植物干旱脅迫相關調控基因研究進展

王 霞 ，吳 霞 ，馬燕斌 ，馬 亮 ，李貴全 ，李燕娥

（1.運城學院生命科學系，山西運城044000；2.山西省農業科學院棉花研究所，山西運城044000；3.山西農業大學農學院，山西太谷030801）

在植物的整個生長發育過程中，不可避免地經受著干旱、鹽漬、低溫等各種非生物逆境的脅迫[1]。其中，干旱是最為普遍的逆境因子之一，干旱嚴重時往往會導致植物生理性脫水，進而影響植物代謝、光合作用等過程。對人類而言，干旱引起作物減產的影響是最為嚴重的。如何通過科學手段認識和了解植物的耐旱性及如何提高植物的耐旱性成為一項重要的科研目標。

迄今為止，隨著科研手段的不斷改進，已對植物與干旱之間的關系進行了從宏觀表型到微觀細胞基因的各項研究。近年來，隨著現代分子生物學與生物技術的快速發展，科研人員已經能夠從整個基因表達的水平上了解植物與干旱之間的關系，并且許多與干旱脅迫相關的不同功能基因已被證實。

本文主要概述了干旱脅迫時植物的調控性相關基因的研究進展，以期有助于進一步評價該類耐旱相關調控基因的利用前景。

1 植物耐旱脅迫中相關基因概述

植物應答干旱脅迫的發育過程受基因的精確表達所調控。根據耐旱相關基因功能不同，可以分為2類[2]：第1類是直接作用的功能基因。該類基因編碼產物在植物干旱脅迫過程中直接起保護作用，包括具有抗氧化作用的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶等，能夠合成滲透調節物質的甜菜堿脫氫酶基因、編碼催化甜菜堿合成的單加氧酶（CMO）等關鍵酶，以及保護生物大分子及細胞膜結構的蛋白質（如LEA等發育后期富集蛋白）。第2類為間接作用的調節基因。該類基因編碼產物通過調節別的基因表達應答干旱脅迫，主要包括MYC/MYB，脫水反應結合蛋白（DREB）類轉錄因子，感應和轉導脅迫信號的蛋白激酶（如MAP激酶等）以及與第2信使生成有關的酶類（如磷脂酶等）[3]。這2類基因通過復雜而有序的方式共同應答植物干旱脅迫，為保證植物正常的生長發育發揮重要作用。

2 耐旱相關調節基因及其分類

耐旱相關調節基因主要為轉錄因子（Transcription factor），它們編碼一類結構特征明顯、能調控其他基因表達的蛋白質分子。植物中的轉錄因子包括非特異性轉錄因子和特異性轉錄因子，其中，前者能夠非選擇性地調控基因的轉錄表達，而后者能夠選擇性調控某類或某些基因的轉錄表達。根據它們與DNA轉錄結合的蛋白結構域的不同特點，劃分為MYB/MYC，Zinc-finger，bZIP，DREB，MAPK等不同類型的轉錄因子[4-5]。

2.1 MYB/MYC類轉錄因子及其結構特征

植物中MYB蛋白中含有1～3個串聯的、不完全重復的MYB結構域（R1，R2和R3），有51～52個氨基酸MYB結構域肽段，可簡單分成3個亞類，即R1-MYB，R2R3-MYB和R1R2R3-MYB，每個MYB結構域折疊成螺旋-轉角-螺旋（HTH）的形式參與與DNA大溝的結合[6]。另外，其顯著特征是每隔約18個氨基酸被一保守色氨酸殘基所間隔，而這一色氨酸殘基與其空間結構中疏水核心的形成密切相關，且其前后都存在一些高度保守的氨基酸。

目前，MYB類轉錄因子在植物耐旱反應中的作用已被不斷證實。有研究發現，甘蔗的ScMYBAS1、菊花的CmMYB2在抗旱性和耐鹽性的誘導反應中都可以起重要作用[7-8]。棉花中GbMYB5基因的表達具有組織特異性，而且重金屬、PEG、脫落酸、赤霉素等外部條件的刺激都可以增強GbMYB5基因的表達[4]。

2.2 bZIP類轉錄因子及其結構特征

bZIP結構域的蛋白在所有的真核生物中都存在，是轉錄因子中較大的基因家族之一[9]。有研究表明，bZIP類轉錄因子在細胞中主要定位于細胞核中，如小麥的TabZIP1轉錄因子就被定位于細胞核中[10]。

另外，在bZIP類轉錄因子中，可根據堿性結構域及其他保守的結構域進行不同亞家族的分類，擬南芥中的75個基因家族成員以及大豆基因組中分離的131個GmbZIP類轉錄因子均可分為 A，B，C，D，E，F，G，H，I，S這 10 個亞家族[11-12]，這些不同家族成員可行使不同功能。其中，A亞族bZIP成員主要在種子、植物組織的脅迫信號調控中發揮重要作用；C亞族在種子發育和逆境脅迫中期發揮作用；D亞族基因參與防御病害和生理生長2種不同進程；E亞族與I亞族有相似的亮氨酸拉鏈結構，能起到調控基因表達的作用；G亞族在光信號轉導和種子成熟過程中起作用，擬南芥中的GBF3，CPRF1和CPRF4a具有光調控表達功能；H亞族只有HY5和HYH這2個成員，調控光合作用，參與光形態發生和光信號轉導；I亞族可能在維管的發育中起到重要作用；S亞族是擬南芥中最大的一個bZIP亞族，參與逆境脅迫和糖類信號代謝，但B亞族和F亞族報道較少。

此外，通過對bZIP轉錄因子的研究表明，將玉米ZmbZIP72轉到擬南芥中表達，可增強轉基因擬南芥的抗旱性和耐鹽性[13]。將辣椒的CAbZIP1基因轉入擬南芥，能夠提高其抗旱性和耐鹽性。而在轉基因擬南芥過量表達CAbZIP1基因時，植株表現矮化，推測該基因參與植物生長過程并起負調控作用[14]。

2.3 DREB類轉錄因子及其結構特征

DREB轉錄因子即干旱應答元件結合蛋白質，能與DRE/CRT順式作用元件結合，并激活下游基因的轉錄，使基因產物積累，進而調節植物體內各種生理生化反應[15-16]。這類轉錄因子具有典型的結構特征：N末端富含堿性氨基酸，為核定位信號區；C末端富含酸性氨基酸，為轉錄激活區；中間為58個氨基酸組成的AP2/EREBP結構域，其中，位于第2個β-折疊中的第14位纈氨酸（V）和第19位谷氨酸（E）對DREB轉錄因子與DRE順式作用元件的特異性結合起關鍵作用。目前，編碼DREB轉錄因子的基因從多種植物中被不斷克隆和研究。其中，構樹的BpDREB1，BpDREB2基因均能被鹽脅迫所誘導[17]；而鹽、低溫、干旱及ABA也能誘導銀中楊PaDREB基因的表達[18]。

2.4 蛋白激酶類

MAPK是一類存在于各種真核生物體中的Ser/Thr蛋白激酶，干旱、鹽害以及極端溫度等均能誘導和激活MAPK信號途徑。MAPK信號途徑包括 MAP3K，MAP2K和MAPK這3類蛋白激酶，通過依次磷酸化將上游信號傳遞至下游應答分子，并在多種不同的信號轉導途徑中充當一種共同的信號轉導成分發揮作用。有研究表明，低溫脅迫可誘導油菜中BnMPK6基因的表達[19]，水分脅迫會導致玉米葉片細胞產生氧化損傷，而MAPK對其抗氧化損傷起一定的正調控作用[20]。擬南芥MPK3，MPK4，MPK6轉化釀酒酵母hog1Δ突變體時，均恢復了hog1Δ對鹽脅迫的抗性及滲透調節作用[21]。此外，小麥、水稻和擬南芥大部分的MAPK基因家族都表現出組織特異性，在愈傷、葉子、花中的含量逐漸降低[22]。

CDPK是一種類鈣調素結構域的蛋白激酶，是植物中研究較多、了解較為清楚的一類蛋白激酶，與細胞Ca2+信號傳遞關系密切。CDPK的氨基酸序列具有3個功能區，N端由200多個氨基酸殘基組成，包含典型的Ser/Thr蛋白激酶保守序列的催化區；中間是由富含堿性氨基酸的20～30個氨基酸組成，是功能區中最為保守的連接區；C端為調控區，共有4個與Ca2+結合的EF手型結構，為CDPK所特有的區域。已有研究表明，CDPK與植物的脅迫反應關系密切，牧草短芒大麥HbCDPK基因參與低溫脅迫信號轉導，具有提高植物抗寒性的潛能[23]；番茄LeCPK2在熱脅迫應答中發揮重要作用[24]；另外，有報道對11個煙草屬CDPK基因進行系統進化樹分析，把它們歸為4個亞家族[25]。

此外，一些與第2信使生成有關的酶類與植物耐逆反應等也密切相關。磷脂酶是一類在生物體內可以水解甘油磷脂的酶，可分為磷脂酶A1（PLA1）、磷脂酶 A2（PLA2）、磷脂酶 B（PLB）、磷脂酶 C（PLC）和磷脂酶 D（PLD）5類。其中，PLD廣泛存在于植物的根、莖、葉等各種組織中，參與耐旱等脅迫的信號轉導，可提高植物對干旱等不良環境的抵御能力。目前，磷脂酶相關研究表明，PLDβ基因介導低溫信號轉導，參與脯氨酸和過氧化氫酶（CAT）活性的調控[26]。橡膠 HbPLDα1 基因的表達可被ABA等激素信號以及干旱等環境因子調解，可在對激素和環境信號的響應過程中發揮重要作用[27]。

3 結語

隨著現代生物技術的發展，當逆境發生時，植物如何感受逆境信號、傳導逆境刺激、激活一系列分子途徑并調控相關基因表達和生理反應以適應逆境已成為研究熱點。

人們通過各種方法鑒定和定位了很多與抗旱相關的基因，有的甚至獲得了這些抗旱基因的轉基因植株[28-29]。但是植物抗旱性的提高不是靠單個基因的轉移就能實現的，因為單個基因只能提高部分抗性。要從根本上提高作物的抗旱性，就要從不同層次、系統地對抗旱機制進行深入的研究，以找出更多的抗旱基因。另外，植物的抗逆反應不但涉及到眾多的基因，同時還是受多途徑調控的復雜過程。所以，今后應該加強植物特異和交叉共有的信號傳導途徑的研究，為作物的改良奠定良好的基礎。

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