植物基因工程中的常用启动子 _3231

植物基因工程中的常用启动子 _3231 植物基因工程中的常用启动子
植物基因工程中常用的启动子按其作用方式及功能可分为三类：组成型启动子(constitutive promoter )、诱导型启动子(inducible promoter) 和组织特异性启动子(tissue – specific promoter)。

这种分类大体上反映了它们各自的特点, 但在某些情况下，一种类型的启动子往
往兼有其它类型启动子的特性。

1 组成型启动子
组成型启动子在所有组织中都启动基因表达，具有持续性，不表现时空特异性；RNA和蛋白质表达量也是相对恒定的。

它包括异源和内源组成型启动子两类。

植物基因工程中应用的异
源组成型启动子主要有CaMV35S启动子（来源于烟草花叶病毒基因），能在大部分植物中对异
源基因进行启动表达，完整的CaMV35S启动子是植物基因工程中应用最为广泛的组成型启动
子之一，如在马铃薯、拟南芥、烟草、蘑菇、毛白杨等植物中的转基因应用。

常用的还有来
自农杆菌的Nos和Ocs启动子。

内源启动子主要有水稻肌动蛋白(actin)和玉
米泛素(ubiquitin)基因的启动子，这些启动子可以更有效地驱动外源基因在单子叶植物中的表达。

Naomi等分别从拟南芥的色氨酸合酶β亚基基因和植物光敏色素基因中克隆了相应启动子，
用其代替CaMV 35S启动子，在转基因烟草中也取得了很好的表达效果。

用这些启动子代替
CaMV 35S启动子，可以更有效地在单子叶植物中驱动外源基因的转录。

组成型启动子已经广泛地应用于双子叶植物、单子叶植物以及真菌等的基因工程中。

但是由
于组成型启动子驱动的基因在植物各组织中均有表达，应用中逐渐暴露出一些问题。

例如外
源基因在整株植物中表达，产生大量异源蛋白质或代谢产物在植物体内积累，打破了植物原
有的代谢平衡，有些产物对植物并非必需甚至有毒，因而阻碍了植物的正常生长，甚至导致
死亡(karlowaki et al., 2003; Ehasani et al., 2003; Miyao et al., 2003)。

另外，重复使用同一种启动子驱动两个或两个以上的外源基因可能引起基因沉默或共抑制现象
(Kumpatla et al., 1998)，因此，人们寻找更为有效的组织、器官特异性启动子代替组成型
启动子，以更好地调控植物基因表达。

2 特异性启动子
特异性启动子可分为两类，一是受诱导表达的启动子，能对外界的物质如病原物、化学物质
或逆境作出反应，启动植物体内相应的生理生化过程。

二是组织特异表达的启动子，使基因
在特定的组织中表达。

特异性启动子避免了基因过量表达对植物体的伤害，同时可避免外源
基因在食用部位表达，解决了食品安全性问题。

特异性启动子的克隆和应用为
在植物中特异
性地表达外源基因奠定了基础。

(1) 诱导型启动子
诱导型启动子在某些物理或化学信号的刺激下，可以大幅度地提高基因的转录
水平。

他们有
以下共同特点：?[3][4][5]启动子的活化受物理或化学信号的诱导；? 具增强子、沉默子或类似功能的序列结构；? 感受特异性诱导的序列都有明显的专一性；? 一部分该类型的启动子同时具组织特异性表达的特点；?该类启动子常以诱导信号
命名，可分为光诱导表达
基因启动子，如rbcS、cab基因启动子；热诱导表达基因启动子如大豆的Gmhsp17。

3-B启动子；创伤诱导表达基因启动子如水稻的RCH8启动子；激素诱导
表达基因启动子如绿豆的
VR-ACS6启动子；真菌和共生细菌诱导表达基因启动子如马铃薯P69B启动子等(王关林和方宏筠，1998)。

(2 )组织特异性启动子
组织特异性启动子的调控机制目前已进行了深入的研究，基因的上游存在着调
控序列，启动
子除具有一般的结构外，通常还有一些调控特异表达的元件。

在组织特异性启
动子调控下，
基因的表达通常只发生在某些特定的器官或组织部位，并往往表现出发育调节
的特性。

根特异性启动子的研究
Keller等1989年分离了来自烟草的富含羟脯氨酸的糖蛋白hrgp基因，这个基因所编码的蛋
白用来强化新形成侧根的细胞壁，在根中特异表达；Keller 等1991年又发现一个法国菜豆胞壁蛋白基因富含甘氨酸蛋白grp基因启动子是根管束组织特异表达的，在其-96上一页[3][4][5]～- 76bp处有一个特异性表达元件负责根尖膨大维管分化区组织带中的主要表达。

茎杆和叶片特异性启动子的研究
Kyozuka等 (1993 ) 研究了水稻和番茄的rbcS基因启动子在水稻中的启动活性，证明了它
们都能驱动gus基因在叶片和茎杆中特异表达。

Iris Meier等 ( 1995) 研究番茄rbcS基因家族也发现rbcS3A在叶片和茎杆中特异表达。

Sheng等研究水稻cab基因启动子，证明了cab基因启动子仅在绿色组织中启动活性。

大多数叶片和茎杆特异的启动子同时也是受光诱导的
启动子。

生殖器官特异性启动子的研究
Mariani等将烟草花药绒毡层特异表达基因启动子TA29与核酸酶基因Barnase、RnaseT 融合后转化植物核酸酶基因在花药中特异表达，破坏绒毡层, 获得雄性不育烟草和油菜，开创了
基因工程创造雄性不育系的先河，至今已在烟草、玉米、油菜、拟南芥、水稻等植物上获得
成功。

Annadana等克隆了菊花UEP1 启动子并与4个异源启动子（矮牵牛的chs2A 和EPF225, 拟南芥的CER6以及马铃薯的PMC）比较发现：UEP1启动子在伞形花序和花盘小花的花瓣中表
达量最高，紧接着是CER6上一页[3][4][5]和EPF225启动子，在伞形花序小
花中UEP1启动子的表达量是CaMV 35S启动子的50倍。

维管束特异性启动子的研究
目前发现的能够定位于维管组织的启动子根据其来源基本可以分为两种：一是植物本身特异
性表达蛋白的基因的启动子，如能在韧皮部特异表达的玉米蔗糖合成酶基因
Sh1启动子，谷氨酰胺合成酶基因GS34启动子；二是能特异性侵染植物维管组织的病毒基因启动子（刘昱
辉和贾士荣，2003）。

韧皮部特异性启动子的研究
韧皮部特异性启动子区别于其它类型启动子的一个显著特点是在该类启动子序列中存在一
段与启动子的韧皮部特异性表达有关的序列。

将几种韧皮部特异性启动子的序列进行比较，
发现在距TATA box上游的不同位置，有一个13bp的保守序列
T/ATAAGT/AACGAAT/CC/A，它可能与韧皮部特异表达有关，除此保守序列外，启动子中可能还存在其它的决定韧皮部特异
性的元件，例如在对杨树树皮贮藏蛋白(bark storage protein, BSP)基因、
笋瓜韧皮部蛋白2基因(PP2)及竹节花黄斑驳病毒(commelina yellow mottle vims CoYMV)启动子序列分析发现，前两者分别存在特征序列GCTATG和CGTATG，推测(G/C)(G /C)TA TG序列可能也与启动子的韧皮部特异性及启动子的活性密切相关（张海利和吕淑霞，2003）。

蒋浩等将笋瓜韧皮部蛋白(phloem protein) PP2杨树树皮储藏蛋白BSP启动子通过农杆菌介导转化烟草，首次用转基因植物证明笋瓜PP2上一页[3][4][5]基因启动子可驱动外源基因在
异源植物韧皮部及分生组织中特异性表达。

种子和果实中特异性启动子的研究
李丽等利用PCR技术从油菜基因组DNA中分离napinB启动子，该启动子为种子特异表达。

通过比较发现，不同napinB基因启动子5’端起始密码子前300bp中相当一部分序列是保守
的，越靠近起始密码子，同源性越高，甚至某些区段核苷酸序列高度一致。

由此可见，napinB基因启动子间具普遍同源性。

napinB启动子5’上游区域与以往发表的napin启动子编码区比较表明，一些序列在进化上具有保守性，可能影响基因调控并与种子特异表达密切相关。

2A12是番茄中另一种果实特异性启动子。

毛自朝等（2002）用PCR方法获得了番茄果实专一
性启动子(2A12)和农杆菌（C58）Ti质粒上的ipt基因，并使两种嵌合基因经农杆菌介导转
入番茄品种“中蔬4号”的基因组中。

GUS组织化学活性分析表明，2A12启动子具有严格的果实表达专一性。

转基因果实中细胞分裂素的含量增加，最终导致果实中种子发育的停滞和
胎座组织的增厚，并形成无籽番茄果实，且果实采后的储藏保鲜时间延长了1－2周。