植物低温诱导蛋白的研究进展_马斌

植物低温诱导蛋白的研究进展

马斌,孙骏威,李素芳

*

(中国计量学院,浙江杭州310018)

摘要 低温能够诱导植物基因的表达从而合成新的蛋白质,这些蛋白质具有增强细胞抗冰冻脱水能力、保护酶行使正常功能和代谢调节功能及稳定细胞膜等作用。植物低温诱导蛋白及其理化性质与抗冻关系一直是国内外的研究热点。综述了抗冻蛋白、脱水蛋白和热激蛋白3种低温诱导蛋白的最新研究进展及与植物抗冻性的关系。关键词 低温诱导蛋白;抗冻蛋白;脱水蛋白;热激蛋白

中图分类号 Q 943 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2010)12-06085-02

Research Adva nces about Lo w -te mperature -induced Protei ns i n P l ants MA B i n et al (Chi na Jili ang U ni versity ,H angzhou ,Zhejiang 310018)Abstract Low te mperature can regul a te t he expressi on of pl ant genes ,and thus s ynt hesize m any ne w prote i ns t hat are ab l e to enhance t he cell u l ar ant-i freeze dehydrati on ,pro t ect the acti on of nor ma l functi ons of enz ymes ,andm etabo lic regul a t ory f unction ,stabilit y me mbrane etc .

The physi cal and che m ica l characters o f pl ant lo w-te mperat ure -i nduced protei ns and i ts f uncti on i n l ow te mperat ure resi st ance has been a ho t research fiel d .The l atest research advances in three ki nds o f l ow -t e m pera t ure -i nduced prote i ns were expounded ,t he antifreeze protei n ,dehy -dration prote i n and heat s hock prote i ns ,and t heir f unctions in l ow te mperature resistance of p l ants .K ey words Low -te m perature -i nduced pro t e i ns ;A ntifreeze pro t e i n ;Dehydrati on protein ;H eat s hock prote i ns

基金项目 浙江省自然科学基金项目(Y3080166)。

作者简介 马斌(1985-),男,山东潍坊人,硕士研究生,研究方向:生

物化学与分子生物学。*通讯作者。

收稿日期 2010-01-21

1970年,W ei ser 首先提出了低温诱导能够调节植物基

因发生改变从而合成新的蛋白质的观点[1]

,这些伴随着植物

的低温驯化而出现的新蛋白质被称为低温诱导蛋白。此后30多年,低温诱导蛋白及其理化性质与抗冻关系一直是国内外的研究热点。研究者大多使用体内标记、蛋白质合成抑制剂及mR NA 体外翻译等方法研究抗冻基因表达合成的特异性蛋白,试图分离纯化出低温特异性蛋白,以获得其氨基酸序列,并利用氨基酸序列作为探针,筛选出特异性基因,用于改良作物的抗冻性能。目前,已在云杉(P ice a as perata M ast)、黑麦草(Loliu m perenne)、小麦(T riticu m aestivum )、拟南芥(A r abi do psis thaliana )、黄瓜(Cuc w nis s a tivu )、棉花(Gos -s ypiu m hirsutu m )、沙冬青(Amm o p i ptan t hus m ongolicus)、胡萝卜(Dauc vz carotavar)、马铃薯(S olanu m tuberos um )、菠菜(Spi -naci a oleracea )、水稻(Or yz a s ativa )、白桦(B et u l a p l a t yphylla Suk)等[2-7]

30多种植物的低温诱导中观察到特异蛋白的合成。根据现有研究结果,可将植物低温诱导蛋白按其性质、结构与功能不同分为增强细胞抗冰冻脱水能力、冰冻时对酶行使正常功能可能起保护作用、有代谢调节功能、对细胞膜具有稳定作用、与细胞内信号转导有关的低温诱导蛋白及低温诱导的热激蛋白、抗冻蛋白和脱水蛋白8种类型[8]

,其中有关抗冻蛋白、脱水蛋白和热激蛋白的研究居多。笔者重点阐述抗冻蛋白、脱水蛋白和热激蛋白3种低温诱导蛋白的特性及其与植物抗冻性的关系。1 抗冻蛋白的特性和植物抗冻性

抗冻蛋白(Antifreeze pr otei n ,AFP)是一类具有热滞效应、冰晶形态效应和重结晶抑制效应的蛋白质,存在于很多生物体内,这些生物一般生活在亚极带或南北两极等低温自然环境中。研究发现,抗冻蛋白降低体液冰点的机制与盐离子不同,在其溶液中,冰点与融点温度不相同,抗冻蛋白的实

质是热滞蛋白。各种抗冻肽和抗冻糖蛋白具有以下性质:¹冰点作用是非依数性的;º有热滞性,即表观冰点低于融点;

»热滞性的大小与AFP 浓度相关,但不是线性相关;¼热滞性所致的冰点降低值与溶液依数性所致的冰点降低值具有相加性[9]

。

抗冻蛋白最初是在北极鱼的血清中发现的,这种蛋白能够与冰晶结合并控制其生长,在不影响细胞质渗透压的情况下降低血液的冰点,从而使鱼类免受冰冻伤害。它是一族由三肽重复单元甘氨酸-甘氨酸-苏氨酸构成的聚合物,其中苏氨酸与一个二糖单位即葡萄糖-N -乙酰半乳糖胺相连接,糖基是抗冻活性的主要基团,亲水基团能与水形成氢键阻止

冰晶形成[9-10]

。与鱼类抗冻蛋白相比,关于植物AFPs 的研究较晚。直到1998年,英国Yor k 大学的Da w 等首次在胡萝卜发现了AFPs 及其基因

[2]

。目前,已在多种植物中观察到抗寒蛋白

的合成,新合成的抗寒蛋白有47kD 拟南芥抗寒蛋白[11]

、39

kD 小麦抗寒蛋白[12]

等,它们的共同性质是:热稳定性,富含甘氨酸、低芳香族氨基酸和高亲水性氨基酸,可使蛋白质保持高度的可伸缩性以保护细胞由于低温引起的脱水作用。2002年,Fa n 等在胡萝卜幼苗上进行PCR 扩增,克隆到1个1099bp 的抗冻蛋白基因,连上C a MV 35S 启动子,构建到pCA M BI A 2300载体上后转入烟草,0e 条件下,转基因烟草

所受的冻害明显低于对照烟草[13]

。这表明植物具有类似于鱼类的降低冰点、修饰冰晶形态和抑制冰重晶化等特性,在提高细胞在冰冻胁迫下的抗结冰能力中起着重要作用。2 热激蛋白与植物抗冻性的关系

热激蛋白(H eat shock pr otei n ,H SP)又称热休克蛋白或应激蛋白,是细胞在应激原刺激下所生成的一组糖蛋白,广泛存在于各种生物体内。热激蛋白是一个很大的蛋白质家族,根据其分子量而区分为H SP110、H SP90和H SP70等类群。通常在高温刺激、冻害期、种子萌发期和成熟期均有相应的H SP 表达,与保持酶的活性和维持机体的稳定性有关。一些因子如高盐、厌氧、水分胁迫、重金属离子、乙醇、营养饥

饿和脱落酸等都可以诱导H SP 的表达[14]

,如ER -H sp70就是

安徽农业科学,Jou r n al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2010,38(12):6085-6086,6094责任编辑 姜丽 责任校对 卢瑶