安徽农业科学,Journal of Anhui Agri 责任编辑李占东责任校对李岩 DREB转录因子提高植物抗非生物胁迫的研究新进展 李春瑶,何龙飞,王爱勤 (广西大学农学院,广西南宁530005) 摘要DREB是植物生长调节过程中重要的转录因子之一,在与逆境相兼基因的表达、提高植物对逆境胁迫适应性中发挥重要作 用。综述了DREB转录因子的结构特点,以及近年来该基因在抵御干旱、低温、高盐等非生物胁迫中作用的研究进展,指出今后应加强 DREB下游基因及其网络的研究。 关键词DREB转绿因子;非生物胁迫;抗性 中图分类号S188 文献标识码A 衷章编号05l —66l1(2015)30—037—02 New Progress in DREB Improy ̄g Antiabiotic Strem Ability in Hl ̄er Plants LI Chun-yao,HE Long-fei,WANG Ai-qill (College of Agronomy,Guangxi University,Nanning,Guangxi 53ooo5) Abstract Dehydration responsive element binding protein(DREB)is one of the most important transcription factors,which play an important role in regulating the expression of stress—related genes and improving their adaptability to adversity stress in plants.In this paper,structure char- acteristics。and new progresses of the effects of DREB in improving the antiabiotic stresses such as drought,low ̄perature,salt were summa- rized.It is the main research fields to study the downstream genes and regulating network of DREB in tklo future. Key words DREB transcription factor;Abiotie stress;Resistance 植物在自然界中生长,会受到诸多不良因素的影响,如 逆基因的表达。 干旱、高温、低温、盐胁迫和病虫害等,这些自然灾害是导致 DREB转录因子含有一个保守的AP2/EREBP结构域 农作物减产的重要因素。因此,通过植物本身的抗逆机制来 (APETAL舵/ethylene responsive elementbinding protein.AP— 提高作物对逆境胁迫的耐受性,对可持续农业生产具有重要 ETALA2/乙烯应答元件结合蛋白),为由57~7O个氨基酸残 的意义。由于植物的生长周期长、植株抗性提高的幅度有 基组成的DNA结合区。因含AP2保守结构域数目的不同, 限,因此,传统的育种方法已无法满足现代农业生产的需 分为AP2亚家族和EREBP亚家族。AP2亚家族含有2个 要…。随着基因工程技术手段的不断发展完善,通过基因工 AP2结合域,主要参与细胞的生长发育。EREBP亚家 程手段,提高植物本身的抗性显得越来越重要。 族仅含有1个AP2结合域,主要调节植物对激素(乙烯)、病 提高植物抗性基因工程主要采用的外源基因可分为两 原、逆境(干旱、低温、高盐等)等的应答 。DREB转录因子 类:一类是编码直接参与抗逆性反应的蛋白质,如抗冻蛋白 属于EREBP亚家族,能特异性拈结合DRE元件(5 .TAC. 等;另一类则是编码参与信号传递途径和基因表达过程 CGACAT一3 ,dehydration resp,o ̄sivo element,脱水响应元件)或 的转录因子。转录因子因其可调节数量众多的与逆境相关 具有DRE元件核心序列CCGAC的元件,进而逆境诱导 基因而成为抗逆基因工程中常用且有效的基因。目前已发 基因的表达。 现了多种与非生物胁迫相关的顺式作用元件及转录因子,这 Dl 类转录国予在非生物胁迫中的作用 些转录因子基因又可以进一步划分为多个亚家族,如 自Stockinger等 和Hu等 首次从拟南芥cDNA文库 AP2/EREBP、MYB、NAC、MYK和ERF等。在植物逆境胁迫 中分离到编码DREB蛋白的CBF1、DREB1A和DREB2A基 反应中,转录因子DREB起着重要的作用,可以同时与 因以来,已从拟南芥、水稻、大豆、小麦、大麦、棉花、玉米、番 植物生长发育、细胞周期及应答干旱、低温、高盐等逆境胁迫 茄、杨树等植物中克隆到大量的DREB类基因,NCBI上检索 基因的表达,调节抗逆的生理生化反应,从而使植物农艺性 到已克隆DREB基因的mRNA序列有441条。 状得到综合改良。 近年来研究发现,在逆境胁迫诱导下,DREB转录因子 1 DREB基因的结构与功能 其表达量在短时间内迅速增加,并能够与DRE/CRT顺式作 DREB(dehydration responsive elerment binding protein)是 用元件特异结合,在转录水平上一系列与干旱、低温、高 植物中重要的转录因子,它是一个干旱应答元件结合蛋白。 盐等抗逆性相关基因的表达,从而引起渗透调节物质的提 DREB转录因子一般分为4个功能区域:DNA结合域 高,如脯氨酸、蔗糖含量等,增强植物对多种环境胁迫的抵 (DNA binding domain)、核定位信号区(nuclear 1ocalization 抗性 。 signa1)、转录调节区(transcription regulation domain)及寡聚化 1 DREB类转录因子在提高植物耐干旱胁迫中的作 区(oligomerization domain),通过这些功能区域作用于启动子 用水分亏缺是全球农业发展面临的最严重问题之一[7]。 元件或与其他转录因子的功能区域相互结合,从而实现对抗 我国约有50%的农作物生长于干旱和半干旱地区。干旱的 发生导致植物体内水分减少,光合速率降低,干物质减少,从 基金项目 广西自然科学基金项目(2011GXNSFAO18069)。 作者简介 李春瑶(1989一),女,广西恭城人,硕士研究生,研究方向 而阻碍植物的生长发育。 植物分子生物学。 通讯作者。 目前,在多种植物中均发现了与抗旱相关的DREB转录 收稿日期 2015-09.16 因子。IJi等例将AtDREB1A基因转化黑麦草,转基因植株超 38 安徽农业科学 氧化物歧化酶和过氧化物酶含量明显高于野生型植株,且具 转基因研究进一步证实了DREB类转录因子具有提高 植物抗寒能力的功能。张晓娇等 以携带逆境诱导转录因 子AtDREB1A基因的地被菊‘秋艳’转化株系‘1805’为母本, ‘亚冬之光’为父本,人工授粉杂交,获得杂交后代,与非转基 因对照植株相比,5个杂交后代株系在低温环境下存活率都 在60%以上,脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性比对照植株 有更强的耐旱性和耐寒性。于洋等 对转DREB1A基因地 被菊进行了耐旱性研究,在6个转基因地被菊株系中,其中 有5个株系的耐旱性比野生型植株好,且在高温条件下更加 突出,说明导人外源DREB1A基因,能激活植物体内与抗逆 性相关基因的表达,从而提高转基因地被菊对干旱胁迫耐受 性。以rd29A启动子转DREE2B基因的甘蔗,在干旱条件下 提高了后代植株的水分利用效率、抗氧化物酶活性和脯氨酸 含量,抗旱性明显提高。将受rd29A驱动的At—DREB1A基因 转入高羊茅,转基因植株对干旱的耐受性也显著提高 。 杨英杰等 将拟南芥AtDREB1A基因转入菊花“秋艳”品种 中,进行干旱后复水处理,野生型植株的存活率为43.8%,而 转基因植株的存活率达到89.6%。Wang等 将2周龄的 转OsDREB1F基因水稻和野生型水稻苗暴露于空气中控水 处理5 h后,野生型叶片严重卷曲,茎表现出弯曲,而转基因 水稻仅在叶尖处表现出轻微的卷曲。孙晓波等 将转&一 DREB基因烟草苗与转化pCAMBIA2301空质粒烟草苗转移 至含有20%PEG6000的MS液体培养基进行模拟干旱试 验,处理3 d后,对照烟草植株叶片萎蔫严重,并出现枯黄, 而转基因烟草叶片仍保持正常的叶色和伸展状态。周伟 从玉米品种B73中克隆得到了一个DREB1/CBF转录因子 基因即ZmDREB1B,ZmDREB1B的超量表达明显提高拟南芥 的抗旱性。Ma等 将从铃铛树中克隆得到的HhDREB2基 因导人拟南芥中,经干旱处理21 d后复水,转基因植株存活 率明显高于野生型,且能够正常开花结果。Reis等 将由 Rabl7压力诱导型启动子驱动的AtDREB2A基因转入甘蔗 中,干旱处理4 d后,转基因型植株的相对含水量以及叶水势 明显高于野生型,同时甘蔗的糖分累积以及萌芽率也提 高了。 这些研究结果表明DREB基因的过量表达能激活植物 体内与抗逆性相关代谢,引起渗透调节物质的含量增加,提 高抗氧化酶活性和水分利用效率,从而提高了植物的耐 旱性。 2.2 DREB类转录因子在提高植物耐低温胁迫中的作 用遭受低温胁迫时,植物生长缓慢,代谢弱,根系吸水减 少,蒸腾作用减弱,质膜透性变大等,生长发育严重阻碍。 DREB类转录因子在植物中的表达可提高植物的耐寒性。 刘志薇等 发现在4℃处理下,迎霜、安吉白茶、云南十里香 3个茶树品种中CsDREB-A4基因表达量均在24 h时达到最 大值,分别为对照的23、4、43倍,表明低温诱导下Cs DREB- A4表达量提高增强了植株对低温的耐受性。Gupta等 通 过基因芯片技术从宽叶独行菜cDNA文库中分离到编码 LaDREB1b基因,其在低温诱导下表达,生长56 d的宽叶独 行菜在4℃处理6 h后,LaDREB1b基因相对表达量在0~ 12 h急剧升高,在12 h达到最大值,相对表达量为对照的 15.24倍,而后缓慢降低,但24 h时仍为对照的13.45倍。表 明LaDREBlb响应低温诱导表达,提高了植株的耐低温胁迫 能力。 明显增高。Chen等 和Zhang等口¨研究发现,由 CAMV35S驱动的GmDREB3和OsDREB1D转基因拟南芥在 经低温(一6℃,30 h)处理后的恢复培养(22 ,5 d)中有更 高的存活率。Chen等 从蒺藜状苜蓿中分离得到 一 DREB1C,将其再转入到蒺藜状苜蓿以及中国玫瑰中,一6℃ 低温处理60 h后,恢复到(25±2)℃5 d,野生型植株存活率 为0,而转基因型植株的存活率则高达73.7%。这些结果说 明DREB外源基因的导入,导致抗冷基因表达水平提高从而 使作物耐低温物质含量增加,增强植株的耐低温胁迫能力。 2.3 DREB类转录因子在提高植物耐盐胁迫中的作用 孙 晓波等 将转SsDREB基因和野生型烟草苗分别转移到含 有300 mmol/L NaC1的MS液体培养基进行耐盐试验,处理3 d后,野生型烟草开始出现叶片叶缘卷曲、心叶萎蔫等现象, 而转基因烟草植株没有明显变化,表明SsDREB在烟草中的 过量表达能够增强转基因烟草对盐胁迫的抗性。Bouaziz 等 将从马铃薯中克隆得到的StDREB1基因转入马铃薯 中,用100 mmoL/L的NaC1处理,野生型植株在处理5 d后叶 片边缘出现萎蔫,20 d后完全死亡,而转基因型植株在处理 20 d后,叶片仍呈现绿色状,表明&D衄81在转基因马铃薯 中的过量表达大大增强了耐盐胁迫能力。Ma等 将从铃 铛树中克隆得到的HhDREB2转入拟南芥中,用200 mmo ̄L NaC1处理21 d后,HhDREB2过量表达,转基因植株相对野 生型植株表现出更高的存活率。Jin等 将从大豆中克隆得 到的GmDREB1基因,以Rd29A为启动子构建表达载体后转 入紫花苜蓿中,并用0—400 mmo ̄L的NaC1浓度梯度进行处 理,当浓度到达200 mmo ̄L时,野生型植株出现了萎蔫死亡 的现象,而当浓度到达4OO mmo ̄L时转基因植株才出现萎 蔫现象,在40O mmoL/L浓度处理60 d后,植株才出现死亡现 象。以上研究表明,在高盐胁迫下,DREB转录因子的过量 表达,使植株耐盐胁迫能力大大增强。 3展望 转录因子在植物生长发育以及提高植株抵御非生物胁 迫能力方面发挥着重要作用。DREB转录因子是植物中重 要的转录因子之一,已经从玉米、水稻等作物中克隆得到 DREB类转录因子,通过表达和转基因研究部分验证了基因 的功能。但仍存在许多问题有待进一步研究,如DREB类转 录因子的下游基因,植物抗逆性是许多基因相互叠加的 综合效果,形成了极为复杂的基因表达网络,这些 网络结构及其DREB类转录因子在其中的作用等。在今后 的研究中,应利用不断发展和完善的基因工程技术,如基因 芯片、组学等,进一步阐明转录因子对提高作物逆境胁迫能 (下转第53页) 43卷3O期 李兆云等獐牙菜属植物研究进展 53 性广、毒副作用小、安全性高、资源丰富等优点,已受到越来 越多的关注。虽然前期已对其做了大量的研究工作,但由于 獐牙菜属植物的种类较多、成分复杂、药理作用机制尚不完 全明确等诸多原因使得这一类植物不能被广泛应用。但由 [9]文莉,陈家春.紫红獐牙菜对STZ糖尿病小鼠的降糖作用【j].中国药 师,2007,10(2):140—142. 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