全 文 ：植物生理与分子生物学 Plant Physiology and Molecular Biology
收稿　2000-04-17　　　　修定　2000-09-18
　 1　国家“九五”林业科技攻关项目(96-011-02-01)。
拟南芥中 CBF对 COR 基因表达的调控1
吴　楚　王政权(东北林业大学森林资源与环境学院 ,哈尔滨 150040)
CBF Regulates the Expression of COR Genes in Arabidopsis thaliana
WU Chu , WANG Zheng-Quan(Northeast Forestry University , Harbin 150040)
　　提要　拟南芥中 COR 基因的启动子含有 CRT/ DRE
元件 , 转录激活因子 CBF 蛋白与之结合 , 促进 COR 基因
的表达。 CBF 基因超表达不需要低温刺激就能促进COR
基因的表达而增加植物的抗寒性 ,显示其调节 COR 基因表
达的能力。作者对 CBF 基因和 CBF 蛋白的特性 、CBF 基
因表达与植物抗寒性之间的关系以及 CBF调节 COR 基因
表达的机理进行了介绍。
　　关键词　CBF　CBF 基因　抗寒性　拟南芥
　　在低温驯化期间 , 植物体内发生许多生理生化变化。
这些变化涉及到许多低温反应基因的表达与调控。到目前
为止 ,人们对拟南芥(Arabidopsis thaliana)内的几种 COR
基因(cold-responsive genes)及其编码的蛋白质特性与生理
功能进行了研究[ 15] 。如 COR 15 a 基因 , 它编码一种 M r为
15 000的多肽 , 以后又加 工成 M r 为 9 400 的多肽
(COR15am)。转基因研究表明 , 在-8 ～ -4℃的范围内 ,含
有COR15am 的原生质体比不含有 COR15am 的原生质体
更具有抗冻性 ,且 COR 15a 的表达能增加原生质膜的低温
稳定性(cryostability)[ 4] 。在-10～ - 4℃范围内 ,植物细胞
膜系统的伤害形式为 H Ⅱ相位的形成[ 6] , COR15a 的表达
能阻止 H Ⅱ 相位的形成[ 7] 。 Steponkus 等[ 8] 还提出了
COR15am 延缓 H Ⅱ相位形成的机理假设。 但 Thomashow
等[ 9]认为 , COR 15 a 单独表达对冰冻条件下植物生存没有
多大的影响 。COR15a基因的单独表达只能使叶绿体的抗
冻性提高 12℃, 使原生质体的抗冻性提高 1℃[ 4] 。在拟南
芥中 , 除了 COR15a 以外 , 还有 COR 6.6 、 COR47 和
COR 78等低温反应基因。在低温驯化期间 ,这几个基因也
能表达。 COR15a 与它们的协同表达可明显提高植物的抗
寒性[ 10] 。人们对 COR 基因协同表达进行了大量的研究 , 发
现了它们的转录激活因子 CBF ,这是近几年来植物低温分子
生物学研究中的最重要发现。本文就此问题作一综述。
1　CBF及其特性
　　在过去的几年里 , 人们一直致力于低温诱导基因表达
的研究 ,以寻找专一的顺式作用调节序列。 1994 年 , Yam-
aguchi-Skinozaki和 Skinozaki[ 11]首次在拟南芥的 RD 29 A 基
因的启动子区域中发现了 DRE 元件(dehydration-responsive
element)。 DRE 有一个核心序列 CCGAC , Baker等[ 13]把它
命名为 CRT(C-repeat)。 CRT/DRE 存在于许多低温反应
基因的启动子中[ 1 0] , 对于受低温诱导的 COR 基因和其它
基因具有重要性 ,如拟南芥内的 COR 15a 基因[ 13] 、小麦内
的 wcs120 基因[ 14] 以及芸苔属植物(Brassica napus)内的
BN115 基因[ 15] 。
低温驯化期间植物如何调节 COR 基因表达的分子机
理已有大量报道。人们已从拟南芥中分离鉴定了一种 cD-
NA 。这种 cDNA 能编码一种转录激活因子 , 这种因子能与
CRT/ DRE 结合[ 16] , 被命名为 CBF1(CRT/DRE binding fac-
tor 1)。 CRT/DRE 位于 COR 基因的启动子区域 , CBF1 与
之结合后 , 就能启动 COR 基因的表达。后来 , 人们在拟南
芥中又发现了 2种 CBF 激活因子 ,即 CBF2 和 CBF3[ 12 , 17] 。
这 2种多肽的 pI 较低 , CBF2 为 5.0 , CBF3 为 4.9 [ 12]。序列
分析表明 , 3 种 CBF蛋白的氨基酸序列大约有 88%完全相
同 , 91%相似 ,且表达模式也完全相同[ 12] 。 这 3 种 CBF 蛋
白的 M r 大约均为 24 000[ 17] 。此外 ,每种 CBF 蛋白都含有
一个 AP2 基元[ 18 , 19] 。 AP2 基元由 60 个氨基酸组成 , 是一
种 DNA 结合域[ 18 , 20] 。在许多植物中 , 这个基元是保守
的[ 19] 。 CBF1 的N 末端区域和酸性 C 末端片段中含有一个
潜在的核定位序列 ,该序列后面是一个 AP2 基元[ 16] 。此种
酸性 C 末端片段为激活因子区域[ 21] 。 3 种 CBF 蛋白均含
有识别蛋白激酶 C 和酪蛋白激酶 Ⅱ的潜在位点[ 22] 。其中
有些位点在CBF1、CBF2 和CBF3 中都是保守的 ,如 Ser-13 ,
Ser-56 和 Thr-151。 Ser-13 和 Ser-56 位于 AP2 基元内。
Vazquez-Tollo等[ 23]认为小麦中的低温反应基因 wcs120 受
核因子的调节 , 而这些核因子的结合活动又受到磷酸化/去
磷酸化的调节。据此 , Medina等[ 12]推测 CBF 蛋白中的磷
酸化潜在位点可能在 CBF的生理功能中起作用 。
2　CBF基因及其特点
　　编码 CBF蛋白质的基因为 CBF 基因。 CBF 基因家族
只有 CBF 1、CBF 2 和 CBF 3 3 种基因[ 12] 。这 3 种基因聚集
于拟南芥染色体 4 的短臂(bo ttom arm)72.8 cM 处 , 与分子
标记m600 和 PG11 紧密相连(图1)[ 17] 。在拟南芥染色体 4
上 , 这3个基因是连锁的 , 组成一个小型基因家族 。CBF 2
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DOI :10.13592/j.cnki.ppj.2001.04.033
位于 CBF 1 的下游 3 kb 处;CBF3 位于 CBF1 的下游 7 kb
处[ 12] 。
图 1　COR 基因和 CBF 基因在拟南芥
染色体中的位置
　　CBF1 为单拷贝或低拷贝数的基因 , 不含有中断可读
框(open reading frame)的内含子;CBF 2 和 CBF3 也不含有
内含子[ 12] 。 CBF2 与 CBF1 的可读框之间的相似性为
81%, CBF3 与 CBF 1 的可读框之间的相似性则为 84%。
CBF1 和 CBF2 基因都含有 651 个核苷酸 , 彼此之间有
84%完全一致。对这3 种基因的 5′区域进行分析表明 ,这 3
个基因的 5′区域的相似性中等。此外 ,它们还有与已知的
调节序列相似的序列。 CBF 基因中存在核心共有序列基
元 CANNTG。
5碱基序列 CAGCC 存在于 CBF 基因的启动子中。该
序列与 DRE 的核心序列 CCGAC 的排列方向相反。
CCGTC 序列只有 1 个核苷酸与 DRE 的核心序列 CCGAC
不同 ,并存在于 CBF1 的 5′区域[ 12] 。 3 个 CBF 基因的启动
子 5′区域在 DNA 顺序上只有大约 30%是完全相同的 , 且
包含许多小的缺失/插入。 Blackwell等[ 24]研究 CBF基因的
启动子 5′区域的结果表明 , 3 种 CBF 基因都含有多拷贝的
Myc蛋白识别序列 CANNTG ,还含有ACGT 核心 G盒子序
列[ 25] 。此外 , 3 种 CBF 基因的启动子区域中大致相同的位
置上含有内部重复序列ACAATTNNNACAATT[ 17] 。 这些
元件中哪个涉及 CBF 基因的低温调节表达 , 仍有待于研
究。
尽管在拟南芥的第 4 染色体上 CBF1 位于 CBF 2 和
CBF3 的上游 , 但 CBF 1基因的超表达对 CBF3 的转录物含
量没有影响 ,这表明 CBF 基因家族并不进行自我调节[ 17] 。
CBF 基因的启动子都不含有 CRT 序列 CCGAC , 这也说明
CBF 基因不能进行自我调节[ 17] 。 3 种 CBF 基因的启动子
结构见图 2 [ 17]。
3　CBF基因与植物的抗寒性
　　CBF 基因的表达物 CBF 能与 COR 基因启动子中的
CRT/ DRE 结合 ,启动 COR 基因的表达 , 从而增强植物的
抗寒性。
CBF 基因能对低温迅速作出反应。拟南芥植株被转入
图 2　CBF 基因的启动子结构
低温(2.5℃)中 , 15 min 内 CBF 转录物含量显著增加 , 并在
随后 12 h 内继续增加。2 h 后 ,转录物的含量开始下降 , 但
仍能维持较高的水平。 在 2 h 时 , 含有 CRT/ DRE 的 COR
基因(COR15a , COR78)的转录物才开始累积[ 17] 。 这说明
在时间顺序上 CBF 基因的表达在前 , 而含有 CRT/ DRE 的
COR 基因的表达在后。 CBF 基因如此迅速地对低温作出
反应 , 所以能及时地促进 COR 基因的表达。 COR 基因的
表达能维持膜在低温条件下的稳定性 , 延缓 H Ⅱ相位的形
成[ 7] ,由此可知 , 植物对低温作出反应后的重要步骤是维持
膜的低温稳定性。这说明膜系统伤害是低温伤害的原初位
置的论断是正确的。
CBF1 、CBF2 和 CBF3 基因在低温驯化期间都能超表
达。 CBF1 基因超表达不需要低温刺激就能诱导 COR 基
因的表达[ 10] 。 Jaglo-Ottosen 等[ 10] 构建了能超表达 CBF 1
基因的拟南芥 A6 和 B16。这两种转基因拟南芥不经低温
驯化就能产生比正常水平多的 COR 6.6 、COR 15a 、COR 47
和 COR 78的转录物。免疫印迹分析表明 , A6 和 B16 中的
COR15am 和 COR 6.6聚多肽含量增加 , 其中 A6 植物中的
COR 15 a 和COR 6.6 的表达更高。电解质渗漏实验表明 ,
CBF1基因的超表达增加了植株的抗寒性。 Jaglo-Ottosen
等[ 10]的实验还表明 ,未经过低温驯化时 , A6 和 B16 株系的
抗寒性较 RLD 和 T8 株系的抗寒性强 , 且 A6 的抗寒性比
B16 的抗寒性强[ 10] 。
4　CBF调节 COR基因的表达的机理
　　许多植物经过低温驯化后 , 抗寒性明显地提高。例如
黑麦 , 未经过低温驯化时放在-5 ℃条件下就会被冻死 , 但
如果经过一段时间的低温驯化后 , 黑麦就能抵抗-30 ℃的
低温。许多年来虽然人们一直在研究驯化低温是如何调节
植物的生理生化反应的 , 但对驯化低温的调节机理仍知之
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甚少。 CBF 基因的发现使人们对驯化低温的调节机理有
了更进一步的认识。 Gilmour 等[ 17] 曾提出一个 CBF 调节
COR 基因表达机理的假说(图 3)。他们设想了一个未知的
转录激活因子 ICE , 并认为 CBF 基因的启动子中存在一个
低温调节元件 ICE 盒子 , 转录激活因子 ICE 能识别此种
ICE盒子。在较温暖的环境条件下 , 转录激活因子 ICE 处
于不活动的状态 ,其原因可能是在细胞质中它被一种负调
节蛋白所隔离 ,或者是以不能与 DNA 结合的形式或以不能
激活转录的形式存在。当植物处于低温条件时 , 信号转导
途径被激活 ,从而引起转录激活因子 ICE 或相关蛋白发生
变化 , 这可促使转录激活因子 ICE 诱导 CBF 基因的表达。
这样植物就合成 CBF蛋白。 CBF 蛋白与 COR 基因启动子
中的 CRT/ DRE 元件结合 ,促进 COR 基因的表达 , 从而提
高植物的抗寒性。转录激活因子 ICE 不仅调节 CBF 基因 ,
还能诱导其它一些基因(“ X”)的表达。这些基因(“ X”)在
低温驯化期间起作用。
在这一假说中 ,有两个未知的组分 , 一个是转录激活因
子 ICE ,一个是 ICE 盒子。只有找到了转录激活因子 ICE
和 ICE盒子 , 图 3 中上面的低温调节级联放大才能成立。
在下面的低温调节级联放大中 ,“ X”是否存在必须加以证
实。
图 3　CBF 调节 COR 基因表达的机理
5　结束语
　　经过多年的努力 ,人们在植物中找到了调节 COR 基因
表达的转录激活因子 CBF蛋白 ,这在植物低温生理研究中
是非常重要的一步。然而 , 植物低温驯化的全过程是非常
复杂的 , CBF 蛋白调节含有 CRT/DRE 的基因的表达只是
其中的一个方面 ,且人们还不清楚植物又是如何调节 CBF
基因表达的。Gilmour等[ 17]提出的新机理假说无疑尚需以
实验证实。植物低温驯化过程中 , 膜不饱和脂肪的增加是
去饱和酶活动的结果。据此 ,可以推测存在这样一种可能:
即一种和 CBF 蛋白相似的蛋白质与编码去饱和酶的基因
的启动子中某一元件结合 , 促进编码去饱和酶的基因的表
达。去饱和酶使膜脂的不饱和度增加 , 从而最终增加膜脂
在低温条件下的流动性和稳定性。可以相信 , 随着分子生
物学技术的发展 , 人们对低温驯化机理的认识将更深入 ,从
而设法减轻农作物 、花卉和林木的低温伤害。
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植物生长物质研讨会暨
《植物生长调节剂应用》丛书编委会议纪要
　　植物生长物质研讨会暨《植物生长调节剂应用》丛书编委会议于 2001 年 5月 8 ～ 10 日在北京召开。该会议由中国植物
生理学会生长物质专业委员会主办 ,中国农业大学作物化控研究中心承办。娄成后院士 、潘瑞炽 、韩碧文等 16 位先生及学
会代表 ,化工出版社总编审等出席了会议。
娄成后院士在会上谈了 21 世纪我国植物生长物质研究 、应用的前景。原生长物质分会历届理事长和本届生长物质专
业委员会主任委员在会上分别作了发言。他们一致认为 ,年轻的植物生长物质工作者要不断发扬生长物质应用生产实践
的优势 、加强生长物质基础理论的研究 、不断地提高自身的研究水平。
应化工出版社的邀请 ,生长物质专业委员会已组织了有关专家编写《植物生长调节剂应用》丛书(共 10 分册 , 2002 年上
半年前陆续出版)。会议对已完成的 5 个分册的书稿进行了认真的审核 , 提出了编写和审核的意见 , 明确了编委会及责任
审稿人的责任和出版计划。
会议期间 ,召开了生长物质专业委员会扩大会议 , 计划 2002 年 11 月在广州召开“2002 年全国植物生长物质研讨会” ,
并就会议规模 、日程安排 、论文报告和承办单位等筹备工作进行了详细的讨论。
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