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      钾高效利用转基因作物育种之初谈

      2020-05-18 08:46 | 作者: 陈红娜 程宪国 | 标签:

      作者 陈红娜 程宪国(中国农业科学院)

      钾(K)是植物生长发育所必须的大量营养元素。钾离子在植物中的含量约占植物干重的10%左右,高于其他无机阳离子,因此成为植物细胞内含量最丰富的一价阳离子[1]。钾离子能直接参与到植物不同生长发育阶段的许多生理生化反应中,对维持细胞电荷平衡、调控酶的活性、维持细胞膨压有关键的作用;另外,钾离子还能介导气孔和叶片的运动、从而增强植物的光合作用等[2-3]。由此可见,在植物生长发育过程中,每一个不同的时期都不能离开钾离子的供应。然而,我国土壤钾含量本身就很贫瘠[4-6],再加上我国人口数量不断增加,人类过度活动导致气候变暖和极端的气候发生的越来越频繁[7-8],这使得土壤水土流失、土壤盐渍化急剧,从而使得土壤中的钾含量随着水土的流失匮乏程度变得更加剧烈。作为农业大国,对于钾肥的需求逐年递增。我国主要是通过施肥的方式来满足植物对钾的需求从而保证作物的产量和质量,然而近年来,由于我国大量的使用化肥,使得土壤富营养化并土壤酸化严重,不仅没能显著提高作物的产量,反而导致土壤营养元素流失并造成环境污染。因此,通过有效的生物手段,来提高植物对土壤钾的利用效率来减少钾肥的施用量,对提高作物产量,生态环境的?;ず妥试吹目沙中枚加任匾?。

      1983年,当第一个抗病毒转基因烟草的培育成功时[9],标志着人类开始迈进用转基因技术改良农作物时代。近年来,随着分子生物学技术和分子育种理论的飞速发展以及转基因技术的越来越成熟,为钾高效利用转基因作物新品种培育提供了一条崭新的途径,并且随着研究的不断深入,也渐渐证明转基因这种技术手段已经成为培育耐钾新品种行之有效的育种方式[10]。

      目前为止,针对钾离子的高效利用基因的研究,最早开始于王毅等针对钾离子通道基因AKT1在拟南芥上的研究[10]。紧接着,一批钾离子通道基因在农作物中被克隆和鉴定,如Buschmann 将基因TaAKT1转入到小麦中以后,提高了小麦根系在低钾条件下对钾离子的吸收利用率[11];有研究表明,钾离子转运基因MYB59能够使作物在低钾的环境下促进钾离子和硝酸根的吸收[12];董志遥通过筛选试验,发现AtCBL9、AlHAK1基因在提高大田作物玉米的钾利用效率有显著的意义。

      由此可见,利用转基因技术生产钾高效利用转基因作物新品种,提高植物在低钾的土壤中对钾的吸收利用,以及缓解由大量施用肥料而带来的环境污染,水质污染具有重大的意义。

      现阶段,虽然人们对转基因作物的安全性仍然有很多的怀疑,但转基因作物存在巨大的潜在的优势,使转基因作物在我国种植面积越来越大,并产生了巨大的经济效益,特别是在世界人口剧增,自然资源越发匮乏,农业土壤盐碱化,生态环境恶化的今天,利用转基因技术将能更加高效、快捷地培育出符合人们意愿的农作物品种,从而确保农业的可持续发展和粮食安全。我相信在国家相关部门对转基因作物安全的的严格管控下,随着国家对转基因育种的支持,科研工作者的不懈努力转基因育种将会越来越被广大人民群众认可和接受,转基因育种的明天将会越来越好。

      参考文献
      [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.
      [2] Maathuis F J M, Sanders D. Mechanisms of potassium absorption by higher plant roots [J]. Physiologia Plantarum, 1996, 96(1): 158-168.
      [3] Maathuis F J, Ichida A M, Sanders D, et al. Roles of higher plant K+ channels [J]. Plant Physiology, 1997, 114(4): 1141.
      [4] Schwacke R, Schneider A, van der Graaff E, et al. ARAMEMNON, a novel database for Arabidopsis integral membrane proteins [J]. Plant Physiology, 2003, 131(1): 16-26.
      [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.
      [8] Fan M, Shen J, Yuan L, et al. Improving crop productivity and resource use efficiency to ensure food security and environmental quality in China[J]. Journal of experimental botany, 2012, 63(1): 13-24.
      [9] 张黎黎, 张宏梁, 田玲. 加强生物安全管理的思考[J].中国医药生物技术, 2010, 5(6): 458-460.
      [10] 王毅, 武维华. 植物钾营养高效分子遗传机制[J].植物学报,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.

      来源:基因农业网

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