植物干旱脅迫相關(guān)調(diào)控基因研究進(jìn)展

王 霞 ，吳 霞 ，馬燕斌 ，馬 亮 ，李貴全 ，李燕娥

（1.運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系，山西運(yùn)城044000；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西運(yùn)城044000；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

在植物的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，不可避免地經(jīng)受著干旱、鹽漬、低溫等各種非生物逆境的脅迫[1]。其中，干旱是最為普遍的逆境因子之一，干旱嚴(yán)重時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致植物生理性脫水，進(jìn)而影響植物代謝、光合作用等過(guò)程。對(duì)人類(lèi)而言，干旱引起作物減產(chǎn)的影響是最為嚴(yán)重的。如何通過(guò)科學(xué)手段認(rèn)識(shí)和了解植物的耐旱性及如何提高植物的耐旱性成為一項(xiàng)重要的科研目標(biāo)。

迄今為止，隨著科研手段的不斷改進(jìn)，已對(duì)植物與干旱之間的關(guān)系進(jìn)行了從宏觀表型到微觀細(xì)胞基因的各項(xiàng)研究。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)與生物技術(shù)的快速發(fā)展，科研人員已經(jīng)能夠從整個(gè)基因表達(dá)的水平上了解植物與干旱之間的關(guān)系，并且許多與干旱脅迫相關(guān)的不同功能基因已被證實(shí)。

本文主要概述了干旱脅迫時(shí)植物的調(diào)控性相關(guān)基因的研究進(jìn)展，以期有助于進(jìn)一步評(píng)價(jià)該類(lèi)耐旱相關(guān)調(diào)控基因的利用前景。

1 植物耐旱脅迫中相關(guān)基因概述

植物應(yīng)答干旱脅迫的發(fā)育過(guò)程受基因的精確表達(dá)所調(diào)控。根據(jù)耐旱相關(guān)基因功能不同，可以分為2類(lèi)[2]：第1類(lèi)是直接作用的功能基因。該類(lèi)基因編碼產(chǎn)物在植物干旱脅迫過(guò)程中直接起保護(hù)作用，包括具有抗氧化作用的超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶等，能夠合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的甜菜堿脫氫酶基因、編碼催化甜菜堿合成的單加氧酶（CMO）等關(guān)鍵酶，以及保護(hù)生物大分子及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)（如LEA等發(fā)育后期富集蛋白）。第2類(lèi)為間接作用的調(diào)節(jié)基因。該類(lèi)基因編碼產(chǎn)物通過(guò)調(diào)節(jié)別的基因表達(dá)應(yīng)答干旱脅迫，主要包括MYC/MYB，脫水反應(yīng)結(jié)合蛋白（DREB）類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子，感應(yīng)和轉(zhuǎn)導(dǎo)脅迫信號(hào)的蛋白激酶（如MAP激酶等）以及與第2信使生成有關(guān)的酶類(lèi)（如磷脂酶等）[3]。這2類(lèi)基因通過(guò)復(fù)雜而有序的方式共同應(yīng)答植物干旱脅迫，為保證植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)揮重要作用。

2 耐旱相關(guān)調(diào)節(jié)基因及其分類(lèi)

耐旱相關(guān)調(diào)節(jié)基因主要為轉(zhuǎn)錄因子（Transcription factor），它們編碼一類(lèi)結(jié)構(gòu)特征明顯、能調(diào)控其他基因表達(dá)的蛋白質(zhì)分子。植物中的轉(zhuǎn)錄因子包括非特異性轉(zhuǎn)錄因子和特異性轉(zhuǎn)錄因子，其中，前者能夠非選擇性地調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，而后者能夠選擇性調(diào)控某類(lèi)或某些基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。根據(jù)它們與DNA轉(zhuǎn)錄結(jié)合的蛋白結(jié)構(gòu)域的不同特點(diǎn)，劃分為MYB/MYC，Zinc-finger，bZIP，DREB，MAPK等不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)錄因子[4-5]。

2.1 MYB/MYC類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子及其結(jié)構(gòu)特征

植物中MYB蛋白中含有1～3個(gè)串聯(lián)的、不完全重復(fù)的MYB結(jié)構(gòu)域（R1，R2和R3），有51～52個(gè)氨基酸MYB結(jié)構(gòu)域肽段，可簡(jiǎn)單分成3個(gè)亞類(lèi)，即R1-MYB，R2R3-MYB和R1R2R3-MYB，每個(gè)MYB結(jié)構(gòu)域折疊成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（HTH）的形式參與與DNA大溝的結(jié)合[6]。另外，其顯著特征是每隔約18個(gè)氨基酸被一保守色氨酸殘基所間隔，而這一色氨酸殘基與其空間結(jié)構(gòu)中疏水核心的形成密切相關(guān)，且其前后都存在一些高度保守的氨基酸。

目前，MYB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子在植物耐旱反應(yīng)中的作用已被不斷證實(shí)。有研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗的ScMYBAS1、菊花的CmMYB2在抗旱性和耐鹽性的誘導(dǎo)反應(yīng)中都可以起重要作用[7-8]。棉花中GbMYB5基因的表達(dá)具有組織特異性，而且重金屬、PEG、脫落酸、赤霉素等外部條件的刺激都可以增強(qiáng)GbMYB5基因的表達(dá)[4]。

2.2 bZIP類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子及其結(jié)構(gòu)特征

bZIP結(jié)構(gòu)域的蛋白在所有的真核生物中都存在，是轉(zhuǎn)錄因子中較大的基因家族之一[9]。有研究表明，bZIP類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞中主要定位于細(xì)胞核中，如小麥的TabZIP1轉(zhuǎn)錄因子就被定位于細(xì)胞核中[10]。

另外，在bZIP類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子中，可根據(jù)堿性結(jié)構(gòu)域及其他保守的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行不同亞家族的分類(lèi)，擬南芥中的75個(gè)基因家族成員以及大豆基因組中分離的131個(gè)GmbZIP類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子均可分為 A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，S這 10 個(gè)亞家族[11-12]，這些不同家族成員可行使不同功能。其中，A亞族bZIP成員主要在種子、植物組織的脅迫信號(hào)調(diào)控中發(fā)揮重要作用；C亞族在種子發(fā)育和逆境脅迫中期發(fā)揮作用；D亞族基因參與防御病害和生理生長(zhǎng)2種不同進(jìn)程；E亞族與I亞族有相似的亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)，能起到調(diào)控基因表達(dá)的作用；G亞族在光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和種子成熟過(guò)程中起作用，擬南芥中的GBF3，CPRF1和CPRF4a具有光調(diào)控表達(dá)功能；H亞族只有HY5和HYH這2個(gè)成員，調(diào)控光合作用，參與光形態(tài)發(fā)生和光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；I亞族可能在維管的發(fā)育中起到重要作用；S亞族是擬南芥中最大的一個(gè)bZIP亞族，參與逆境脅迫和糖類(lèi)信號(hào)代謝，但B亞族和F亞族報(bào)道較少。

此外，通過(guò)對(duì)bZIP轉(zhuǎn)錄因子的研究表明，將玉米ZmbZIP72轉(zhuǎn)到擬南芥中表達(dá)，可增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗旱性和耐鹽性[13]。將辣椒的CAbZIP1基因轉(zhuǎn)入擬南芥，能夠提高其抗旱性和耐鹽性。而在轉(zhuǎn)基因擬南芥過(guò)量表達(dá)CAbZIP1基因時(shí)，植株表現(xiàn)矮化，推測(cè)該基因參與植物生長(zhǎng)過(guò)程并起負(fù)調(diào)控作用[14]。

2.3 DREB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子及其結(jié)構(gòu)特征

DREB轉(zhuǎn)錄因子即干旱應(yīng)答元件結(jié)合蛋白質(zhì)，能與DRE/CRT順式作用元件結(jié)合，并激活下游基因的轉(zhuǎn)錄，使基因產(chǎn)物積累，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物體內(nèi)各種生理生化反應(yīng)[15-16]。這類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子具有典型的結(jié)構(gòu)特征：N末端富含堿性氨基酸，為核定位信號(hào)區(qū)；C末端富含酸性氨基酸，為轉(zhuǎn)錄激活區(qū)；中間為58個(gè)氨基酸組成的AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域，其中，位于第2個(gè)β-折疊中的第14位纈氨酸（V）和第19位谷氨酸（E）對(duì)DREB轉(zhuǎn)錄因子與DRE順式作用元件的特異性結(jié)合起關(guān)鍵作用。目前，編碼DREB轉(zhuǎn)錄因子的基因從多種植物中被不斷克隆和研究。其中，構(gòu)樹(shù)的BpDREB1，BpDREB2基因均能被鹽脅迫所誘導(dǎo)[17]；而鹽、低溫、干旱及ABA也能誘導(dǎo)銀中楊PaDREB基因的表達(dá)[18]。

2.4 蛋白激酶類(lèi)

MAPK是一類(lèi)存在于各種真核生物體中的Ser/Thr蛋白激酶，干旱、鹽害以及極端溫度等均能誘導(dǎo)和激活MAPK信號(hào)途徑。MAPK信號(hào)途徑包括 MAP3K，MAP2K和MAPK這3類(lèi)蛋白激酶，通過(guò)依次磷酸化將上游信號(hào)傳遞至下游應(yīng)答分子，并在多種不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中充當(dāng)一種共同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)成分發(fā)揮作用。有研究表明，低溫脅迫可誘導(dǎo)油菜中BnMPK6基因的表達(dá)[19]，水分脅迫會(huì)導(dǎo)致玉米葉片細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷，而MAPK對(duì)其抗氧化損傷起一定的正調(diào)控作用[20]。擬南芥MPK3，MPK4，MPK6轉(zhuǎn)化釀酒酵母hog1Δ突變體時(shí)，均恢復(fù)了hog1Δ對(duì)鹽脅迫的抗性及滲透調(diào)節(jié)作用[21]。此外，小麥、水稻和擬南芥大部分的MAPK基因家族都表現(xiàn)出組織特異性，在愈傷、葉子、花中的含量逐漸降低[22]。

CDPK是一種類(lèi)鈣調(diào)素結(jié)構(gòu)域的蛋白激酶，是植物中研究較多、了解較為清楚的一類(lèi)蛋白激酶，與細(xì)胞Ca2+信號(hào)傳遞關(guān)系密切。CDPK的氨基酸序列具有3個(gè)功能區(qū)，N端由200多個(gè)氨基酸殘基組成，包含典型的Ser/Thr蛋白激酶保守序列的催化區(qū)；中間是由富含堿性氨基酸的20～30個(gè)氨基酸組成，是功能區(qū)中最為保守的連接區(qū)；C端為調(diào)控區(qū)，共有4個(gè)與Ca2+結(jié)合的EF手型結(jié)構(gòu)，為CDPK所特有的區(qū)域。已有研究表明，CDPK與植物的脅迫反應(yīng)關(guān)系密切，牧草短芒大麥HbCDPK基因參與低溫脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，具有提高植物抗寒性的潛能[23]；番茄LeCPK2在熱脅迫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用[24]；另外，有報(bào)道對(duì)11個(gè)煙草屬CDPK基因進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)分析，把它們歸為4個(gè)亞家族[25]。

此外，一些與第2信使生成有關(guān)的酶類(lèi)與植物耐逆反應(yīng)等也密切相關(guān)。磷脂酶是一類(lèi)在生物體內(nèi)可以水解甘油磷脂的酶，可分為磷脂酶A1（PLA1）、磷脂酶 A2（PLA2）、磷脂酶 B（PLB）、磷脂酶 C（PLC）和磷脂酶 D（PLD）5類(lèi)。其中，PLD廣泛存在于植物的根、莖、葉等各種組織中，參與耐旱等脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，可提高植物對(duì)干旱等不良環(huán)境的抵御能力。目前，磷脂酶相關(guān)研究表明，PLDβ基因介導(dǎo)低溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，參與脯氨酸和過(guò)氧化氫酶（CAT）活性的調(diào)控[26]。橡膠 HbPLDα1 基因的表達(dá)可被ABA等激素信號(hào)以及干旱等環(huán)境因子調(diào)解，可在對(duì)激素和環(huán)境信號(hào)的響應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[27]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)逆境發(fā)生時(shí)，植物如何感受逆境信號(hào)、傳導(dǎo)逆境刺激、激活一系列分子途徑并調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)和生理反應(yīng)以適應(yīng)逆境已成為研究熱點(diǎn)。

人們通過(guò)各種方法鑒定和定位了很多與抗旱相關(guān)的基因，有的甚至獲得了這些抗旱基因的轉(zhuǎn)基因植株[28-29]。但是植物抗旱性的提高不是靠單個(gè)基因的轉(zhuǎn)移就能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閱蝹€(gè)基因只能提高部分抗性。要從根本上提高作物的抗旱性，就要從不同層次、系統(tǒng)地對(duì)抗旱機(jī)制進(jìn)行深入的研究，以找出更多的抗旱基因。另外，植物的抗逆反應(yīng)不但涉及到眾多的基因，同時(shí)還是受多途徑調(diào)控的復(fù)雜過(guò)程。所以，今后應(yīng)該加強(qiáng)植物特異和交叉共有的信號(hào)傳導(dǎo)途徑的研究，為作物的改良奠定良好的基礎(chǔ)。

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