全 文 ：植 物 对 干 旱 胁迫 的 分 子 反 应 *
宋松泉1* * 王彦荣2
( 1 中国科学院西双版纳热带植物园,勐腊 666303; 2兰州大学草地农业科技学院, 甘肃草原生态研究所, 兰州 730020)
=摘要> 干旱胁迫是影响植物生长发育的主要因子. 渗透保护剂的合成和积累、脱水伤害的修复、自由基
清除酶和 LEA 蛋白基因表达的增量调节能增加植物的耐干旱性. 植物在干旱条件下至少有 4 条信号转
导途径, 其中 2 条信号途径是依赖 ABA 的,另外 2 条途径是不依赖 ABA 的. 在植物干旱胁迫的信号转导
中, 双组分的组氨酸激酶可能起渗透感受器的作用, Ca2+ 和 IP3 可能是脱水信号的第 2 信使. 转基因植物
是一种评价编码蛋白功能的良好系统.
关键词 干旱胁迫 基因表达 ABA 信号转导 转基因植物
文章编号 1001- 9332(2002) 08- 1037- 08 中图分类号 Q945. 17 文献标识码 A
Molecular r esponse of plant to drought str ess. SONG Songquan1 and WANG Yanrong2( 1Xishuangbanna Trop2
ical Botanical Garden , Chinese Academy of Sciences, Menla 666303; 2 College of Pastor al Agr iculture Science
and Technology, Lannzhou Univer sity; Gansu Gra ssland Ecological Research Institute , Lanzhou 730020) . 2
Chin . J . Appl. Ecol . , 2002, 13( 8) : 1037~ 1044.
Drought stress is a bottleneck factor for plant growth and development . Synthesis and accumulation of osmopro2
tectants, up2r egulation of gene expression implicated in repair of desiccation injury, free radical2scavenging en2
zymes and late2embryogenesis2abundant( LEA)protein could increase the drought tolerance of plant. There are at
least four pathways of signal transduction in plant subjected to drought str ess, two are abscisic acid( ABA)2depen2
dent , and two are ABA2independent . In the signal tr ansduct ion of plants encountered drought stress, two2compo2
nent His protein kinase could act as an osmosensor, and Ca2+ and inositol tr iphosphate( IP3) could be the second
messenger for dehydration signaling. Transgenic plant is an excellent system in evaluating function of encoded
protein.
Key words Drought stress, Gene expression, ABA, Signaling transduction, T ransgenic plant.
* 国家重点基础研究发展规划资助项目( G2000048704) .
* * 通讯联系人.
2002- 04- 14收稿, 2002- 05- 09接受.
1 引 言
当植物蒸腾速率超过水分吸收速率或土壤缺乏植物可
利用的水分时,植物发生干旱胁迫. 干旱胁迫是植物逆境最
普遍的形式,在许多地区是农业发展的瓶颈 ( bottleneck) . 据
统计,世界干旱、半干旱地区占地球陆地面积的 1/ 3, 我国干
旱、半干旱地区约占国土面积的 1/ 2. 植物是不能移动的, 在
它们的生活周期中至少在某些阶段会遇到短暂的相对水分
含量下降. 植物对干旱胁迫的反应能够在几秒钟内(例如蛋
白质磷酸化状态的变化)或者几分钟和几小时内(例如基因
表达的变化)发生, 主要取决于物种和基因型、水分丧失的强
度和持续时间、发育的年龄和阶段、器官和细胞的类型以及
亚细胞分室作用( compartmentation) [ 5] .
为了适应干旱胁迫 ,许多植物产生高度耐脱水的结构,
如种子、孢子或者花粉;一些与干旱胁迫有关的保护性物质
及其基因被诱导增加表达[ 8, 16] . 干旱、盐和结冰诱导的脱水
构成了直接的渗透胁迫,冷和低氧可能通过影响水分吸收和
丧失,间接地引起渗透胁迫[ 30] .
尽管对干旱胁迫引起的伤害或者植物的耐旱性机制还
不清楚, 对控制植物干旱胁迫反应的调节网络( regulatory
network)也不完全了解,但近几年来关于植物干旱胁迫的分
子反应的研究报道在快速增加. 在干旱胁迫的信号转导方
面,至少通过 ABA 和一些反应基因的启动子组件( promoter
module)的研究,已取得了长足的进展. 本文就干旱胁迫诱导
的蛋白质/基因的潜在细胞功能、干旱胁迫对基因表达的调
节、干旱胁迫的信号转导以及评价基因功能的转基因植物等
方面的研究进展进行综述.
2 干旱胁迫诱导的蛋白质/基因的潜在细胞功能
研究植物对干旱胁迫的分子反应的策略主要是利用脱
水耐性系统、遗传模式物种(如拟南芥)的突变体以及具有不
同干旱耐性水平的农作物品系[ 13, 16] . 脱水耐性系统包括一
些能够耐严重脱水的专一器官(如种子 )或植物种类(如复活
植物、苔藓和蕨类植物) . 通过对这些系统的分子分析,揭示
了含有耐脱水性的遗传信息的表达. 分析遗传模式物种的突
变体是研究植物干旱耐性的第 2种策略. 这个系统利用详细
的遗传信息、众多的突变体以及可用的位点基因克隆. 例如
通过分析 ABA 缺乏的番茄( Lycoper sicum esculentum )突变体
和马铃薯( Solanum tuberosum ) 叶片下垂的突变体, 明确了
ABA 在脱水耐性中的作用. 第 3 种研究植物干旱耐性的策
略是利用在农业上具有重要经济价值的作物, 以及分析它们
应 用 生 态 学 报 2002 年 8 月 第 13 卷 第 8 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug. 2002, 13( 8)B1037~ 1044
在干旱胁迫后的反应.因为通过广泛的育种或者体外筛选( in
vitro select ion) ,可以获得具有不同耐性水平的品系, 从而寻
找在干旱反应中涉及的基因.
在不同的植物中,许多基因对干旱胁迫起反应. 利用差
示筛选( different ial screening) ,已经克隆了由干旱胁迫增量调
节的基因,其中最大的基因家族是系列胚胎发育后期高丰度
表达的蛋白( late2embryogenesis2abundant proteins, LEA 蛋白)
的相关基因. 而另一些基因可能与水分缺乏植物的次生胁
迫( secondary stress)有关,例如 pcht28(编码一种酸性内几丁
质酶)和 SC514(编码脂氧合酶)增加对病原体的感病性[ 16] .
图 1总结了在胁迫耐性和胁迫反应中干旱胁迫诱导基因的功
能.
图 1 在胁迫耐性和胁迫反应中干旱胁迫诱导基因产物的功能
Fig. 1 Funct ion of drought2stress2inducible gene products in st ress toler2
ance and st ress response.
基因产物主要分为两组:在干旱胁迫耐性和细胞适应性中涉及的功
能蛋白,在胁迫反应时可能在基因表达和信号转导中起作用的调节
蛋白T he gene products are mainly classified into two groups: funct ional
proteins that are involved in drought2stress tolerance and cellular adapta2
t ion, and regulatory proteins that may function in gene expression and
signal transduct ion in st ress response. MAPK:分裂素活化的蛋白激酶
Mitogen2act ivited protein kinase; MAPKKK, MAPK:激酶Kinase; S6K:
核糖体 S6蛋白激酶 Ribosomal S6 protein kinase; CDPK:依赖于 Ca2+
的蛋白激酶; 142323蛋白,一种通过激酶调节和蛋白质2蛋白质相互
作用的信号分子[ 9]Calcium2dependent protein kinase; 142323 protein, a
signaling molecule act ing by kinase modulat ion and protein2protein interac2
t ions[39].
211 代谢相关基因
复活植物 ) ) ) Cra terostigma plantagineum 在干旱和
ABA处理时, 编码 32磷酸甘油醛脱氢酶的 cDNA 表现出增加
表达[ 16] ,蔗糖磷酸合酶和蔗糖合酶的总转录水平在对干旱
的反应中立即增加[ 9] . 在冰叶日中花 (Mesembryanthemum
crystallium) 中, 编码磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 ( phospho2
enolpyruvate carboxylase)的 mRNA 被干旱诱导, 说明了景天
科酸代谢 ( cr assulacean acid metabolism )的重要性, 这种代谢
途径是许多植物在干旱胁迫条件下生长的主要反应, 能使植
物在水分丧失最少的条件下固定 CO2[ 51] .
蛋白酶也可能是一种胁迫代谢( str ess metabolism)的重
要特征,它能摒弃冗余的蛋白质和使液泡贮藏的多肽解聚,
从而为新蛋白质的大量合成提供氨基酸[ 6] .
212 渗透调节和结构调节基因
植物对干旱胁迫的一种反应是在细胞质中合成和积累
非毒性的渗调保护剂 ( osmoprotectants)或亲和性溶质 ( com2
pat ible solutes) [ 30, 42] . 脯氨酸、甘氨酸甜菜碱、甘露醇和山梨
醇等无毒的渗调保护剂在植物中能积累到较高的水平,而不
破坏细胞的代谢作用.其中一些渗调保护剂在植物中能够保
护酶和膜免受高盐浓度的伤害,另一些则能防止活性氧的伤
害[ 42] . 最广泛研究的亲和性溶质脯氨酸是从 L2谷氨酸经过
( v 12二氢吡咯252羧酸 ( v 12pyrroline252carboxylate, P5C)合成
的,由 P5C合成酶( P5CS)和 P5C还原酶( P5CR)催化. 在拟
南芥( Arabidopsis tha liana )中, 脯氨酸的合成和代谢被水分
缺乏控制. P5CS酶由干旱胁迫、盐和 ABA 诱导,而 P5CR 则
不被干旱胁迫、盐和 ABA 诱导[ 55] . 由脯氨酸脱氢酶催化的
脯氨酸降解为 P5C被水分缺乏抑制,以及被脯氨酸和重新水
合诱导[ 22] . 有趣的是, 脯氨酸的运输也可能被水分状态调
节. 一个编码专一的脯氨酸运输体的基因 ProT 2 被水分缺
乏所诱导(不是 ProT 基因家族的所有成员都被水分缺乏诱
导) [ 33] , 表明脯氨酸在整个植株中的分布可能是渗调物起作
用的重要方面[ 5] .
当拟南芥受到水分胁迫(叶片水势约为 - 1. 6 MPa)时,
叶片中内源甘氨酸甜菜碱的含量比对照叶片增加 18 倍左
右[ 54] . 在水分胁迫处理过程中,外源甘氨酸甜菜碱( 10 mmol
# L - 1)处理的菜豆( Phaseolus vulga ris)植株比未处理的植株
维持较好的水分状态,表现出缓慢的叶片水势下降和较好的
从萎蔫中恢复的能力,而且克服水分胁迫对 CO2 吸收和叶绿
素荧光的不利影响[ 53] .
在水分缺乏过程中,通道蛋白基因( channel prot ein gene)
的表达证明了通道蛋白与干旱胁迫有关 . 豌豆 ( Pisum
sativum )的 7a cDAN 编码具有离子通道特征的多肽, 拟南芥
RD28 cDNA 和 C. plantagineum H225 cDNA 编码公认的水
分通道蛋白(water channel proteins) [ 16] .水孔素( aquaporin)是
运输水分的膜蛋白家族[ 46] , 在对水分缺乏的反应中可能涉
及控制细胞的水分状态. 菠菜 ( Spinacia oler acea )的质外体
水势影响 2 种水孔素的磷酸化状态. 水孔素的磷酸化作用增
加通道的水分运输能力. 因此, 已经提出在水分缺乏过程中
降低磷酸化状态将延缓水分从细胞中丧失[ 18] .
已经证明干旱胁迫引起细胞壁的化学组成和物理性质
发生改变(如伸展性) ,这些变化可能涉及编码 S2腺苷蛋氨酸
合成酶的基因[ 10] . 在非胁迫条件下, S2腺苷2L2蛋氨酸合成酶
基因的增加表达与木质化发生的区域有关. 因此, 在干旱胁
迫组织中的增加表达也可能是由于细胞壁的木质化作用. 在
延长干旱胁迫条件下, 细胞壁伸长停止, 接着木质化过程开
始[ 16] . Espar tero 等[ 10]也发现, 真菌诱导物( fungal elicitor )引
起 S2腺苷2L2蛋氨酸合成酶的转录物与细胞壁形成需要的其
它酶(如 S2腺苷2L2高半胱氨酸水解酶或者甲基转移酶)的转
1038 应 用 生 态 学 报 13卷
录物协同诱导( coinduction) .
213 降解、修复和解毒基因
已经从豌豆和拟南芥中分离了编码与蛋白酶序列相似
且被干旱诱导的蛋白质基因,这些酶的功能之一可能是降解
由干旱效应伤害的不能恢复的蛋白质[ 16] . 在拟南芥干旱胁
迫早期,编码泛素延长蛋白( ubiquit in extension protein) (通过
蛋白水解过程获得活性泛素的融合蛋白)的 mRNA 水平增
加[ 21] . 这种 mRNA的增加对蛋白质降解是重要的, 因为泛
素具有标记变性蛋白质的作用[ 4] . 在干旱胁迫过程中 ,蛋白
质残基可能被脱氨作用、异构化作用或氧化作用等修饰, 因
此,很可能具有蛋白修复功能的酶在干旱反应中被增量调
节.实际上, 苔藓对脱水的反应主要是修复作用[ 31] . 这种修
复过程的一个实例是L2异天冬氨酰甲基转移酶( L2isoaspartyl
methyltransfer ase)能够使受伤害蛋白质中的被修饰的 L2异天
冬氨酰残基转化成为 L2天冬氨酰残基[ 16] .
由差示筛选分离的干旱诱导的 2 种基因产物具有类似
于热休克蛋白的序列[ 21] . 这些编码蛋白可能是与蛋白质修
复有关的伴侣蛋白( chaperonin)帮助在干旱胁迫过程中变性
或者错误折叠的蛋白质恢复它们的自然构型. 低分子量的
热休克蛋白( low2molecular2weight heat shock protein) 也可能
是伴侣蛋白. 热休克蛋白的其他功能可能是在细胞受到干
旱时与专一的 mRNA 结合[ 13] .
解除在氧代谢过程中产生的有毒中间产物的酶(例如谷
肽甘胱还原酶( glutathione reductase, GR)和超氧化物歧化酶
( superoxide dismutase, SOD) )在对干旱胁迫的反应中增加. 降
低叶片含水量和随后的气孔关闭导致 CO2 的可用性降低和
活性氧类(例如超氧阴离子自由基)的产生. 在干旱过程中
光呼吸活性也伴随着产生 H2O2的乙醇酸氧化酶活性的增加
而上升. 这是编码解除活性氧种类毒害的酶(例如抗坏血酸
过氧化物酶)和 SOD 的基因在对干旱的反应中被增量调节
的原因[ 16] .
2. 4 LEA 蛋白
目前已经知道, 在发育的棉花 ( Gossypium hir sutum ) 胚
中最早发现的 LEA 蛋白或转录物不仅存在于多种植物, 如
豌豆、大豆 ( Glycine max )、油菜 ( Brassica napus )、胡萝卜
( Daucus carota )、蓖麻籽 ( Ricinus communis)、番茄、向日葵
( Helianthus annuus)、拟南芥和一些禾谷类植物的胚中, 与种
子的脱水耐性有关[ 3, 13] , 而且也存在于幼苗和成年植株中,
它们可以在转录水平上为 ABA、高渗透浓度和干旱胁迫所诱
导[ 20] , 具有保护幼苗和植物营养组织免受脱水伤害的作用.
已经证明,许多在干旱胁迫植株的营养组织中和成熟脱水的
种子中表达的 lea 基因有相似之处[ 16] . 脱水处理常常能够
诱导种子中 lea 基因提前表达, ABA 也能诱导种子和营养组
织中 lea 基因表达[ 20] . 在旱生植物的脱水过程中, 一些与
LEA 有关的蛋白家族能被诱导产生, 例如耐脱水的 C. plan2
tagineum 在脱水状态下能够较长时期存活, 重新水合后几个
小时内就可完全恢复生理活性[ 16] .
LEA蛋白在细胞中的浓度通常很高. 例如, 在成熟的棉
花胚细胞中, D7 LEA 蛋白大约占非细胞器胞质蛋白的 4%
(接近 0. 34 mmol# L- 1) . 从亚细胞水平来看, LEA 蛋白主要
定位在细胞质中. 经 0. 1 mmol# L - 1ABA 处理的成熟玉米
(Zea mays) 籽粒中, 较多的种子脱水素定位在靠近芽端
( shoot apex)和根端( root apex)细胞的细胞质中,但其他组织
包括糊粉层、盾片薄壁组织、盾片表皮、维管束源和胚叶细胞
的细胞质和核中也存在脱水素蛋白[ 16] . 在玉米胚的盾片薄
壁组织细胞中的常染色质( euchromatin)和细胞骨架元件( cy2
toskeletal element)也可能是脱水素定位的场所[7] .
LEA蛋白的共同结构特征是由偏性氨基酸组分( biased
amino acid composition)形成的高度亲水的多肽[ 16, 20] . 大多
数 LEA 蛋白缺乏半胱氨酸和酪氨酸残基, 但富含赖氨酸和
甘氨酸,推测棉花 D19 蛋白的氨基酸顺序含有 13% 的甘氨
酸和 11% 的谷氨酸.此外, LEA蛋白还具有高温溶解性[ 16] .
LEA蛋白具有高度的亲水性, 因此在细胞结构中的分布可能
不具有专一性;它们具偏性氨基酸组成, 且在细胞中的浓度
较高,不可能起酶的作用[ 16] .
3 干旱胁迫对基因表达的调节
311 在干旱胁迫过程中对 ABA起反应的基因表达
在植物营养生长过程中,当植株被暴露在干旱胁迫的条
件时,其内源 ABA含量增加. ABA 在触发植物对逆境刺激的
反应中是 1 种必需的传递体(mediater) [ 25] . 许多干旱胁迫诱
导的基因需要内源 ABA 的增加, 且对外源 ABA 处理起反
应[ 16] ,但在 ABA 缺乏( aba )或者ABA 不敏感( abi)的拟南芥
突变体中,由 ABA诱导的干旱胁迫基因的表达分析证明, 在
干旱或者冷条件下一些胁迫诱导的基因不需要内源 ABA 的
积累[ 16, 38, 39, 41] . 因此, 在干旱胁迫反应中, 不仅有依赖于
ABA 的途径, 而且有不依赖于 ABA 的途径. Sninozaki
等[ 39, 41]研究发现, ABA 对一些基因的诱导需要先进行蛋白
质的合成,在胁迫条件下内源 ABA 的产生与基因表达之间
至少存在 2 条独立的途径.
在干旱条件下至少有 4 条不同的信号途径起作用: 2 条
信号途径( b 和 c)是依赖 ABA 的, 而另外 2 条途径( a和 d)是
不依赖 ABA的; d 途径与低温反应途径 ( e)部分重迭, 依赖
ABA的 b途径需要蛋白质的生物合成(图 2) [ 41] .
许多干旱胁迫诱导的基因能被外源 ABA 处理增量调
节. 一些植物在干旱和高盐条件下内源 ABA 含量大量增
加[ 5, 16] . 在依赖于 ABA 的 c途径中(图 2,途径 c) , 干旱胁迫
诱导的基因表达不需要蛋白质的生物合成[ 39, 41] . 这些干旱
诱导的基因在它们的启动子区域含有潜在的 ABA 反应元件
(ABA2r esponsive element, ABRE; PyACGTGGC) . ABRE 在
ABA调节的基因表达中起顺式作用, 具有顺式作用 DNA 元
件 ( cis2acting DNA element ) 的功能. ABRE 最初在小麦
( Tr iticum aestivum) Em 和水稻( Oryza sativa ) rab 基因中被
鉴定[ 16] . G2盒类似于 ABRE 的模序 ( motif) , 在红光、紫外
光、厌氧和伤害的植物基因调节中起作用[ 39] . ABRE 和G2盒
结合蛋白的 cDNA 已经被分离, 紧接在亮氨酸2拉链模序
10398 期 宋松泉等:植物对干旱胁迫的分子反应
( Leu2zipper motif, bZIP)之前具有 1 个碱性区域, 构成 1 个大
的基因家族. 已经证明, ACGT 核心模序( ACGT core motif)
周围的核苷酸决定bZIP 蛋白的结合专一性. 此外, 为了限定
图 2 拟南芥中原初干旱胁迫或冷胁迫信号与基因表达之间的细胞
信号转导途径
Fig. 2 Signal t ransduct ion pathways between signaling of primary
drought st ress or cold st ress and gene expression in Arabidopsis
thal iana .
至少有 6条信号转导途径: 2条途径是依赖 ABA 的( b, c) , 其他 4 条
是不依赖 ABA的( a, d, e, f) . 胁迫诱导的基因 r d29A/ cor 78/ l ti 78,
rd29B/ lt i65, rd22和 erd1被用来分析基因表达和信号过程的调节.
abi 1、abi2和 era1涉及 ABA 信号. hos5在与 DREB2 有关的脱水信
号中起作用, sf r 6、hos1和 hos2 在与DREB1/ CBF 有关的冷信号中起
作用. hsk1通过一个不依赖 DRE的过程涉及对冷的反应. 细的和粗
的箭头分别代表在脱水反应的基因表达中涉及的次要和主要的信号
途径. 虚线箭头代表在低温反应中涉及的信号途径[ 41] There are at
least six signal transduct ion pathways. Two are ABA2dependent ( b, c) ,
and the another four are ABA2indepen dent ( a, d, e, f) . Stress inducible
gen es, rd29A/ cor 78/ lt i78, rd29B/ l ti65, rd22 and er d1 are used to
analyse gene expression and regulation of signaling processes. abi1, abi 2
and era 1 are implicated in ABA signaling. hos5 is involved in signaling
related in DREB2, and sf r 6, hos1 and hos2, in cold signaling related in
DREB1/ CBF. hsk1 responses to cold by a DRE2independent process.
Arrows with thin line and with thick line represent second and primary
signaling pathways implicated in gene expression of dehydrat ion re2
sponse, respect ively. Arrows with dot ted line represent signaling path2
ways implicated in low temperature response [41].
ABRE 的功能, 需要 1 个偶联元件 ( coupling element ) , 在
HVA22基因的调节中组成 ABA 反应复合物( ABA2respon2
sive complex) [ 39] .
在干旱胁迫条件下和种子脱水过程中有一些顺式作用
元件( cis2acting element) , 而不是 ABRE 在 ABA 反应基因的
表达中起作用. Sph 盒和 GTGTC 模序调节依赖于 ABA 和
VP 1(在胎萌 1 突变体中突变的玉米激活子)的玉米 C1 基因
的表达. C1 基因产物是一种与 MYB(具有色氨酸簇模序的
转录因子家族)有关的转录因子 ,在种子发育过程的花色素
苷生物合成中起控制元件 ( controlling element)的作用. VP1
编码 1 种转录激活子, 被认为与 bZIP 蛋白协同作用.拟南芥
ABI3 蛋白与玉米 VP 1 具有顺序和功能相似性[ 39] .
312 依赖 ABA 且需要蛋白质生物合成的基因表达
在依赖于 ABA 的 b 途径中(图 2) , 干旱胁迫诱导的基因
表达需要蛋白质因子的生物合成. 干旱诱导的拟南芥基因
r d 22 的表达可被 ABA 调节, 而且这种依赖 ABA 的表达需要
蛋白质的生物合成[ 39, 41] . rd 22 启动子的 1 个 67 bp 区域对
于 ABA 反应的表达是必需的,并含有一些保守的 DNA 结合
蛋白模序, 例如 MYC( 1 种具有碱性螺旋环螺旋( basic2helix
loop2helix)和亮氨酸2拉链模序( Leu2zipper motif)的转录因子
家族 )和MYB的结构, 但这个区域不含 ABRE [ 17] . 利用 67
bp DNA作为探针, 通过 DNA 配体结合的方法, 已经克隆了
1 种被称为 rd22BP1 的转录因子 MYC 同系物的 cDNA.
r d 22BP 1基因被干旱和盐胁迫诱导. 这些结果表明, 干旱和
盐诱导的MYC同系物可能在 ABA诱导的 r d 22 表达中起作
用[ 1] . 编码与 MYB有关蛋白的 Atmyb2 基因被脱水胁迫诱
导. 一些 MYB蛋白的结合位点已经被鉴定[ 50] . 尽管 At2
myb2 不对冷和热胁迫起反应, 但高盐浓度条件和外源 ABA
的应用也导致 Atmyb2 的诱导. 重组的 ATMYB2 蛋白与
r d 22 启动子的 67 bp 区域的MYBRS结合. 因此, ATMYB2
蛋白也可能作为一种控制依赖于 ABA 的 r d22 基因表达的
转录因子,与 r d22BP1 蛋白起协同作用[ 1] .
水稻、玉米和拟南芥的一些 bZIP转录因子对冷、脱水和
外源 ABA 处理起反应. 这些 bZIP 蛋白与类 G 盒顺序结合.
结果表明, ABA 诱导的 bZIP蛋白也在 1 条依赖于 ABA的途
径中(图 2,途径 b)涉及. 已发现许多胁迫和 ABA 诱导的编
码各种转录因子的基因[ 16] , 这些转录因子被认为在 ABA 诱
导的基因的调节中起作用,在 ABA 诱导的转录因子产生后,
ABA诱导的基因缓慢地对干旱胁迫起反应[ 25, 39] .
313 在干旱胁迫过程中不依赖于 ABA的基因表达
在 aba 或者 abi 的拟南芥突变体中,许多基因被干旱、盐
和冷胁迫所诱导. 这就提出这些基因在冷或者干旱条件下
的表达不需要 ABA, 但的确对外源 ABA 起反应[ 5, 16, 41] . 在
这些基因中, 脱水和低温诱导的拟南芥基因 rd 29A/ lti78/
cor 78 和 cor 15 a 已经被详细地研究[ 40, 47] . 在干旱、低温和高
盐浓度胁迫条件下, 1 个称为脱水反应元件 ( dehydration re2
sponsive element, DRE)的 9bp 保守顺序 TACCGACAT 对于
r d 29A 诱导的调节是必需的, 但不起 ABRE 的作用(图 2, 途
径 d) . rd 29A 启动子含有 ABRE,可能在 ABA 反应的表达中
起作用. 已经报道, 在许多冷和干旱诱导的基因的启动子区
域存在与 DRE 有关的模序[ 39] . 这些结果表明, 与 DRE 有关
的模序(包括 C2重复)含有 1 个 CCGAC的核心结构, 涉及干
旱和冷反应,但不依赖于 ABA的基因表达[ 39] .
有一些干旱诱导的基因对冷或 ABA 处理不起反应, 这
就提出有第 4 条干旱胁迫反应途径(图 2, 途径 a) . 这些基因
包括 rd 19、r d21(编码不同的巯基蛋白酶, 如半胱氨酸蛋白
酶( cysteine protease) 和 erd 1 (编码 Clp 蛋白酶的调节亚
基) [ 28] . 目前, 有关这条途径了解得最少.
4 干旱胁迫的信号转导
信号转导包括从干旱胁迫信号的感受到各种基因表达
和生理反应的整个级联( cascade) . 在级联中起作用的信号分
1040 应 用 生 态 学 报 13卷
子还没有被广泛地研究,是目前最具挑战性的研究领域. 干
旱、高盐浓度和低温使植物发生水分亏缺, 也可能在细胞水
平引起膨压下降.由膨压降低引起的跨质膜渗透势的变化可
能是干旱胁迫反应在分子水平的 1 种主要触发器[ 39] . 酵母
的渗透感受器( osmosensor)已被广泛地研究[ 45, 52] .根据酵母
渗透感受器的知识,植物干旱胁迫信号感受的研究已取得了
一些进展[ 6, 49] .
气孔是植物吸收 CO2 和蒸腾丧失水分的通道. 气孔保
卫细胞已经成为分析植物早期信号转导机制的 1 种模式系
统[ 35, 36] . 在对干旱的反应中,植物合成激素 ABA, 引起气孔
关闭,以减少水分丧失. 在气孔关闭过程中, 细胞质 Ca2+ 浓
度增加, Ca2+ 在渗透胁迫反应中起第 2 信使的作用. 在动物
细胞中,肌醇三磷酸( inositol triphosphate, IP3 )涉及 Ca2+ 从细
胞内贮存库释放到细胞质中;在植物细胞中, IP3 可能起类似
的作用. 在植物细胞的干旱胁迫反应中, Ca2+ 和 IP 3 是最可
能的第2 信使. 在植物、酵母和动物的各种信号转导级联中,
蛋白质磷酸化过程被认为具有重要的作用. 已经在植物中
发现各种蛋白激酶, 这些激酶在包括干旱胁迫和 ABA 反应
的各种信号转导途径的磷酸化过程中起作用(图 3) [ 39] .
图 3 在干旱胁迫反应中涉及信号感受和信号转导的第 2信使和因子
Fig. 3 Second messegers and factors involved in the signal perception and
the signal t ransduct ion in drought2stress response.
双组分的组氨酸激酶在植物中被认为起 1 种渗透感受器的作用.
Ca2+ 和 IP3 是脱水信号的最可能的第 2信使. 磷酸化过程在干旱胁迫和 ABA 信号转导途径中起作用. 在干旱胁迫过程中, ABA 在基因
表达的调节和生理反应中起重要作用[ 39] Two component His kinase is
thought to funct ion as an osmosensor in plants. Ca2+ and IP3 are the most
probable second messengers of the dehydration signal. The phosphorylation pro2
cess functions in drought2st ress and ABA signal t ransduct ion pathways. ABA
plays important roles in the regulat ion of gene expression as well as physiological
responses during drought stress[39] .
411 渗透感受器
典型的/ 双组分系统( two2component system)0是由 1 种
感受器激酶( sensor kinase)或组氨酸蛋白激酶(His protein ki2
nase, HPK)和 1 种反应调控因子蛋白 ( r esponse2regulator pro2
tein, RR)组成[ 6] . HPK 含有 1 个 N 末端输入区域和 1 个具
有组氨酸残基的 C末端激酶区域; RR 含有 1 个具有天冬氨
酸残基的 N 末端接受区域和 1 个 C末端输出区域[ 6] . 大肠
杆菌渗透反应系统由 1 个 HPK 渗透感受器 (EnvZ)和 1 个
RR转录因子( OmpR)组成. EnvZ利用 ATP 作为磷酸供体
而自动磷酸化. 来自 EnvZ 传递组件( transmitter module) 的
磷酸被转移到 OmpR 接受组件( r eceiver module)的天冬氨酸
残基上(图 4) . 在高渗条件下, 磷酸化的 OmpR 起转录因子
的作用,增量调节 OmpC 基因和减量调节 OmpF 基因[ 6] . 这
2个基因编码调节膨压的细菌外膜蛋白[ 39] .
图 4 基本的双组分系统的例子
Fig. 4 Example of a basic two2 component system.
大肠杆菌渗透反应系统由 HPK 渗透感受器 ( EnvZ)和 RR 转录因子
(OmpR)组成. EnvZ利用 ATP 作为磷酸供体自动磷酸化. 来自 En2
vZ传递元件的磷酸被转移到 OmpR 接受元件的天冬氨酸残基
(Asp) ,从而影响 OmpR DNA2结合元件的启动子相互作用,调节 2 种
孔蛋白基因, ompF 和 ompC 的转录. 渗透浓度的变化由 EnvZ的氨
基末端元件感受. 在上述反应中, EnvZ改变磷酸化的 OmpR 的水
平. 点线表示蛋白质内的调节相互作用,虚线表示磷酸化/去磷酸化
事件 T he E . col i osmolarity2 response system consist s of an HPK os2
mosensor( EnvZ ) and an RR transcript ion factor ( OmpR) . EnvZ au2
tophophorylates using ATP as the phosphate donor. T he phosphate from
the t ransmitter module of EnvZ is then t ransferred to an Asp residue in
the receiver module of OmpR, thereby affect ing the promoter interact ions
of the OmpR DNA2binding module, which regulates the transcript ion of
two porin genes, ompF and ompC . Changes in osmolarity are perceived
by the amino2t ermianal module of EnvZ. In response to such changes,
EnvZ changes the level of phophorylated OmpR. The dot ted lines depict
int ra2protein regulatory interactions. Th e dashed line depicts phosphory2
lation / dephosphorylat ion events. P:磷酸基 Phosphoryl group; H :组氨
酸His; D:天冬氨酸 Asp[ 6] .
在酵母中, 高渗透浓度活化包括 PBS2 ( MAPKK) 和
HOG1( MAPK)的 1 条MAPK级联, 然后活化一些在甘油(重
要的渗透保护剂)生物合成中涉及的基因. 在高渗透胁迫反
应的早期阶段起作用的 3 个基因产物 ( Sln1p、Ypd1p 和
Ssk1p)编码组成原核生物类型的双组分调节系统的信号分
子[ 32, 52] . Sln1p 被认为在高渗透浓度条件下起感受器蛋白的
作用,使反应调控因子蛋白 Ypd1p 和 Ssk1p 磷酸化. 3 个蛋
白因子进行 4 个步骤的磷传递(His2Asp2His2Asp) . 在高渗透
浓度下, 磷酸化的 Ssk1p 活化 Ssk2p 或 Ssk22p ( MAP2
KKK) [ 23] ,引起通过 Ser2Thr磷酸化的 Pbs2p( MAPKK)的活
化. 然后, 磷酸化的 Pbs2p 通过 T hr2Tyr 的磷酸化活化
Hog1p( MAPK) .
10418 期 宋松泉等:植物对干旱胁迫的分子反应
在高等植物对水分缺乏的反应中, 类似于酵母的渗透感
受机制可能起作用. 已经从拟南芥中克隆了 1个杂合的组氨
酸激酶( hybrid histidine kinase) ATHK1. 在 N 末端的一半紧
接细胞外区域, ATHK1 含有 2 个疏水的跨膜区域, 被认为在
功能上类似于酵母渗透感受器 SLN1. 利用酵母渗透感受缺
乏的突变体,通过分析 ATHK1的感受(输入)和催化 (输出)
活性, 已经证明了这种可能性. ATHK1 能够抑制 sl n12ts
( sln124) 突变体. 相反,磷酸化位点 His 或 Asp 的取代不能
补充 sln12ts突变体, 表明 ATHK1 在酵母中起组氨酸激酶
的作用, 以及在外源信号(例如高渗透浓度)缺乏时, ATHK1
处于活性状态. 此外, ATHK1 允许缺乏渗透感受器 SLN1 和
SHO1 的酵母突变体活化 HOG1, 并在高渗透条件下正常生
长. 这些结果表明, 在对外源渗透浓度增加的反应中,
ATHK1 的活性从活化状态转变为失活状态. 因此 , 在酵母
中 ATHK1 似乎有感受和转导外源渗透信号到下游靶子的
能力. 植物根部 ATHK1 mRNA 的含量比其他组织更丰富,
并易在高盐和低温条件下积累. 根部的高水平表达表明,
ATHK1 对于环境信号(例如高盐和干旱)的有效感受是必需
的[ 49] .
在拟南芥中也克隆了许多反应调控因子[ 15] . 根据它们
的结构,反应调控因子可以分为2 种类型, 即类型A 和 B. 类
型A 反应调控因子主要由接受区域和短的 N2和 C2末端延伸
组成,而类型 B反应调控因子具有接受区域和大量延伸的 C2
末端区域(输出区域) . 已证明, A、B类型的反应调控因子具
有不同的结构特征、表达方式和生化活性[ 49] .
412 第 2 信使
在植物细胞信号中, Ca2+ 是 1 种普遍的第 2 信使[ 34] . 细
胞质 Ca2+ 信号转导途径涉及植物细胞的膨压调节[ 2] . Ca2+
释放进入细胞质诱导气孔关闭. 细胞质游离 Ca2+ 浓度
( [Ca2+ ] i )的增加是 ABA 诱导保卫细胞膨压变化的主要机
制. 许多其他的影响气孔的细胞外刺激都诱导保卫细胞中
[ Ca2+ ] i的增加[ 24] . 磷酸肌醇信号与保卫细胞中 [Ca2+ ] i的
增加有关,因为增加细胞质中的 IP3 浓度引起 Ca2+ 的动员.
已经证明,在高渗胁迫后 IP3 的含量增加. 在高渗透胁迫后,
前体脂类变化成为 IP 3, 与肌醇磷酸代谢有关的酶活性发生
变化. 在 ABA 诱导气孔关闭前, 保卫细胞中磷脂酰肌醇24,
52二磷酸的水平下降, IP3 含量增加. 液泡对 IP3 反应的能力
被高渗透胁迫所促进[ 39] . IP3 或 cADPR( cyclic2ADP2ribose)显
微注射入保卫细胞的细胞质, 可诱导保卫细胞内[ Ca2+ ] i 的
增加,从而触发保卫细胞膨压的丧失和气孔关闭[ 24, 35] .
在保卫细胞中,细胞质 pH 可能是另 1 种 ABA 信号的第
2 信使, 它在不依赖 Ca2+ 的途径中起作用. ABA 引起保卫细
胞的细胞质碱化 ( alkalization) , 这与 ABA 活化了向外运输
K+ 的通道( outward2rectifying K+ channel)有关[ 24, 35] .
413 干旱胁迫诱导的信号因子基因
在高等植物中与信号转导途径有关的许多基因(例如编
码钙调素( calmodulin)、G2蛋白、蛋白激酶和转录因子的基因)
被环境刺激所诱导. 一些蛋白激酶和磷脂酶 C( phospholipase
C, PLC)的基因也被干旱、盐和冷胁迫所诱导[ 39] .
Hirayama等[ 11]已经从脱水的拟南芥中分离了 PLC 和
AtPLC1 的 cDNA. AtPLC1 基因在转录水平被盐和干旱强烈
地诱导, 被低温轻微地诱导. 此外, 拟南芥中依赖于钙的蛋
白 激 酶 ( calcium2dependent protein kinase, CDPK ) 的
ATCDPK 1 和 ATCDPK 2基因被干旱和盐胁迫迅速诱导. 干
旱胁迫诱导的 PLC和 CDPK 可能在信号转导的级联中起作
用(图 3) . 在玉米原生质体中, 胁迫诱导的 CDPK、ATCDPK1
的组成型活性催化区域的共同表达引起 ABA 诱导的 HVA1
启动子2报道融合基因 ( promoter2reporter fusion gene )的表
达[ 37] . HAV1 启动子不仅被冷、高盐和ABA 处理激活, 而且
被 Ca2+ 活化. 这些观察也支持了在干旱胁迫条件下的信号
转导途径中 Ca2+ 的第 2 信使作用和 ATCDPK1 的正调控因
子作用.
MAPK 是存在于所有真核生物中的丝氨酸/苏氨酸蛋白
激酶,是细胞内信号转导的重要因子[ 12] . 根据系统分析, 至
少有 4 个MAPK 亚家族[ 26] . ATMPK 3是 1 个MAPK 基因,
在 mRNA 水平被干旱、低温、高盐和触摸所诱导[ 27] . 此外,
在MAPK 级联中涉及的两个蛋白激酶基因, MAPKKK( AT2
MEKK1)和核糖体 S6 激酶( RSK; ATPK19)被类似的胁迫所
诱导. Jonak 等[ 19] 已经证明, 苜蓿 ( Medicago sa tiva ) 的
MAPK、MMK4 在翻译后水平被各种胁迫包括干旱、低温和
机械刺激活化; MMK4基因也在转录水平被这些胁迫条件诱
导. 专一的拟南芥 MAPK 和 MAPKKK 基因的转录水平随
着干旱、冷、触摸和高盐浓度而增加[ 27] .
5 用转基因植物来评价基因功能
转基因植物允许与干旱有关的基因在体内目标表达
( targeted expression) ,因此是 1 种评价由编码蛋白授与功能
和耐性的良好系统. 通过控制 ABA 生物合成的基因的异位
表达 ( ectopic expression) , 改变体内的激素平衡, 从而阐明
ABA在干旱反应中的作用是可能的.利用转基因植物的另一
个目的是提高农作物的耐干旱性. 尽管进行了转基因的广
泛研究,但具有提高胁迫耐性的转基因植物的例子仍然较
少,原因很可能是胁迫耐性涉及不同途径的基因表达产物的
合成.
作为渗透保护剂的低分子量代谢物的积累是许多生物
对干旱、盐碱和低温条件的 1 种普遍适应. 在合成保护性渗
透溶质( protective osmolyte)的工程植株中, 微生物似乎是有
用的基因来源. 通过导入编码甘露醇212磷酸脱氢酶的细菌
基因 ,已经获得了合成和积累糖醇 (甘露醇) 的转基因烟草
( Nicotiana tabacum)植株. 产生甘露醇的植株表现出耐盐性
增加[ 48] . 同样,一种用大肠杆菌 bet 基因转化的淡水蓝藻产
生大量的甘氨酸甜菜碱,在 NaCl存在时, 它稳定了光合作用
活性, 从而较好地生长[ 29] . 在水分缺乏时, 从乌头叶菜豆
( Vigna aconitif olia )克隆的 P5CS在烟草中的表达使脯氨酸
的含量与野生型相比增加 2 倍. 利用微生物( Bacillus subtilis
和 Streptococcus mutans)果糖转移酶基因已经构建了积累多
1042 应 用 生 态 学 报 13卷
聚果糖分子的烟草植株. 这些植株在聚乙二醇调节的干旱
胁迫下表现出良好的生长,积累的果聚糖水平与耐性程度呈
正相关[ 5] . 渗调物的积累与植物胁迫耐性的关系见图 5.
干旱和许多其他胁迫的结果之一是活性氧分子的产生,
活性氧分子对细胞组分(如膜)产生严重的伤害. 因此 ,具有
较高活性氧清除剂浓度的植株在非致死胁迫条件下表现出
较好的胁迫耐性. 当烟草 Mn2SOD 基因在苜蓿中过量表达
时,植株在冰冻胁迫后表现出较高的生长速率[ 16] .
HolmstrÊm 等[ 14]已成功地将 1 种编码海藻糖的酵母基
因转入烟草. 在这种转基因的植株中, 海藻糖的含量为0. 8
~ 3. 2 mg#g - 1(干重) , 而在未转化的对照中为0. 06 mg#g - 1.
对照的幼苗在风干 2h 后表现出萎蔫迹象, 在风干 7 h 后坍
陷;在重新水合后, 这些未转化的幼苗死亡. 转基因的幼苗
只有在风干超过 7 h 时叶片边缘才受到影响;在重新水合
后,它们完全恢复膨压和重新开始生长 .
图 5 遗传工程植株中渗调物与胁迫耐性
Fig. 5 Accumulat ion of osmolytes and stress tolerance in genetic engineering plants.
在转基因植株中,渗调物(甘露醇、脯氨酸和果聚糖)的过量表达能提高植株的干旱胁迫耐性 Over2expression of osmolytes ( manni2tol, proline and
fructosan) can increase drought2st ress tolerance of plant in transgenic plants.
6 结 语
干旱胁迫是影响植物生长发育的主要逆境因子, 严重制
约干旱、半干旱地区的生产发展. 充分利用我国丰富的植物
资源特别是沙生植物资源, 研究植物干旱胁迫的分子机理,
提高植物(农作物)的脱水耐性, 对于减轻和防止沙漠化、保
护环境、扩大种植面积以及增加农作物产量都具有重要的理
论和实际意义.
种子脱水耐性的相对水平随发育过程而发生变化,正常
性种子成熟时胚的脱水耐性增加,种子萌发时胚又变为不耐
脱水. 顽拗性种子在整个发育过程中不耐脱水,对水分丧失
高度敏感[ 43, 44] . C. plantagineum (被子植物 )、Tor tula ru2
r alis(苔藓植物)和蕨类植物能忍受严重的脱水[ 16] . 利用这
些特性建立和完善具有脱水耐性的模式研究系统, 并对其进
行详细分析,可以揭示表达的含有脱水耐性的遗传信息.
尽管许多与干旱胁迫有关的基因已被鉴定, 但大部份资
料仍然是描述性的, 因为只有少数编码蛋白的功能被确
定[ 16] . 鉴定那些对干旱胁迫最敏感的代谢步骤,诱导产生和
分析突变体 ,将与耐旱性有关的基因导入植物, 探讨其编码
蛋白的功能及与脱水耐性的关系是继续阐明一些胁迫耐性
机制的有效技术.
在植物对干旱胁迫的信号感受的研究中,对信号感受器
的知识仍很缺乏,这一领域的工作主要受细菌和酵母渗透感
受器研究的启发. Ca2+ 在植物细胞信号转导中是一种普遍存
在的第 2 信使,与植物的干旱耐性密切相关[ 34] ,都有待进一
步深入研究.
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作者简介 宋松泉, 男, 1957 年生,理学博士, 研究员,主要从事
逆境植物分子生理学和种子生物学的教学和研究,发表论文 60
余篇. E2mail: sgsong@xtbg. org. cn
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