐年增加。在这一背景下，笔者以山西省农业科学院棉花研究所多年来在抗逆、抗虫、抗除草剂以及农艺性状改良等方面的相关研究为参考，主要介绍了目前以光敏色素基因为主的研究进展，并探讨利用其进行种质创新的可行性。

1 光敏色素结构特点

在植物生长发育过程中，光照除提供能量外，还可以通过植物光信号传递途径来调控植物的生长发育。这一调控既包括对种子萌发、幼苗去黄化、叶片开张、茎秆伸长、开花期等的直观调控，也包括向地性、向光性、避阴性、气孔开张、叶绿体运动等微观调控。在这类光信号受体基因中，红光和远红光的光信号受体主要是光敏色素基因。

光敏色素家族存在 PHYA，PHYB，PHYC，PHYD和PHYE共5个不同的成员，但在玉米、水稻以及小麦等单子叶植物中，仅有PHYA，PHYB和PHYC这3类光敏色素[1-2]。利用拟南芥、水稻、大豆、小麦等植物的光敏色素基因与山西省农业科学院棉花研究所生技室根据NCBI登录序列为参考克隆的玉米光敏色素基因编码的氨基酸序列比较分析可知，在这些植物中，光敏色素分子的基本结构均由N端和C端2个不同的结构域组成（图1），它们之间由一个铰链区（flexible hinge region）连接[3]。其中，N 端由 GAF结构域、PHY结构域组成，大约为70 kDa，主要功能为结合发色团、光吸收和光转换等。而C端由1个与组氨酸激酶相关的结构域（HISKinase-like ATPase）和2个亚结构域构成，大约为55 kDa，其PAS亚结构域是蛋白-蛋白互作平台[3-4]。

2 光敏色素的生物学特征

拟南芥中，光敏色素基因均能在根、茎和花中表达，并受环境、发育以及特定组织的信号调节，但蛋白的含量和稳定性存在明显差异[5-6]。因此，根据在不同光条件下的稳定性，光敏色素被分为光不稳定型和光稳定型2类。第1类，PHYA为光不稳定型，其基因转录的表达模式存在差异[5-7]。第 2类，PHYB，PHYC，PHYD和 PHYE 为光稳定型[8]。其中，PHYB在低比率的红光/远红光（R/FR）信号感知中具有主要作用[9]。由于低比率的R/FR表明附近存在其他植物或树阴存在，且叶绿体吸收的是红光而非远红光，这样就会引起对光吸收等各种竞争性的生长反应，导致茎和叶柄的伸长、提前繁殖等[10]。此外，光敏色素还存在红光吸收型（Pr）和远红光吸收型（Pfr）2种活性形式[11]。

3 光敏色素基因控制的农艺性状

光敏色素基因也是一类调控重要农艺性状的基因，极有利于改良作物的株高、产量等有利性状。目前，有研究表明，转光敏色素基因的番茄、烟草、马铃薯和水稻均表现为植株降低、光合效率增强和产量提高。在烟草、燕麦中过量表达PHYA时，植株表型矮化，且与赤霉素减少有关，在茎和叶柄的微管组织中能够检测到高浓度的燕麦PHYA，表明微管组织是PHYA作用的一个可能位点[12]。通过对水稻的phyA突变体功能研究也证实，突变体在黑暗条件下的表型与在持续的远红光条件下的表型一致[13]。而近年来研究发现，光敏色素家族共同控制水稻节间伸长[14]。此外，Weller等[15]利用豌豆PHYA基因的功能获得性突变体（PHYA蛋白N端保守氨基酸Ala被替换）研究证实，其蛋白进行光转化后的命运与PHYA光受体分子的N端区域有很大关系。

4 光敏色素的细胞定位研究

研究证实，带有GUS或绿色荧光蛋白标签的PHYA和PHYB蛋白能从细胞质转移到细胞核内，并且在细胞核内形成核内小体（NBs）[16-17]。且PHYA：GFP向核内运输和NBs的形成是非常快速的，通过水稻的PHYA：GFP在烟草中表达和拟南芥中PHYA：GFP的研究发现，在受光照15 min之内，PHYA就快速转移到核内[18-19]。

PHYB：GFP在黄化苗中是定位于细胞质内或核内，但是，只有持续的红光能够有效诱导PHYB：GFP的累积和色斑形成[20-21]。而在光敏色素基因转录调控方面研究证明，光受体PHYA降解是通过具有E3连接酶的功能COP1蛋白作用的，并且导致PHYA信号传导减弱[22-23]，以及通过介导CO蛋白的磷酸化影响隐花色素对开花的调节等[24]。此外，还有一个关键因子PIF4与不同光调控的启动子上的G-box DNA序列结合，并与PHYB一起调节气孔发育[25-26]。而PHYC：GFP和PHYE：GFP受白光诱导后可以在核内形成亮点[27]。目前，控制光敏色素定位的NLS（nuclear localization signal）和 NES（nuclear export signal）的机制还不清楚。

5 其他基因的克隆

近年来，结合山西省农业科学院棉花研究所的发展及研究需要，通过分子标记、基因克隆、基因功能研究以及生物技术改良等手段，在基因功能、棉花育种以及转基因对土壤微生物影响等方面进行了较多的研究[28-30]。目前，利用山西省农业科学院棉花研究所培育的棉花、小麦等在育种方面具有极大利用价值的作物材料，除光敏色素基因外，还逐步克隆了与耐盐、耐旱等相关的多个基因，在棉花、玉米等作物中开展探索性基础研究，通过在RNA、蛋白水平进行基因功能研究，并利用其进行作物转基因种质创新等，为山西省农业科学院棉花研究所在应用基础研究方面打下了良好的基础，这些研究将有助于推动山西农业科学院棉花研究所未来的快速发展。同时，对一些在抗逆、农艺性状改良等方面具有明显生物学功能的基因，由于其对植物发育过程影响作用明显，因而，可以加快利用其进行棉花、玉米等作物的改良研究。

6 展望

人类对粮食增加的需求是作物改良的最大推动力，而作物产量的不断提高需要有新的技术与理论支持。在当前，除利用遗传育种手段进行育种外，利用外源基因进行棉花等作物改良，有助于加强我国在转基因领域的探索及利用。因此，还需广大科研工作者不懈努力，宣传与普及科学的基因改良技术，以得到社会的认同与支持。

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