葡萄抗旱相关的功能基因与调节基因

　　葡萄（Vitis vinifera L.）是世界第二大水果，拥有悠久的栽培历史，种类繁多，具有重要的食用价值和经济价值，目前生产上主推的许多葡萄栽培品种抗逆性、抗病虫能力均较差。且近年来，随着全球气候的恶变，世界各地干旱事件频繁发生，在非干旱季节或非干旱地区干旱危害也频繁出现[1].干旱（Drought）对葡萄生长发育过程和产量品质有严重的影响，已经成为制约葡萄生长和提高果品质量的主要因素之一，尤其是近年来全球气候的变化和我国南方干旱的频频出现，使葡萄产业受到很大的威胁。在世界范围内都面临缺水问题的大背景之下，发掘抗旱葡萄资源、研究葡萄抗旱基因对提高葡萄抗旱性、培育抗旱新品种及节水栽培等都具有重要的科学价值和意义。本文对与葡萄抗旱相关的基因的功能和调控进行较全面的综述，有助于对葡萄抗旱分子机制的理解。

　　葡萄的抗旱性（Drought resistance）是由多基因控制的数量性状，对干旱等逆境应答和适应需要多个基因的参与，且受到多种途径的调控。在轻度干旱胁迫时，渗透调节是植物体适应水分亏缺的主要途径，植物一方面提高合成渗透调节物质相关酶基因的转录水平，促进基因的表达，增加表达产物的积累；另一方面植物增强抗氧化、解毒相关酶基因（如 SOD、CAT、GST 等）的表达水平。当胁迫强度超出渗透调节的能力时，LEA 蛋白及糖类的脱水保护物质积累，保护生物大分子和生物膜系统免受损害。由此，葡萄的抗旱能力取决于自身的组织结构和生理特性，归根结底在于分子水平的差异。随着葡萄全基因组序列的公布，许多与干旱胁迫相关的基因及其调控因子已经得到分离与克隆，并转化到葡萄或模式植物中并对其功能进行分析和验证。响应干旱胁迫的基因根据其功能可分为两类：一类是直接参与提高葡萄抗旱能力起保护作用的功能基因；另一类是主要对信号传导和基因表达的过程起调节作用的调控基因。

　　1 葡萄抗旱相关的功能基因

　　这类基因的表达产物能直接维持细胞的各种理化代谢活动的正常进行。目前在葡萄研究中涉及的这一类基因主要包括渗透调节因子的合成酶基因、直接保护细胞免受水分胁迫损伤的功能蛋白基因及毒性降解酶基因等。

　　1.1 渗透调节物质合成相关基因

　　渗透调节物质是指植物在干旱或盐碱等逆境胁迫下，为消除胁迫所造成的伤害维持体内的水分和渗透平衡，在细胞中产生或积累的小分子有机化合物，主要包括脯氨酸、多胺等氨基酸及其衍生物，果聚糖、海藻糖等低分子糖类，甘油、甘露醇、山梨醇等多元醇，渗调蛋白等。目前，干旱胁迫下，在葡萄中发现起渗透调节作用的主要是脯氨酸和多胺。

　　1.1.1 脯氨酸合成相关基因

　　脯氨酸（Proline）是在高等植物中广泛存在的组成性氨基酸，具有水溶性，是植物中主要的渗透调节物质之一，它能聚集与渗透调节有关的蛋白，避免或减少因细胞失水引起的蛋白质变性。

　　在盐、干旱和低温等逆境胁迫下，多数植物体内会积累较高水平的游离脯氨酸，从而起到渗透调节的作用。与脯氨酸合成相关的基因主要有吡咯啉-5-羧酸合成酶基因（P5CS）、吡咯琳-5-羧酸还原酶基因（PSCR）、鸟氨酸-6-氨基转移酶基因（OAT）和脯氨酸脱氢酶基因（ProDH）。其中吡咯啉-5-羧酸合成酶基因（P5CS）已在葡萄中克隆出来，其登录编号为 CBI31612[2],在其他植物中有关P5CS 基因调控脯氨酸合成积累进而提高其抗旱性的研究较多，但 P5CS 基因与葡萄抗旱性关系的报道较少。

　　1.1.2 多胺合成相关基因

　　多胺（Polyamine）是生物体的氮素类细胞组分，多胺的多聚阳离子使其在众多植物体内发挥着重要的生理活性功能，如酸中和、抗氧化以及维持细胞膜系统的稳定性等。植物在干旱、高盐等逆境条件下可积累多胺。多胺生物合成过程中的关键基因有小鼠鸟氨酸脱羧酶编码基因（ODC）和燕麦精氨酸脱羧酶编码基因（ADC）。Liu等[3]将葡萄幼苗用氯化钠和甘露醇处理后，获得 4种多胺合成基因，它们分别是精氨酸脱羧酶基因（pVvADC）、S - 腺 苷 甲 硫 氨 酸 脱 羧 酶 基 因（pVvSAMDC）、亚精胺合成酶基因（pVvSPDS）、精胺合成酶基因（pVvSPMS），其中 pVvADC 是在盐处理 1d 后获得，pVvSAMDC 和 pVvSPMS 表达较晚，是在胁迫后期表达，这些基因的获得表明植物周围的渗透压提高水分缺少时为了抵御逆境环境的胁迫，通过基因表达合成多胺以维持植物体细胞膜系统的稳定性抵御外界不良环境。

　　1.2 响应水分胁迫损伤的功能基因

　　当植物受到干旱胁迫超出其渗透调节范围时，有些植物可以产生具有脱水保护功能的有机物，保护生物大分子及膜系统免受脱水造成的危害，植物在干旱胁迫解除后便能恢复生长。主要包括水通道蛋白（AQP）、脱水响应基因（RD）和晚期胚胎丰富蛋白（LEA）等有机物。

　　1.2.1 水通道蛋白相关基因

　　水通道蛋白（aquaporins,AQPs）是指动、植物体内一系列分子量为 26~34kD、选择性强、能高效转运水分子的膜蛋白，其种类繁多、分布广泛，是植物体内水分平衡调节的分子基础[4].AQPs 作为生物体中广泛存在的功能性跨膜蛋白，是水分跨膜运输的主要途径，在介导不同类型细胞的水分运输、维持水分平衡和干旱胁迫下细胞内的渗透调控以及提高植物抗旱性中发挥重要作用[5-9].

　　质膜内在水通道蛋白 （plasma membraneinstrinsic proteins,PIPs） 能够介导叶和根中水分的跨膜运输传导[10].Vandeleur[11]等发现冬葡萄×沙地葡萄的杂交种‘R-110’中的 PIP1;1 在其根中的表达量最多，PIP1;2、PIP2;2 在其叶中有最高表达量；Perrone[12]等研究发现 PIP2;4 在欧亚葡萄‘歌海娜’的根中有特异性表达；颜培玲[9]等从中国野生毛葡萄（V.heyneana）‘花溪-9’中克隆出 9个 PIP 基因，其中得到的 VhPIP1 基因在其根中有最多表达量。由此可知，PIPs 蛋白参与水分的吸收和运输，在根中的高度表达，为参与根系的导水率，增加水通道蛋白的活性，以及促进根系吸收土壤中的水分和水分的径向运输提供更重要的作用[13].同时，PIPs 蛋白还参与叶片气孔的运动、蒸腾作用以及光合作用的顺利进行，因此有的 PIPs 基因会在叶片中高效表达[14-15].

　　在干旱中度胁迫初期，在‘R-110’中的 PIP1;1、PIP1;2、PIP1;3、PIP2;1 和 PIP2;2 在根与叶中的表达量的比值会上升，在持续胁迫 7d 后，根与叶中表达量的比值恢复至对照水平[16];欧亚酿酒品种‘歌海娜’和‘霞多丽’经干旱处理 8~10d 后，VvPIP2;2 表达量不变[17];Pou[18]等以欧亚酿酒品种‘霞多丽’为材料，发现在水分胁迫下，PIP2;1、PIP2;2 表达下调；Chitarra[19]等干旱胁迫处理 2a生葡萄‘歌海娜’植株，发现葡萄叶片中的 PIP2;4表达量下调，并且还发现 PIPs 基因参与木质部栓塞的形成；而抗旱性强的毛葡萄‘花溪-9'VhPIP1的表达量随着胁迫时间的延长先增加后降低，而不抗旱的欧亚种’红地球‘VvPIP1 的表达量呈下降的趋势，表明 VhPIP1 的表达丰度与毛葡萄抗旱性密切相关[9].由此可知，PIPs 基因参与葡萄干旱胁迫过程，但是其具体作用还要通过转基因等技术进行功能验证。

　　1.2.2 脱水响应基因

　　在干旱胁迫下，脱水响应基因 RD 系列基因诱导表达，引起植物的抗旱反应，RD 系列主要有RD29A、RD29B、RD22 等。葡萄的 RD22 基因是一个组成型表达基因，其表达量低，干旱诱导特性可被 ABA 调节。在干旱胁迫条件下，耐寒葡萄品种（V.vinifer'aRazegui’）和干旱敏感品种（V. Vinifera'Syrah‘） 的 VvRD22 基因表达量均显着增加，因此，VvRD22 基因的干旱诱导表达与品种无关[20].

　　1.2.3 晚期胚胎发生丰富蛋白

　　LEA 蛋白即高等植物胚胎发育晚期丰富蛋白（Late embryo genesis abundant proteins,LEAproteins），可以在细胞层面上保护植物体免受干旱胁迫的损伤，且 LEA 基因的表达或蛋白的积累与抗逆性存在正相关性。LEA 蛋白作为脱水保护剂，或是一种调节蛋白参与植物渗透调节来提高植物抗旱性。同时，LEA 蛋白可能还具有去垢剂和分子伴侣的特点，在水分胁迫下，能稳定和保护植物大分子的结构，对植物提高抗旱能力有着重要作用[21].Yang 等[22]从燕山葡萄株系’燕山-1‘中获得脱水素基因DHN1、DHN2、DHN3 和 DHN4.吴康[23]等以欧洲葡萄’无核白‘品种为材料，以’霞多丽‘品种脱水素基因序列设计引物得到这两个不同的脱水素基因 DHN1-L 和 DHN1-S.这些基因的获得也为脱水素基因家族的进一步深入研究和有效利用提供依据和参考。