00植物抗逆境的分子生物学研究进展_综述_

安徽农业大学学报,2000,27(2):204～208

Journal of A nhui A gricultural U niversity

植物抗逆境的分子生物学研究进展(综述)①

韦朝领,袁家明

(安徽农业大学农学系,合肥230036)

摘　要:本文就国内外有关植物抗逆境的分子生物学研究作一概述。主要介绍植物在温度、水分和盐逆境下产生的诱导物质(如蛋白等),以及控制其基因的特征、表达和调控的研究现状。并提出和讨论了有关该领域

有待进一步探讨的问题。

关键词:植物抗逆境;诱导蛋白;基因

中图分类号:Q945文献标识码:A文章编号:100022197(2000)022*******

自然界中,植物生长在开放的系统中,经常遇到恶劣环境的影响,主要有强光、高温、干旱、水涝和高盐等逆境的胁迫。人们就逆境对植物影响的认识和研究,首先是从表观生理指标的一般性描述开始的,其次为植物在各种逆境下产生的生理生化、生态变化和生理调节机制,最后发展到分子水平,进一步探讨植物对不同逆境的感应、信号传导、基因表达与调控、蛋白质组装和细胞膜功能获得。这些为更深入了解植物对不同逆境响应的分子机理和研究人工调控的生物技术等方面展示出良好的前景。为了对其有个基础、全面的认识,本文针对植物逆境诱导蛋白、基因及其表达调控作一综述。

1　植物逆境诱导蛋白

111　温度诱导蛋白

11111　抗冻蛋白　抗冻蛋白(autifreeze p ro teins,A FP s)是一种抑制冰晶生长的蛋白质,能以非依数形式降低水溶液的冰点。它是直接和冰晶的形式相互作用的蛋白质。A FP s从本世纪60年代被发现以后,先后引起许多研究者的兴趣。

最早,A FP s是从两极冰河中的鱼类血液中发现的。它从结构上可分成四种类型:即抗冻糖蛋白(A FGP3), 型抗冻蛋白(A FP ), 型抗冻蛋白(A FP ), 型抗冻蛋白(A FP )。A FGP s主要由三肽糖单体串联重复而成,分子量一般在215～3317KD之间。它们的活性与分子量有关。其双糖疏水基团面向碳骨架,亲水基面向溶液,这样有利于亲水基团和水分子之间形成氢键阻止冰晶形成。A FP I无糖基,也不是三肽序列。其一级结构由11个氨基酸残基组成的多肽单元,二级结构形成响应的双亲螺旋结构。研究发现比目鱼A FP 片段易形成Α2螺旋,并且有较好的热稳定性。A FP 分子量大约为15KD,其中响应的碳水化合物结合位点经过突变后,抗冻活性消失。它的另一特点是半胱氨酸(Cys)含量比较高,其中半数的Cys能形成二硫键,导致热滞活性(THA)活性丧失。A FP 有2个Α2螺旋、2个Β2折叠和大量无规结构。

A FP 和A FP 一样,是一种球状结构的蛋白分子。其二级结构主要由9个Β2折叠,其中8个组成一种Β2折叠“三明治”夹心结构[1,2]。

尽管抗冻蛋白结构差异较大,但它们都有共同的功能:可使液体的冰点平均降低115℃,但不影响其融点。受到鱼类研究的启示,人们着手在植物中寻找抗冻蛋白,或将其基因转入植物体内。植物A FP s的研究起步较晚,绝大多数已经研究过的植物材料中THA活性大大低于鱼类。然而,虽然被研究的植物材料多达30余种,真正被分离纯化出来的A FP s却不多。在拟南芥中发现的冷调节蛋白(Co ld regulated p ro tein)COR616蛋白和油菜Bn28蛋白与鱼的富含丙氨酸抗冻蛋白有很多氨基酸序列相似。而在菠菜和甘蓝的蛋白抽提物体外试验中,发现了有减少冻融过程对类囊体膜伤害的性能。从强抗冻植物沙冬草叶片中分离出热稳定的A FP s,其中1种抗冻糖蛋白的N端20个氨基酸的序列和凝集素有同源性。试验还证明,从冬黑麦非质体中分离出7个A FP s中有3种的N端序列与3种抗真菌蛋白具有同源性,所以A FP s可能有双重功能[3,4]。然而,目前对植物A FP s基因的了解相对较少,几种植物纯化的A FP s尚未作基因分析。

至于植物A FP s的抗冻作用还是基于一些相关的实验结果的推断,并没有直接的实验证据。因此,一方面要利用现有的生物化学与分子生物学手段继续分离纯化植物材料中活性较高的A FP s,鉴定其蛋白质分子立体结构;另一方面要建立

①收稿日期:1999211230

基金项目:农业部茶叶生物技术重点开放实验室资助项目。

作者简介:韦朝领(1968-),男,硕士,在职博士生。

一个分析A FP s 作用机制的稳定、可靠的实验方法。

11112　热激蛋白　热激蛋白(H eat Shock P ro teins ,H SP s )是一类在有机体受到高温逆境刺激后大量表达的蛋白。曾经观察到如果先用较高但并非致死的温度处理植物,它就会对通常致死的温度产生耐热性。一些生长于温带环境的植物,如大豆、玉米、小麦等,当组织温度超过32～33℃时,就开始合成热激蛋白,而且它的合成随温度的升高而增加。这说明植物中产生热激蛋白是它产生耐热性的重要表现。真核生物中的热激蛋白根据分子量大小分为几个家族:H SP 110s 、H SP 90s 、H SP 70s 、H SP 60s 、低分子量H SP (s mH SP ),以及遍在蛋白。近来发现其中很大一部分成员属监护蛋白(Chaperone ,CPn )。CPn 是一类辅助蛋白分子,主要参与生物体内新生肽的运输、折叠、组装、定位以及变性蛋白的复性和降解。但监护蛋白本身不参与到目标蛋白的最终结构中[2]。

现已了解到H SP s 有如下的反应特点。第一,具有保守性。首先,亲缘关系很远的原核生物和真核生物的H SP s 有很高的同源性;其次,不同物种相同细胞器如细胞质H SP 70s 之间的同源性比同一物种不同细胞器的H SP 70s 间的同源性高。第二,热激反应的短时性。分析表明,热激3～5m in 就可检测到大豆幼苗H SP 的RNA s 的积累,1～2h 达到高峰,6h 后显著下降。植物H SP 110s 比其它合成时间更短。氨基酸渗入H SP s 在4小时达到高峰,随后下降。植物H SP 110s 合成的时间更短。第三,热激蛋白的多样性。分子量从15KD ～110KD ,或者更高,多定位于不同细胞器。植物热激蛋白的明显特点是s mH SP s 所占比例相当大,如大豆有27种分子量在15～25KD 之间。其中6种是增加合成,21种是诱导合成。

各种热激蛋白加旋有如下功能:H SP 60s 于H SP 70s 作用呈现接力性,新生肽一旦从核糖体上露出几个氨基酸残基的肽段,H SP 70s 就立刻与之结合,防止其发生聚集,全肽链合成后,在H SP 70s 的协助下,部分折叠成二级结构,然后此肽链传送给H SP 60s 蛋白,多肽链在此折叠成其特有的三级结构,寡聚蛋白还要在H SP 60s 的协助下完成组装。至于定位于各细胞器的蛋白,在由核糖体最初合成多肽链后,在H SP 70s 的促进下以伸展状态通过预定的细胞器膜,然后在H SP 60s 类蛋白的协助下折叠其功能构象。H SP 70s 还参与叶绿体捕光复合体在膜上的装配,参与蛋白质向胞外的分泌以及变性蛋白的降解。最近研究发现,H SP 90s 可与逆境下解折叠的蛋白质结合,防止其自发折叠成不溶状态,在H SP 60s 存在时,H SP 90s 还将底物传送给H SP 60s ,最终恢复蛋白质的天然构象。SmH SP s 的监护蛋白也可利用水解A T P 的能量,维持变性蛋白的可溶状态,并可进一步使之复性,从而使植物具有耐热性。H SP 100s 蛋白的功能更复杂,它可以启动胞内特定底物蛋白降解,使寡聚蛋白解聚,调节转录[6]。所有这些功能都基于监护蛋白对蛋白质高级结构的影响。

在H SP s 的结构研究中,H SP 60s 的三级和四级结构最清楚。它是由同种亚基组成的14聚体,每个亚基构成一环状,整体结构象两个面包垒成的桶,这个“桶”的内腔为折叠蛋白质提供了一个保护环境。

11113　低温诱导蛋白　最早发现植物中存在低温诱导蛋白,是在越冬期的黑槐树树皮里发现的。其后,在60年代中期进行了大量的植物耐冷品种的蛋白比较研究,逐渐认识到某些蛋白的出现和耐冷性之间存在潜在的关系。进入80年代,植物低温诱导蛋白成为植物胁迫生理的研究热点,并对低温诱导蛋白的氨基酸组成作直接测定和比较。随着研究的深入,人们已经掌握了大量有关低温诱导蛋白的性质、结构和功能。小麦冷驯化特异蛋白W cs 1200是一种高度亲水、沸点下稳定的可溶蛋白,具有两个重复结构域:结构域A 和结构域B ,且二者具有共通序列,分别重复6次和11次。还有一种W cs 2000,分子量为200KD 。也有一些和水胁迫相关的低温诱导蛋白属于脱水蛋白,如多年生木本植物伞房花越桔经冷处理后,在花芽和叶内可观察到3种主要脱水蛋白,它们的分子量分别为65、60和14KD 。同时得出了它们的共通序列。有些低温诱导蛋白如拟南芥中的COR 15,其保护酶在低温下正常行使功能。水稻低温诱导蛋白L i p 19,含142个氨基酸,是一种有调节功能的低温诱导蛋白。低温诱导蛋白能产生对RNA 起稳定作用的蛋白。另外低温能诱导一些酶蛋白的积累,如低温诱导玉米花色素的合成和苯丙氨酸裂解酶(pal )及苯基苯乙稀酮合成酶(ch s )的mRNA 积累相关;以及产生富含脯氨酸的蛋白,如苜蓿的M SA C I C 蛋白。

112　渗透胁迫诱导蛋白

干旱或盐渗透情况下都能诱导出一种逆境蛋白,如干旱诱导玉米中的H SP 70s 和大豆中的H SP 27s ,盐诱导的20KD 、26KD 和32KD 蛋白。目前,盐适应烟草悬浮细胞中的渗透调节蛋白(o s mo tin )得到了详细研究。O s mo tin 是一组阳离子蛋白,带有两种P I 形式,分别为718和812。在盐适应细胞中o s mo tin 分为可溶性的和颗粒状的两种类型,可溶性的对蛋白酶敏感,而颗粒状抗蛋白酶。同时它的含量随环境水势下降而升高[2,9]。脱落酸(ABA )作为一种逆境激素能诱导o s mo tin 的合成。但这种诱导在非盐适应细胞中是暂时的。盐可能涉及ABA 诱导的o s mo tin 合成过程中的翻译或o s mo tinmRNA 转录后的修饰,使它更加稳定。ABA 诱导的o s mo tin 大量地存在根中,而叶和叶柄中没有测到。种子里也没有,因而它不是一种贮藏蛋白。

科学家们对o s mo tin 的核苷酸核氨基酸序列进行分析,并观察到o s mo tin ,玉米Α2淀粉酶 胰岛蛋白酶抑制剂(M A T ),以及烟草病程相关蛋白(T PR )有很大的同源性。

大麦的胚胎发生后期富集蛋白(L ate 2em bryogensis 2abundant p ro teins ,L ea )基因HUA 1导入水稻后发现,水稻叶片中的L ea 蛋白的表达量很高,占总可溶蛋白的015%～215%,其耐旱能力提高。从而证明植物在干旱胁迫下的L ea 蛋白具有保护特性[14,15]。

50227卷2期韦朝领等　植物抗逆境的分子生物学研究进展(综述)