[发明专利]一种抗寒的草铵膦抗性基因及应用

说明书

技术领域

本发明属于基因工程领域，具体涉及一种抗寒的草铵膦抗性基因，同时还涉及一种抗寒的草铵膦抗性基因在植物除草剂草铵膦中的用途。

技术背景

草铵膦(Glufosinate)是有机磷类除草剂，其有效成分是phosphinothricin(简称PPT)，化学名称为(RS)-2-氨基-4-4(羟基甲基氧膦基)丁酸铵，是外消旋体混合物，只有L-PPT具有植物毒性，属灭生性仿生茎叶处理剂。草铵膦的研制与开发是与双丙氨膦密切相关。双丙氨膦是从链霉菌(Streptomyceshygroscopicus)发酵液中分离提纯的一种三肽天然产物，双丙氨膦本身无除草活性，在植物体内降解成具有除草活性的草铵膦。据此，德国艾格福公司直接合成草铵膦(Glufosinate)，成功开发出一个新除草剂品种。草铵膦制剂已被广泛使用在非耕地防除多种一年生和多年生禾本科草和阔叶草(Ahren W H et al1994)。

草铵膦原药为白色至浅黄色结晶粉末，密度1.4g/ml(20℃)，熔点215℃，沸点99.5℃，蒸气压＜0.1mPa(25℃)，高度稳定，25℃可贮存2年；20℃、pH＝7时水溶度1,370,000mg/L，20℃时有机溶剂溶解度(g/100ml)：丙酮0.016，乙醇0.065，乙酸乙酯0.014，正己烷0.02，甲苯0.014(Vencill W K 2002 HiraiK，Uchida A，Ohno R 2002)。

草铵膦是非选择性茎叶处理剂，传导较差。一般来说，草铵膦在植物体内随蒸腾流在木质部运输(Anderson D M et al 1993)，但是在一些植物体内，¹⁴C-草铵膦也可以由韧皮部运输到根的分生组织。研究还发现杂草对草铵膦的敏感性与草铵膦在韧皮部内传导的速率密切相关。Steckel等人(1997b)报道，草铵膦处理狗尾草、稗草、苘麻和藜24h后，对草铵膦的吸收依次是67％、53％、42％、16％。用¹⁴C-同位素示踪法检测这4种杂草对草铵膦传导性，处理狗尾草12h后，对草铵膦运输达到26％；处理稗草24h后，对草铵膦运输达到14％。经研究发现，处理叶片将所吸收的草铵膦向根部运输，这就说明狗尾草和稗草对草铵膦的运输是经韧皮部进行的(Steckel G J 1997b)。

谷氨酰胺合成酶在植物的氮代谢过程中起作用，它是植物一个重要的解毒酶，可解除由硝酸盐还原、氨基酸降解及光呼吸中释放出的铵的毒性。草铵膦的靶标酶正是谷氨酰胺合成酶(GS)。在正常情况下，GS可以由ATP及glutamate形成λ-glutamyl phosphate。但在PPT处理后，PPT先与ATP结合，磷酸化的PPT占据GS分子的8个反应中心，使GS的空间构型发生变化，从而GS的活性受到抑制。这些过程破坏的结果导致细胞内氨积累、氨基酸合成及光合作用受抑制、叶绿素破坏；虽然氨的积累能使细胞死亡，但主要引起植物受害的还是对RuBp羧化酶/光呼吸作用迅速抑制造成。同使，草铵膦也具有杀虫和杀菌功能(Nicole J Kutlesa，Stanley Caveney 2001)。

最早研究草铵膦在土壤中的代谢是Tebbe和Reber(Tebbe C C and H HReber 1988)，随后Smith(Smith A E.1988)也进行了研究。草铵膦在土壤中降解很快，半衰期短，其土壤活性很低。草铵膦在土壤中一般被降解为4-甲基磷酸亚基2-氧代丁酸(PPO)，3-甲基磷酸亚基丙酸(MPP)，2-羟基-4-羟基(甲基)膦酰基丁酸(MHB)和4-羟基(甲基)膦酰基丁酸(MPB)。

由于草铵膦杀草谱广，在环境中迅速生物降解及对非靶生物低毒，因此如何将其作为作物田苗后选择性除草剂使用是十分必要的，而生物工程技术为此提供了可能；至今为止，在转基因抗除草剂作物研究与推广中，抗草铵膦作物仅次于抗草甘膦作物而居第2位，随着抗草铵膦作物种植面积的继续扩大，国际农药市场对草铵膦的需求将会进一步增加，无疑这对我国除草剂出口将是一大机遇。

发明内容