植物抗旱机理及相关基因研究进展_徐云刚

2.2
甜菜碱抗旱机理及合成酶基因
甜 菜 碱 （ betaine ） 属 于 四 甲 基 铵 类 化 合 物 ， 是 植
图1
干旱胁迫信号传导和基因表达调控
物的另一种重要的渗透调节物质。 许多高等植物特 别是藜科和禾本科 植 物 ，在 受 到 水 分 胁 迫 时 大 量 积 累。 常见的甜菜碱有 4 种 ：甜 菜 碱 、甘 氨 酸 甜 菜 碱 、 丙氨酸甜菜碱和脯氨酸甜菜碱。 其中对甘氨酸甜菜 碱研究比较深入。 甜菜碱在植物中是以胆碱为底物 经 2 步 合 成 的 ， 即 胆 碱 加 单 氧 酶 （ choline monooxyge -
磷酸化反应而传递信息， 然后激活特定的转录因 子 ，转 录 因 子 与 相 应 的 顺 式 作 用 元 件 结 合 从 而 诱 导 特 定 基 因 的 表 达 。 其 中 途 径 ② 是 ABA 通 过 一 种 具 有 亮 氨 酸 拉 链 结 构 域 的 调 节 蛋 白 bZIP （ Leu - zip mo -
1Fra Baidu bibliotek
干旱胁迫信号的感知及传导
植物抗旱机能的实现要通过对水分胁迫的感
知 、胁 迫 信 号 的 传 导 及 相 关 基 因 的 表 达 调 控 等 一 系 列复杂的生理生化过程。 植物适应水分胁迫的能力 主要由以下几方面 决 定 ：即 该 植 物 具 有 水 分 胁 迫 基 因 ；水 分 胁 迫 信 号 感 知 与 传 导 途 径 的 畅 通 ；干 旱 情 况下 胁迫基因能够被 启 动 ；水 分 胁 迫 基 因 转 录 后 的 调 控 ，包 括 表 达 产 物 功 能 修 饰 。 其 中 最 关 键 的 是 细 胞 如 何 感 知 、转 导 水 分 胁 迫 信 号 ，并 诱 导 水 分 胁 迫 基因的表达。 尽 管 从 分 子 水 平 上 ，人 们 还 不 能 完 全 阐 明 这 些 过 程 ，但 已 有 一 些 研 究 发 现 ，植 物 细 胞 可 以通过膨压变化或膜受体的活性变化感知水分胁 迫 ，从 而 将 胞 外 信 号 转 为 胞 内 信 号 ，触 发 信 号 传 递 途 径 ， 并 可 导 致 第 二 信 使 （ Ca2+ 、 IP3 等 ） 生 成 。 在 通
2.1
脯氨酸抗旱机理及合成酶基因
大量实验研究证明，在 盐碱、干旱等逆境胁迫
下 ， 植 物 体 内 游 离 脯 氨 酸 含 量 明 显 增 加 [5 ，6] ， 表 明 脯 氨酸是许多植物对抗外界环境胁迫的调渗物质。
Kaviishor 等 [7] 将 从 乌 头 叶 豇 豆 中 克 隆 到 的 吡 咯 啉 5 - 羧 酸 合 成 酶 （ P5CS ） 基 因 与 CaMV35S 启 动 子 连 接
1.2
不 依 赖 ABA 的 途 径
水分胁迫被细胞膜 上 “渗 透 感 受 器 ”感 知 ，不 需
要 ABA 介 导 ， 直 接 触 发 第 二 信 号 传 递 系 统 （ Ca2+/
IP3/CAPK 磷 酸 化 和 去 磷 酸 化 反 应 ） 传 递 信 息 ， 最 终
激活相应的转录因子而导致特定的基因被诱导表 达 。 目 前 通 过 RD29A 、 KIN2 、 RD17 、 DREB1 、 DREB2 等脱水诱导基因已鉴定出参与转录调节的顺式作 用元件和反式作用因子 （ 转录因子 ）， 即含有一个 9 bp 的 同 向 重 复 序 列 TACCGACAT 的 顺 式 作 用 元 件
化 是 胁 迫 信 号 激 发 ABA 合 成 酶 的 作 用 ， 从 而 使 内 源 ABA 水 平 显 著 增 加 。 内 源 ABA 通 过 ABA 受 体 被 细 胞 感 知 ， 从 而 触 发 第 二 信 号 系 统 ， 即 ABA 通 过
cADPR/IP3 使 胞 内 Ca 升 高 ， 引 发 MAPK 磷 酸 化 / 去
发展， 该领域的研究也已引起国内外学者广泛的兴趣和重视， 在抗旱机理研究及相关基因克隆及表达调控方面已取得可 喜进展。对植物抗旱机理及相关基因研究进展做了详细的综述， 并对以后植物抗旱的研究做了展望。 关键词： 干旱胁迫 抗旱机理 渗透调节 离子区域化 转录因子
Progress of the Research on Plant Drought-resistant Mechanism and Related Genes
后 转 入 烟 草 ，发 现 转 基 因 烟 草 中 脯 氨 酸 含 量 比 对 照 高 10~18 倍 。 在 干 旱 胁 迫 下 ， 对 照 烟 草 中 脯 氨 酸 含 量 由 0.08 mg/g 鲜 叶 重 增 加 到 3 mg/g ； 而 转 基 因 烟 草 脯 氨 酸 含 量 由 1 mg/g 增 加 到 6.5 mg/g 。 在 干 旱 胁 迫 下 ， 转 基 因 烟 草 落 叶 少 且 迟 ， 根 比 对 照 长 40% ， 生 物量比对照增加 2 倍。
收稿日期 ：2008-07-25 基金项目 ： 国家林业局林业科技支撑计划 （2006BAD01A1603 ，2006037004015-5 ） 作者简介 ： 徐云刚 （1984- ）， 男 ， 在读硕士研究生 ， 研究方向 ： 植物基因工程 通讯作者 ： 詹亚光 ， 女 ， 教授 ， 博士研究生导师 ， 从事基因工程等植物生物技术的相关研究 ；E-mail ：moture_xu@163.com
目前植物抗旱相关基因可分为两类。 第一类基 因编码产物是在植物的抗性中直接起保护作用的 蛋 白 质 。 这 些 蛋 白 质 可 分 为 以 下 5 种 ：（ 1 ） 合 成 渗 透 调 节 物 质 的 关 键 酶 类 ， 如 脯 氨 酸 合 成 酶 等 ；（ 2 ） 具 有 解 毒 作 用 的 酶 类 ， 如 超 氧 化 物 歧 化 酶 （ SOD ） 等 ；（ 3 ） 保护生物大分子及膜 结构的 蛋 白 质 ，如 胚 胎 发 生 晚 期 富 集 蛋 白 （ LEA ） 等 ； （ 4 ） 具 有 保 护 作 用 的 蛋 白 酶 类 ， 如 巯 基 蛋 白 酶 等 ； （5 ） 水 通 道 蛋 白 ， 如 主 要 内 在 蛋 白 （ MIP ） 等 。 第 二 类 基 因 编 码 产 物 是 在 信 号 传 导 和逆激基因表达过程中起调节作用的蛋白质因子， 主 要 包 括 以 下 3 种 ：（ 1 ） 传 递 信 号 和 调 控 基 因 表 达 的 转 录 因 子 ， 如 DREB 等 ；（ 2 ） 感 应 和 转 导 胁 迫 信 号 的 蛋 白 激 酶 ， 如 MAP 激 酶 等 ； （ 3 ） 与 第 二 信 使 生 成 有 关 的 酶 类 ，如 磷 脂 酶 等 。
2+
tin ， OSM ）。 其 中 海 藻 糖 、 甜 菜 碱 是 次 生 代 谢 产 物 [3] ，
它 们 有 许 多 相 同 之 处 ：极 性 电 荷 少 ，溶 解 度 高 ，分 子 表面有较厚水 化层等 ，不仅能调节渗 透势 ，还 能 稳 定细胞 质中酶分子的 活 性 ，保 护 其 不 受 渗 透 胁 迫 的 直 接 伤 害 [4] ， 防 止 酶 变 性 失 活 。
植 物 的 CMO 和 BADH 已 被 分 离 纯 化 ， 菠 菜 中 编 码 BADH 的 基 因 现 在 也 被 克 隆 。 由 于 甜 菜 碱 合 成
2009 年第 2 期
徐云刚等 ： 植物抗旱机理及相关基因研究进展
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途径简单，进行遗传操 作方便，所以甜菜碱合 成 酶 基因被认为是最重要和最有希望的胁迫抗性基因 之一。 余 叔 文 等 （ 1999 ） 从 甜 菜 的 λ10 文 库 中 克 隆 了
DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2009.02.002
生物技术通报
· 综述与专论 ·
BIOTECHNOLOGY
BULLETIN
2009 年第 2 期
植物抗旱机理及相关基因研究进展
徐云刚
摘
詹亚光
（东北林业大学生命科学学院， 哈尔滨 150040）
要： 提高植物的抗旱能力已经成为现代植物研究工作中的关键问题之一。近年来， 随着分子生物学的应用与
3 个 负 责 编 码 BADH 的 cDNA ， 进 一 步 分 析 发 现 三
者 的 核 苷 酸 序 列 差 异 很 小 ， 平 均 长 度 为 1.7 kb ， 均 为 500 个 氨 基 酸 ORFs 。 肖 岗 等 （ 1995 ） 从 耐 盐 性 很 强 的 藜 科 植 物 山 菠 菜 中 克 隆 到 BADH 的 cDNA ， 后 又将其导入草莓、烟草 ，发现它们的耐盐性大 大 提 高 。 梁 峥 等 （ 1997 ） 将 菠 菜 的 badh 基 因 转 到 烟 草 中 ， 发 现 转 基 因 烟 草 有 一 定 的 抗 旱 性 和 抗 盐 性 [8] 。 从微生物中也克隆到与甜菜碱合成有关的基 因 。 Holmstrom 等 （ 1994 ， 1996 ） 将 大 肠 杆 菌 克 隆 到 的
nase ， CMO ） 催 化 胆 碱 氧 化 成 甜 菜 碱 醛 ， 然 后 甜 菜 碱
醛 脱 氢 酶 （ betaine aldehyde dehydrogenase ， BADH ） 催 化甜菜碱醛形成甜菜碱。 如下所示：
CMO BADH
DRE （ dehydration responsive element ）， 其 核 心 序 列 为 CCGAC ， 并 相 继 分 离 了 含 有 AP2/EREBP 结 构 域 的 DRE 的反式作用因子 CBF1 、DREB1 、DREB2[2]（图 1 ）。
tif ） 和 具 有 ACGT 或 G 盒 的 ABA 反 应 元 件 ABRE
（ ABA responsive element ） 结 合 来 指 导 诱 导 基 因 的 表 达 ； 途 径 ① 是 通 过 转 录 因 子 MYC/MYB 与 相 应 的 顺 式 作 用 元 件 结 合 指 导 蛋 白 质 的 合 成 [1] （ 图 1 ）。
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生物技术通报 Biotechnology
Bulletin
2009 年第 2 期
过蛋白的磷酸化和去磷酸化逐级传递并放大信号，
2
渗透调节物质及其合成酶基因
渗透 调 节 物 质 是 在 盐 胁 迫 或 干 旱 胁 迫 下 ，为 消
2 种 途 径 依 赖 ABA ， 1 种 途 径 不 依 赖 ABA 。
1.1
依 赖 ABA 的 途 径
植物在 干 旱 脱 水 等 胁 迫 下 ，一 种 主 要 的 生 理 变
除胁迫所造成的伤害， 维持渗透平衡和体内水分， 在细胞中 产生和积累 的 一 些 小 分 子 有 机 化 合 物 ，主 要 包 括 ，（ 1 ） 氨 基 酸 及 其 衍 生 物 ， 如 脯 氨 酸 、 甜 菜 碱 等 ； （2 ） 低 分 子 糖 类 ， 如 海 藻 糖 、 果 聚 糖 等 ； （3 ） 多 元 醇 ， 如 甘 油 、 甘 露 醇 、 山 梨 醇 等 ；（ 4 ） 渗 调 蛋 白 （ osmo -
Ｘｕ Ｙｕｎｇａｎｇ Ｚｈａｎ Ｙａｇｕａｎｇ
（College of Life Science ， Northeast Forestry University ， Harbin 150040 ） Abstract： Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｉｏｌｏｇｙ， ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｔｈｅ ｄｒｏｕｇｈｔｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｇｅｎｅ ｃｌｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ａｒｏｕｓｅｄ ｗｉｄｅ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ａｎｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｓｃｈｏｌａｒｓ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｍａｄｅ ｇｒａｔｉｆｙｉｎｇ ｐｒｏｇｒｅｓｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｐｌａｎｔ ｄｒｏｕｇｈｔ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｇｅｎｅｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｆｏｒ ｐｌａｎｔ ｄｒｏｕｇｈｔ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Key words： Ｄｒｏｕｇｈｔ ｓｔｒｅｓｓ ｆａｃｔｏｒ Ｄｒｏｕｇｈｔ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｏｓｍｏｔｉｃ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ Ｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ