植物抗旱性信號應答及基因表達調(diào)控

植物抗旱性信號應答及基因表達調(diào)控

干旱是限制植物生長發(fā)育和收獲產(chǎn)量的主要因素，每年使作物產(chǎn)量超過50%。植物耐旱性大多屬于多基因控制的數(shù)量性狀,利用常規(guī)育種方法改良作物的抗旱性受到周期長、優(yōu)異種質(zhì)資源缺乏的限制。近年來的轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學和基因表達調(diào)控的研究初步揭示了植物干旱脅迫的作用分子機理。目前,利用干旱脅迫相關(guān)基因提高植物的抗旱能力,已經(jīng)成為植物抗逆分子生物學的研究熱點和植物抗逆基因工程重要的研究方向。本文綜述近幾年植物(含麥類作物)抗旱的分子水平研究進展,主要涉及抗旱功能基因、轉(zhuǎn)錄因子和信號因子方面研究及其應用。1功能基因近幾年來,在植物中成功地發(fā)現(xiàn)一些抗旱脅迫代謝過程中具有抗旱功能基因,如滲透調(diào)節(jié)基因、抗氧化保護劑和分子伴侶等。1.1優(yōu)化植物結(jié)構(gòu),提高抗旱性能力干旱脅迫下,植物體內(nèi)會積累大量的代謝物質(zhì),調(diào)節(jié)并維持細胞內(nèi)外滲透壓平衡,保持體內(nèi)水分,減輕或消除脅迫造成的傷害。參與滲透調(diào)節(jié)的物質(zhì)主要有糖類、氨基酸及其衍生物等。這些糖類包括棉籽糖、水蘇糖、半乳糖、海藻糖和果聚糖等。過量表達半乳糖合成基因,造成了棉籽糖和半乳糖的積累,增強轉(zhuǎn)基因植物的耐旱性。轉(zhuǎn)DREB1A基因植物積累了大量半乳糖和棉籽糖,它們在干旱脅迫期間起到了滲透保護劑的作用;轉(zhuǎn)海藻糖合成基因植株提高了植物耐旱能力。生物合成的細菌果聚糖基因在干旱脅迫時可保護細胞的膜結(jié)構(gòu)。脯氨酸在植物的抗逆反應中起著多重的作用,它既是調(diào)節(jié)滲透的中介者、亞細胞結(jié)構(gòu)的加固者、自由基的清除者,又是能量池、脅迫相關(guān)的信號物質(zhì)。脯氨酸能保護植物免受脅迫,但過量對植物有毒害作用。甘氨酸甜菜堿是一種兩性的四胺。它通過維持細胞與環(huán)境間的水分平衡、大分子結(jié)構(gòu)和活性來保護植物;從嗜鹽藍藻中分離到甘氨酸肌氨酸轉(zhuǎn)甲基酶和二甲基甘氨酸轉(zhuǎn)甲基酶基因,甘氨酸甜菜堿積累了很高水平,在干旱等非生物脅迫耐性中發(fā)揮著重要的作用。1.2干旱條件下抗氧化酶系統(tǒng)的變化干旱對植物生長發(fā)育具有多方面的影響,其中之一就是氧化損傷。植物體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)是由一些能夠清除活性氧的酶系和抗氧化物質(zhì)組成,如超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等,它們協(xié)同抵抗活性氧對細胞的傷害。SOD和POD活性與干旱有密切的關(guān)系,干旱條件下,SOD活性降低。將白骨壤的Sod1導入水稻后,增強了轉(zhuǎn)基因水稻的抗旱能力。1.3lea蛋白的分類干旱脅迫下,大麥中LEA蛋白基因具有類似于分子伴侶功能保護細胞不被破壞,尤其是維持膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。LEA蛋白可能廣泛存在于高等植物的種子中。LEA蛋白主要分為6類:LEA1~LEA6,與植物抗逆性相關(guān)的主要是LEA1~LEA3。水稻中LEA3蛋白基因OsLEA3-1,在干旱誘導型啟動子驅(qū)動下,顯著提高了植物抗旱能力,使產(chǎn)量不受損失。2dreb、tableb、wrkp、nac、nac基因迄今已發(fā)現(xiàn)的編碼植物轉(zhuǎn)錄因子的基因已達數(shù)百種,與抗旱相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的主要有DREB、MYC/MYB、bZIP、WRKY和NAC類等基因?？购迪嚓P(guān)轉(zhuǎn)錄因子能夠調(diào)節(jié)功能基因的表達和信號轉(zhuǎn)導,它們在轉(zhuǎn)基因植物中的過量表達會激活許多抗逆功能基因同時表達,從而更為高效地提高植物的抗逆性。2.1轉(zhuǎn)錄因子作用機理DREB轉(zhuǎn)錄因子基因?qū)儆贏P2/EREBP類基因家族,廣泛存在于植物中。DREB與抗逆基因啟動子區(qū)域中的DRE順式作用元件結(jié)合,參與干旱、高鹽等脅迫應答反應,增強植物的抗逆性。在許多抗逆相關(guān)基因的調(diào)控區(qū)域發(fā)現(xiàn)了DRE順式作用元件,如擬南芥的rd10、rd17以及rd29A等。目前,DREB轉(zhuǎn)錄因子基因的克隆取得較大的進展。DREB轉(zhuǎn)錄因子相繼從各種作物如水稻、玉米等中被克隆。通過對NCBI的GenBank檢索:目前在國際基因庫中注冊的DREB類基因已經(jīng)有53個,分別來源于11個科21種植物;主要集中于草本植物,木本很少;但植物還存在大量的DREB基因及其家族善待挖掘和研究。僅含27000個基因的擬南芥就有5.6%的轉(zhuǎn)錄因子,其中,DREB亞族包括55個成員。DREB轉(zhuǎn)錄因子應答不同脅迫反應并起著重要的作用。在擬南芥中,DREB1A/CBF3、DREB1B/CBF1和DREB1C/CBF被低溫誘導;DREB1D/CBF4、DREB2A和DREB2B被鹽和干旱誘導。最近報道,DREB2A通過調(diào)節(jié)熱脅迫轉(zhuǎn)錄因子HsfA的級聯(lián)反應,調(diào)控熱脅迫反應,提高植物耐熱能力;DREB1F、DREB2C、DREB2D和DREB2F僅被高鹽誘導,DREB2E僅被ABA誘導;但DREB1E、DREB2G和DREB2H不被任何脅迫誘導。高羊茅DREB1A能夠被干旱誘導,提高了植物的抗旱能力。棉花子葉中GhDBP2基因,能夠被旱、鹽、低溫和ABA誘導。馬鈴薯中的swDREB1能夠被旱、冷、鹽、MV(methylviologen)和Cd(cadmium)脅迫誘導,但不能被ABA或銅誘導。DREB類似轉(zhuǎn)錄因子TINY,在非生物脅迫和生物脅迫起著重要的作用。DREB轉(zhuǎn)錄因子的作用機理也較為復雜。如轉(zhuǎn)基因擬南芥植株中,OsDREB1A和DREB1A功能是相同的,DREB轉(zhuǎn)錄因子能特異結(jié)合DRE(A/GC-CGAC)序列,激活靶基因的表達,但DREB1A能結(jié)合DRE的核心序列即:ACCGAC和GCCGAC序列,而OsDREB1A只能特異結(jié)合GCCGAC序列,而不能結(jié)合ACCGAC序列。有的DREB轉(zhuǎn)錄因子,如DREB1A和DREB1D具有很高的同源序列,但DREB1A可被低溫逆境誘導,而DREB1D卻不能被低溫誘導;最近研究揭示,DREB2A是一種磷蛋白,在珍珠粟中分離到一種DREB2A基因可被旱、低溫和高鹽激活,并結(jié)合DRE(ACCGAC)序列,但不能結(jié)合GCCGAC;PgDREB2A被磷酸化后,不能結(jié)合DRE序列,PgDREB2A是通過轉(zhuǎn)錄后磷酸化修飾來調(diào)控相關(guān)基因的表達。2.2與干旱脅迫相關(guān)的基因表達MYB/MYC類轉(zhuǎn)錄因子是一類依賴ABA調(diào)控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)錄因子。MYB/MYC是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族,擬南芥中大約有180個成員,玉米中大約有200個成員,植物中具有2個重復MYB(R2R3)家族比較多,在擬南芥中,發(fā)現(xiàn)77%(126/163個)是R2R3MYB轉(zhuǎn)錄因子。MYB/MYC廣泛參與植物的各種反應,如植物生長發(fā)育、生物和非生物脅迫應答以及ABA的敏感性等,但參與逆境反應的只占很少一部分。在干旱條件下,擬南芥中的AtMYB60和AtMYB44下調(diào)抗旱基因的表達,改變、調(diào)節(jié)氣孔的運動,減小氣孔開放和水分散失。有趣的是,atmyb60-1突變體導致特異性保衛(wèi)細胞破壞,但不影響發(fā)育和生理過程,這在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上非常重要,大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)基因后組成性表達會改變其基本的生理代謝。盡管在某種程度上,通過誘導型啟動子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的表達引起不良反應,但氣孔反應對于作物抗旱基因工程來說,是非常吸引人。擬南芥中AtMYB41轉(zhuǎn)錄因子,正常生長環(huán)境檢測不到,僅在干旱、ABA和鹽誘導下才高水平表達,過量表達轉(zhuǎn)基因植物改變細胞擴增和葉面滲透性。具有激活或不具有激活情況下,AtMYB41可能是的一個操縱干旱等脅迫反應的重要分子開關(guān)。過量表達水稻中OsMYB3R-2,提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥植株對干旱等逆境脅迫抵抗能力。2.3abre誘導的磷酸化反應植物堿性亮氨酸拉鏈(basicleucinezipper,bZIP)蛋白是一類重要的植物轉(zhuǎn)錄因子。目前報道擬南芥中大約有67個成員,水稻中大約有89個成員。干旱、高鹽或外源脫落酸能誘導內(nèi)源脫落酸的合成,bZIP類型的轉(zhuǎn)錄因子也隨之被激活,并結(jié)合在ABRE(ABAresponsive-element)上。從擬南芥中分離出逆境誘導的ABF1(ABREbindingfactor1)、ABF2/AREB1、ABF3和ABF4/AREB2,ABF/AREB轉(zhuǎn)錄后磷酸化修飾需要ABA參與反應,在ABA突變體aba2和ABA不敏感的突變體abi2中,ABF/AREB表達活性下降,而在ABA過敏感突變體era2中表達增強,表明ABF/AREB蛋白磷酸化需要依賴ABA。過量表達ABF3或ABF4/AREB2誘導ABA的過敏感,提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱能力;在無內(nèi)源ABA處理的情況下,經(jīng)過突變后的AREB1進行磷酸化激活后,誘導許多ABA反應相關(guān)基因的表達,通過點突變造成組成性的表達的轉(zhuǎn)錄因子可以提高植株的抗旱性。2.4wrky基因與確立生物為重要產(chǎn)物的功能研究WRKY類轉(zhuǎn)錄因子是一種植物特有的、研究得較多的新型鋅指型(zinc-fingertype)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,僅擬南芥就含有100多種WRKY成員。WRKY類轉(zhuǎn)錄因子參與了十分廣泛的生物學過程,如生長發(fā)育,病原、非生物脅迫和ABA等因素誘導。目前,大量的研究僅限于擬南芥、水稻和煙草等模式植物,其功能研究也主要集中在抗病反應上。如在擬南芥中,72個WRKY基因就有49個與病原誘導有關(guān),甚至可能占有比這更高的比例。WRKY基因在旱、鹽等脅迫誘導下的網(wǎng)絡調(diào)控機制和基本途徑仍不清楚,還需要進一步的深入研究。最近,從遏藍菜分離到一種被旱、鹽等脅迫誘導激活TcWRKY53,它是通過ERF類轉(zhuǎn)錄因子進行基因調(diào)控,而不是直接通過功能基因。2.5超量側(cè)基對植物抗旱性的影響NAC轉(zhuǎn)錄因子是近年來新發(fā)現(xiàn)的具有多種生物功能如發(fā)育、病原、非生物脅迫等起著重要作用的植物特異轉(zhuǎn)錄因子。NAC轉(zhuǎn)錄因子可與MYC-LIKE元件結(jié)合,該元件的核心序列(CATGTG)在ERD1干旱誘導反應應答過程中起重要作用。過量表達ANAC019、ANAC055和ANAC072(RD26)提高轉(zhuǎn)基因擬南芥抗旱等抗逆能力;同時,擬南芥中也發(fā)現(xiàn)一種NAC基因ATAF1,對干旱脅迫具有負向調(diào)控作用?？鼓嫦嚓P(guān)基因超量表達,可能對植物的生長或發(fā)育起到負面作用。過量表達OsNAC6轉(zhuǎn)基因植株中提高了抗旱、耐高鹽和抗稻瘟病能力,但造成植株矮化和低產(chǎn),在誘導型啟動子驅(qū)動下,可以有效減少植株發(fā)育負面效應;向擬南芥導入ZFHD1基因時,提高了抗旱能力,形態(tài)發(fā)生較小的變化,過量共表達NAC和ZFHD1轉(zhuǎn)基因植物形態(tài)恢復正常,通過酵母雙雜交發(fā)現(xiàn)ZFHD1和NAC之間發(fā)生了相互作用,NAC轉(zhuǎn)錄因子與其它基因共表達,可能是減少轉(zhuǎn)基因植物發(fā)育的負面效應一種重要的方法;從水稻中分離到一種SNAC1(STRESS-RESPONSIVENAC1),提高了抗旱和耐鹽能力,轉(zhuǎn)基因植株表型和產(chǎn)量沒有任何變化,這類轉(zhuǎn)錄因子對抗逆育種和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。3干旱脅迫信號表達分子開關(guān)在轉(zhuǎn)錄因子的上游,通過各種環(huán)境脅迫的刺激,激活各種信號因子的表達,這其中包括磷酸化和/或去磷酸化、磷脂代謝、鈣調(diào)節(jié)、蛋白降解等等。盡管目前對抗旱遺傳機制還不十分清楚,但已經(jīng)將信號因子應用于植物抗旱基因工程。利用信號因子優(yōu)點之一是可以調(diào)節(jié)一類逆境應答基因的表達,增強植物對多種逆境的抵抗和適應能力,從整體上增強植物的抗逆性。如利用煙草中的MAPKKK(mitogen-activatedproteinkinasekinasekinase),在NPK1轉(zhuǎn)煙草植株中,NPK1引起氧化反應級聯(lián)效應,導致煙草的冷,熱,鹽和旱等抗多種逆境能力。在擬南芥中,非乙烯受體組氨酸激酶AHK1/ATHK1、AHK2、AHK3和CRE1在逆境脅迫中起著重要作用,其中,AHK1在AREB1、ANAC和DREB2A等基因的上游起著正向調(diào)控作用,提高抗旱和耐鹽等能力,AHK2、AHK3和CRE1對滲透(如旱、高鹽等)類脅迫起著負向調(diào)控作用。利用信號因子另一個優(yōu)點是控制抗旱反應信號輸出。在許多情況下,各種脅迫信號刺激可以激活或不激活信號因子。如SnRK2(SNF1-relatedproteinkinase2)在ABA或滲透壓作用可以被激活,表明SnRK2與脅迫誘導信號傳導有關(guān)。在擬南芥中,SnRK2基因家族有10個成員(SRK2A-J/SnRK2.1-10),水稻中也發(fā)現(xiàn)了有10個成員(SAPK1-10)。幾乎SnRK2s家族成員都可以被ABA或高滲透壓性激活。有趣的是,SnRK2的在保衛(wèi)細胞中起作用,如蠶豆中AAPK(ABA-activatedproteinkinase)需要ABA依賴的氣孔關(guān)閉。在擬南芥中,AAPK的類似物,SRK2E/OST1(SnRK2.6),研究發(fā)現(xiàn):由于蒸發(fā)失控,srk2e或ost1突變體表現(xiàn)對干旱超級敏感。這些結(jié)果表明,在保衛(wèi)細胞中,SnRK2是ABA介導的信號途徑開關(guān)。在擬南芥中,SRK2C(SnRK2.8)是SnRK2s家族成員之一,在干旱和滲透壓作用下超量表達,而正常情況下,則檢測不到表達。由此可見,信號因子可能是的一個操縱干旱脅迫反應重要的分子開關(guān)。目前對干旱脅迫反應中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種信號因子,如水稻OsCDPK,擬南芥中AtGSK1,玉米中NPK1等。但由于抗旱脅迫反應是一個復雜信號傳導途徑,該途徑中存在交叉,反饋和生理相互作用等情況下產(chǎn)生信號,信號因子在恰當?shù)臅r間,作用在合適靶目標上,信號蛋白具有多個信號出口,可以解釋信號因子具有多個功能,如Ste11p,一個MAPKKK激酶具有兩種功能。又如AtMPK6至少有兩種不同MAPK級聯(lián)反應,MKK2-MPK6和MKK4/MKK5-MPK6,并且每一種組合都發(fā)出或傳導不同的信號途徑。水稻中OsSIPK通過調(diào)節(jié)mRNA表達水平對多種脅迫反應起著重要作用。4環(huán)境因子對麥類作物生產(chǎn)的影響麥類作物是世界上主要的糧食作物,干旱等環(huán)境因子是麥類作物生產(chǎn)的主要限制因子。通過對麥類作物干旱遺傳和分子技術(shù)研究,在麥類作物也發(fā)現(xiàn)了功能蛋白和調(diào)節(jié)蛋白兩大類。4.1滲透脅迫和干旱脅迫下小麥幼苗膜基因表達的改變在干旱脅迫下,麥類作物中產(chǎn)生和積累大量滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化保護劑、分子伴侶、離子通道等相關(guān)功能基因。如小麥中,干旱控制H2O2的積累、CAT的活性及其基因表達水平;小麥編碼腺苷甲硫氨酸脫羧酶(Adenosylmethioninedecarboxylase)的基因在滲透脅迫或干旱條件下也增強了表達;黑麥中克隆到脯胺酸合成酶基因(P5cs);有意思的是,在小麥中,脯氨酸提高抗旱能力主要通過保護免受氧化脅迫,不是由滲透壓調(diào)整引起的;旱、鹽等脅迫下,在桑椹中的過量表達大麥HVA1,在保護膜結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用;小麥中的TaLEA1提高丹參的抗旱和耐鹽能力;干旱脅迫下,小麥中LEA2蛋白基因DHN-5,轉(zhuǎn)擬南芥植株積累了大量脯氨酸,維持著細胞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,減少了水分的喪失;小麥中過量表達擬南芥中離子泵TNHX1和液泡膜H+-PPaseTVP1提高了小麥抗旱和耐鹽能力。4.2小麥對干旱脅迫和生理特征的認識麥類作物抗旱相關(guān)調(diào)控基因,研究比較詳細的是DREB轉(zhuǎn)錄因子。Shen等(2003)從小麥中分離到TaDREB1,能夠被冷、旱和ABA誘導。Egawa等發(fā)現(xiàn)小麥在干旱等誘導下,通過選擇性剪切產(chǎn)生三種Wdreb2(Wdreb2alpha、Wdreb2beta和Wdreb2gamma),其中,在旱和鹽脅迫條件下,Wdreb2beta在24h處理保持表達量不變,Wdreb2alpha和Wdreb2gamma表現(xiàn)瞬時表達,表明WDREB2轉(zhuǎn)錄因子,在旱和鹽脅迫條件下,通過選擇性剪切和轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)進行調(diào)控的。進一步研究發(fā)現(xiàn),小麥中Wdreb2提高轉(zhuǎn)基因煙草的非生物脅迫能力。Xu等在小麥中分離到一種DREB類似物TaAIDF,在干旱、高鹽和低溫環(huán)境脅迫條件下發(fā)揮重要的作用。Marzin等利用瞬時表達方法,在旱誘導條件,對大麥中HvDRF1(DREB2-like)、dehydrin6、HVA1和HvHNX1四種抗旱相關(guān)基因的功能進行分析發(fā)現(xiàn),這四種基因迅速在大麥葉片中聚集,表明瞬時表達系統(tǒng)為麥類作物干旱相關(guān)基因進行快速鑒定提供了一種重要的方法。麥類作物中也發(fā)現(xiàn)了其它類型抗旱相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子,如bZIP、MYB、WRKY等。如小麥中,bZIP轉(zhuǎn)錄因子LIP19,在干旱脅迫情況下,發(fā)揮著重要的作用。由于麥類作物如小麥、大麥、黑麥等基因存在相似性,其基因表達也存在高度的相似性。如大麥中bZIP轉(zhuǎn)錄因子HvABI5能夠被旱、高鹽等誘導表達,在小麥也同樣發(fā)現(xiàn)HvABI5的類似物Wabi5被旱等多種脅迫激活。Chen等在小麥中發(fā)現(xiàn)23個MYB轉(zhuǎn)錄因子成員,其中有4個與抗旱相關(guān)基因。大麥中的WRKY轉(zhuǎn)錄因子(Hv-WRKY38)受干旱和低溫誘導。吳華玲等對15小麥WRKY基因進行分析發(fā)現(xiàn):其中,8個基因?qū)Φ蜏?、高溫、鹽或PEG等逆境因子具有響應。但在麥類作物中與抗旱相關(guān)的基因NAC類轉(zhuǎn)錄因子還未見報道,我們從小麥分離到一些抗旱NAC類轉(zhuǎn)錄因子(未發(fā)表)。近些年研究發(fā)現(xiàn),信號分子在麥類作物抗旱過程中起著重要作用。如Li等等從小麥發(fā)現(xiàn)20種CDPKs(Calcium-dependentproteinkinases)基因,并對結(jié)構(gòu),功能和進化特征進行了分析,小麥中CDPKs可被冷、氧化、鹽、旱、白粉病等脅迫激活。每種CDPK基因多種脅迫反應交叉,小麥中CDPKs基因是多種脅迫反應節(jié)點。Jia等(2008)從小麥發(fā)現(xiàn)CRT(calreticulin)對干旱敏感。5轉(zhuǎn)錄后調(diào)控基因組學和煙草抗旱性通過基因工程手段改良植物的抗旱性有著廣闊的