植物應(yīng)答逆境脅迫分子機制的研究進展

許存賓

摘? ?要：植物在生長過程中經(jīng)常遭受各種脅迫因子的影響，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，植物適應(yīng)逆境的機制研究也從生理水平步入分子水平。對植物應(yīng)答逆境脅迫的轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和調(diào)控分子機制3個方面的研究進行了概述。

關(guān)鍵詞：植物;應(yīng)答逆境脅迫;分子機制;研究進展

植物經(jīng)常遭受各種逆境脅迫，對生長發(fā)育造成不利影響，甚至引起死亡。植物的逆境脅迫通常包括非生物脅迫和生物脅迫，前者主要由一定的物理或化學(xué)條件引發(fā)，如高溫、干旱、冷害、高鹽、重金屬、機械損傷等，后者主要由各種生物因子引發(fā)，如真菌、細(xì)菌、病毒、線蟲和菟絲子等引起的病蟲害[1]。植物為了適應(yīng)逆境環(huán)境，會在分子、細(xì)胞、器官、生理生化等水平上作出及時調(diào)節(jié)[2～3]。植物對逆境脅迫的響應(yīng)是一個非常復(fù)雜的生命過程，其分子機制至今尚未完全闡明。隨著全球環(huán)境的日益惡化，各種逆境脅迫對植物生長發(fā)育帶來的影響也日漸嚴(yán)重，成為制約現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，各國學(xué)者對植物逆境應(yīng)答機制的研究也投入了越來越多的力量[4]。

早期科學(xué)家們對植物在不利環(huán)境中的形態(tài)變化和生理指標(biāo)變化研究較多，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對植物適應(yīng)逆境機制的研究從生理水平進入分子水平，使得植物在逆境脅迫條件下的代謝機理研究取得了重要進展。植物受到逆境刺激后，通過系列信號分子對相關(guān)抗逆基因和蛋白的表達進行調(diào)節(jié)，進而改變自身形態(tài)和生理生化水平來適應(yīng)逆境[5]。此研究不僅能探索生命現(xiàn)象的本質(zhì)，而且能更好地進行分子育種和植物次生代謝產(chǎn)物合成研究。本文就植物應(yīng)答逆境脅迫的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和分子調(diào)控機制3個方面的研究進展進行了概述。

1? ?植物應(yīng)答逆境脅迫的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究進展

轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics）是一門在RNA水平上研究生物體中基因轉(zhuǎn)錄的情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的學(xué)科，即從RNA水平研究基因表達的情況。轉(zhuǎn)錄組學(xué)可定量分析生物體不同組織、不同發(fā)育階段和不同環(huán)境條件下的基因表達變化情況。在研究植物應(yīng)答逆境脅迫分子機制時，轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以對有無進行逆境處理的植物基因表達情況進行差異分析，篩選出與植物抗逆有關(guān)的基因，還可以對不同品種、突變體、發(fā)育期或組織在同一逆境下的基因表達情況進行對比，篩選出與植物抗逆相關(guān)的新基因[6]。轉(zhuǎn)錄組研究的主要技術(shù)包括3種：①基于雜交的基因芯片技術(shù)（microarray），該技術(shù)只適用于檢測已知序列，卻無法捕獲新的mRNA，存在著遺失一些重要表達信息的風(fēng)險。②基于Sanger測序法的SAGE （serial analysis of gene expression）和MPSS（massively parallel signature sequencing），首先提取試驗樣品中的RNA并反轉(zhuǎn)錄成cDNA，用錨定酶消化后接上接頭再進行測序，因此可以獲得較為完整的轉(zhuǎn)錄組學(xué)圖譜，并且可以發(fā)現(xiàn)新的基因。③第二代測序技術(shù)的成熟和第三代測序技術(shù)的發(fā)展，對基因組學(xué)的研究產(chǎn)生了巨大的影響，并被廣泛運用到了基因組測序工作中，RNA測序技術(shù)（RNA-Seq）已經(jīng)逐漸成為轉(zhuǎn)錄組研究的主要方法。此外，cDNA- AFLP（amplified fragment length polymorphism，擴增片段長度多態(tài)性）、SSH （suppression-subtractive hybridization，抑制消減雜交法）、Northern blot、Q-RT-PCR （quantitative reverse-transcription PCR，定量逆轉(zhuǎn)錄PCR）、實時熒光定量PCR （Quantitative Real-time PCR）等試驗技術(shù)在轉(zhuǎn)錄組研究中起到了十分重要的作用[7，8]。

目前，在擬南芥、水稻等模式植物中已大規(guī)模地進行了干旱、高鹽和低溫等脅迫響應(yīng)相關(guān)的基因表達譜的分析[9，10]，篩選出了數(shù)千種關(guān)于脅迫應(yīng)答的基因，它們可以作逆境脅迫下基因的表達模式信息，供其他物種參考。這些脅迫誘導(dǎo)基因產(chǎn)物大致可以分為兩類：①直接應(yīng)答脅迫的功能蛋白質(zhì)，例如，胚胎發(fā)育晚期富集蛋白（LEA）;②細(xì)胞內(nèi)信號肽和脅迫誘導(dǎo)基因表達的調(diào)控因子，如MAP激酶、磷酸酶類、磷脂代謝酶類和各類轉(zhuǎn)錄因子[11]。

2? ?植物應(yīng)答逆境脅迫的蛋白組學(xué)研究進展

蛋白質(zhì)組（Proteome）的概念最先由Marc Wilkins在1994年提出，指由一個基因組（genome），或一個細(xì)胞、組織表達的所有蛋白質(zhì)（Protein）[12]。蛋白組學(xué)是揭示物質(zhì)生命現(xiàn)象的重要手段，目前對部分植物的不同發(fā)育階段、不同組織及器官、不同的細(xì)胞器以及膜的蛋白質(zhì)組已經(jīng)有了較為系統(tǒng)的研究。植物在遭受逆境脅迫時，可以通過信號分子的轉(zhuǎn)導(dǎo)來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞間與抗逆相關(guān)的基因發(fā)生表達，并產(chǎn)生相關(guān)的酶及蛋白質(zhì)，從而達到調(diào)整自身內(nèi)部生理狀態(tài)或外部形態(tài)來適應(yīng)不利的環(huán)境。因此，尋找與抗逆相關(guān)的蛋白（或基因），對了解植物抗逆機制以及提高植物抗逆性能有著十分重要的意義。蛋白質(zhì)組學(xué)研究主要包括蛋白質(zhì)的分離、鑒定、分析、驗證等內(nèi)容，涉及雙向電泳、新型質(zhì)譜、酵母雙雜交、免疫共沉淀和生物信息學(xué)分析等技術(shù)手段，目前同位素標(biāo)記相對和絕對定量（isobaric Tags for Relative and Absolute Quantitation，iTRAQ）技術(shù)已經(jīng)成為定量蛋白質(zhì)組學(xué)常用的高通量篩選技術(shù)。在利用蛋白質(zhì)組學(xué)分析植物抗逆機制時，根據(jù)脅迫因子的不同，可分為非生物脅迫的植物蛋白質(zhì)組學(xué)研究和生物脅迫的植物蛋白質(zhì)組學(xué)[13]。

3? ?植物應(yīng)答逆境脅迫的分子調(diào)控機制研究進展

3.1? ?植物應(yīng)答逆境脅迫的啟動子研究進展

啟動子（promoter） 是位于結(jié)構(gòu)基因5′端上游的DNA序列，能與RNA聚合酶結(jié)合并起始mRNA合成，主要由核心啟動子區(qū)及其上游調(diào)控區(qū)組成。啟動子就像“開關(guān)”，決定基因的活動。根據(jù)作用方式及功能可將啟動子分為3 類，即組成型啟動子（constitutive promoter）、誘導(dǎo)型啟動子（inducible promoter）和組織特異型啟動子（tissue-specific promoter）。組成型啟動子在生物體的任何細(xì)胞中都進行表達，且表達水平較為恒定，如花椰菜花葉病毒Ca MV 35S啟動子。組織特異性啟動子不同于前者，它可以調(diào)控基因只在生物體某些特定的部位或器官中進行表達，是多細(xì)胞生物形態(tài)建成和發(fā)育的基礎(chǔ)，如煙草花粉絨氈層細(xì)胞中能進行特異表達基因的啟動子TA29。誘導(dǎo)特異性啟動子能在某些特定的物理、化學(xué)或生物信號的刺激下，大幅度地提高或抑制相關(guān)基因的表達水平。植物體內(nèi)多種基因可以通過逆境脅迫而誘導(dǎo)表達，因此，抗逆基因的表達大多受誘導(dǎo)型啟動子的調(diào)控，如抗旱基因啟動子、耐鹽基因啟動子、高溫耐受性啟動子、抗凍基因啟動子、耐損傷基因啟動子、抗病基因啟動子和抗蟲基因啟動子[14]。

啟動子控制的基因表達主要通過啟動子順式作用元件及其相對應(yīng)的反式作用因子相互作用進行調(diào)控。例如，在干旱脅迫下，細(xì)胞能感知、轉(zhuǎn)導(dǎo)和水分脅迫相關(guān)的信號，進而誘導(dǎo)水分脅迫相關(guān)的基因表達，Yamaguchi等（1992）首次從擬南芥（Arabidopsis thaliana）中分離克隆了逆境誘導(dǎo)型啟動子rd29[15]，在脫水情況下，rd29A和rd29B基因的啟動子活性明顯增強[16]。另外，柑橘（Citrus unshiu） Cu-Lea5基因啟動子、水稻（Oryza sativa）LEA蛋白基因Os LEA3-1啟動子、水稻抗旱相關(guān)基因Os GRAS1的啟動子都可能調(diào)控抗旱基因表達。與鹽脅迫相關(guān)的啟動子有棉花（Gossypium hirsutum）液泡型Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運基因Gh NHX1啟動子、菊花（Chrysanthemum dichrum） DREB轉(zhuǎn)錄因子的啟動子Cd DREBa、SCa M-4啟動子。高溫耐受性啟動子包括含熱激元件HSE的熱激蛋白基因啟動子、小麥（Triticum aestivum） Hvhsp17基因啟動子。

3.2? ?植物應(yīng)答逆境脅迫的轉(zhuǎn)錄因子研究進展

轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor）是真核生物中能與基因5'端上游特定序列——轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點（transcription factor binding site，TfBS）特異性結(jié)合的蛋白質(zhì)因子，它與順式元件相互作用，通過抑制或增強的方式，保證目的基因以特定的強度在準(zhǔn)確的時間和空間表達。因此，當(dāng)植物遭遇逆境刺激時，轉(zhuǎn)錄因子在植物啟動逆境應(yīng)答機制中起著中心調(diào)節(jié)的作用，轉(zhuǎn)錄因子也逐漸成為植物抗逆機理研究的核心內(nèi)容。

目前，通過轉(zhuǎn)基因證實NAC（NAM，ATAF1/2 and CUC2）、MYB（v-myb a-vian myeloblastosis viral oncogene homolog）、Bzio（basic leucine-Zipper）和WRKY（N-端含有WRKYGQK高度保守氨基酸序列）等多個轉(zhuǎn)錄因子家族與植物抗逆性有重要關(guān)系[17]。

4? ?展望

植物對逆境脅迫的響應(yīng)是一個非常復(fù)雜的生命過程，隨著分子生物學(xué)與生物信息學(xué)的發(fā)展，各種新技術(shù)將應(yīng)用于植物的抗逆研究，逐步解決假陽性和低豐度表達基因的分離。植物作為一個系統(tǒng)的生物體，其從逆境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、基因表達和產(chǎn)生生理、形態(tài)變化是一個整體過程，逆境應(yīng)答機制應(yīng)從單一的組學(xué)研究向系統(tǒng)生物學(xué)研究發(fā)展。

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