植物啟動子響應(yīng)非生物逆境脅迫研究進展

李昕雨 王澤博 邱穎勝 劉燕敏 劉骕骦

摘? ? 要：不良的非生物逆境脅迫會制約植物生長發(fā)育，導(dǎo)致作物減產(chǎn)和質(zhì)量受損。植物誘導(dǎo)型啟動子在脅迫因子刺激下響應(yīng)脅迫信號而激發(fā)調(diào)控機制和激活抗逆基因的表達，導(dǎo)致代謝組分和生理生化等指標發(fā)生變化，從而提高植株的抗逆能力。分析了誘導(dǎo)型啟動子的種類和功能，介紹了響應(yīng)非生物逆境脅迫的順式作用元件及反式作用因子，以期為進一步研究植物誘導(dǎo)型啟動子的功能奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：植物;啟動子;非生物脅迫;順式作用元件

文章編號：1005-2690（2022）03-0016-03? ? ? ?中國圖書分類號：Q78? ? ? ?文獻標志碼：B

啟動子是位于轉(zhuǎn)錄起始位點上游的DNA區(qū)域，能被RNA聚合酶識別并結(jié)合，具有轉(zhuǎn)錄起始位點、與原核生物Pribnow區(qū)相似的富含TA的保守序列（TATA區(qū)）以及-80～-70 bp區(qū)含有的CCAAT序列（CAAT區(qū)）等可以提高啟動效率的關(guān)鍵元件[1]。還有一些特異的元件如光應(yīng)答順式元件G盒、水楊酸響應(yīng)順式元件ABRE可以與特定的反式作用元件結(jié)合啟動目的基因，在特定的時間和空間中以特定的強度表達[2]。

常見的植物啟動子有3類，分別是組織特異型啟動子、組成型啟動子以及誘導(dǎo)型啟動子。組織特異型啟動子的優(yōu)點是外源基因能在特定的植物組織部位表達，彌補了組成型啟動子中外源基因表達的浪費和過表達限制植物生長的不足[3]。組成型啟動子能夠使外源基因在植物組織中高效非特異表達，但過多的異源蛋白造成植物代謝水平紊亂而不能正常生長。誘導(dǎo)型啟動子是一類在特定誘導(dǎo)條件刺激下能夠激活下游基因轉(zhuǎn)錄并快速改變植株生物分子組成和調(diào)控植株生理功能的啟動子，使植物表現(xiàn)出一定的抗逆性。本研究對常見的脅迫誘導(dǎo)型啟動子的種類、功能及其具有的順式作用元件和轉(zhuǎn)錄因子進行論述。

1 高等植物脅迫誘導(dǎo)型啟動子的類型

近年來，大量高溫誘導(dǎo)型、干旱誘導(dǎo)型、鹽誘導(dǎo)型啟動子已在多種高等植物中被分離出來。這些誘導(dǎo)型啟動子在非生物逆境脅迫下能啟動下游抗逆基因的表達，并且隨著脅迫誘導(dǎo)量的變化，下游基因的表達量和表達部位也發(fā)生變化[4]。Chen等（2019）[5]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下OsHAK1基因上游的啟動子Dp3037能驅(qū)動轉(zhuǎn)基因水稻中GUS基因的高表達，表明Dp3037可能啟動下游基因參與干旱脅迫響應(yīng)。LsP是玉米基因組中LS基因ATG上游1 735 bp的調(diào)控序列，劉曉敏（2011）[6]將pCAMBIAl301-LsP的煙草株系經(jīng)脅迫處理后發(fā)現(xiàn)該啟動子受干旱和低溫誘導(dǎo)。Song等（2018）[7]研究發(fā)現(xiàn)，香蕉中編碼水通道蛋白的MaTIP1;2基因受鹽脅迫的誘導(dǎo)表達，為進一步研究其調(diào)控機理，分析了轉(zhuǎn)MaTIP1;2啟動子擬南芥在不同鹽濃度條件下驅(qū)動GUS基因的表達情況，結(jié)果顯示，GUS基因的表達主要集中在根部并且GUS表達水平隨著NaCl濃度的增加而提高。張新宇等（2014）[8]對轉(zhuǎn)AtPUB18基因啟動子擬南芥進行高鹽脅迫誘導(dǎo)實驗發(fā)現(xiàn)，GUS基因的表達量顯著上升。Jang等（2004）[9]設(shè)計5個5端各缺失載體小麥-黑麥TaLTP1啟動子（TaLTP1-2151、TaLTP1-1376、TaLTP1-750、TaLTP1-525、TaLTP1-337）融合GUS報告基因轉(zhuǎn)化煙草，250 mM NaCl處理3 d后轉(zhuǎn)基因煙草株系均呈現(xiàn)出較高的GUS蛋白含量，并且發(fā)現(xiàn)在啟動子上游的-337 bp區(qū)域含有鹽脅迫響應(yīng)元件。

植物受到傷害攻擊后會產(chǎn)生相應(yīng)的防御反應(yīng)，Chakravarthi等（2016）[10]采用Delessert方法對斑茅進行損傷實驗并比較重組質(zhì)粒pCAMBIA1305.1-GUS、PR10.1-GUS轉(zhuǎn)化煙草中的GUS基因表達量，發(fā)現(xiàn)其與CaMV35S啟動子相比較，PR10啟動子驅(qū)動的GUS基因表達量明顯高于CaMV35S啟動子。Zheng等（2010）[11]設(shè)計PtDrl02啟動子各缺失片段載體，采用多種不同非生物脅迫（SA、MeJA、創(chuàng)傷）誘導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，-669～-467 bp和-244～0 bp的啟動子片段都能激活創(chuàng)傷基因表達。轉(zhuǎn)基因擬南芥株系經(jīng)高溫脅迫處理后，發(fā)現(xiàn)白魔芋AaHSFB1啟動子驅(qū)動GUS基因表達且表達部位主要在葉[12]。PgAPXPro、PgDhnPro和PgHsc70Pro是從珍珠谷子中分離出來的非生物脅迫誘導(dǎo)基因啟動子，Divya等（2019）[13]研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫處理后的啟動子均能夠驅(qū)動uidA報告基因的表達。Freeman等（2011）[14]利用uidA報告基因與小麥啟動子Hvhsp17融合，在38～40 ℃下脅迫處理1～2 h，轉(zhuǎn)基因小麥植株中目的基因被該啟動子驅(qū)動表達。

2 響應(yīng)逆境脅迫的順式作用元件和反式作用因子

2.1 順式作用元件

植物誘導(dǎo)型啟動子中含有多種響應(yīng)逆境脅迫的順式作用元件。張勇等（2021）[15]100 mM NaCl脅迫長穗偃麥草pEeSKOR∷GUS轉(zhuǎn)擬南芥12 h后GUS基因的表達量下調(diào)為正常表達水平的54%，之后恢復(fù)至正常表達水平且呈現(xiàn)上升趨勢。對該啟動子序列分析結(jié)果顯示，包含組織特異的啟動元件RY-element和CAT-box、干旱誘導(dǎo)元件MBS、脫落酸響應(yīng)元件ABRE等。狼尾草PgDHN-pET28α重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌的抗逆性（低溫、干旱、鹽漬、高熱）研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)40 ℃熱激和75 mM高鹽脅迫處理后，大腸桿菌有著更強的耐受性和更快的生長速率。分析PgDHN基因-817 bp啟動子序列，鑒定出4個GTAC基序的缺氧脅迫元件、1個LTR元件響應(yīng)低溫等多種順式調(diào)控元件[16]。ApY2SK2啟動子中含有3種激素響應(yīng)元件CE3/ABRE（脫落酸應(yīng)答元件），6種脅迫響應(yīng)元件LTR（低溫應(yīng)答元件）、MBS（MYB結(jié)合位點干旱應(yīng)答元件）、HSE（熱激應(yīng)答元件）等[17]。

2.2 反式作用因子

植物通過轉(zhuǎn)錄因子的功能區(qū)與順式作用元件互作或與其余轉(zhuǎn)錄因子的功能區(qū)互作來調(diào)控下游相關(guān)抗逆基因介導(dǎo)植物的非生物脅迫信號的響應(yīng)[18]。在擬南芥中過表達山葡萄VaDREB，經(jīng)干旱脅迫處理后，抗逆相關(guān)基因的表達量出現(xiàn)了不同程度的上調(diào)。進一步研究表明，VaDREB能夠與KIN1、KIN2、COR15B這3個基因啟動子中DRE/CRT元件結(jié)合，從而激活下游功能基因的表達。WRKY轉(zhuǎn)錄因子與植物抗逆性有關(guān)，能特異性識別靶基因在其啟動子區(qū)域的W-box（C/T）

TGAC（T/C）元件[19]。Robatzek和Somssich（2002）[20]利用WRKY6的異位過表達，正向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子NPR進一步影響PR啟動子活性，發(fā)現(xiàn)WRKY6在NPR1和PR1的上游起作用。在植物耐鹽抗旱調(diào)控機制中，bZIP轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的抗逆基因的啟動子區(qū)域通常包含ABRE元件，如擬南芥受高鹽漬誘導(dǎo)的AREB1/ABF2、ABF3/DPBF5、AREB2/ABF4基因，bZIP轉(zhuǎn)錄因子與其ABRE元件結(jié)合以激活A(yù)BRE元件驅(qū)動的相關(guān)功能基因的表達[21]。熱激轉(zhuǎn)錄因子HsfA3在耐熱調(diào)控機制中具有十分重要的作用。在擬南芥中，HsfA3受DREB2A的調(diào)控作用以響應(yīng)脅迫信號，從而級聯(lián)調(diào)控其下游基因的表達，使植株獲得更高的耐熱性[22]。唐銳敏等（2021）[23]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯StHsfA3的轉(zhuǎn)基因植株受熱脅迫處理后，StHsfA3被誘導(dǎo)并大量表達，同時StHsp26-CP和StHsp70的表達量顯著上升，說明StHsfA3對StHsp26-CP和StHsp70的表達起正調(diào)控作用。

3 小結(jié)與展望

近年來，相關(guān)研究者已分離得到許多植物誘導(dǎo)型啟動子并鑒定出眾多順式作用元件，對其結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能有了初步認識。不同的非生物脅迫因子直接或間接影響基因表達水平，通過啟動子中順式作用元件、轉(zhuǎn)錄因子的相互協(xié)調(diào)作用，和元件種類、數(shù)量及兩者間的距離對基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響。

除此之外，在脅迫信號刺激下，這些元件可作為正、負調(diào)控元件來誘導(dǎo)或抑制相關(guān)基因的表達。啟動子的多元化以及轉(zhuǎn)錄因子的多樣性，共同決定著啟動子調(diào)控機制的復(fù)雜性。

目前，利用基因工程技術(shù)是研究植物響應(yīng)各種脅迫因子調(diào)控機制最為簡便快捷的手段，并通過生物信息學(xué)預(yù)測、分析和設(shè)計瞬時表達、酵母單雜交、點突變等試驗全面解析啟動子的功能。誘導(dǎo)型啟動子的相關(guān)問題還需進一步探索，為全面揭示基因的表達調(diào)控機理奠定基礎(chǔ)，也為作物的抗逆育種提供理論依據(jù)。

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