干旱胁迫诱导下植物基因的表达与调控

干旱胁迫诱导下植物基因的表达与调控

X

杜金友 陈晓阳X X

李伟 高琼

(北京林业大学林木花卉遗传育种与基因工程实验室,北京 100083)

摘 要: 干旱胁迫能够诱导植物表达大量的基因,研究这些基因的表达与调控,为植物抗旱的定向育种创造条件。本文系统介绍了在干旱胁迫条件下,植物体内渗透调节物质和可溶性糖合成有关的基因、离子和水分通道及Lea 蛋白基因的表达,以及与这些基因表达相关的调控元件和因子,干旱胁迫信号转导等方面的最新研究进展。

关键词: 植物 干旱胁迫 基因表达调控 信号传导

Expression and Regulation of Genes Induced by

Drought Stress in Plant

Du Jinyou Chen Xiaoyang X X Li Wei Gao Qiong

(Kay Laboratory f or Genetic imp rovemen t in Tr e es and Or namental p lants ,M OE ,Beijing

Forestry Univers ity ,Beijing 100083)

A bstra ct : Understanding expression and Regulation of numerous genes induced by drought str ess will be help to broaden the possibilities for genetically engineering plants.Here we try to give an overview of t he gene expression pro 2gr ammes that are triggered by drought stress or dehydration,with particular reference to the regulation of their expression and single tr ansduct ion of dr o ught or dehydr at ion.

K e y words : Plant Drought stress Gene expr ession and regulation Single transduction

干旱是影响植物生长和发育的主要环境因子之一。在西部地区,干旱胁迫严重地影响了地表植被的生长,导致了当地严重的生态问题。如:草地退化、土壤荒漠化等。培育适应当地立地条件的优良抗旱牧草和树木(特别是可以作为饲料的灌木),是解决这个问题的重要措施之一。利用植物基因工程技术,克隆并转化抗旱基因,使其在其它植物中表达,可以加快抗旱新品种的选育。然而这需要对抗旱基因的表达与调控机制有一个深入的了解。在干旱胁迫条件下,植物会特异地表达一些基因,通过研究这些被干旱胁迫所诱导的基因,可能找到植物对干旱胁迫的适应及抵御机理,并为植物抗旱基因工程提供理论支持和目的基因。近年来,国内外很多科学家在干旱胁迫诱导基因表达、基因调控以及信号转导等方面做了大量的工作,本文综述这方面研究的最新进展,以供相关研究者借鉴。

1 与植物抗旱相关的物质

干旱胁迫能够诱导植物表达的大量基因,这些基因的表达与调控使植物能够抵御干旱胁迫对植物

造成的伤害,在不同植物中,这些基因有很大差异。Seki 等

[1]

使用大约1300个全长拟南芥(Arabidopsis

thaliana )cDNA 微阵列,来确定干旱诱导基因及DREB1A P CBF3)一个控制胁迫诱导基因表达的转录因子,共发现44个干旱诱导基因,其中30个新基因没有报道,这些基因的功能需要进一步的确定。这充分说明了干旱胁迫可以诱导表达的基因数量之多,也反映出研究干旱胁迫诱导基因表达这项工作的复杂性。在干旱胁迫诱导所表达的基因当中,所涉及的范围很广,有起到胁迫生理调节的关键酶的基因,也有Lea 蛋白基因和调控因子基因等等。1.1 渗透调节物质,可溶性糖

在干旱胁迫环境中,植物为了减缓由胁迫造成

X 国家高技术研究发展计划(863计划)/豆科饲料型灌木抗逆新品种选育0(2002AA241111)资助作者简介:杜金友,1970年生,男,北京林业大学在读博士X X 陈晓阳,通讯联系人,北京林业大学林木遗传育种学教授,博士生导师

生物技术通报

#综述与专论# BI OTECHNOLOGY BULLETI N 2004年第2期

的生理代谢不平衡,细胞大量积累一些小分子有机化合物,如脯氨酸、甜菜碱等,以通过渗透调节来降低水势,维持高的细胞质渗透压,保证细胞的正常生理功能。这些小分子有机物的大量积累,不会破坏生物大分子的结构和功能,同时表现出良好的亲和性,也具有较强的渗透调节作用。因此,它们是理想的渗透物质。

脯氨酸在植物体中生物合成有2条途径,即谷氨酸途径和鸟氨酸途径。这2条途径在不同的生理状态下表现不同。在干旱胁迫诱导时,谷氨酸途径是合成脯氨酸的主要途径;而在正常情况下,植物主要通过鸟氨酸途径合成脯氨酸。在谷氨酸途径中v c2二氢吡咯252羧酸合成酶(P5CS)是一个双功能酶,催化谷氨酸磷酸化及谷氨酸2C2半醛还原,而且是合成反应的关键酶。

目前,P5CS的编码基因已被克隆并研究。St2 rizhov等[2]研究发现,在拟南芥中P5CS是由两个不同调节基因编码的。定位于2号染色体78.5位置上的AtP5CS1基因可以在大多数植物器官中表达,但在分裂细胞中沉默;定位于3号染色体101.3位置上的AtP5cs2基因转录产物,占植物组织中P5csm RNA总量的20%~40%,并在分裂细胞中负责合成P5csm RNA。Igarashi等[3]也从水稻(Oryza sativa L.)品种Akibare的cDNA文库中分离并鉴定了一个P5cs的cDNA(cOsP5cs),由其推测的P5CS氨基酸序列与拟南芥的P5CS具有74.2%的同源性。Northern印迹分析表明P5CS基因是被干旱胁迫所诱导,同时P5CS基因也可以被高盐、脱水、ABA和低温诱导。

干旱胁迫也可以诱导甜菜碱的积累,甜菜碱的生物合成是从胆碱开始经2步氧化生成的。干旱胁迫下,甜菜碱的累积与胆碱加单氧酶(CMO)和甜菜碱醛脱氢酶(BADH)活性的增加密切相关。Meng 等[4]从苋(Ama ranthus tr icolor.)中,克隆了CMO 基因全长cDNA(1643bp),为一个编码442个氨基酸的多肽,通过DNA印迹分析该基因在基因组中为单拷贝,受干旱胁迫诱导。Ishitani等[5]从大麦(H or2 deum vulga re)中克隆到了BADH基因的cDNA,通过分析发现其与大肠杆菌(Esc herichia coli)中的BADH基因有高度的同源性,并发现该基因受干旱胁迫诱导。BADH基因可以提高植物的抗旱性已经被转基因工程所证实,梁峥等[6]将菠菜中的甜菜碱醛脱氢酶(BAD H)基因转入到烟草(N icotiana tabacum)中,结果发现获得转基因植株中甜菜碱积累量显著增加,植株的抗旱性均获得提高。

干旱胁迫除了诱导一些小分子溶质外,还可诱导可溶性糖的变化,这些糖类有海藻糖、蔗糖等。这些可溶性糖类在植物体内也起到了渗透调节作用,目前已证实蔗糖的积累能够提高植物的抗旱性。当然,这些可溶性糖类除了起到渗透调节的作用外,糖类化合物也可能在维持植物蛋白质稳定方面起到重要作用。

干旱胁迫可以诱导辛酮糖(一种8碳糖)转变为蔗糖,目前已经确认这种变化和蔗糖合成酶基因(Sus)和蔗糖磷酸合成酶基因(Sps)的表达量的增加有关,而这两种酶是蔗糖合成中的关键酶。在干旱胁迫条件下,蔗糖合成酶基因(Sus)对蔗糖的合成起到一种正向调节作用。Geigenberger等[7]将蔗糖磷酸合成酶(SPS)的反义基因转入马铃薯(Solanum tuber osum),结果抑制了在干旱协迫条件下的蔗糖合成和积累,结果显示蔗糖磷酸合成酶基因(Sps)在蔗糖合成过程中同样起到正向调节作用。因此,蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶对于植物适应干旱环境也起到了关键作用。

果聚糖广泛存在于植物和微生物的细胞液泡中,而某些植物还能以果聚糖的形式储存光合作用固定的能量,小麦、燕麦等农作物的茎、叶中也能合成果聚糖,果聚糖在细胞内是可溶的,在植物遭遇到干旱胁迫时,能够降低细胞的水势,参与细胞的渗透调节。对枯草杆菌(Ba cillus subtilis)中的果聚糖蔗糖转移酶基因(Sac B)研究的较多。Pilon2Smits 等[8]克隆到了枯草杆菌中Sa c B基因,并将枯草杆菌中Sac B与液泡定位信号序列连接,启动子为组成型的CaMV35S,然后转入烟草。外源基因得到表达,转基因植株的非机构性糖类明显高于对照,在转基因甜菜植株中表达Sac B,在干旱胁迫条件下,能够积累果聚糖,增强抗旱性。Sac B基因对植物的抗盐性的提高也有帮助,张慧等[9]将枯草杆菌(Ba2 cillus subtilis)果聚糖蔗糖转移酶基因(Sac B),与克隆自酵母(Sachar omy c esce r evisiae)的羧肽酶A的液

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2004年第2期杜金友等:干旱胁迫诱导下植物基因的表达与调控