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鉀高效利用轉基因作物育種之初談

2020-05-18 08:46 | 作者: 陳紅娜 程憲國 | 標簽:

作者 陳紅娜 程憲國(中國農業科學院)

鉀(K)是植物生長發育所必須的大量營養元素。鉀離子在植物中的含量約占植物干重的10%左右,高于其他無機陽離子,因此成為植物細胞內含量最豐富的一價陽離子[1]。鉀離子能直接參與到植物不同生長發育階段的許多生理生化反應中,對維持細胞電荷平衡、調控酶的活性、維持細胞膨壓有關鍵的作用;另外,鉀離子還能介導氣孔和葉片的運動、從而增強植物的光合作用等[2-3]。由此可見,在植物生長發育過程中,每一個不同的時期都不能離開鉀離子的供應。然而,我國土壤鉀含量本身就很貧瘠[4-6],再加上我國人口數量不斷增加,人類過度活動導致氣候變暖和極端的氣候發生的越來越頻繁[7-8],這使得土壤水土流失、土壤鹽漬化急劇,從而使得土壤中的鉀含量隨著水土的流失匱乏程度變得更加劇烈。作為農業大國,對于鉀肥的需求逐年遞增。我國主要是通過施肥的方式來滿足植物對鉀的需求從而保證作物的產量和質量,然而近年來,由于我國大量的使用化肥,使得土壤富營養化并土壤酸化嚴重,不僅沒能顯著提高作物的產量,反而導致土壤營養元素流失并造成環境污染。因此,通過有效的生物手段,來提高植物對土壤鉀的利用效率來減少鉀肥的施用量,對提高作物產量,生態環境的保護和資源的可持續利用都尤為重要。

1983年,當第一個抗病毒轉基因煙草的培育成功時[9],標志著人類開始邁進用轉基因技術改良農作物時代。近年來,隨著分子生物學技術和分子育種理論的飛速發展以及轉基因技術的越來越成熟,為鉀高效利用轉基因作物新品種培育提供了一條嶄新的途徑,并且隨著研究的不斷深入,也漸漸證明轉基因這種技術手段已經成為培育耐鉀新品種行之有效的育種方式[10]。

目前為止,針對鉀離子的高效利用基因的研究,最早開始于王毅等針對鉀離子通道基因AKT1在擬南芥上的研究[10]。緊接著,一批鉀離子通道基因在農作物中被克隆和鑒定,如Buschmann 將基因TaAKT1轉入到小麥中以后,提高了小麥根系在低鉀條件下對鉀離子的吸收利用率[11];有研究表明,鉀離子轉運基因MYB59能夠使作物在低鉀的環境下促進鉀離子和硝酸根的吸收[12];董志遙通過篩選試驗,發現AtCBL9、AlHAK1基因在提高大田作物玉米的鉀利用效率有顯著的意義。

由此可見,利用轉基因技術生產鉀高效利用轉基因作物新品種,提高植物在低鉀的土壤中對鉀的吸收利用,以及緩解由大量施用肥料而帶來的環境污染,水質污染具有重大的意義。

現階段,雖然人們對轉基因作物的安全性仍然有很多的懷疑,但轉基因作物存在巨大的潛在的優勢,使轉基因作物在我國種植面積越來越大,并產生了巨大的經濟效益,特別是在世界人口劇增,自然資源越發匱乏,農業土壤鹽堿化,生態環境惡化的今天,利用轉基因技術將能更加高效、快捷地培育出符合人們意愿的農作物品種,從而確保農業的可持續發展和糧食安全。我相信在國家相關部門對轉基因作物安全的的嚴格管控下,隨著國家對轉基因育種的支持,科研工作者的不懈努力轉基因育種將會越來越被廣大人民群眾認可和接受,轉基因育種的明天將會越來越好。

參考文獻
[1] Leigh R A, Wyn Jones R G. A hypothesis relating critical potassium concentrations for growth to the distribution and functions of this ion in the plant cell [J]. New Phytologist, 1984, 97(1): 1-13.
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[3] Maathuis F J, Ichida A M, Sanders D, et al. Roles of higher plant K+ channels [J]. Plant Physiology, 1997, 114(4): 1141.
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[5] Sentenac H, Bonneaud N, Minet M, et al. Cloning and expression in yeast of a plant potassium ion transport system [J]. Science, 1992, 256(5057): 663-665.
[6] Xu J, Li HD, Chen LQ, et al. A Protein Kinase, Interacting with Two Calcineurin B-like Proteins, Regulates K+ Transporter AKT1 in Arabidopsis[J]. Cell, 2006, 125(7): 1347-1360.
[7] Araus JL, Slafer GA, Royo C, et al. Breeding for yield potential and stress adaptation in cereals[J]. Critical Reviews in Plant Science, 2008, 27(6): 377-412.
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[9] 張黎黎, 張宏梁, 田玲. 加強生物安全管理的思考[J].中國醫藥生物技術, 2010, 5(6): 458-460.
[10] 王毅, 武維華. 植物鉀營養高效分子遺傳機制[J].植物學報,2009, 44(1):27-36.
[11] Buschmann PH, Vaidyanathan R, Gassmann W, Schroeder JI. Enhancement of Na(+) Uptake Currents, Time-Dependent Inward-Rectifying K(+) Channel Currents, and K(+) Channel Transcripts by K(+) Starvation in Wheat Root Cells[J].Plant physiol, 2000, 122 (4):1387-1397
[12] Du XQ , Wang FL , Li H, Jing S, Yu M, Li J , Wu WH,The Transcription Factor MYB59 Regulates K +/NO 3 - Translocation in the Arabidopsis Response to Low K + Stress[J].Plant Cell, 2019, 31(3):699-714.

來源:基因農業網

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