植物低温胁迫响应的生化与分子生物学机制研究进展郭子武百度.docx

1、植物低温胁迫响应的生化与分子生物学机制研究进展郭子武XX植物低温胁迫响应的生化与分子生物学机制研究进展3郭子武李宪利33高东升段成国(山东农业大学园艺学院泰安271018摘要综述了植物对低温胁迫响应的生化与分子生物学机制,即低温信号激活某些抗冻基因的表达,产生特异蛋白和渗透调节物质,使植物抗氧化胁迫能力和渗透调节能力提高,保护了植物细胞。而植物抗寒性的提高决定于抗冻基因的表达,如何通过分子生物学手段提高植物抗冻基因表达的效应是培育植物抗寒品系的关键。并展望了该领域今后研究的方向。关键词低温胁迫植物抗寒性抗冻基因Advance in the mech anism of biochemistry

2、and molecular biology in response to cold stress of plant.G UO Z i 2Wu ,LI X ian 2Li ,G AO D ong 2Sheng ,DUAN Cheng 2G uo (C ollege of H orticulture ,Shandong Agricultural University ,T ai an 271018,C J E A ,2004,12(2:5457Abstract The signs of low tem perature activate the expression of s ome freezi

3、ng tolerant genes of plant and the contents of specific proteins and osm otic adjustment substances are raised ,all of which elevate the antioxidant capacity and the osm otic adjustment ca 2pacity and protect the plant cells ,thus the expression of s ome freezing tolerant genes is the determinant of

4、 the antifreeze capacity ,s o it is critical for breeding antifreeze traits that enhances the level of the expression of freezing tolerant genes.Finally ,the view of this domain in future is presented.K ey w ords C old stress ,Antifreeze capacity of plant ,Freezing tolerant gene低温是典型的环境胁迫因素之一,对植物生长发

5、育有重要的影响1,一般认为低温胁迫使植物光合作用降低,呼吸作用增强,能量产生和物质合成受阻,消耗增强,植物处于饥饿状态,严重影响了植物正常生长发育甚至导致死亡。但植物对低温胁迫的响应并非是完全被动的反应,而是一种积极主动的应激过程。低温诱导了相关基因的表达,通过积累小分子抗性物质及抗氧化系统的活化等,缓解了低温胁迫造成的机械伤害和生理伤害,提高了植物的抗性。1抗氧化系统对低温胁迫的生化响应低温下由于植物对O 2的利用能力降低,多余的O 2能在代谢过程中被转化成对植物有毒害作用的活性氧(AOS ,在代谢旺盛部位(如呼吸链和光合电子传递链活性氧生成量更高。故过剩的O 2对需O 2生物有潜在毒性,必

6、须通过植物抗氧化系统及时清除。植物抗氧化系统由许多酶和一些小分子组成2,低温胁迫下这些酶和小分子物质含量和活性均发生变化。对玉米研究表明低温胁迫下玉米超氧化物歧化酶(S OD 、过氧化氢酶(C AT 等活性改变;糖、抗坏血酸、谷胱甘肽含量也发生变化3。转MnS OD 基因玉米中因导入了MnS OD 基因,使超氧化物歧化酶含量和活性均增强,因而抗寒力明显增强4。经低温胁迫适应的玉米其抗氧化系统活力增强,耐低温胁迫的能力明显提高,说明低温对这些酶有一定诱导作用,而低温诱导产生的酶一定程度缓解了植物氧化性伤害;但随氧化程度的加重,植物细胞受到伤害加重甚至死亡,酶合成的量降低以及不断氧化,使酶含量和活

7、性降低并最终失活5。对甘蓝研究发现1种约10kD 的冷凝蛋白,该冷凝蛋白是1种非特异依赖于Ca 2+和Mn 2+脂类转移蛋白,可在冻2融过程中保护类囊体活性,该蛋白与Ca 2+和Mn 2+的螯合能力同植物抗冷能力密切相关6。小分子游离蛋白的氧化对植物有保护作用,使植物避免因低温下光合作用能力降低,合成碳水化合物减少而饥饿致死。脯氨酸是1种亲水氨基酸,也是1种渗透调节物质,能缓解因低温脱水造成的渗透胁迫。分子伴侣也能提高植物抗寒能力,研究发现番茄和菠菜在低温下产3国家高新技术发展(863计划项目(2001AA247041资助33通讯作者收稿日期:2003203206改回日期:2003204212

8、第12卷第2期2004年4月中国生态农业学报Chinese Journal of Eco 2Agriculture V ol.12N o.2April ,2004生1种70族的分子伴侣,这些分子伴侣能缓解低温对植物的伤害,提高其组织抗性7。故抗氧化系统可清除低温胁迫产生的活性氧,调节细胞渗透势,维持细胞膨压,避免细胞胁迫致死。2相关基因对低温胁迫的响应低温下植物的生理生化变化是植物低温应激反应结果。近年来多种植物中均发现与胁迫有关的基因以及这些基因表达产物812,而对模式植物拟南芥811和低温敏感植物12的研究多见报道。利用拟南芥突变体研究植物基因对低温的响应。拟南芥的基因组较小,利用拟南芥及

9、其各种突变体研究其对低温胁迫的不同响应和低温下相关基因表达及其与抗冷能力的关系具有一定可行性810。拟南芥的hos2基因有hos221、hos222和hos2233种突变体8,由于hos2基因位点的突变提高了低温胁迫下RD29A 和其他一些基因的表达,而响应渗透调节和ABA 的基因则不受影响,遗传分析表明hos2是1个核内隐性基因。与野生拟南芥相比,突变体hos221在零上低温的抗冷能力低于野生型,但其不会减弱对春化作用的响应。拟南芥中hos1突变产生了突变体hos121,从而导致抗冷基因RD29A 、C OR47、C OR15A 、KI NI 和ADH 的表达,这些基因虽在高盐、脱落酸(AB

10、A 、聚乙二醇的诱导下也能表达,但hos121的这些基因表达仅受低温诱导,遗传分析表明hos1是1个核内单隐性基因。笔者低温胁迫下用RD29A 启动子控制的荧光素酶报告基因研究hos121突变体结果表明,hos121的响应低温基因可在19高温下被诱导并表达;相反野生拟南芥响应低温的基因在10乃至更低温度下不能表达。与野生拟南芥相比,突变体hos121不抗严寒,经2d 低温适应后hos121获得与野生拟南芥相同耐冷性且开花更早,表现出固有的春化特性。故hos1和hos2基因对植物低温信号转导具有负调节作用,在缓解低温胁迫、耐冷性和开花过程的基因表达中起关键作用8。研究表明拟南芥中ABI3基因的异

11、常表达可提高植物抗冷能力和低温适应性,其在异常表达的拟南芥中可提高低温和干旱胁迫基因对脱落酸的敏感性,即使在短时间使用少量的脱落酸,胁迫基因的表达也能明显提高,同时ABI3基因的异常表达还提高低温诱导的耐低温胁迫能力。与野生拟南芥相比,转ABI3植物适应低温更快,明显提高耐极限低温的能力,故转ABI3植物只需较低水平的脱落酸即可激活耐低温胁迫基因的表达并保持较高的抗低温胁迫能力9。C BF 基因为低温诱导后迅速表达的基因,其编码的转录激活子控制着包括C 2repeat/脱水响应元件DNA 调节因子启动子基因的表达。转C BF 拟南芥中C BF1和C BF3的表达可诱导低温调节的靶基因(C OR

12、 表达,提高未经低温适应的植物耐低温胁迫能力。拟南芥C BF3基因的过度表达提高了耐低温胁迫能力,且导致许多与低温胁迫有关的生理生化变化,如脯氨酸和可溶性糖(蔗糖、棉籽糖、葡萄糖和果糖等含量提高,而P5CS 转录体水平的提高则表明脯氨酸水平的提高,至少为部分因脯氨酸合成的关键酶2二氢吡咯252羧酸酯合酶基因的表达,故C BF3整体激活了低温适应的响应信号多种组分10。拟南芥中s fr6基因突变后导致其冷敏性,说明s fr 基因是低温抗性的必须基因,经检测纯化s fr2s fr7突变体低温诱导后基因的表达发现,s fr6突变体可被低温诱导的基因中缺少KI N1、C OR15a 和LTI78基因,

13、这些基因均包括启动子区的C 2re 2peat/脱水响应元件,而s fr6突变体中不能缺失KI N1,导致其能对渗透胁迫和ABA 产生响应。相反低温诱导基因C BF1、C BF2、C BF3和ATP5CS1的表达,因他们都缺失CRT/DRE 基序,故不受低温诱导。低温敏感品种s fr6突变体基因的表达具有很强连锁性,有研究认为低温诱导的s fr6突变体中包含CRT/DRE 基因,低温诱导失败是因低温使其Ca 信号发生变化,但对低温诱导的细胞色素结合态钙变化的研究发现,s fr6突变体中Ca 的变化与野生品种差异不显著。故CRT/DRE 结合蛋白可能是其激活后才能在转录过程中发挥作用,而SFR6

14、蛋白是激活的关键因素。拟南芥C BF 族基因的C BF2和C BF3与C BF1有高度相似性,其中1个基因编码了包含AP2结构域的转录激活子基因,该激活子基因与低温响应元件CCG AC 连接,诱导了某些低温调节基因的表达,提高了植物抗冷性,该基因还编码了AP2DNA 结合基序蛋白,该蛋白与C BF1、C BF2和C BF3蛋白相似,且包括1种核内定位信号和酸性激活区域。C BF2和C BF3基因与C BF1相连接,在I V 染色体底臂构成1簇,这些基因(C BF 基因高度相似并前后顺序连接,具有相同转录位点的事实表明它们是同源的。同时C BF1、C BF2和C BF3基因表达模式也具一致性,可

15、被低温处理迅速诱导,并对脱落酸和水分胁迫无响应,这与多数植物低温诱导的基因特征相反,故基因C BF2和C BF3可行使转录激活子基因的功能,控制低温基因表达水平并通过不依赖于脱落酸的途径提高植物抗寒能力10,11。有研究表明低温调节的C BF 基因族编码的AP2转录激活子基因是低温诱导基因C OR (cold 2regulated 表达的早期阶段,而控制低温基因表达的DNA 调节元件为CRT (C 2repeat /DRE ,C BF 基因族的C BF1与该元件紧密结合,其在转基因植物的过度表达激活了低温诱导基因C OR 的表达,提高植物的抗冷性。研究表明C BF1与C BF2和C BF3同属

16、一小蛋白家族,其基因在55第2期郭子武等:植物低温胁迫响应的生化与分子生物学机制研究进展65中国生态农业学报第12卷染色体I V的72.8cm处同向重复,该基因3种C BF转录水平在低温下15min后明显提高,约2h即可积累C OR基因转录体,同时C BF转录体也得以积累。C BF的启动子区域不包含CRT/DRE序列和CCG AC,且C BF1的过度表达对C BF3转录体水平无影响,这表明C BF族基因为非自主调节,在C BF基因诱导初级阶段含有CRT/DRE基序的C OR基因诱导需要低温刺激作为信号。脯氨酸对缓解低温胁迫伤害有重要作用,而脯氨酸的产生受基因调节,有研究表明拟南芥中Eskim

17、ol位点突变会导致脯氨酸积累,缓解了植物低温伤害,但它却不能有规律地增强几种低温调节基因包括抗冷基因的表达。RNA凝胶分析表明esk1突变体中脯氨酸积累受到基因包括脯氨酸合成和降解基因转录水平的调节。拟南芥蛋白类似激酶接受器基因(rpk1是1个含有1952bp的开放解读框架,其编码了1个540个氨基酸残基的多肽,该多肽(RPK1具有激酶接受器的4个互不相同区域,即氨基酸末段信号序列区,5个富含亮氨酸的胞外重复序列;膜形成区;细胞质蛋白激酶区,该区包括蛋白激酶所有保守的11个亚区。rpk1基因在花、茎、叶片和根部均有表达,研究表明用脱落酸处理1h后即可诱导其表达,该基因通常被多种环境胁迫因子快速

18、诱导,如脱水、高盐和低温等,这表明它对胁迫的反应有普遍性。而aba21、abi121、abi221、abi321突变体中脱水诱导该基因的表达,但未造成伤害,这表明脱水诱导的rpk1基因为脱落酸依赖型11。低温敏感植物基因对低温的响应。对低温敏感植物易受到低温伤害,低温敏感植物的低温适应特性和低温下基因表达特性的研究已多见报道11,12。对大麦研究发现3种在顶端组织中表达的低温诱导基因,分别为blt101、blt4.9和blt14,且已分离出这3种基因的表达产物mRNAs,1个控制基因和1个延长因子lalpha,这3种基因的表达特点为blt101和blt4.9仅在低温处理大麦中表达,且blt10

19、1在低温处理大麦多种组织中均可表达,尤在顶端组织导管区表达最强烈,经验证blt4.9是该低温诱导基因的启动子,而blt14在处理和对照中均有表达,且仅在顶端组织皮层内层表达。尽管膜内控制基因表达强烈,由于编码非特异性膜脂转运蛋白基因blt4.9的表达受叶表皮和老化的顶端组织表皮限制,故任何1种低温诱导基因均未表达。不同组织低温诱导基因表达产物的分子特征虽完全不同,但这些表达产物与顶端组织导管区伤害和植物的成活密切相关,因此该区blt101和blt14强烈表达表明其对顶端组织耐低温能力有直接影响12。blt4.9为低温基因的启动子区域,该小区域(1938bp包含的序列基序中含有响应低温、脱落酸和

20、其他环境因子序列。基因缺失分析表明42bp序列最接近但并未包含在C AA T和T A T A框内,而在茎外植体短暂基因表达系统中能提高低温对报告基因的响应。利用核蛋白电泳分析(E MS A进一步研究低温处理和对照blt4.9的启动子区域和利用合成低聚核苷酸鉴定六聚核苷酸研究结果表明,CCG AA在42bp低温响应启动子区域内可作为迁移率低的结合蛋白复合体结合位点,这种复合体在低温处理和对照植物核内提取物中均存在,是惟一一种含有该区域的蛋白复合体,低温响应42bp启动子区域内CCG AAA基序的突变减少了对低温响应的基本水平。上游作用元件和CCG AAA是其他植物中低温响应元件,本研究中CCG

21、AAA不与核蛋白结合。六聚核苷酸和CCG AAA存在于从第一个A TG开始的-195bp处,包含在大麦低温响应基因blt4.9中。小麦中分离的基因tacr7不能被脱落酸和其他胁迫诱导如盐、脱水及高温胁迫,而仅能被低温诱导,是一种低温特异(LT S基因,与大麦基因pH VCR8(基因文库编码为L28091同源,编码高度疏水蛋白T ACR7具有单一跨膜区域且富含亮氨酸(19%,是文献中惟一描述过的低温调节蛋白。tacr7基因转录分析表明,小麦由对照(25转入低温(2时其幼苗顶端组织和愈伤组织培养中tacr7的转录体(630nt大量积累,利用pT ACR7作探针的N orthern杂交,经盐、水分胁

22、迫和高温胁迫处理其幼苗与愈伤组织培养中未探测到tacr7初级转录体。2低温时tacr7初级转录体在抗低温胁迫小麦品种HRWW(FR;S Dmut16029顶端组织中积累量远高于温敏品种HRWW(FS;S Dmut16169顶端组织,差异显著并达极值(为30%3%10,12。小麦研究中还发现受光诱导的低温响应基因wcr12含有1个525bp的开放解读框架,其编码了1个174个氨基酸的多肽; wcr12编码的蛋白WCR12和早期光诱导蛋白E LIPs具有很高的序列同源性,被认为是光胁迫诱导核内基因编码的叶绿体蛋白。在高光子流密度下8低温时可诱导产生wcr12转录体,是其他植物E LIPs基因表达的

23、典型模式。4低温乃至低光照下与对照相比(20温度,中光强wcr12转录体水平提高了20倍。黑暗条件下4低温可使wcr12转录产物(mPNAs积累,并使其积累水平达到20高光强下水平,这表明低温下光照对wcr12转录体的积累并非是必须的。S outhern杂交表明,wcr12基因或相关同源基因定位于小麦染色体V上11。低温下常发生蛋白的解聚,使蛋白质变性失活,对小麦研究发现一种抗解聚因子ADF是由T aADF基因编码的,抗解聚因子ADF是1种隐蔽的高能肌动蛋白,具有阻止核苷交换以及被诱导的肌动蛋白解聚作用,离体磷酸化研究表明T aADF是小麦52kD激酶的底物。低温适应时期该激酶活性受低温的调节

24、。W estern杂交表明T aADF仅在G ramineae品种中积累,且耐低温小麦品种的积累水平高于不耐低温小麦品种,这种积累受定位于染色体5A位点的基因编码因子调节,该位点通常与植物耐低温能力有关。对低温适应过程中ADF 活性与植物耐低温能力的关系研究表明,低温下可能需要细胞骨架的再建,再建后新模式可能对提高植物耐低温能力起到关键作用12。对菠菜研究发现低温适应基因cap160编码1种与低温适应密切相关的酸性蛋白C AP160蛋白,该蛋白有780个氨基酸残基,与拟南芥胁迫调节蛋白rd29A 和rd29B 有严格的同源关系。菠菜与拟南芥基因结构不具相似性,这表明该低温胁迫基因的分类不具高度

25、保守性。cap160和cap85(另1种菠菜低温胁迫蛋白在农杆菌35s 启动子区域控制下转入烟草,转基因烟草细胞半致死温度与野生烟草无差异,但胁迫下转基因烟草电解质外渗水平低于野生烟草,这表明低温对它的伤害较小。2种异源低温胁迫蛋白的表达对低温胁迫无明显影响,这与低温胁迫是一种数量形状的本质一致8。对玉米研究表明,低温诱导了玉米胚芽中编码2种脯氨酸富集蛋白基因H yRP (杂种脯氨酸富集蛋白和HRG P (羟脯氨酸富集糖蛋白的表达,编码H yPRP 基因表达受脱落酸和低温的调节,是依赖于脱落酸的基因;而与之相反特效低温处理对编码HRG P 基因有正向影响,研究表明这2种蛋白均明显提高玉米抗寒能

26、力。3小结与讨论低温胁迫下基因表达的改变可诱导合成许多新的蛋白质,如多种酶改变植物代谢途径,使植物进入抗寒锻炼;部分膜蛋白有稳定膜的作用;某些糖蛋白主要存在于液胞和细胞间隙阻止冰冻作用,使细胞液在低温下处于过冷状态,从而保护细胞膜的稳定性,提高渗透调节能力,降低低温胁迫对细胞的伤害。而抗寒能力由植物基因决定,已分离鉴定出许多与低温胁迫有关的基因及其产物,但其具体功能尚需进一步研究。低温胁迫下植物的响应是多基因表达产生的响应综合,但并非是简单累加,研究低温响应相关基因间以及它们表达的关系,使这些基因的表达效应达到最高,提高植物耐寒能力,延长植物耐受低温的时间,从根本上提高植物抗寒性。可低温诱导的

27、基因很多且大多已被克隆和鉴定,应用分子生物学手段,植物低温胁迫的响应生化和分子生物学机制正被逐步阐明,但仍有许多问题亟待研究,如低温信号是如何被感知?低温胁迫下抗寒基因的表达依赖于多种转录因子的调节,这些转录因子作用方式的确定将有助于低温胁迫信号转导途径的阐明。如何更有效培育高品质抗寒植物品系?1个转录因子往往调控几个功能基因的表达,故植物抗寒育种中与逐个改良和导入功能基因获得抗寒性的传统方法相比,从改良或增强1个关键转录因子的调控能力着手,或许是提高植物抗寒性更为有效的途径和方法。参考文献1M olecular biology of plants under environmental st

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