綜述性論文樣本

1、植物逆境應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子DREB的研究進(jìn)展 趙爽吉林師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 四平 136000 指導(dǎo)教師：金太成摘要：DREB轉(zhuǎn)錄因子即干旱應(yīng)答元件結(jié)合蛋白質(zhì),能特異結(jié)合DRE/ CRT 順式作用元件，可以以非ABA 依賴的滲透脅迫信號(hào)的傳遞途徑調(diào)控大量逆境相關(guān)基因，在增強(qiáng)植物抗逆性中扮演重要角色。在本文中，我們總結(jié)了DREB結(jié)構(gòu)特征和表達(dá)調(diào)控，對(duì)于DREB植物耐非生物脅迫也作了簡(jiǎn)單介紹。關(guān)鍵詞：逆境應(yīng)答基因 ；DREB轉(zhuǎn)錄因子 ；植物抗逆性Research advance on plant stress responsive DREB transcription factors.Zhao Shu

2、angCollege of science, Jilin Normal University, Siping 136000, chinaInstructor:JIN Tai-chengAbstract：DREB transcription factors, specifically interacting with the dehydration-responsive element / C-repeat(DRE/CRT) cis-acting element, play an important role in plant tolerance to abiotic stress by con

3、trolling the expression of its downstream genes in an ABA-independent pathway. In this paper, we summarized the structural and expressional characteristics of DREB. Moreover, the application of DREB in plant tolerance to abiotic stresses were also briefly introduced.Keywords：Stress responsive gene D

4、REB transcription factor plant tolerance to abiotic stress干旱、低溫和土壤鹽漬化一直是制約農(nóng)作物生長發(fā)育和增產(chǎn)增收的主要逆境因子,又稱非生物脅迫因子。干旱可導(dǎo)致植物細(xì)胞失水,造成細(xì)胞膨壓完全喪失,，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致植物死亡。零下低溫使植物細(xì)胞間隙結(jié)冰，細(xì)胞內(nèi)水分不斷向胞間移動(dòng)，造成細(xì)胞脫水，細(xì)胞質(zhì)濃縮，同時(shí)產(chǎn)生冰晶機(jī)械壓力，結(jié)果使植物失綠透明；融冰后出現(xiàn)水漬狀傷害，組織壞死。低溫也破壞了植物的正常代謝，減低了細(xì)胞間水分和有機(jī)物質(zhì)的運(yùn)輸以及根系的透水性，因而使植物萎蔫和壞死。高濃度鹽分特別是當(dāng)葉片中鹽分因蒸騰而濃縮時(shí)，會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生傷害。堿性

5、鹽主要是鎂、鈣、鈉的碳酸鹽，對(duì)根系有腐蝕作用。鈉離子過多會(huì)降低鈣、鎂的可給程度。因此，人們通過探討植物在各種不良環(huán)境條件下的抗逆機(jī)理，就可以采取相應(yīng)措施去減少逆境對(duì)植物的損害等。這些對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量具有重要意義。一直以來,有許多科研工作者都致力于植物遺傳育種改良的工作,目的是培育出抗逆性強(qiáng)的作物和植物品種來普遍提高和改善植物對(duì)逆境的抵抗和忍耐能力。然而,改善植物的抗逆性,單從傳統(tǒng)的遺傳育種已難以滿足現(xiàn)實(shí)的優(yōu)良抗逆品種的開發(fā)現(xiàn)狀,因此隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及一些植物遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)的建立,利用轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)得到抗逆性強(qiáng)的植物來改進(jìn)植物抗逆性,已成為一條捷徑2，3。 近年來,科研工作者分離鑒

6、定的DREB(dehydration resistance element binding protein) 類轉(zhuǎn)錄因子是一類與抗逆相關(guān)的基因。它是AP2/EREBP 轉(zhuǎn)錄因子家族中的成員。DREB轉(zhuǎn)錄因子能夠特異地識(shí)別DRE（干旱應(yīng)答元件）順式作用元件并與之發(fā)生作用，從而激活植物體內(nèi)一系列逆境應(yīng)答基因的表達(dá)。1 AP2/ EREBP轉(zhuǎn)錄因子家族與.DREB 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)特征1.1 AP2/ EREBP 轉(zhuǎn)錄因子家族轉(zhuǎn)錄因子是一種具有特殊結(jié)構(gòu)、行使調(diào)控基因表達(dá)功能的蛋白質(zhì)分子，也稱為反式作用因子。它是轉(zhuǎn)錄起始過程中RNA聚合酶所需的輔助因子。真核生物基因在無轉(zhuǎn)錄因子時(shí)處于不表達(dá)狀態(tài)，RNA聚合

7、酶自身無法啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄，只有當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子(蛋白質(zhì))結(jié)合在其識(shí)別的DNA序列上后，基因才開始表達(dá)。研究還表明植物的抗逆性轉(zhuǎn)錄因子偏向在根部表達(dá),或在根部表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子往往是與抗逆性有關(guān)的4 。在擬南芥中，3個(gè)最大的轉(zhuǎn)錄因子家族是AP2/EREBP,Myb-(R1)R2R3和BHLH家族，每種大約占總轉(zhuǎn)錄因子數(shù)的9%。 擬南芥基因組編碼至少1 533種轉(zhuǎn)錄因子，大約占其總基因數(shù)的5.9%5。植物中存在的轉(zhuǎn)錄因子中，有相當(dāng)一部分與抗逆性有關(guān)，例如：DREB。有些轉(zhuǎn)錄因子能被幾種脅迫誘導(dǎo)，例如：ABA、高滲、低溫、衰老都可以誘導(dǎo)AtMyb2轉(zhuǎn)錄因子。50%以上的一致或預(yù)測(cè)再根部特異性表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子都能由

8、這樣或那樣的脅迫所誘導(dǎo)。此轉(zhuǎn)錄因子家族為植物所特有，至少有144個(gè)成員。可以根據(jù)AP2/EREBP域的數(shù)目將其分為兩類：一、含兩個(gè)AP2/EREBP域，包括AP2、AINTEGUME、NTA和Glossy15；二、含一個(gè)AP2/EREBP域，包括EREBPS、TINY、DREBs、AtEBP。DREB 轉(zhuǎn)錄因子屬于AP2/ EREBP 轉(zhuǎn)錄因子家族。 A P2/EREBP等這些轉(zhuǎn)錄因子主要參與植物的細(xì)胞周期、生長發(fā)育以及生物和非生物脅迫相關(guān)的基因的表達(dá)調(diào)控，它們都含有非常保守的DNA結(jié)合區(qū)，即AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域，有60個(gè)左右的氨基酸殘基組成，起核定位信號(hào)的作用。Reichmann等人分析

9、了A. thaliana荃因組全序列，發(fā)現(xiàn)有144個(gè)AP2/EREBP型轉(zhuǎn)錄因子，并根據(jù)含DNA結(jié)合區(qū)的數(shù)目分為三個(gè)亞族: RAV亞族，有2個(gè)不同的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域和B3結(jié)構(gòu)域，共有6個(gè)成員; EREBP亞族，僅含1個(gè)AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域，共有124個(gè)成員，主要參與調(diào)控植物對(duì)激素(乙烯)、病原、干早、高鹽和低溫等脅迫應(yīng)答反應(yīng)以及AP2(APETALA2)亞族，有2個(gè)AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域，共有14個(gè)成員，主要參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長發(fā)育。Sakuma等人分析At liana基因組全序列，發(fā)現(xiàn)有145個(gè)AP2/EREBP型轉(zhuǎn)錄因子，并進(jìn)一步將其分為5個(gè)亞族:AP2亞族，

10、RAV亞族，DREB亞族，ERF亞族和AL079349。蛋白 質(zhì) 三 維分析表明，AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域含有3個(gè)一折疊，對(duì)識(shí)別順式作用元件起關(guān)鍵作用。其中位于第二個(gè)一折疊中的第14和19位的兩個(gè)氨基酸殘基決定了轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的特異性。AP2/ EREBP 家族轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 AP2/ EREBP 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)示意Figure 1 AP2 / EREBP transcription factors indicate1.2 DREB因子的結(jié)構(gòu)特征DREB 轉(zhuǎn)錄因子含有一個(gè)保守的AP2/EREBP 結(jié)構(gòu)域、酸性轉(zhuǎn)錄激活區(qū)和堿性核定位信號(hào)區(qū)。它一般由核定位信號(hào)區(qū)、DNA 結(jié)合區(qū)、寡聚

11、化位點(diǎn)及轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)4 個(gè)功能區(qū)域組成。DREB 屬于AP2/ EREBP 轉(zhuǎn)錄因子家族。其中 ，AP2PEREBP 結(jié)構(gòu)域是由大約60個(gè)氨基酸殘基組成的高度保守區(qū)6，7。AP2/ EREBP 結(jié)構(gòu)域由60 個(gè)左右的保守氨基酸殘基組成,位于第14 位的纈氨酸和第19 位的谷氨酸對(duì)轉(zhuǎn)錄因子與順式元件的結(jié)合至關(guān)重要(圖2) 8 。圖2DREB蛋白AP2/ EREBP 結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列比對(duì)分析Figure 2Amino acid sequence alignment of conserved AP2/ EREBP domain of DREB proteinsAP2/ EREBP 轉(zhuǎn)錄因子家族典型特

12、征是DNA 結(jié)合區(qū)均為由5770 個(gè)氨基酸殘基組成的AP2/ EREBP 保守結(jié)構(gòu)域。Liu 等9利用One-Hybrid System從擬南芥中分離到5個(gè)AP2/EREBP類轉(zhuǎn)錄因子基因，分別屬于兩個(gè)亞族。分別命名為DREB1、DREB1B、DREB1C、和DREB2A、DREB2B。2 DREB轉(zhuǎn)錄因子DREB在應(yīng)用方面研究進(jìn)展2.1DREB 轉(zhuǎn)錄因子在植物抗逆中的作用擬南芥DR EB1/ CB F 基因能夠誘導(dǎo)靶基因的表達(dá),從而提高轉(zhuǎn)基因煙草和蕓薹植物對(duì)低溫、干旱和氧脅迫的耐性10 。在擬南芥中過表達(dá)OsDR EB1A 基因,提高了轉(zhuǎn)基因植物對(duì)高鹽和低溫的耐性11 。玉米DR EB1 類

13、基因ZmDR EB1A 參與調(diào)控低溫應(yīng)答基因的表達(dá),提高了擬南芥對(duì)干旱和低溫脅迫的耐性12 。Xue等13,14 從大麥中分離到兩個(gè)CBF/ DREBl 類轉(zhuǎn)錄因子,分別命名為HvCBFl 和HvCBF2 ,它們的表達(dá)均特異性地受到低溫的誘導(dǎo),并均具有反式激活能力。Xue等15 在2004 年報(bào)道從大麥中克隆到另一與DRE結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子,命名為HvDRFl ,他們發(fā)現(xiàn)該基因的表達(dá)受干旱、高鹽脅迫和外源ABA 的誘導(dǎo),并且在胚中和籽粒成熟時(shí)期表達(dá)量升高。2.2rd29A因子DREB轉(zhuǎn)錄因子自被發(fā)現(xiàn)以來，很受人們的關(guān)注。有很多的科研工作者通過進(jìn)一步的研究，逐步的發(fā)現(xiàn)了更多的與植物抗性有關(guān)的轉(zhuǎn)錄基因

14、。如圖表1。有人將DREB2A及DREB2A CA的cDNA序列置于35S啟動(dòng)子轉(zhuǎn)入到擬南芥中，發(fā)現(xiàn)了在非脅迫條件下DREB2A CA轉(zhuǎn)基因植株中基因的表達(dá)量明顯高于DREB2A轉(zhuǎn)基因植株，但是前者的轉(zhuǎn)基因植株都出現(xiàn)了矮化的現(xiàn)象。使用了rd29A啟動(dòng)子以后，植株的矮化現(xiàn)象便會(huì)消除。有的基因在低溫或干早誘導(dǎo)下的表達(dá)需要ABA基因，有的基因就不需要ABA基因。比如說擬南芥的水分脅迫基因rd29B,就是一個(gè)依賴于ABA表達(dá)的基因。干早誘導(dǎo)型基因rd29A16在逆境下的表達(dá)式不需要ABA的參與的。Rd29A啟動(dòng)子區(qū)的序列為TACCGACAT。，在rd29A 基因的啟動(dòng)子區(qū)域含有2個(gè)20bp的正向重復(fù)序

15、列。核心序列為CCGA。表1 功能已被鑒定的DREB基因Table1: Functiom of DREB genes have been identified2.3 DREB 轉(zhuǎn)錄因子應(yīng)用前景的展望DREB 轉(zhuǎn)錄因子是一類與應(yīng)答植物干旱、高鹽和低溫逆境脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子,參與植物非ABA 依賴的滲透脅迫信號(hào)的傳遞途徑。雖然對(duì)的研究己經(jīng)取得了不少進(jìn)展, 對(duì)轉(zhuǎn)錄因子在逆境中的表達(dá)方式和調(diào)控機(jī)制有了一定程度的了解, 但依然存在許多問題有待進(jìn)一步研究。目前有關(guān)DREB 類抗逆境轉(zhuǎn)錄因子的功能及轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究大部分來自擬南芥,但有很多的問題有待人們?nèi)ラ_發(fā)，去研究，去解決。比如說, 對(duì)于上游調(diào)控基因的研究

16、還有待加強(qiáng)。再比如: DREB 類轉(zhuǎn)錄因子基因家族的成員是否和相同的順式元件結(jié)合或控制相同基因的表達(dá)等。我們中國是世界上人口最多的國家，從長期的和戰(zhàn)略的角度看，確保我國的糧食產(chǎn)量，保證我國糧食安全的根本出路在于不斷推進(jìn)農(nóng)業(yè)的科技進(jìn)步。站在全人類的角度，世界人口也在的迅速增長。還有，由于氣候、土壤等多種條件的限制，很多地區(qū)都無法大規(guī)模種植糧食作物；同時(shí)，自然災(zāi)害如突發(fā)性低溫天氣等也使糧食產(chǎn)量遭到巨大損失。比如說現(xiàn)在我國的云南省昆明市，全市受旱作物面積達(dá)84.7千公頃，已造成49萬余人、24萬余頭大牲畜飲水困難，庫塘蓄水與去年同期相比少蓄3.6億立方米。未來旱情發(fā)展范圍和程度將進(jìn)一步加深，將對(duì)農(nóng)業(yè)

17、生產(chǎn)小春作物生產(chǎn)和春耕春播用水產(chǎn)生嚴(yán)重影響，抗旱形勢(shì)十分嚴(yán)峻。 因此，提高植物的抗逆性對(duì)于培育抗逆作物新品種，提高作物產(chǎn)量具有重要的意義17。 參考文獻(xiàn) 1 Bray E A. Plant responses to water deficit J. Trends Plant Sci,1997,2:48-54.2 Holmberg N, Bulow L. Improving stresses tolerance in plants by gene transfer J.Trends Plant science,1998, (3):61-66.3Liu Q, Zhao N M, Yamaguchi

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20、by the DNA-binding domain of ethylene-responsive element-binding factor(ERF domain)in plantJ.J.Biol.Chem.,1998,273:26857-26861.8Liu Q,Kasuga M,Sakuma Y,et al. Two t ranscription factors, DR EB1 and DR EB2 , with an EREB P/ A P2 DNA binding domain separate two cellular signal transduction pathways in

21、 drought-and low-temperature-responsive gene expression, respectively,in ArabidopsisJ . Plant Cell , 1998 , 10 : 1391-14069Liu Q, Kasuga M,Sakuma Y,et al.Two transcription factors,DREB1 and DREB2,with an EREBP/AP2 DNA-binding domain separate two cellular signal transduction pathways in drought - and

22、 low - temperature responsive gene expression in Arabidopsis J . Plant Cell , 1998 , 10 :1391 - 1406.10 Agawam P K, Agawam P, Reddy M K, et al. Role of DREB transcription factors in abiotic and biotic stress tolerance in plants J .Plant Cell Reports,2006,25:1263-1274.11Dubouzet J G,Saknma Y,Ito Y,et

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