植物乙烯受体及转基因育种研究进展

特约评述

INV ITED REV IEW

植物乙烯受体及转基因育种研究进展

韩继成

河北省农林科学院昌黎果树研究所,昌黎,066600

通讯作者,hanjicheng@sina1com

摘要

在对模式植物拟南芥的遗传学和分子生物学的深入研究中,获得了乙烯应答过程中大量的突变体,分离了编码乙烯受体的基因,其编码产物的结构和功能也已得到鉴定,一些乙烯受体基因已用于转基因植物的研究。本文对近几年已确认的乙烯受体基因突变体,对乙烯受体基因的遗传途径、表达模式及其编码产物的结构、功能及其相互关系做了综述。探讨了利用乙烯受体基因进行转基因植物研究的可行性。

关键词

乙烯受体,结构与功能,信号转导,转基因

Research Progress on Plant Ethylene Receptor and its Transgene

Han Jicheng

Changli Institute of Pomology,Hebei Academy of Agriculture and Forest,Changli,066600

Corresponding author,hanjicheng@sina1com

ABSTRACT

A large number of mutants for responsing to ethylene have been acquired,several genes encoding the ethy2 lene receptor have been isolated and their structure and function were also identified,a few ethylene receptor genes have been introduced into plants as well,which are benefited from the deep researches in genetics and molecular biology on the model plant,A rabi dopsis thaliana.In this paper the author summarized the types of the ethylene response mutants,the genetics and expression mode of ethylene receptor genes,the structure and function as well as their interaction of products encoded by ethylene receptor genes,and also discussed the feasi2 bility of transgenic plant research using ethylene receptor.

KEYWORDS

Ethylene receptor,Structure and function,Signal transduction,Transgenic plant

乙烯是高等植物中生长和发育的内源调节剂及胁迫应答的信号分子,它在果实成熟、性别分化、不定根及胚根的分化与生长、豆科植物根瘤的形成、植株器官的衰老、脱落与死亡、植株诱导性系统抗性、胁迫应答等生长发育的基本过程中起重要作用。

分子植物育种,2004年,第2卷,第2期,第157—163页Molecular Plant Breeding,2004,Vol12,No12,157—163

乙烯感知和信号转导的初始成分是乙烯受体,它能与乙烯结合,引起自身结构变化,启动或抑制相关基因的表达,是乙烯生物合成和信号转导途径中的一个关键信号因子,决定植物对乙烯的敏感能力,控制植物成熟和衰老的进程以及对环境刺激的应答。相对于人们对乙烯生物合成途径的了解而言,有关植物感知乙烯及其信号转导机制的知识了解甚少。显然深入了解乙烯感知和信号转导途径,对控制植物发育、调节切花和果实的采后寿命具有潜在的商业应用价值。近十年来,应用黄化苗三重反应(Guzman and Ecker ,1990)在乙烯受体及其信号转导方面的研究已取得很大进展(K ieber ,1997),通过诱变和遗传筛选已得到大量的乙烯应答突变体(Ecker ,1995),并克隆了5个受体基因et r 1(ethylene response 1)、et r 2(ethylene response 2)、ei n 4(ethylene i nsensitive 4)、ers 1(ethylene response sensor 1)、ers 2(ethy 2lene response sensor 2)。在西红柿(Lanahan et al 1,1994;Wilkinson et al 1,1995)和大豆(Xie et al 1,1996)等植物中也筛选到乙烯应答突变体。同时在包括西红柿和大豆在内的许多作物如水稻、玉米、矮牵牛、玫瑰、香石竹、西番莲、黄瓜、香瓜、芒果、苹果、梨等克隆了大量的乙烯受体基因。大量研究表明,乙烯受体基因是一个基因家族,弄清乙烯受体基因的保守性和多样性对深入利用乙烯受体基因调节植物生长发育进程、延缓植物衰老具有重要意义。

1乙烯受体基因突变体

通过化学药剂诱变,目前已从拟南芥得到了et r 1、et r 2、ei n 4、ers 1(Bleecker et al 1,1988;Hua et al 1,1995)和ers 2(Hua et al 1,1998)5个乙烯受体基因突变体和与乙烯信号转导及胁迫应答有关的另一突变体ei n 2(Alonso et al 1,1999),从西红柿中得到了never ripe 突变体(Lanahan et al 1,1994),在大豆中得到了et r 1突变体。et r 1是第一个在拟南芥中被鉴定的单基因遗传的显性突变体,该突变体对乙烯介导的其他反应也不敏感,如:种子萌发的启动、过氧化物酶活性的加强、离体叶片衰老的加速和乙烯生物合成的负反馈等,在et r 1突变体中,由乙烯诱导的目标基因的转录也被阻止(Lawton et al 1,1995)。与et r 1相似,其他4个乙烯受体基因突变体et r 2、ei n 4、ers 1和ers 2也是乙烯应答不敏感突变体,它们的许多

表现型与et r 1突变体相似。其中,et r 1、et r 2、ei n 4突变体有显著的乙烯不敏感,推测在乙烯信号转导的早期就起作用(Bleecker and Schaller ,1996)。

ei n 2位点上的突变体引起对外源和内源乙烯的不敏感性。现有的ei n 2的25个等位基因突变体。除了ei n 2～9外,所有的等位基因突变体在形态、生理和分子水平上显示完全的乙烯不敏感性。ei n 2突变体也可在筛选抗生长素转运抑制剂、细胞分裂素和脱落酸拟南芥突变体的过程中获得。ei n 2是目前已知的唯一的该基因功能丧失导致完全的乙烯不敏感。

2乙烯受体基因及其编码产物的结构

现有的关于乙烯受体基因及其编码的蛋白质的结构和功能,主要来自于拟南芥。基于序列相似性和整体基因结构,乙烯受体家族分为两个亚家族:即亚家族I 和亚家族II 。亚家族I 包括et r 1和ers 1,亚家族II 包括et r 2、ers 2和ei n 4(Hall et al 1,2000)。同一亚家族内氨基酸序列有较高的相似性,最高可达79%,不同亚家族间的相似性为57～65%。

应用图位克隆方法,首先克隆了et r 1基因(Chang et al 1,1993),应用et r 1的cDNA 为探针进行低严格度杂交克隆了ers 1(Hua et al 1,1995),应用化学诱变和遗传筛选克隆了et r 2(Sakai et al 1,1998),利用et r 2的cDNA 为探针克隆了ers 2和ei n 4(Hua and Meyerowitz ,1998)。通过比较et r 1基因组DNA 与cDNA 的序列,该基因含有六个内含子,其中一个位于5′非编码区的头部,编码区是一个编码738个氨基酸的单一开放阅读框,目前已发现4个等位基因突变体,每一个突变体都是单核苷酸替换而导致的错义突变,所有4个突变体的突变位点均位于推定的蛋白质的氨基末端区。该基因编码的乙烯受体蛋白氨基末端与已知的任何蛋白质的氨基末端没有相似性,但是羧基末端与细菌两组分信号转导系统的感觉器和应答调节器有很高的相似性,并包含有在细菌中保守的组氨酸蛋白激酶所特有的五个基序(H 、N 、G 1、F 和G 2)(G amble et al 1,1998)。

在4个et r 1类似基因中,ers 1最接近于et r 1。与et r 1相似,ers 1基因突变也导致乙烯不敏感(Hua et al 1,1995),ers 1有5个内含子,其编码的蛋白质与ETR1有67%的相似性,氨基末端的

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分子植物育种

Molecular Plant Breeding