【高必需氨基酸玉米突变体】
拼译：maiize mutant with high level of essential amino acids
玉米中一般都缺乏人和非反刍动物不能合成的赖氨酸、色氨酸、苏氨酸等所谓必需氨基酸。有的自发的或人工诱发的突变体含有校多的必需氨基酸，可称为高必需氨基酸玉米突变体或优质蛋白玉米。因为植物蛋白质中氨基酸不平衡，如缺乏某种必需氨基酸，则限制了其他氨基酸或蛋白质的利用。因此，对这类突变体的研究不仅有助于了解氨基酸和蛋白质的合成，而且将对提高蛋白质品质产生重大影响。
1964年，梅茨(Mertz)等发现了玉米突变体奥帕克2(O2)高含赖氨酸。通过回交，后代分成O2和正常籽粒，O2胚乳和正常种子有不同的氨基酸组成，赖氨酸含量为蛋白质的3．39%，比对照亲本(野生型，为2%)高69%，色氨酸高1倍以上。其主要原因是在突变胚乳酸溶性部分合成了高含量赖氨酸、组氨酸和精氨酸等的蛋白质，并伴随玉米醇溶蛋白和谷蛋白比率的降低，醇溶蛋白的赖氨酸也增加。一般玉米醇溶蛋白赖氨酸含量极低。1965年，纳尔逊(Nelson)等又发现了佛罗里－2(fl2)突变体，其赖氨酸含量约等同于O2，蛋氨酸增多50%以上，并具有O2相类似的遗传效应。O2和fl2两个基因在玉米胚乳蛋白质合成中主要作用的新发现，有力地推动了玉米品质育种的开展。美国通过IHO与O2杂交，育成了赖氨酸含量4．5%、蛋白质含量18%的品系；中国农科院用O2型自交系育成中单206等杂交种，赖氨酸含量0．47%(全籽粒)，产量达8．27t／ha。近20年来，广泛开展了植物抗性细胞突变体的研究。这也是获得高必需氨基酸玉米突变体的新技术。在离体培养细胞中，适量加入某些氨基酸会抑制细胞生长，原因是抑制了其他有关氨基酸的合成；加入氨基酸类似物，其毒性是由于它参入而形成无功能的蛋白质。如果把培养的大量(成百万乃至成亿计)细胞经过或不经过物理射线或化学诱变剂处理，置于完全抑制正常细胞生长浓度的选择剂(某些氨基酸或氨基酸类似物)的培养基中，群体中能生长的抗性细胞被挑选出来，再生成植株收获后代，进行酶、氨基酸和遗传分析，就可能选择到一种突变体，其抗性机制是氨基酸合成途径中的反馈调节酶改变了，过量合成和积累了天然氨基酸，这就不会使细胞因缺某种氨基酸而饥锇死亡；或冲淡氨基酸类似物浓度而阻止其受害，使细胞具有抗性。在玉米中，天冬氨酸族氨基酸生物合成途径中的天冬氨酸激酶受到赖氨酸的抑制，而高丝氨酸脱氢酶受到苏氨酸抑制，对这两种酶的抑制显然导致蛋氨酸的缺乏而抑制细胞生长。高必需氨基酸玉米突变体主要是通过这一合成途径中有关酶的改变而选择到的。1982年，希伯特(Hibberd)等用玉米未成熟胚培养物，以1mm叠氮化钠诱变处理，在含等克分子数(2mM)的赖氨酸加苏氨酸(LT)的MS培养基上选择3轮后，获得一个抗性突变体Ltr*－19，收获了种子。抗性受单个显性核基因控制，抗性纯合体种子的游离苏氨酸增高75～100倍，使总苏氨酸增加33%～59%。游离赖氨酸没有增高。1990年，阿兹瓦多(Azlvodo)等用连续回交的方法将一突变体LT抗性基因Ltr1引入普通玉米和O2玉米自交系，使普通自交系种子游离苏氨酸增高8倍，LT抗性和O2双重突变体纯合形式Ltr1Ltr1／0202种子游离苏氨酸分别比O2和普通玉米高45倍和114倍，总游离氨基酸分别高3倍和10倍，表明LT抗性基因对O2基因有较强的增效作用，可通过转移LT抗性基因来提高游离氨基酸含量。1990年，迪德里克(Diedrick)等又选择到另一个单基因显性突变体Ask2－LT20，其F2种子的游离苏氨酸是野生型的29倍，总苏氨酸增高69%，表明该突变影响到蛋白质组成和浓度。用以前获得的Ltr－19作等位性试验，表明两个是决定游离高苏氨酸表型的不连锁的等显性基因，根据两个突变系的天冬氨酸激酶反馈抑制特性，分别叫ASK-LT19和ASK2－LT20突变体。1987年，缪树华等通过选择－诱变处理－选择程序，获得了抗赖氨酸加苏氨酸玉米突变体(RLT)，后又进一步对突变体后代进行育性、遗传和氨基酸分析，表明RLT的抗性受单个显性核基因控制，能多代稳定遗传，抗性纯合种子的游离苏氨酸、赖氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸分别是野生型的11倍、5倍、5倍和3倍；9种游离的必需氨基酸是野生型的6倍；总氨基酸增高5．53%；蛋白质也略有增高(由11．60%增至12．50%)。由抗性纯合体未成熟胚培养物再生植株的一个株系，其种子的游离赖氨酸和苏氨酸分别是野生型的15倍和95倍，总赖氨酸增高30%(占籽粒干重的0．40%)，约等于O2高赖氨酸玉米的含量，近期内可能应用于育种实践。细胞突变体选择作为育种的一个辅助手段，将在作物品质改良中占据特定的位置。但缺乏必要的先进技术以获得所有的培养类型(悬浮培养细胞、愈伤组织和原生质体)，并再生成植株；突变体选择效率低，并常伴有育性降低甚至不育的现象。这些都阻碍了获得足够的突变体及其应用。通过连续回交可部分解决育性差的问题。由抗性纯合体幼胚培养物再生植株，也是克服育性降低的一种值得尝试的方法。提高诱变和检测效率，获得没有不利变异的突变体，或对优劣性状并存的突变体加以改造，向其他品系转移其优良性状，消除不利性状，使之尽快得到应用，是近期研究工作的重点。将植物体内已有的优质蛋白基因克隆，转入适当的受体，表达的蛋白质常具有正常的翻译后加工、转运和沉积等功能，可能是改良作物营养品质的捷径。因此，克隆突变体优质蛋白组分的基因用于遗传化，也是这类研究工作的发展趋势。另外，进一步研究突变的分子机制及遗学基础，对了解种子蛋白合成的调控和精确地控制突变发生，具有重要意义。【参考文献】：1 Mertz E T，Bates L S，Nelson O E．Science，1964，145：279～2802 Hibberd K A，Green C E．Proc Natl Acad Sci．USA，1982，79：559～5633 石德权．中国农科院作物所科学研究年报，1987，222～2294 Olson R A．Nutritional quality of cereal grains-genetic and agronomic improvement，1987，133～1765 Widholm J M．Biotechnology in agriculture and forestry，Berlin Heideberg：Springer-Verlag，1987，268～2806 Miao S H，Ducan D R，Widholm J M．Plant Cell，Tissue and Organ Culture，1988，14：3～147 缪树华．植物生物技术和作物改良．北京：中国科学技术出版社，1990，144～1758 Diedrick T J，Frisch D A，Gengenbach B G．Theor Appl Genet．，1990，79：209～2159 缪树华，何立明，肖亮．植物学报，1992，34(2)：90～95(中国科学院成都生物研究所缪树华研究员、耿瑞双助理研究员撰；李子先审)
土中的固定态铵
激酶