全 文 ：遗 传 E { I尺 E D I了认 S (月 e刁 i ng )2 6怜 ):3 9 4一 3 98, 2 0 0 4 专令仑与缭戈吃
拟南芥 C B FI 与植物对低温和干旱的抗性
刘粉霞` , 2 ,谭振 波 ` , 朱建清之 , 邓晓建 2
l(
. 北京市农林科学院北京农 业生物技术研究中心 .北京 l() 0 0 8 9 ; 2 . 四川农业大学水稻研究所 , 温江 6 1 11 3 0)
摘 要 :对冷驯化过程中基因表达差异 的认识 , 使抗冻基 因 ( C O 尺 ) 的克隆 及其功能 的分析成为研究冷驯化过程 的
主要 目标 。 在拟南芥和其他抗冻植物中 , 分离 了许多 (C )R 基因 , 这些基 因对植物抗冻起着非常重要 的作用 。 在拟
南芥 C〔双 调控 的研究中 , 发现 了 C B F 转录因子的基因家族 , 其中 C B FI 能调控一组 C口R 基因的表达 。 近年来 , 在
冷敏植物如番茄和玉米中也发现 了 C B F 类似基 因 , 拟南芥 C B F] 基 因在转基因番茄 中的过量表 达提高 了植株 的
抗寒和抗旱性 。 这 一研 究结果展示 了拟南芥 C B门 类似基 因的应用可能 为冷敏植物抗寒和抗旱性 的品种改 良提
供一条新的途径
关键词 : C ( )R ; C B F I ;低温和干旱胁迫 ;抗冻植物 ;冷敏植物
中图分类号 : Q 7 5 文献标识码 : A 文章 编号 : 0 2 5 3一 9 7 7 2 ( 2 0 0 4 ) 0 3 一 0 3 9 4 一 0 5
A r a b i d o P s i s 〔男 F l i n P l a n t T o l e r a n c e t o L o w
T e m P e r a t u r e a n d D r o u g h t S t r e s s e s
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A bs t r a e t
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M a n y e o l d
一 r e g u la t e d g e n e s ( C门R ) w e r e l s o la r e d a n d e h a r a e t e r i z e d in A ar b i d o P s i s a n d o t h e r e o ld
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K e y w o r d s
:
C门R : C B F ] ; l o w t e m P e r a t u r e a n d d r ( ) u g h t s t r e s s e s ; e o ld t o l e r a n t p la n t s p e e ie s ; e h il lin g一 s e n s i t l v e p la n t
S P e c l e s
植物暴露在 自然环境中 , 受到各 种环境胁迫 的影响 , 低
温和干旱是植物所面 临的重要 逆境因子 。 植物在低温 和脱
水反应过程中有 两种 主要途 径 , 其一 , 依赖 A B A 途 径 . 包括
A B A 应答元件和带 有 b iz p 基序 ( m ot if) 的 A B A 应答元件结
合蛋 白 ;其二 , 非依赖 A B A 途径 , C R T D R E ( C 一 r e p e a t一 d e l, y一
d r a t , o -n
r e s p o n s iv e e l
e
m
e n t ) 和 C B月 ( C R 厂 F / D R E一 b in d in g fa e -
ot : 1) 是这一途径里的重要元件 。
植物在冰冻温度 ( f r e e z in g t e m p e r a t u r e ) 生存的能力差异
是很 大的 , 热带地区 的植物根本没能力抵抗冰冻 , 而 温带地
区的草本植物依据不同品种则能从 一 30 ℃ 一 一 5℃ 的冰冻温
收稿 日期 : 2戈夕(〕3 一 0 3一 3 1 :修 回日期 : 2 0 0 3一 1 1一 自 6
基金项目 : 北京市 自然科学基金项 目 ( N o · 5 0 2 2 0 0 4 )资助鞋s u p p o r t o d b y B e l」; ,1 9 N a t u r a l S e i e n e e F o u n d a t i o n p r o g r a rn ( N o . 5 0 2 20 ( )注)』
作者简介 : 刘粉霞 ` 19 7魂 一 ) .女 ,硕 上研 究生 。 专业力一 向 : 作物遗传育种
通讯作者 : 谭振波 ( 19 6 4 一 ) ,男 · 博士 , 研究方 向 : 植物分 子’ 1物学 T 。卜。 l () 5 1 60 3 6 6 8 . E 一 m a l a : z ,l b o t a n @ p u b l i e 3 . b t a , n e t . c : 、
3期 刘粉霞等 :拟南芥 C BF I与植物对低温和干早的抗性 3 5 9
度生存下来仁’ , 2〕 。 Xi n 等利用化学诱变的方法获得 了拟南芥
与抗冻性有关的组成性突变体 ( c o n s t i t u t iv e m u t a n t s ) ,突变
体 。 sk l 不经冷驯化表现出较强 的抗冻性川 。 例如未经冷驯
化 的小麦 , 在 一 5 ℃ 时就会冻死 , 而经过冷 驯 化 , 则能在 一
20 ℃生存下来 。 植物对低温和干 早抗性的分子机理是从研
究这些植物在冷驯化过程中基因表达发生变化开始的 ,拟南
芥 、 油菜 、 小麦等抗冻植物 ( c o 正d t o le r a n t p la n t s p e e i e s )的抗
冻基因 ( e o ld 一 r e g u la t e d g e n e , CO R )和抗早基 因 ( r e s p o n s e t o
d
e
h y d
r a t i o n
,
R D )的克隆 、 这些基因启动子中 D R E 元件 ( d e -
h y d
r a t i o n
一 r e s p o n s iv e e l
e m e n t )的发现 , 以及能识别 D R E 元件
并与之结合的转录激活 因子 C B FI 在 调节这些基 因表达中
的作用使我们对植物低温和干 旱抗性的分子 机理有 了更 为
深刻的认识 「` , 5〕 。 随 后 , 在冷敏植物 ( e h i l lin g一 s e n s i t iv e p la n t
s p e e i e s ) 玉米 、 番茄中也克隆到了 C B FI 类似基因 ( C B FI 一 li k e
g en e)
, 拟南芥 C B F] 转基 因番茄的实验结果 表 明 拟 南芥
C B F I 能调节与抗寒性 ( 。 h il li n g t o l e r a n e e )有关的 C A T 基 因
的表达 , 虽然拟南芥 C B FI 转基因番茄不 能抗冻 ( Col d ot ler -
an ce )
,但其抗早性和抗寒性大为提高 。 因此 ,玉米 、 番茄等冷
敏植物 C B FI 类似基因 的研究及 其在抗低温 和抗干早 品种
改良中的应用近年来受到重 视 。
仪艰
1
.
1 C O R 基因的克隆及 C R T / D R E 的发现
拟南芥 、 油菜 、 大麦 、 小麦和黑麦等抗冻植物共同 的特征
是具有冷马{}化响应 ( c o l d a e e l im a t io n r e s p o n s e )的特性 , 即在
经过 o ’ C 以上至 10 ℃ 以下的低温锻炼后就具有抗冻的能力 ,
在一 5 ` C 一 一 30 ℃甚 至更低的冰冻温度下能生存下来 。 在这
一过程中 , 植物发 生 一 系列的生 理 和 生 化变化 , G uy 等 于
1 9 8 5 年还认为一些基 因的表达也发生 了改变 。 随后开 始了
分离 C 〔)尺基因 的研究工作 , 因此植物抗冻的分子机理基本
上是从研究冷驯化响应过程中一些基 因的表达开始的 。
许多研究已经证实 ,低温 和脱水胁迫 ( lo w t e m p e r a t u r e
a n
d d
e h y d
r a t io n s t r e s s )可 以诱导许多抗冻基 因和抗旱基 因
的表达 , 如拟南芥 C O R 基 因 。 T ho m as ho w 等从拟南芥中分
离鉴 定 了 4 个 抗冻 C O R 基 因 , 与此 同时 , S ih no az ik 和
Y a m
a g u e h i
一
S h i
n o z a
k i 在拟南芥中发现 了一组抗早基 因 ( r e -
s p o n s e t o d
e
h y d
r a t io n
,
R D )
,
D N A 序列 分析的结果表明 , 其
中 2 个 C (艰 基 因 与 R D 基 因 是 相 同 的 , 即 C O R 7 8 和
R D 2 9A
,
C〔〕R宝7 和 R D 1 7 分别是同一基因 [卜` 。〕 。 随后 , 在油
菜 、 小麦 、大麦 、黑麦等植物中也克隆到 仪少尺基因 , 这些基 因
也被称 为 L T I ( lo w t e m p e r a t u r e in d u e e d ) 、 K I N ( c o ld i n -
d
u e e
d )
、
R D ( r e s p o n s e t o d e h y d r a t io n )
、
E R D ( e a r ly d e h y d r a
-
t io n
一
i n d u e ib l
e )等 。
关于 C口R 基 因的表达 , T h o m as h o w 提 出了一个 (C艰 基
因表达的模式 ,认为低温和 脱水胁迫使 C O R 基因的启动子
被激发从 而诱导 CO R 基 因 的表达 。 S h in o z a k i 和 Y a r n a g u -
ch i
一
S ih n oz
a ik 于 1 9 9 4 年首次在拟南芥 R 2D 9A 基 因的启动子
区域中发现了含有 一个 5 碱基核心序列 C C G A C 的 D R E 元
件 , 它能在低温和干早等非 A B A 胁迫时激活基 因的表达 , 这
也说明它是通过一 种非依赖 A B A 途径调节抗冻和抗脱水基
因的表达 仁` o一川 。 B a k e r 等把核 心序列 C C G A C 命名 为 C R T
(-C
r e p e a t ) 〔` , 〕 。 C R T / D R E存在于许多低温反应基 因的启动
子 中 , 如 拟 南 芥 〔飞艰 2 a5 、 小 麦 cw s1 2口 , 以 及 油 菜
B Nl z s
[ ` 6 · “ , ` 3 , ’ ` ] 。 C〔 )R 基因启动子中 C R T / D R E 元件的发
现 ,使寻找与 C R T / D R E 结合从而调节一组 C O R 基 因表达
的转录激活 因子成为一件非常有意义 的工作 。
1
.
2 〔刀 R 在植物抗冻中的作用
冰冻温度对植物产生 的伤害表现在许多方 面 ,其中包括
来 自于 0℃ 以下低温造成植物组织的细胞间隙中形成的冰晶
体 。 随着细胞间隙中冰晶体的积累 ,冰晶体粘附在细胞膜 和
细胞壁上而对植物组织 和细胞产生 物理损伤 。 此外 , 在冰冻
温度下细胞间隙中冰的化学势能 ( 。 h e m ie a l p o t e n t i a l o f i e e )
比纯水低 ,当细胞间隙中冰晶体的形成导致细胞间隙中水势
( w at er p ot en it al )降低 ,结果使细胞内没结冰的水流向细胞间
隙中 , 细胞内外渗透压 的改变继而诱导细胞脱水 , 最终导致
蛋白质的降解和细胞膜的损伤 。
从不同植物中分离了许多 C 〔) R 基 因 , 根据氨基酸序列
的同源性将 C口R 基 因分成 4 类 。 这 些 C O R 基因编码 的蛋
白质有所不同 , 比如许多蛋 白质是 由少数几个氨基酸组成
的 ,有 的蛋白质是由氨基酸组成的基序 ( m ot if) 重复排列组成
的 ,但是这些蛋白质都具有极强的亲水性 , 能提高植物 的抗
冻能力 。 例如 , 拟 南芥抗冻基因 〔:O R 1 5 a 是 由低温 、 干旱 和
A B A 诱 导 表达 的 , 它 编码 一 种分子 量为 15 k D a 的多肚
C O R 1 5a
。 此多肤 运送 至 叶绿体基质片层中加工成成熟的
9
.
4 k D
a 多肤 C ( ) R 1 5 a m [ ` , , ’ 5 〕 。 此多肤是一个由 2 3 种氨基酸
组成 的基序 ( m ot if) 重复 4 次排列 , 可形成亲水 和亲脂性 (两
亲性 )的 a 螺旋 , 具有高度亲水性 , 并且在沸水中仍能保持溶
解状态 。 为 了 明确该 基 因 在抗 冻 中的 作用 , A r t us 等对
C O R ] s
a 转基因拟南芥叶绿体 、原生质体的抗冻性进行鉴定 ,
C O R 1 5
a 转基因拟南芥叶绿体的抗冻能力 比对照提高 I O C 一
2
’
C
,但是冷锻炼的拟南芥叶绿体的抗冻能力 比对照 提高了
6℃ l5[ 习 。 C 口R 15a 转基因拟南芥原生质体在 一 8 ℃ 一 一 4 ℃范
围 内保持较高 的存活 率 ,但是冷锻炼的拟南芥原 生质体在
一 8 ℃ 一 一 2℃ 范 围 内保持较 高的存活率 。 因 为在 一 4 ` C 一
一 2℃ 的低温对细胞 的伤害是由于细胞的扩 张所引起的细胞
溶解 ;在 一 8 ℃ 一 一 4 ℃ 的低温下 , 主要是由于形成六角形 1
相脂对膜系统产 生伤害 。 由此推测 C 《〕R 1 5 a 基 因的表达可
减少膜遇冷时所产生 的由脂双层向六角形 n 相转变的发生
率仁, 6 , ` ’ J 。 于是 S t e p o n k u 。 等提 出一 个假说 :某 些两亲性的 。
螺旋对膜磷脂层内部的弯曲性有很强 的作用 ,并影 响到它们
形成六角形 1 相 [ ” ] 。 这个内部弯曲假说 ( in t r i n s e c u r v a t i o n
h y p
o t h e s i s )解释 了 C O R 1 5 a m 增 加植物细胞抗冻性的机制 。
3 6 9遗 传 H E尺 E Dl l几 A S( Be i, i n g ) 2 0 0 4 2 6卷
它也可以解 释其他 C口 R基 因编码 的亲水多肤的作用 。 它们
都有两亲性 a 螺旋的区域 , 因此都可能通过影 响膜磷脂层 内
部的弯曲性来稳 定膜结构 以抵抗由于冰冻和干旱引起的细
胞脱水而造成的膜伤害 。 尽管 C 〔)R 15 a 转基因拟南芥在器
官和细胞水平 (叶绿体 、 原生 质体 ) 的抗冻性 提高 了 , 但是植
株的抗冻性并没有显 著提高 。 因此 , 认为单个 C日R 基因不
足 以明显提高植株 的抗冻能力 ,这是因为植物的抗冻性是由
多基因控制 的 。
2 C B F I
2
.
I C日1F 墓 因及其产物蛋 白的特性
s t o e k
i n g e : 等于 1 9 9 7 年在研究拟南芥低温事l{化 期 间如
何调节 C O尺 基因表达 的分子机理时 , 从中分离 鉴定了 一种
c D N A
, 这种 c D N A 能编码一种转录激活因子 , 这种因子含有
A P Z
/ E R E B P I) N A 结 合域 ( D N A一 b in d in g d o m a l n ) 能识 别
C口 I之基因中的 C R T / D R E 元件并与之结合 ,故命名为 C B FI
( C R T / D R E
一
b i
n d i n g f
a e t o r l
, 即 C R T / D R E 结 合 因 子
l) ;.[ `
·
, 2
, ’ “」 。 后来人们发现 C B FI 基 因属 于 一个包括 ( 书 F Z 、
C B翻 和 C B F 4 基 因 在 内 的 C B F 基 因 家 族日 ’ , `3 `9 ·州 。
C 扫川 、 C B脚 和 C 月厂3 基因聚集在拟南芥 4 染 色体 的短 臂
上f ` , ’ 9 , 2` ,二 , 而 c 月 F 4 定位 在 5 染色体上「2 , 〕 。 T h o m a s h o w 等
人的研 究结果表 明 C B月 过量表达能诱导 一组 C口R 基 因的
表达 , 提高植物抗冻性比 8 , `吕」 。 随后 S hi n oz a ik 对 拟南芥做 了
类似的试验 , 证明 了 C B凡 过量表达除 了能提高植株抗冻 性
外 , 还 能提高植株 对 干 旱 的 抗 性 , 故 又 把 C B月 命 名为
D R E B I ( D R E
一
b i
n d i n g l 犷5刁 。 C B IF 、 C B刃 和 C B F J 基 因又
分别被称为 D尺E B l b汉次 E B l c 和 D R E B l a ifL, 2` 」
D N A测序结果表 明 C B IF 、 C B凡 和 C B F 3 基 因的阅读
框架 ( o p e r l : e a d i n g f r a m e )不 含 内含 子 「, 9 , 2 2〕 , 而且 C B FZ 和
c B F 3 与 c B F I 的序列具有较高 的 同源性 , 分别为 81 % 和
84 %
。 此外 , 在拟南芥及其他植物中 ,口3 F 基因启 动子 中含
有核心序列基序 C A N N T G , 该基序存在于许多受 环境胁迫
和 A B A 调节的基因启 动子 中帅 侧 。
从 C B F I 基 因的 D N A 序列使我们能够推测 C B FI 蛋 白
的特性 。 C B FI 蛋白是 由 21 3 个氨基酸组成 ,分为 4 个 区域 ,
N 末端区 (氨基酸残基 1 一 3 2 ) ,潜在的核定位信号区 ( 3 一
4 4 )
.
A P Z 域 ( 4 5 一 1 0 6 ) , 酸性 区 ( 2 0 7一 2 1 3 ) 「, 3礁 。 在 A P Z 域后
半部的高度保守 的核心区域能够形成两亲性 。 螺旋红“ 飞 。 其
中 A P Z域有 60 个氨基酸残基组成 , 是一种 D N A 结合域 , 迄
今仅在植物蛋白中发现的 D N A 结合基序 。 O h m o T ak ag i 和
S hi ns hi 曾报道 , 与乙 烯应答元件 、 G C -C 重 复元件 ( G C C一 r e -
p ae t) 等顺式作用 元件相结合的 A P Z 域 ,存在 于拟南芥 A P -
E T A L A Z
、
A BI T E G U M E N T A
、
T IN Y
、
A t E B P 蛋 白和 R A P Z
蛋白家族以及番茄的 乙烯应答元件结合蛋白和 玉米 G z。 、川 5
的产物中〕 ·州 。 S tco k in ge r 等根据酵母转化 的试验结果认
为 c B F Z 蛋 白是 一 个转录激 活 因子 ( t r a n s e r ip t i o n a l a c t iv a -
t o r )
, 其酸性区 在转录激活作用 ( t r a n s e r i p t io n a l a e t iv a t io n )过
程中发挥 了主要作用际 22〕 。 K a na y a 等从大肠杆菌转化体中
分离并 纯 化 了 C B F’l 蛋 白 , 当 温 度 变 化时 (低温 一常温一低
温 ) , C B月 蛋白在不含变性剂的水溶液中发 生局部冷变性 ,
但 A P Z 域则发生热变性 ,这样 , A P Z 域才不会因为低温变性
产生结构破坏而影响 C B IF 与 D N A 的结合 。 局部冷变性被
认为是 C召1F 蛋白的一大特性 , 在冷驯化过程中可能起很重
要的作用加弓 。
2
.
2 C B F] 对 “ 艰 基 因表达的调控
当植物处于低温时 , C B F 基 因的转录水平能在 15 分钟
内迅 速提高 , 2 小时后含有 C R T / D R E 元件的一组 C口R 基 因
得以表达 , 而 C B IF 基 因的过量表达并不影 响 C B F 3 的转录
水平 , 说明 C B F 家族并不进行自我调 节「` , , 2。〕 。 此外 , H a ke
等的试验结果表 明 C B 4F 的表达是由干早和 A B A 诱导 , 而
非低 温 [ 2 , 」 。
在酵母转化细胞中 , C B FI 、 C B凡 和 C B F了能够激 活启
动子 中含有 C R T / D R E 报告基 因 的表达 。 在 C B F] 、 C B刃
和 C B F 3 转基因拟南芥植株中 , 不需 低温刺激 , 3 种 C B F 基
因的组成表达能够激活含有 C R T / D R E 的靶基因的表达 , 从
而提高植株的抗冻性 [ ’ , ` , 5 · ` 9〕 。 J ag fo 等把拟南芥 C B F 基 因转
人油菜中 , 不需低温刺激 , C B F] 、 C B FZ 和 C B F 3 基因的组成
表达 引起 了转基 因油菜 B司 15 和 B n 2 8 (与 C (艰 6 . 6 具有高
度的同源性 ) 的积累 ,提高了植株 的抗冻性 。
C B月 蛋白的一大特性是局部冷变性 。 K an a y a 等通 过
C D 光谱和凝胶过滤分析的结果表明冷变性发 生在第 1一 40
和 1 4 7 一 21 3 氨基酸残基处 , 完 整 的和剪切的 C B FI 蛋白在
凝胶中的滞留时间 ( r et e nt io n it m e) 和沉降速度分析的结 果
表明 : ( 1 ) C BFI 蛋白以单体形式存在 ; ( 2 ) C B F] ( l 一 2 1 3 )的
形状不是球形的 , 而是伸展的 , 而 C B FI ( 41 一 1 4 6) 可能是球
形 的 ; ( 3) C B FI 分子 的体积在 4 ’ C 时大 于在 25 ℃ 时 ; ( 4) 在
4 心和 25 C分 子体积不 同 , 且这种 差 异 随着蛋 白质 剪切 度
( tr u n ca lt o n) 的增加而减小 , 说 明局部冷变性伴随着蛋 白质
分子 的伸展 。 在体外 , C B FI 蛋白在常温和近 零点温度都能
与 C R T / D R E 结合 。 然 而 , 常温条件下 ,拟南芥的 C B FI 蛋
白不能激活 C口R 基因的转录 。 因此 , 温度下 降才能使 C B FI
蛋白一 C R T /D R E 复合体由一 个阻 遏子 ( r即 er s so r )转化成一
个活化子 ( a e t iv a t o r ) 。 于是 K a n a y a 等提 出了 C B FI 转 录激
活作用的两种可能模型 : ( 1) 由低 温引起的 CB FI 蛋白局 部
冷变性启动 了 C 〔艰 基 因的转录作用 , 因为由冷变性引起 了
分子 的伸展 ,使 C B FI 分子更易于与启动或激活基因转录的
因子相互作用 ; ( 2) 存在其他辅 因子 ( C of ac t or S ) , 常温下它们
与 C B FI 结合阻遏了转 录作用 ,但低温条件下 , C B FI 蛋白的
局部冷变 性使得这些辅因子 释放出来 , 导致转 录作用川〕 。
Ja g lo
一
o t ot se n 等报道无低温刺激时 C B FI 的过量表达诱导
C (〕R 基因的表达 , 表明 可能缺乏 一 些 阻遏 子 抑制转录作
用 [ 6 , 1 污二。 S t o e k in g e r 等报道拟南芥 C B FI 蛋白诱导 C 口R 基
3 期 刘粉霞等 : 拟南芥 C B F] 与植物对低温 和干旱的抗性 3 9 7
因的表达需要 A D AZ 、 A D A 3 和 G C N S 等蛋白的参与川 。
3 C B F I 在其他植物中的同源性
3
.
1 油菜 〔忍F 类似基因
油菜和拟南芥一样能够冷驯化 , 有类似的 C B F 冷 应答
途径 。 Ja gl o 等川 以拟南芥 C B F] 基 因为探针从油菜 C D N A
文库中筛选出了编码 C B F 类似蛋白的 2 个 。 D N A 克隆 , 说
明油菜中存在 C B F 类似基因 。 油菜 C B F 类似基 因编码 的
蛋白质 ,其氨基酸序列 的 同源 性达到 92 % ,与拟南芥 C B FI
大 约有 76 % 的同源性 , 尤其在 A P Z/ E R E B P D N A 结合域的
同源性更高川 。
3
.
2 大麦 、 小麦和黑麦 〔万 F 类似基 因
油菜和拟南芥的亲缘关系较 近 , 即使与拟南芥的亲缘关
系更远 的植物大麦 、 小麦 和黑麦中也存在 C B F 类似基 因 。
C h io 等从 大 麦 的 。 D N A 文 库 中 筛选 出 了 C B F 3 基 因
( H v C B F 3 )
,并且定位在大麦 的 5 号 染色体上 , 能诱导大麦
c O R 基因的表达从而提高植株的抗冻性 〔23j 。 J ag fo 等以拟
南芥 C B F 基 因为探针也从小麦和黑麦 CD N A 文库中分别筛
选 出了编码 C B F 类似蛋白的 c D N A 克隆 ,说明小麦和黑麦
中也存在 C B F 类似基因 。 S h ha n 研究小麦抗冻性基因时推
测可能有单个或多个 C B F 基因存在于小麦 5 号染色体很小
的 区域内2[’ 〕 。 在低温条件下 , 小麦和黑麦 C B F 类似基 因转
录产物能 迅 速 积 累 ( 15 一 30 分钟 ) , 2 小时 后 W C S ] 2 0 /
C。 又3 9 基因家族转录产物开 始积累 。 W C S 12 O /C O R3 9 基
因家族与拟南芥 C〔〕R 4 7 的同源性较高 ,有一个潜在 的 C B F
靶位点 , 因为它的启动子能被低温激活且含有多个拷 贝 的
C R T / D R E 核心序列 C C G A C仁, 〕 。
3
.
3 冷敏植物番茄和玉米 C B F 类似基因
拟南芥 、 油菜 、 大麦 、小麦和黑麦共同的特征都是冷 驯化
植物 ,最近 的研究结果表明不能冷驯化 的植物番茄和玉米也
存在 C B F 类似基 因 。 在番茄表 达 序列标签 数据 库 ( ex -
p r e s s e d s e q u e n c e t a g d
a t a b
a s e ) 中发 现有 C B F 的 同 源 序
列 l[, ’ ` , 25〕 , 从番茄 c B F 类似基因 D N A 序列 推测 的氨基酸序
列与拟南芥 C B FI 有 53 % 的同源性 , 并且有特征序列 P K K /
R P A G R
x K F x E T T H P 和 D S A WR 「` ] 。 B u r r e n 等和 Q in 等报
道在玉米基因组中存在一个拟南芥 C B FI 类似基因 , 且定位
在玉米 6 号染色体上 26[ 〕 。
4 展 望
与冰冻温度对抗冻植物产生伤害的表现相 比 ,低温主要
使冷敏植物受到氧化胁迫 ( 。 x ida it v e S t r es s ) ,从而使植物细
胞产生活性氧物质 ( R O )S , R O S 具有相 当高的活性 , 过多积
累将对线粒体等细胞器的膜类脂 、 蛋 白质 、 叶绿素和核酸等
分子产生氧化作用 , 尤其导致膜 系统的结构发生不 可逆的损
伤 ,使组织器官失去生理平衡 ,从而制约甚 至停止植物的生
长 。 经过 1 0一 1 4℃ 寒锻炼 ( 。 h i lli n g a e e lim a t io n )的冷敏植物
能增强对 。一 10 OC低温 的抗性 , 在寒锻炼过程中一些编码抗
氧化酶的基因诱导表达 (如番茄 C A IT 、 玉米的 C A 3T 和水
稻 C A -T A 以及线粒体 M n S O D 和 叶绿体 F o S O D 、 C u/ Z n -
S O D 等 ) , 从而 清 除 活 性氧物质 使植物 的 抗寒性 大为提
高 〔2 , 」 。
在利用 拟南芥 C B IF 进行抗寒和抗早品种的改良方 面 ,
拟南芥 C B FI 转基因番茄抗寒性 和抗早性大为提高 ,但是以
C O R 为探针对拟南芥 C B F ] 转基因番茄 以及寒锻炼的番茄
进行 N or t he m 杂交 , 结果表明没有 CO叹 表达产物的积累 。
以番茄 ( :A 刀 为 探针 对拟南 芥 C B F I 转 基 因 番茄进 行
N or ht er
n 杂交 ,结果显示积累了 G A IT 的表达产物 。 进 一步
对 玉米的 C A刃 和水稻 C A -T A 等基 因的 D N A 序列进行分
析 , 发现这些基 因 的启动子都含有 拟南芥 C B FI 识别的
C R T / D R E 类似序列 , 由此推测 番茄 C A IT 基因的启动子也
有可 能含有拟南芥 C B F I 识别的 C R T / D R E 类似序列 , 拟南
芥 C B FI 可能 以直接或 间接的方式调 控番茄 C八 T l 基 因的
表达 2[’ ,川 。 尽管目前仍不清楚 C B FI 是否也 以某种方式 调
控冷敏植物其他的抗寒和抗早基因的表达 ,但是值得进一步
研究冷敏植物 C B FI 类似基因的功能 , C B F] 类似基 因 的应
用也许为冷敏植物抗寒和抗早 品种的改良提供一条新的途
径 [ 5 , 1` , , ` , 25 〕 。
参 考 文 献 ( R e re r e n e e s ) :
仁l」 J a g l o K R , K l e f f S , A rn u n d s e n K L , Z h a n g X , H a a ke V , Z h a n g J
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P l a n t P h夕 5 10 1 , 2 00 1 , 1 27 : 9 1 0 ~ 91 7 .
T h o m a s h o w M F
.
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P l a n t P h 夕 5 1 0 1 , 1 99 8 , 1 18 : l ~ 7 .
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A ar b id o P s i s C B F I o v e r e x P r e s s i o n i n
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1 9 9 8
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2 8 0
: 10 4 ~ 1 0 6
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2 0 0 2
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2 96 ( 5 57 1 )
: 1 2 26一 1 2 29 .
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抗冻植物 C O穴 基 因的分离 、 C口R 基因启动子中 C R T /
D R E 的发现 、 C B FI 克隆及其对一 组 C O R 基因的调控作用 ,
使我们对植物抗冻的分子机理有 了深人的 了解 。 另一方面 ,
许多热带 、 亚热带作物如玉米 、水稻 、番茄 、 马铃薯和黄瓜等
属于重要的粮食和蔬菜作物 , 这些作物不能冷驯 化 , 也 不能
在冰冻温度下生存 , 通常在 O一 15 ℃ 的温度 下就会受到冷害
( e h i lli n g d a m a g e )
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