轉(zhuǎn)海藻糖合成酶基因的研究進(jìn)展.doc

轉(zhuǎn)海藻糖合成酶基因的研究進(jìn)展牟禹（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 雅安）摘要：綜述海藻糖的理化性質(zhì)，生物活性，以及轉(zhuǎn)海藻糖合成酶基因的意義和在植物轉(zhuǎn)基因方面的研究現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：海藻糖、海藻糖合成酶、轉(zhuǎn)基因 海藻糖在自然界中廣泛存在，因起獨(dú)特的理化性質(zhì)和生物活性而被關(guān)注。廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)藥、食品等行業(yè)，需求量逐年增加。但因昂貴的生產(chǎn)成本，其使用受到很大的限制。近年來(lái)，很多研究者從基因工程的角度來(lái)研究海藻糖，如用工程微生物來(lái)生產(chǎn)海藻糖，使海藻糖成本下降；不少科研者也把海藻糖合成酶基因轉(zhuǎn)入高等植物，期望得到具有特殊抗性的植株，并已取得不小的進(jìn)展。1 理化性質(zhì)海藻糖（C12H12O112H2O）的分子構(gòu)型為a,a-型，是一種通過(guò)a,a-1,1糖苷鍵連接的非還原性雙糖，化學(xué)名稱為-D-吡喃葡萄糖基-D-吡喃葡萄糖苷。失水后，海藻糖變成含有兩分子結(jié)晶水的白色晶體，其熔點(diǎn)為97OC。繼續(xù)加熱到1300C，失去結(jié)晶水，熔點(diǎn)達(dá)到2142160C。海藻糖甜味較弱，相當(dāng)于蔗糖甜度的45% ，無(wú)毒性，溶于水、冰醋酸和熱乙醇，適用于食品工業(yè)。海藻糖性質(zhì)十分穩(wěn)定，是天然雙糖中最穩(wěn)定的，無(wú)還原性，在食品中加熱不會(huì)焦糖化?？杀缓Ｔ逄敲杆獬蔀槠咸烟腔蚱咸烟蔷酆衔?，但不被一般的酶水解。其分子式如下：3 轉(zhuǎn)基因方面的研究進(jìn)展目前，國(guó)內(nèi)外不少研究關(guān)于海藻糖，特別是轉(zhuǎn)基因方面。其目的主要有兩點(diǎn)：一、生物合成海藻糖，得到大量海藻糖制品。二、得到抗逆植物，提高植物抗逆性。3.1 生物合成海藻糖海藻糖具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，有必要研究一種高效、廉價(jià)的生產(chǎn)方式。由于它的應(yīng)用很廣泛，其生產(chǎn)從很早就開(kāi)始了。目前，海藻糖的生產(chǎn)方式主要有五種：微生物提取法和微生物發(fā)酵法、化學(xué)合成法、酶轉(zhuǎn)化法、7但在成本和產(chǎn)量上，都有不少缺點(diǎn)。而用基因工程法來(lái)合成海藻糖，成為具有廣闊前景的研究。用生物技術(shù)生產(chǎn)海藻糖，或?qū)⑵咸烟寝D(zhuǎn)化為海藻糖的基因通過(guò)一種細(xì)菌導(dǎo)入酵母、甜菜、馬鈴薯、番茄等植物中，構(gòu)建具有生產(chǎn)海藻糖能力的轉(zhuǎn)基因植物，這種植物可使價(jià)值不菲的海藻糖進(jìn)入百姓生活中?；蚬こ谭ㄖ坪Ｔ逄堑膬?yōu)點(diǎn)：1 成本低。2 轉(zhuǎn)化率高。3 直接在微生物或植物中保存，不易分解。4 易于食用。野生型的.中海藻糖積累很低，幾乎無(wú)法檢測(cè)。構(gòu)建的基因菌株經(jīng)滲透壓誘導(dǎo)能大量合成海藻糖9。3.2 植物抗逆方面的應(yīng)用傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為,抗逆性屬數(shù)量性狀,由多基因控制,因而進(jìn)行抗逆育種,特別是轉(zhuǎn)抗逆基因作物研究是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。但隨著植物生理的抗旱分子生物學(xué)研究,人們逐漸確定了與抗逆性有關(guān)的重要基因,并進(jìn)行了基因定位研究,取得了一定的進(jìn)展11。很多極端耐旱植物在逆境脅迫下能合成大量海藻糖，使植物在極端環(huán)境中能夠處于休眠狀態(tài)，度過(guò)逆境，一旦條件合適，又能復(fù)蘇。海藻糖具有獨(dú)特的保水特性，與其他的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如甘露醇、脯氨酸、甜菜堿等的調(diào)節(jié)原理不同，因此，應(yīng)用轉(zhuǎn)海藻糖合成酶基因來(lái)提高植物抗性具有廣闊的前景。3.2.1 轉(zhuǎn)基因應(yīng)用的理論前提海藻糖最初由Wiggers等從1882年從黑麥麥角菌中分離出來(lái)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)它廣泛分布于微生物、高等植物和無(wú)脊椎動(dòng)物，甚至昆蟲(chóng)中。高等植物體海藻糖最初是從S.lepidophylla中分離得到的,它在干旱時(shí)休眠,而重新給予水分后又復(fù)活。擬南芥和水稻中的某些克隆同大腸桿菌和酵母有高度同源的序列表達(dá)標(biāo)簽(EST)10。這就為把海藻糖合成酶基因?qū)胫参锊⑹蛊湓谥参镏斜磉_(dá)提供了一定的科學(xué)前提。近年來(lái),隨著對(duì)海藻糖合成代謝途徑的深入研究,許多微生物中各種海藻糖合成酶基因已相繼被克隆,如大腸桿菌的otsA、otsB基因,釀酒酵母中的tps1、tps2、tsl1基因,擔(dān)子菌灰樹(shù)花中的Tsase基因等。123.2.2 海藻糖對(duì)提高植物抗逆性的應(yīng)用Oscar等將大腸桿菌中的ostA，ostB基因轉(zhuǎn)入煙草及馬鈴薯,獲得了良好的抗逆效果1。陳紅漫等在國(guó)內(nèi)首次將酵母中海藻糖合成酶基因克隆并轉(zhuǎn)入煙草,發(fā)現(xiàn)海藻糖對(duì)葉片中細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)具有較好的保護(hù)作用12。我國(guó)的趙恢武等、戴秀玉等也已相繼分別將tps基因和ost基因轉(zhuǎn)入煙草,使其耐旱性增強(qiáng)。荷蘭植物生物技術(shù)公司把OstBA導(dǎo)入甜菜、馬鈴薯中,在獲得廉價(jià)海藻糖的同時(shí),增強(qiáng)了植物的抗旱性和抗寒性?？梢?jiàn),海藻糖在雙子葉植物中具有較好的抗逆效果,但其在禾谷類作物中的作用還有待于進(jìn)一步的研究。目前，樊劍鳴已將tps基因轉(zhuǎn)入到小麥中，并得到抗性植株。張樹(shù)珍轉(zhuǎn)化海藻糖合成酶基因到甘蔗中，得到轉(zhuǎn)基因植株。但是，轉(zhuǎn)基因煙草的形態(tài)發(fā)生多種改變,包括變矮,莖變細(xì),葉子呈柳葉狀,腋芽明顯, 大大降低轉(zhuǎn)基因植物的生物量，同時(shí)耐旱性又得到增強(qiáng)。 因此，也有很多研究采用了用誘導(dǎo)型啟動(dòng)子或者讓基因在特定組織內(nèi)表達(dá)，來(lái)解決這些問(wèn)題。美國(guó)的科研人員把昆蟲(chóng)體內(nèi)兩個(gè)與海藻糖合成有關(guān)的基因轉(zhuǎn)入水稻，使這兩個(gè)基因只在脅迫環(huán)境下，在特定組織里的表達(dá)。北京大學(xué)趙恢武、陳楊堅(jiān)等通過(guò)程序克隆擬南芥的干旱誘導(dǎo)性啟動(dòng)子Prd29A來(lái)啟動(dòng)海藻糖-6-磷酸合酶基因，通過(guò)根癌土壤桿菌介導(dǎo),獲得轉(zhuǎn)基因煙草。但是， 北京大學(xué)對(duì)用PCR方法獲得的Prd29A進(jìn)行了功能鑒定,表明干旱處理確實(shí)能使由它調(diào)控的GUS基因的表達(dá)增強(qiáng)。在組培條件下, Prd29A控制TPS基因表達(dá)時(shí),轉(zhuǎn)基因植株仍然表現(xiàn)出顯著的形態(tài)變異。具推測(cè)，海藻糖一旦在轉(zhuǎn)基因植株中積累,將影響到糖代謝,激發(fā)一些信號(hào)而影響轉(zhuǎn)基因植株的發(fā)育,并且這種影響會(huì)一直持續(xù)下去。134 前景和挑戰(zhàn) 由于海藻糖廣泛的應(yīng)用和市場(chǎng)，從農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)學(xué)到生物領(lǐng)域，都有其利用價(jià)值，因?yàn)榘嘿F的價(jià)格成為其推廣的一個(gè)障礙，但轉(zhuǎn)海藻糖合成酶基因廣闊的發(fā)展前景，必然會(huì)有更多的科研者從事這方面的研究。 利用微生物、植物來(lái)生產(chǎn)海藻糖的技術(shù)會(huì)得到推廣；在植物抗逆方面，取得了一定的成果，確實(shí)能使植株在逆境環(huán)境中生長(zhǎng)，但由于海藻糖合成酶基因在植物體內(nèi)的表達(dá)存在過(guò)量的問(wèn)題，帶來(lái)了使轉(zhuǎn)基因植物形態(tài)發(fā)生改變和生長(zhǎng)緩慢的負(fù)面效應(yīng)，同時(shí)，產(chǎn)生出的海藻糖影響了植物的糖代謝，并且在正常環(huán)境下不能被有效的分解，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植物生長(zhǎng)不正常。這些問(wèn)題都還有待研究。參考文獻(xiàn)1 張玉華,凌沛學(xué),籍保平 食品與藥品 2005,7:8-12.2.,1990,27:219-231.3.,1992,54:579-599.4.,1992,174:889-898.5 ,. .1991,4:38.6 張麗杰 ，邸進(jìn)申 ，全學(xué)軍 ，趙天濤 ，張雪蓮 ，李英杰. 生物技術(shù) 2005,15(1):31-337 涂國(guó)云. 山西食品工業(yè) 2003,3:33-358黃成垠戴秀玉周堅(jiān)微生物學(xué)通報(bào)1997,24:341-343.9 .,1987,220:113-115.10 王三根.海藻糖提高綿羊紅15號(hào)小麥幼苗耐鹽能力的研究.西南農(nóng)