植物誘導(dǎo)型啟動(dòng)子Prd29A的順式元件分析及應(yīng)用研究進(jìn)展

田港 韋丁一 許本波

摘 要：植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中會(huì)遭受各種生物和非生物脅迫，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育造成巨大的影響。植物基因工程中組成型啟動(dòng)子應(yīng)用存在種種弊端，因此對(duì)植物新型誘導(dǎo)型啟動(dòng)子的開發(fā)應(yīng)用成為了植物基因工程的研究熱點(diǎn)。該文從擬南芥中PAtrd29A啟動(dòng)子序列結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用出發(fā)，概述了該啟動(dòng)子的脅迫誘導(dǎo)激活功能以及其給植物育種帶來的影響，開發(fā)應(yīng)用這類新型誘導(dǎo)型啟動(dòng)子是植物抵抗生長(zhǎng)過程中非生物脅迫的有效措施。

關(guān)鍵詞：誘導(dǎo)型啟動(dòng)子;順式元件;非生物脅迫

中圖分類號(hào) Q943.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2020）24-0032-05

Advances in Cis-element Analysis and Application of Plant Inducible Promoter Prd29A

TIAN Gang et al.

（College of Life Science，Yangtze University， Jingzhou 434025， China）

Abstract：Plants suffer a variety of abiotic and biotic stresses in the process of growth and development，which causes great loss to plant growth. There are many disadvantages in the application of constitutive promoters in plant genetic engineering，so it is necessary to develop and apply new inducible promoters in plant genetic engineering. Based on the structure and application of the sequence of promoters PAtrd29A in Arabidopsis thaliana，the stress-induced and activated functions of the promoters and the significant impact of the promoters on plant breeding were reviewed in this paper. The development and application of the new type of promoters is an effective measure for plants to resist non-biological stress during growth.

Key word：Inducible promoter;Cis-elements;Abiotic stress

在植物生長(zhǎng)過程中，非生物脅迫主要包括干旱、極端溫度、重金屬毒害、鹽堿以及澇漬等，嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，由環(huán)境脅迫引起的農(nóng)業(yè)破壞已成為世界范圍的問題[1，2]。在脅迫條件下，植物的形態(tài)、生理、生化及分子均會(huì)產(chǎn)生變化，植物細(xì)胞衰老死亡速度加快，為植物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)力帶來了不利影響，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展以及自然環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

植物在受到外界環(huán)境脅迫的刺激時(shí)會(huì)做出一系列的脅迫應(yīng)答反應(yīng)，其中，由局部脅迫引起的系統(tǒng)響應(yīng)廣泛存在[3]，植物通過對(duì)自身激素水平的調(diào)節(jié)來適應(yīng)極端環(huán)境的過程被稱為植物脅迫應(yīng)答，而植物的激素水平通過其體內(nèi)龐大的基因關(guān)系網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。一些與脅迫響應(yīng)相關(guān)的表達(dá)基因以及轉(zhuǎn)錄因子在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出差異的轉(zhuǎn)錄水平，這個(gè)過程可分為信號(hào)感知、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因激活及生化改變[4]。植物首先通過受體在細(xì)胞膜上感知到壓力，然后產(chǎn)生次級(jí)信使，如鈣和磷酸肌醇[5]。次級(jí)信使調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣水平，這種鈣水平變化由鈣結(jié)合蛋白（Ca2+傳感器）感測(cè)得到，隨后該蛋白啟動(dòng)了磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致基因表達(dá)改變[6，7]，從而造成了激素以及一些蛋白激酶水平的差異。位于基因上游5′的啟動(dòng)子是這些基因轉(zhuǎn)錄激活的開關(guān)，啟動(dòng)子上面包含多種重要的順勢(shì)作用元件，它們能夠通過活化RNA聚合酶，使之與模板DNA準(zhǔn)確的結(jié)合從而激發(fā)或抑制基因的轉(zhuǎn)錄[8]。啟動(dòng)子有多種分類，其中誘導(dǎo)型啟動(dòng)子能夠在特定的環(huán)境條件誘導(dǎo)下激活下游基因的轉(zhuǎn)錄，從而影響植株的一些生理功能，以應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境帶來的傷害。

1 誘導(dǎo)啟動(dòng)子Prd29A及調(diào)控基因進(jìn)化分析

YAMAGUCHI- SHINOZAK[9]等首次從擬南芥中分離并且克隆出了脅迫誘導(dǎo)相關(guān)基因rd29A（也稱為L(zhǎng)TI78和COR78），它位于擬南芥5號(hào)染色體上，含711個(gè)氨基酸，預(yù)測(cè)分子量為7.8kd，由2個(gè)串聯(lián)重復(fù)序列組成的112個(gè)氨基酸的多肽存在于rd29A的中間;在rd29A的C端區(qū)域中存在21個(gè)氨基酸的第2個(gè)串聯(lián)重復(fù)序列，N端區(qū)域發(fā)現(xiàn)2個(gè)酸性區(qū)域和堿性區(qū)域[10]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在多種脅迫處理下，rd29A啟動(dòng)子均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的誘導(dǎo)活性[11]。

目前，僅從擬南芥（Arabidopsis thaliana）和結(jié)縷草粳稻（Zoysia japonica）中克隆得到rd29A啟動(dòng)子序列[12]。對(duì)rd29A基因序列進(jìn)行進(jìn)化分析（圖1）發(fā)現(xiàn)，擬南芥（Arabidopsis thaliana）基因序列Atrd29A和琴葉鼠耳芥基因（Arabidopsis lyrata subsp.lyrata）AlLTI78親緣關(guān)系最近，為91.68%，AlLTI78為低溫誘導(dǎo)脅迫響應(yīng)因子;與薺菜基因（Capsella rubella）CrLTI78同源性為83.45%;與亞麻薺基因（Camelina sativa）CsLTI78同源性為82.71%;與樺木基因（Boechera divaricarpa isolate）BdiAD-C1同源性為82.53%;擬南芥同家族基因Atrd29B也是一個(gè)RD29脅迫相關(guān)基因，它與Atrd29A串聯(lián)在同一條有義鏈上，這2個(gè)基因在相同位置含有3個(gè)內(nèi)含子[13]，Atrd29A基因與Atrd29B同源性為82.66%，據(jù)報(bào)道，這些同源基因都是與各種脅迫調(diào)控相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子[12，14]。YAMAGUCHI-SHINOZAKI[13]等研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中的Atrd29A基因與多種脅迫應(yīng)激相關(guān)，Atrd29A啟動(dòng)子對(duì)下游報(bào)告基因GUS表達(dá)活性的組織化學(xué)分析表明，rd29A啟動(dòng)子在缺水期間幾乎在營(yíng)養(yǎng)植物的所有器官和組織中起作用，其誘導(dǎo)活性甚至強(qiáng)于組成型啟動(dòng)子Camv35S。因此，對(duì)基因rd29A啟動(dòng)子的開發(fā)應(yīng)用對(duì)培育抗逆植物新品種具有非常重要的生物學(xué)意義。

2 Prd29A啟動(dòng)子的順式元件分析

順式作用元件是啟動(dòng)子序列上一段含有5～20個(gè)堿基對(duì)的短序列，是非常重要的分子開關(guān)，決定了啟動(dòng)子特異的轉(zhuǎn)錄激活功能的核心區(qū)域[15]。不同的順式元件有著不同的激活功能，參與應(yīng)激反應(yīng)的順式作用元件分別參與不同的脅迫相關(guān)基因調(diào)控通路，它們能與特定的轉(zhuǎn)錄信號(hào)因子結(jié)合，從而對(duì)下游基因在時(shí)間和空間上進(jìn)行精細(xì)水平的調(diào)控，促進(jìn)或抑制下游基因的轉(zhuǎn)錄。許多基因是由各種各樣的脅迫環(huán)境誘導(dǎo)表達(dá)的，這表明在這些應(yīng)激信號(hào)通路之間存在串聯(lián)關(guān)系，誘導(dǎo)型啟動(dòng)子通過自身的順式作用元件與其他的反式轉(zhuǎn)錄因子相互作用，并且在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的上游的TATA盒（核心啟動(dòng)子）形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體，然后轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物激活RNA聚合酶對(duì)應(yīng)激因子起始轉(zhuǎn)錄，從而驅(qū)動(dòng)了外源基因在脅迫環(huán)境下的高水平表達(dá)[16]。

從NCBI上找到Atrd29A啟動(dòng)子序列以及其他各同源序列上游800bp左右啟動(dòng)子序列，利用PLANTCARE分析順式元件，TBtools做可視化分析（圖2），保守基序在圖2中用圓圈標(biāo)出。比較分析發(fā)現(xiàn)，在rd29A基因啟動(dòng)子的順式元件中都存在保守的ABRE和ARE等脫落酸（ABA）響應(yīng)元件。Marcotte[17]等利用缺失分析研究小麥Em基因啟動(dòng)子，鑒定得到ABRE，研究發(fā)現(xiàn)，保守序列ABREs（PyACGTGGC）在許多ABA響應(yīng)基因表達(dá)中是主要的作用元件[18，19]，許多干旱和寒冷誘導(dǎo)基因的啟動(dòng)子中都包含ABREs基序，ABRE序列經(jīng)常和其他元件協(xié)同作用參與ABA響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄。ABA作為一種在植物組織適應(yīng)干旱和高鹽度等非生物脅迫以及種子的成熟和休眠都起著重要作用的植物激素，在ABA激素調(diào)控下，植株根系伸長(zhǎng)、氣孔關(guān)閉，緩解了因高鹽分、干旱造成的脫水死亡，ABA還能誘導(dǎo)一些寒冷相關(guān)基因的表達(dá)，各種產(chǎn)物蛋白酶和激素水平的變化共同構(gòu)成了植物的冷馴化過程[20]。除此之外，rd29A基因啟動(dòng)子上還存在保守的DRE（TACCGACAT）響應(yīng)元件，這是一類與多種脅迫相關(guān)的啟動(dòng)子基序，參與干旱、低溫或高鹽脅迫誘導(dǎo)RD29A[21]。將整個(gè)DRE及其核心序列與不同植物中的其他脅迫誘導(dǎo)基因進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)DRE順式元件（或其核心序列）非常保守，并且在干旱響應(yīng)的植物基因中廣泛發(fā)現(xiàn)同時(shí)參與了鹽和冷害脅迫[22，23]。

YAMAGUCHI-SHINOZAK[13]等分別對(duì)擬南芥植物進(jìn)行干旱和外源ABA處理，發(fā)現(xiàn)Atrd29A基因分別存在一條ABA響應(yīng)的脅迫應(yīng)答途徑和獨(dú)立于ABA的應(yīng)答響應(yīng)途徑，這與這2種順式元件的調(diào)控有關(guān)，并且2種途徑互相串?dāng)_，共同形成了啟動(dòng)子的誘導(dǎo)激活活性。在PAtrd29A啟動(dòng)子上存在2個(gè)DRE順式元件，這可能是造成其轉(zhuǎn)錄激活活性強(qiáng)于其他轉(zhuǎn)錄激活啟動(dòng)子的原因。同時(shí)，CGTCA-motif也是Prd29A一個(gè)較為保守的順式作用元件，參與茉莉酸調(diào)控途徑;Patrd29A上還存在較為保守的AuxRR-motif，參與長(zhǎng)素響應(yīng)調(diào)控途徑。Prd29A還含有一些MYB響應(yīng)元件以及多個(gè)啟動(dòng)子核心元件TATA盒和CAAT盒，在這些順式元件的共同作用下，Prd29A表現(xiàn)出僅在脅迫誘導(dǎo)條件的轉(zhuǎn)錄激活活性[24，25]，被認(rèn)為是一個(gè)脅迫誘導(dǎo)型啟動(dòng)子。

3 Prd29A啟動(dòng)子在植物基因工程的應(yīng)用

3.1 Prd29A啟動(dòng)子在耐旱基因工程中的應(yīng)用 干旱是導(dǎo)致作物減產(chǎn)最主要的環(huán)境因素，在干旱條件下，細(xì)胞脫水造成植物組織失去正常生理功能，植株難以生存。傳統(tǒng)的育種方法可以得到抗旱植株，但是育種周期長(zhǎng)、效率低，用分子生物學(xué)技術(shù)手段通過品種改良提高植株抗旱能力，有效地解決了傳統(tǒng)育種周期長(zhǎng)和效率低的問題，對(duì)于國(guó)家農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的意義深遠(yuǎn)。柳娜[26]等通過轉(zhuǎn)化PRD29：DREB1A到小麥中培育出了抗旱性強(qiáng)的融合基因小麥，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因小麥的過氧化物酶、氧化氫酶和超氧化物歧化酶在干旱脅迫下表現(xiàn)出了更強(qiáng)的活性，說明轉(zhuǎn)基因小麥在干旱脅迫下具有更強(qiáng)的清除活性氧的能力，抵抗因干旱帶來的加速衰老甚至死亡;2013年，Li F[27]等研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建組成型啟動(dòng)子表達(dá)載體35S：EXPB23轉(zhuǎn)化煙草，得到的轉(zhuǎn)基因植株出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)育遲緩表型，PRD29A：EXPB23轉(zhuǎn)化植株表型明顯改善，并且抗旱能力增強(qiáng);Amanda Alves de Paiva Rolla[28]等用Prd29A：AtDREB1A轉(zhuǎn)化大豆培育對(duì)于溫室和田間耐寒的新品種;Li Z N[29]等用30%的PEG分別處理35S-：AtCDPK1和Prd29A：AtCDPK1轉(zhuǎn)基因馬鈴薯發(fā)現(xiàn)，由Prd29A啟動(dòng)子調(diào)控的轉(zhuǎn)基因植株中，CDPK1基因在干旱壓力脅迫下的表達(dá)量顯著提高，然而35S在壓力處理瞎與正常生長(zhǎng)的植株并沒有顯著差異，形態(tài)學(xué)觀察表明，Prd29A：AtCDPK1轉(zhuǎn)基因植株在脅迫處理后仍可以正常生長(zhǎng)，優(yōu)于非轉(zhuǎn)基因植株;吳瓊[30]等通過遺傳轉(zhuǎn)化PRD29A：AVP1表達(dá)盒獲得了抗旱性增強(qiáng)的匍匐翦股穎，表現(xiàn)出明顯的發(fā)達(dá)根系表型，對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的吸收能力顯著提高。

3.2 Prd29A啟動(dòng)子在耐寒基因工程中應(yīng)用 植物在生長(zhǎng)過程中由寒冷帶來的損傷是重要的非生物脅迫之一，特別是對(duì)于油菜、小麥、韭菜等越冬作物而言，最適生長(zhǎng)溫度是0℃以上的低溫不結(jié)冰。在我國(guó)北方冬季，凍害是造成植株死亡、農(nóng)作物大量減產(chǎn)的主要原因，另外低溫還限制了植物的時(shí)空分布[31]，因此，培育耐寒的優(yōu)良作物品種是解決低溫影響的有效手段。王北艷[32]等構(gòu)建了Prd29A啟動(dòng)子調(diào)控的ICE1基因的植物超表達(dá)載體，對(duì)粳稻品種空育131進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化發(fā)現(xiàn)，在寒冷脅迫處理下，大多野生型植株發(fā)生葉面卷曲、萎蔫、植株倒伏等致死表型，而轉(zhuǎn)基因株系T1-16和T1-24的脯氨酸含量顯著升高，基本都能恢復(fù)生長(zhǎng)，表現(xiàn)出明顯的抗寒表型，存活率顯著高于對(duì)照;María Teresa Pino[33]等在對(duì)馬鈴薯低溫脅迫研究中發(fā)現(xiàn)，由Camv35S啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)AtCBF的轉(zhuǎn)基因植株的抗凍性并沒有明顯增強(qiáng)，依舊表現(xiàn)出小葉、黃葉、延遲開花以及塊莖減少或缺乏等表型，而Prd29A：AtCBF轉(zhuǎn)基因植株在暴露于低溫的幾個(gè)小時(shí)就超過了35S：AtCBF的抗凍水平，并且降低了正常狀態(tài)下的負(fù)面表型;賈海燕[34]等通過構(gòu)建Prd29A：DREB1B表達(dá)載體分別轉(zhuǎn)化了康乃馨、雛菊、三色堇、矮牽牛等多種花卉植物，培育出新型的抗逆花卉品種，擴(kuò)大了花卉的種植范圍和時(shí)間，延長(zhǎng)了開花季節(jié)，在很大程度上提高了這些觀賞植物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為以后在寒冬中看到花朵綻放增加了更多的可能性。

3.3 Prd29A啟動(dòng)子在耐鹽堿基因工程中應(yīng)用 土壤鹽堿化是全球性土地荒漠化的主要表現(xiàn)形式之一。在自然和人類活動(dòng)的不斷干擾下，受鹽漬化影響的土地面積不斷增加，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展，對(duì)生態(tài)安全造成威脅[35]。鹽脅迫可能會(huì)誘導(dǎo)植株發(fā)生一系列生理生化的改變，滲透壓的改變直接影響了細(xì)胞膜的完整性和各種酶的活性。Qiu W[36]等研究發(fā)現(xiàn)，煙草中Prd29A：IPT基因的轉(zhuǎn)化延遲了鹽脅迫下葉片的衰老，提高了植株的抗氧化酶（POD、SOD等）活性和葉綠素、丙二醛（MDA）的含量，表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐鹽能力;JINGJIANG[37]等構(gòu)建表達(dá)載體Prd29A：codA，轉(zhuǎn)化煙草得到轉(zhuǎn)基因植株，在NaCl脅迫誘導(dǎo)下，所有的轉(zhuǎn)基因煙草植株均表現(xiàn)出比對(duì)照更高的鹽度耐受能力，與野生型相比，轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出明顯的葉色差異、抗氧化酶活性增加，有效賦予了煙草植株的脅迫耐受性;Jin T[38]等通過遺傳轉(zhuǎn)化Prd29A：GmDREB1引入苜蓿植物中，轉(zhuǎn)基因植株中與鹽堿脅迫相關(guān)的代謝物D1-吡咯啉-5-羧酸合酶（P5CS）基因轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)，這表明轉(zhuǎn)基因植株的應(yīng)激誘導(dǎo)表達(dá)賦予了苜蓿更強(qiáng)的耐鹽能力，這些具有高耐鹽性的轉(zhuǎn)基因品系在飼草育種中具有重要的意義。

4 展望

逆境一直是全世界研究人員們致力解決的難題，為了提高植物的抗逆性，與傳統(tǒng)的雜交育種策略相比，通過基因工程的手段直接導(dǎo)入外源基因是一種更簡(jiǎn)單快捷的解決方法。植物響應(yīng)不同的環(huán)境脅迫條件時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的基因轉(zhuǎn)錄水平，其在代謝和生理方面也會(huì)表現(xiàn)出特定的變化。通過開發(fā)利用新型啟動(dòng)子與抗逆相關(guān)基因的表達(dá)盒，能夠很大程度提高植物的應(yīng)激響應(yīng)能力。但是我們對(duì)于誘導(dǎo)型啟動(dòng)子的研究相對(duì)于組成型啟動(dòng)子來說起步較晚[39]，先前的植物轉(zhuǎn)基因工程中用到最多的就是CaMV花椰菜花葉病毒的35S啟動(dòng)子[40]，在各項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，這種組成型啟動(dòng)子在普通條件下也能驅(qū)動(dòng)一些外源脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，可能會(huì)造成大量的基因功能冗余，還會(huì)導(dǎo)致基因之間因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)關(guān)系帶來的資源浪費(fèi)，甚至可能直接影響了轉(zhuǎn)化植株的正常生長(zhǎng)，所以轉(zhuǎn)化植株中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)矮莖、葉片卷曲、發(fā)黃等負(fù)面表型[41]，而誘導(dǎo)型啟動(dòng)子Prd29A正好彌補(bǔ)了這些不足，在未受到脅迫條件下它并不會(huì)表現(xiàn)出轉(zhuǎn)錄激活活性，只有在干旱、寒冷、鹽堿等非生物逆境中才會(huì)驅(qū)動(dòng)下游基因的轉(zhuǎn)錄，這在能夠保證植物抗逆性提高的同時(shí)把副作用最小化。

目前，對(duì)于抗脅迫相關(guān)啟動(dòng)子的開發(fā)及應(yīng)用已成為植物基因工程的研究熱點(diǎn)，但是對(duì)于各類脅迫相關(guān)調(diào)控元件以及新的保守功能基序的發(fā)現(xiàn)還需要進(jìn)一步探索[42]。由于植物應(yīng)激響應(yīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)復(fù)雜，還有很多脅迫誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子還并未被人們發(fā)現(xiàn)，植物在受到脅迫信號(hào)時(shí)是如何將這些信號(hào)在復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中傳遞的，如何引起植物通過各種代謝物水平的變化應(yīng)答極端環(huán)境的，如何把這類誘導(dǎo)型啟動(dòng)子應(yīng)用到非生物脅迫應(yīng)答中，這些都需要更加深入的研究。利用這些生物技術(shù)手段培育優(yōu)良的耐逆作物品種，對(duì)于加快我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展意義重大。

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（責(zé)編：張宏民）