高等植物ACC氧化酶基因啟動子研究進展

2014-05-23 22:47:19吳健侯和勝

天津農業科學 2014年4期

吳健　侯和勝

摘要：啟動子是控制植物基因表達的重要DNA序列結構，本文從高等植物ACO基因啟動子克隆、順式作用元件分析及GUS基因表達等方面著眼，綜述該領域的研究進展。

關鍵詞：乙烯；ACO啟動子；順式作用元件；GUS基因表達

中圖分類號：Q943.2 文獻標識碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.04.005

作為植物氣體激素，乙烯廣泛存在于植物的各個器官和組織中，對植物種子萌發、根毛萌發、植物開花、果實成熟、器官衰老等有廣泛的影響。同時乙烯在植物生物和非生物脅迫的響應中也起到重要的作用，如機械傷害、冷害、漬水、病原菌入侵等方面，因此，抑制乙烯的產生可使許多重要農產品的運輸和貯藏更為方便，同時也延長了貨架期，可以增值增效。

早在1984年，Yang和Hoffman[1]就闡明了乙烯的合成途徑，見圖1。ACC氧化酶是乙烯生物合成途徑的關鍵酶，其在植物組織內的產量和活性往往決定乙烯產生的速率，因此，研究ACO基因表達調控的分子機制對全面了解乙烯對植物的生理效應及化控機理具有重要的意義。筆者主要闡述了高等植物ACO基因啟動子的研究進展，以期為今后ACO基因啟動子的研究提供有價值的參考。

1 ACO基因啟動子的克隆

啟動子在基因表達調控中起著重要的作用，目前，對植物ACO基因啟動子的研究主要集中在果實相關基因啟動子上，研究較深入的有番茄E4基因、E8基因、多聚半乳糖酸酶（PC）基因和2A11基因、蘋果ACO1基因啟動子，這些啟動子都與果實成熟過程中的基因表達有關，但彼此同源性很小，在29%以下[2]。除了番茄外，也相繼從其他多種植物中克隆了ACO基因啟動子（表1）。香蕉果實特異性ACO1啟動子序列與Genbank中其他的植物果實相關基因啟動子相比較，相似性很低，為19.9%～22.3%。其中與蘋果果實中表達的ACO基因啟動子的相似性為20.0%；蘋果果實ACO啟動子中有一段64 bp的正向重復序列，但與香蕉ACO1啟動子的55 bp正向重復序列并無相似性，說明不同植物中功能相似的基因，其啟動子間可能存在著很大的不同[3]。

2 ACO基因啟動子順式作用元件

啟動子序列結構具有差異性，不同物種、不同組織中的啟動子序列結構并不相同[5]。一般的啟動子序列由核心元件及上游元件組成，前者主要包括轉錄起始位點（TSS）及TATA-box，大部分高等植物啟動子都含有TATA-box；上游元件又分為一般上游元件如CAAT-box和GC-box和特殊上游元件如G-box等[6]。研究表明，多數參與逆境脅迫應答的基因啟動子序列中還存在一些特殊的順式作用元件，如病蟲害脅迫響應元件、高鹽脅迫響應元件、干旱脅迫響應元件等[7]。

在對歐洲葡萄、香蕉等植物ACO啟動子順式作用元件的分析，發現了不同的順式作用元件（表2），其中TATA-box、G-box、CAAT-box在歐洲葡萄、香蕉ACO啟動子中均存在，還發現在歐洲葡萄ACO2和香蕉ACO1啟動子中都存在熱響應元件HSE和茉莉酸甲酯響應元件TGACG-motif，說明不同植物ACO基因啟動子間可能存在相類似的功能，例如在熱響應、植物激素響應應答中起調控作用。而它們中也存在一些不同的順式作用元件，例如在歐洲葡萄ACO1、ACO2啟動子中都含有赤霉素響應元件TATC-box，而香蕉ACO1啟動子中沒有；在歐洲葡萄ACO1、香蕉ACO1啟動子中含有脫落酸響應元件ABRE，而歐洲葡萄ACO2啟動子中沒有；說明不同植物的ACO啟動子或相同植物不同ACO基因的啟動子，其含有的順式作用元件有差別，它們的功能可能也有不同。

3 ACO基因啟動子驅動的GUS基因表達

將不同植物ACO基因的啟動子片段與GUS報告基因連接，導入植物細胞，發現不同植物的不同器官中表達差異很大。

經GUS組織化學檢測后，90%甜瓜陽性轉化植株的花藥和80%甜瓜陽性轉化植株的成熟果皮被X-Gluc染成藍色，而對照（未轉化植株）與葉、莖、根、幼果中均未出現藍色，說明甜瓜ACO1基因的啟動子能夠調控GUS基因在轉基因甜瓜的花藥和成熟果實的果皮組織中表達，而不能調控在葉、莖、根、幼果中表達。在果實成熟期（在植株上未采摘之前），GUS基因首先在果皮中表達，而在果肉中未檢測到表達，說明甜瓜果實成熟過程中，果皮中GUS基因的表達，促進了乙烯的生物合成與果皮的成熟老化，使果實的硬度和貯運性降低[8]。

桃ACO1基因的啟動子能夠調控GUS基因在轉基因番茄和桃的葉片、子房、葉和果實的脫落區、果皮組織中表達，并且通過丙烯和機械傷害正向調節。桃ACO2基因啟動子能夠調控GUS基因在幼嫩的維管束、成熟的果實、衰老的葉片、果實和葉的脫落區組織中表達[9]。番茄ACO1啟動子在轉基因番茄中的成熟果實的果皮、衰老葉柄的脫落區、未受精的花、機械傷害部位中表達。這些結果表明，ACC氧化酶在轉錄水平上能夠調控多種不同發育時期的細胞類型和應對一些外界刺激[10]。

4 結語

乙烯代謝途徑是植物重要的代謝途徑，其相關酶基因的分子生物學研究越來越受重視。啟動子作為一種基因表達的重要順式作用元件，從1983年第一株轉基因植物問世以來，一直是基因工程中的研究熱點。隨著科學技術的不斷進步，將會有更多植物的ACO基因的啟動子被研究，從而使乙烯代謝途徑的轉錄調控機理得到更深入的了解，相信會有更多、更好的通過調控內源乙烯生物合成的轉基因的新品種出現，從而增加人們對植物基因表達調控的理解和認識。

參考文獻：

[1] Yang S F， Hoffman N E.Ethylene biosynthesis and regulation in higher plants[J].Annu Rev Plant Physiol，1984，35：155-189.

[2] 陳銀華，黃偉，王海.ACC氧化酶基因研究進展[J].海南大學學報：自然科學版，2006，24（2）：194-199.

[3] 王新力，彭雪賢.香蕉果實成熟相關基因ACO1啟動子區的克隆及其功能初探[J].生物工程學報，2001，17（4）：428-431.

[4] Atkinson R G， Bolitho K M， Wright M A， et al. Apple ACC-oxidase and polygalacturonase：Ripening-specific gene expression and promoter analysis in transgenic tomato[J].Plant Molecular Biology，1998，38（3）：449-460.

[5] 夏江東，程在全，吳渝生，等.高等植物啟動子功能和結構研究進展[J].云南農業大學學報，2006，21（1）：7-14.

[6] 王穎，麥維軍，梁承鄴，等.高等植物啟動子的研究進展[J].西北植物學報，2003，23（11）：2 040-2 048.

[7] 聶麗娜，夏蘭琴，徐兆師，等.植物基因啟動子的克隆及其功能研究進展[J].植物遺傳資源學報，2008，9（3）：385-391.

[8] 毛娟，陸璐，陳佰鴻，等.甜瓜CmACOⅠ啟動子組織特異性表達研究[J].園藝學報，2013，40（6）：1 101-1 109.

[9] Rasoria A， Bertolasib B， Furini A， et al.Functional analysis of peach ACC oxidase promoters in transgenic tomato and in ripening peach fruit[J].Plant Science，2003， 165（3）：523-530.

[10] Blume B， Grierson D. Expression of ACC oxidase promoter-GUS fusions in tomato and Nicotiana plumbaginifolia regulated by developmental and environmental stimuli[J].The Plant Journal，1997，12（4）：731-746.