极端环境下植物耐旱、耐寒基因的挖掘，以及功能验证

全球气候变化导致极端气候事件频发，干旱、低温等恶劣环境严重影响植物生长与分布，威胁农业生产与生态系统稳定。

沙漠地区干旱少雨，高海拔地区低温缺氧，在这些极端环境中生存的植物，经过长期进化形成了独特的耐旱、耐寒机制。深入挖掘其相关基因并验证功能，对解析植物抗逆分子机制、培育抗逆农作物品种以及生态保护与修复具有重要意义。

转录组测序是挖掘耐旱耐寒基因的重要手段，以沙漠植物为例，在干旱环境下，通过对不同生长阶段、不同组织部位的植物进行转录组测序，获得大量基因表达数据。

在干旱初期与渗透调节物质合成相关基因表达量显著上调，这些基因编码的酶参与甜菜碱的合成，甜菜碱作为一种相容性溶质，可调节细胞渗透压，维持细胞内水分平衡 。抗氧化酶系统相关的基因表达也有显著增强，它们可以帮助植物清除干旱胁迫产生的过量活性氧，减轻氧化损伤 。

在高海拔地区的研究中，对不同海拔梯度生长的高山杜鹃进行表型鉴定，测量其在低温环境下的叶片相对电导率、丙二醛含量等耐寒相关生理指标。

利用简化基因组测序技术对大量高山杜鹃个体进行基因分型，通过 GWAS 分析，成功定位到多个与耐寒性状显著关联的基因位点，部分位点包含编码冷响应转录因子的基因，这些转录因子可调控下游一系列耐寒相关基因的表达，启动植物的耐寒防御机制 。

基因芯片技术能够同时对大量基因的表达水平进行检测，在研究沙漠植物骆驼刺耐旱基因时，利用定制的基因芯片，对正常生长和干旱环境下骆驼刺的基因表达进行对比分析。

结果显示在干旱胁迫下，与脱落酸信号传导通路相关的多个基因表达发生显著变化，ABA 作为植物体内重要的逆境信号分子，通过调控这些基因的表达，影响植物的气孔关闭、根系生长等过程，从而提高植物的耐旱性 。

将候选基因导入模式植物中使其过表达的方法来验证，以从高海拔植物青藏龙胆中克隆得到的耐寒基因为例，构建该基因的过表达载体并转入拟南芥中。

在低温胁迫处理后，转基因植株与野生型拟南芥相比，转基因植株的存活率显著提高，叶片电解质渗透率降低，表明转基因植株的细胞膜稳定性增强 。

进一步检测发现转基因植株中与细胞膜相变温度调节相关的脂肪酸代谢基因表达上调，说明耐寒基因通过调控脂肪酸代谢，改变细胞膜的流动性和稳定性，从而提高植物的耐寒性 。

通过酵母双杂交、免疫共沉淀等技术研究基因编码蛋白与其他蛋白的相互作用，明确基因在耐旱、耐寒调控通路中的作用机制。

在研究沙漠植物沙冬青耐寒基因时，利用酵母双杂交技术筛选出相互作用的多个蛋白 ，进一步分析发现这些互作蛋白涉及转录调控、信号传导等多个生物学过程。例如，其中一个互作蛋白是组蛋白去乙酰化酶，它与 AmCBF4 蛋白结合后，可调节下游耐寒基因的染色质结构，影响基因的表达活性，从而参与植物的耐寒响应过程 。

将挖掘验证的耐旱耐寒基因导入农作物可培育抗逆新品种，将从沙漠植物冰草中克隆的耐旱基因转入小麦，获得的转基因小麦在干旱条件下，株高、穗粒数等农艺性状均优于野生型小麦，产量显著提高 。

在寒冷地区将高海拔植物耐寒基因导入水稻，使水稻的抗寒能力增强，有效扩大水稻的种植范围，保障了粮食安全 。

依据耐旱耐寒基因培育的植物品种，能够更好地适应恶劣环境，加快生态修复进程，在沙漠地区，利用基因工程技术改良的沙棘品种，耐旱性大幅提升，种植后成活率显著提高，可有效防风固沙，改善沙漠生态环境 。

在高海拔地区通过导入耐寒基因培育的高山柳，能够在低温环境下快速生长，促进高海拔地区的植被恢复，维护生态系统的稳定 。

目前极端环境下植物耐旱耐寒基因的研究仍存在一些不足，虽然已挖掘出众多候选基因，但对基因调控的解析还不够全面深入，基因与基因之间、基因与环境之间的互作机制有待进一步研究 。

基因工程技术在实际应用中面临生物安全性等问题，转基因植物可能对非目标生物产生影响，基因漂移等风险需要有效防控 。