[发明专利]提高植物吸收和耐受甲醛的方法及其植物表达载体与应用

说明书

技术领域

本发明属于植物基因工程领域，具体涉及一种提高植物吸收和耐受甲醛的方法、使用该方法所需植物表达载体及其构建方法和它们的应用。

背景技术

甲醛(HCHO)被广泛用于工业生产中，是制造树脂、胶粘剂、油漆、塑料、人造纤维的原料，是胶粘剂工业应用最广泛的化学原材料。随着经济的发展和人民生活水平的提高，各种含有甲醛的原料制成的建筑装饰材料已走入家庭。人们入住新居都要进行室内装饰和更新家具，这正是室内空气甲醛污染的主要来源，使甲醛成为一种无处不在的空气污染气体。长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病，引起鼻烟癌、结肠癌、脑瘤、月经紊乱、细胞核的基因突变，DNA单链内交连和DNA与蛋白质交连及抑制DNA损伤的修复、妊娠综合症、引起新生儿染色体异常、白血病，这就是所谓的装修综合病(sick-house)。相对于油漆中的苯、甲苯、二甲苯、游离甲苯二异氰酸酯(TDI)、挥发性有机化合物(VOC)等有害物质来说，甲醛具有潜伏周期长(3-15年)、隐藏深、分布广、易挥发、治理难、危害大等特性。目前清除污染甲醛通常使用的方法有三种：一是使用环保材料；二是开窗通风；三是用植物或除污剂清除污染，使用除污剂有二次污染的可能。用室内栽培植物清除甲醛污染，是最自然、最环保的方式，科学研究证明确实有些植物能够吸收分解甲醛，但吸收能力和速度非常有限(Giese等，1994，Plant Physiol.104：1301-1309)。

甲醛是一种非常活泼的化合物，因为能与蛋白质，核酸和脂类产生非特异性的反应(Feldman等，Prog Nucleic Acid Res Mol Biol，1973，13：1-49)，因此对所有的生物包括植物来说都有很高的毒性。但在生物体内通过各种脱甲基化反应，也会产生低浓度的甲醛，所以几乎所有的生物对甲醛都有各自的解毒机制。自然界中的大多数植物属光能自养型生物，主要以CO₂为碳源，大部分植物通过光合作用的开尔文循环途径固定CO₂。甲醛也是植物一碳(C1)化合物代谢的一种中间产物，但是大部分甲醛在植物体内并不以游离状态存在，而是结合到内源的亲核化合物如谷胱甘肽或四氢叶酸上(Chen等，1997，Plant Physiol 1175：299-309)。

生物化学和遗传学的研究证明依赖-谷胱苷肽的甲醛脱氢酶(FALDH)在真核生物中是负责甲醛代谢的主要酶，这种酶普遍存在于动物和植物组织中。ADH2基因编码拟南芥中FALDH，在植物中只有少量的表达。最近西班牙的一个研究小组获得FALDH过量表达的转基因拟南芥，他们的研究结果表明提高FALDH在转基因植物中的酶活性可使它们吸收外源甲醛的效力提高25％，而通过共抑制或反义表达降低FALDH在转基因植物中的活性，可使它们吸收甲醛的速度显著下降，与野生型相比，对甲醛的脱毒能力也大大降低，这是用转基因方法增强植物对甲醛脱毒作用的首例研究(Achkor等，Plant physiology.132：2248-2255)。

在生命诞生以前，甲醛是地球上原始汤的成分之一，甲醛与生物的关系从它的诞生开始持续至今已有好几十亿年了。在这期间，为防止甲醛浓度在体内上升，生物体建立了巧妙的机制，使之能在含有甲醛的环境中更好地生存，这一机制的高度发展出现在能同化一碳化合物的微生物中。不管是原核生物还是真核生物，凡是能利用C1化合物(甲烷，甲醇，甲醛，甲酰胺等)的微生物，在它们代谢作用的初期阶段，都产生甲醛，它们的细胞中都有能把从各种C1化合物产生的甲醛变成为细胞的组成成分的同化途径以及从甲醛获得细胞所需能量的氧化途径。在甲基营养型微生物中，甲醛在好几种C1化合物的代谢过程中是个关键的中间产物，它参与异化作用和同化作用过程(Quayle等，1978，42：251-273)。核酮糖单磷酸途径(RuMP)是细菌甲醛同化途径之一，RuMP中固定甲醛的关键酶是6-磷酸己酮糖合成酶(HPS)和6-磷酸果糖异构酶(PHI)。因为5-磷酸核酮糖和6-磷酸果糖都是开尔文循环的中间产物，我们预期在植物的叶绿体中如能成功地表达细菌的HPS和PHI，那末甲醛就能通过光合作用进行同化。我们最近的研究结果表明在拟南芥和烟草的叶绿体中过量表达来自甲基营养菌Mycobacterium gastri MB19的HPS和PHI，能增强转基因植物对甲醛的抗性和吸收并同化气体和液体甲醛的能力(Chen et al.，Plant cell and Physilo.，2005)。这就证明可以利用植物基因工程技术把微生物的甲醛同化途径整合到植物的二氧化碳固定途径中。