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综述与专论

生物技术通报
BIOTECHNOLOGY
BULLETIN 2006年增刊
植物抗旱相关基因研究进展
史胜青 1
齐力旺 1
孙晓梅1
韩素英2
张守攻 1* *
( 1中国林科院林业研究所细胞生物学实验室,北京 100091;
2中国林科院森林生态保护环所重点实验室,北京 100091)


摘
要:
遭遇极端温度、干旱、高盐等胁迫时,植物需要调控多种基因, 通过多种途径来抵御非生物胁迫的伤
害。综述了植物在干旱胁迫发生时,信号传导和转录因子相关调控基因以及在水分运输、抗脱水、渗透调节以调节
气孔开关等功能相关基因克隆的研究进展,并提出了今后开展植物抗逆研究的建议。
关键词:
干旱胁迫
信号传导
基因克隆
调控基因
功能基因
Progress on the Study of Drought
resistance
Relative Genes in P lants
Sh i Shengq ing
1
Q iL iw ang1
Sun X iaom ei1
H an Suying2
Zhang Shougong1
( 1 Group of T reesC ell B iology, Research Institu te of F ores try, CAF, B eij ing 100091;
2 The K ey L ab, Institute of Forest and E cology Protection, CAF, B eij ing 100091)


Abstrac:t
Subjected to ex trem e stress, such as low or high temperature, drought and h igh sa lt et a.l , p lant have to
regulate a variety of g ene by va rious pa thways to resist dam age o f abiotic stress. Th is artic les rev iew s regu lation genes o f s ig

nal transduction, transcription factors and function genes o f w ater transport, dehydration, osm oregu la tion and stom ata l et
a .l . Furtherm ore, som e suggestions on research o f p lant advers ity resistance are refe red.
Key words:
Drought stress
Signa l transduction
G ene c loning
Regu lation gene
Fuc tion gene


基金项目:国家
973
项目 ( G1999016003 )和国家转基因与产业化专项 ( J2002
B
005) 与 ( JY03
B
28
02)资助
作者简介:史胜青,男,河北唐山人,在读博士,专业:林木遗传育种,研究方向:沙漠植物抗逆分子生物学
** 通讯作者: E
m ai:l sh ougong. zhang@ fores try. ac. cn


从种子发芽开始, 植物就不可避免的经受着各
种环境的胁迫 [ 1]。随着季节、日变化以及极端的气
候变化,高温、高盐和干旱等影响着植物的生长、发
育和产量 [ 1, 2]。为了生存和应对不可预测的环境变
化和胁迫,植物进化形成的多种机制和复杂的信号
网络, 使它们能够迅速感知胁迫,主动地调控耐胁迫
反应 [ 1]。尽管植物对干旱、低温和高盐引起水势降
低的敏感性和响应随种类不同而变化, 但可以断定
所有的植物都具有对环境胁迫的感知、传导和响应
的能力:首先,大多数植物对逆境胁迫都具有一定的
耐受能力;第二, 在胁迫条件下,维管和非维管植物、
藻类、真菌和细菌都具有相似的积累代谢产物的过
程;第三,各物种在胁迫时表达一系列相似基因和蛋
白质 ( Bohnert et a.l 1995)。
随着分子和基因组时代的到来,许多胁迫相关
的基因及其调控因子已通过现代基因分离技术得到
鉴定。本文重点综述干旱胁迫发生时,植物的调控
性相关以及功能性相关基因的研究现状。
1
抗旱相关基因的功能分类
基因的精确达表控制着植物的生物响应和发育
过程。近 10年来,通过利用各种现代分子生物学技
术已克隆和鉴定了许多植物在不同时间和空间上差
异表达的基因 [ 4] , 也已经克隆了各种生物发育、病
菌、高盐、低温和干旱诱导的相关基因 [ 5]。经各种
胁迫诱导表达的大量基因,按其功能可分为两类:一
2006年增刊 史胜青等:植物抗旱相关基因研究进展
类是调控性基因,即在胁迫响应中调控信号传导和
基因表达的基因;另一类是功能性基因,即基因表达
产物直接进行抵御外界环境胁迫 (图 1) [ 3, 6]。
图 1
植物在抗逆境胁迫和胁迫响应中胁迫诱导基因的功能
2
调控性抗旱相关基因
通过对拟南芥水分胁迫相关基因的表达分析,
已经证明,植物感知胁迫信号后,至少通过四条独立
的信号传导途径调控其胁迫诱导相关基因的表达
(图 2) [ 7]。其中,调控过程中主要有两大类相关蛋
白参与,一类是信号传导相关蛋白, 如 Ca2+结合蛋
白 ( CaM、CBL 和 CDPK 等 )、细胞周期蛋白激酶
(MAPK 和MAPKKK )和磷脂酶 C ( Phospho lipase C )
等,另一类是促进或抑制胁迫相关基因转录的调控
蛋白, 如 bZ IP转录因子、MYC /M YB和 DREB转录因
子等 ( Kasuga et a,l 1999; Sh inozak i et a,l 1997)。
本部分主要综述信号传导蛋白 ( C a2+结合蛋白 )和
转录因子蛋白 ( bZIP、MYC /MYB和 DREB等转录因
子 )的研究现状。
2. 1
信号传导相关蛋白
在各种逆境胁迫下,植物感知胁迫刺激后,通过
各种信号传导途径, 引起植物细胞生理水平上的变
化,从而适应外界环境的变化。研究表明,在大多数
逆境胁迫诱导植物细胞质中自由 Ca2 +浓度增加, 而
它又在胁迫信号中无处不在, 因此, 认为 Ca2 +很可
能是各种信号传导途径中起交叉作用 ( cross
ta lk)的
结点 ( node) [ 8 ]。Ca2+结合蛋白在其信号途径中扮
演着第一个执行者 ( f irst runner)的作用, 它监控着
Ca
2+浓度在时间和空间上的改变 [ 9]。目前, 在植物
中已经证明有 4大类 Ca2+结合蛋白家族,包括钙调
蛋白 ( ca lmodu lins; CaM s)、钙调蛋白相关蛋白 ( ca lm

odulin
like proteins)、ca lcineurin B相关蛋白 ( CBLs)
和 Ca2 +依赖蛋白激酶 ( CDPKs) [ 8 ~ 10]。
CDPK s作为 Ca2+信号的传感器 ( senso r) , 其明
显的结构特征是 N末端含有丝氨酸 /苏氨酸蛋白激
酶的结构域与 C末端的 CaM相关结构域含有 EF

hand C a
2+结合位点在同一个基因上,因此它能够直
接被 Ca2 +结合后激活, 而不依赖与外源 CaM的相互
作用,另外,激酶结构域与 CaM相关结构域的结合,
使其可以在 Ca2+缺乏时, 保持较低的活性状态 [ 8]。
这样使 CDPK成为唯一既能行使 Ca2 +传递器的功
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Bulletin 2006年增刊
图 2
逆境胁迫信号的感知和基因表达之间的信号传导途径因的功能
能,又能行使 Ca2+效应器功能的 Ca2+结合蛋白 [ 9 ]。
逆境胁迫诱导了许多植物 CDPK基因转录丰度的增
强,例如, 拟南芥 ( Arab idopsis thaliana )在脱水和高
盐胁迫条件下, A tCPK 10和 A tCPK 11基因转录丰度
增强 [ 10] ; 蚕豆 ( Vicia faba )在 2 h盐胁迫时, VrCPK 1
转录丰度最强 [ 11] ; 冰上日中花 (M esembryanthemum
crystallinum )在干旱和盐胁迫下得到类似的结
果 [ 12]。
CaM和 CBL包含多个结合 Ca2 +的 EF
hand结
构域, 但是没有 CDPKs那样的效应器结构域 [ 9 ]。通
过传递 Ca2+信号, CaM和 CBL与蛋白激酶、代谢酶
和细胞骨架相关蛋白等靶蛋白相互作用, 调控其活
性,然后这些靶蛋白调控下游细胞的响应 [ 9]。
2. 2
调控转录相关蛋白
2. 2. 1
转录水平调控
大多数真核生物中, DNA
甲基化与转录水平基因沉默相关, 控制着基因的表
达,对植物的生长和发育至关重要 [ 13]。例如, 植物
中转座子的甲基化调控着其附近基因的转录 [ 14 ]。
染色体甲基化酶 ( CMTs)是目前为止仅在植物中发
现的一个 DNA甲基转移酶家族 [ 13 ]。玉米中的 CMT
相关基因 ZMET 2特异的降低 CpXpG甲基化水平,
暗示其可能是一种植物特有的甲基转移酶类型,目
前,还不清楚它是否在植物的基因表达和基因组的
稳定性方面有独特作用 [ 15]。
长期以来,基因组的转录调控和染色的结构与
功能两大领域一直是独立开展研究,而它们之间的
相互关系没有得到重视。然而,近年来,染色质如何
转录调控已成为重要的生物学研究问题,并且,已报
道了几个与转录调控相关的蛋白质和多亚基复合
体,如组蛋白乙酰基 /脱乙酰基转移酶、ATP
依赖的
染色质重塑复合体等 [ 16]。
真核生物的 DNA与核小体 (核心组蛋白 H2A、
H2B、H3和 H 4)形成复杂结构


染色质, 而染色
质构象的改变, 依赖于核心组蛋白的修饰作用 ( h t

tp: / /www. vinc ib iochem. it /H istoneDeacetylase.
htm )。通过对核心组蛋白 N端赖氨酸的

氨基团
(

am ino g roups of lysine)选择性脱乙酰化或乙酰化
作用,组蛋白脱乙酰转移的乙酰化与转录活性相关,
而脱乙酰化与基因沉默相关 [ 17 ]。通过拟南芥、酵母
和线虫的基因组序列和系统树分析, HDAC家族蛋
白分为 RPD3 /HDA1(仅在植物和动物中 )、HD2(仅
在植物中 )和 SIR2
type(在动植物和真菌中 )三个蛋
白家族 [ 18]。HADCs通过参与组蛋白的乙酰化作
用,调控基因表达, 最终影响植物的形态和生长发
育 [ 19]。过量表达 A tHD2C,拟南芥表现出气孔关闭,
蒸腾速率降低, 几个 ABA响应基因的表达受到影
响,并且提高其抗旱、抗盐能力。这说明 A tHD2C参
与调控 ABA及胁迫的响应过程, 在植物抗逆中起着
8
2006年增刊 史胜青等:植物抗旱相关基因研究进展
重要的作用 [ 20]
酵母的 SW I/SNF复合体和 RSC复合体是 ATP

依赖的染色质重塑复合体, 具有 ATP酶活性, 能够
利用 ATP水解释放的能量打破核小体的结构 [ 16, 21 ]。
核小体是染色质的基本结构单位, 它抑制了酶转录
器接近 DNA 序列, 阻止 DNA 的转录和复制 [ 21 ]。
SW I/SNF复合体由 11个亚基组成, 包含催化亚基
Sw i2 /Snf2
[ 21]
; RSC复合体由 15个亚基组成, 其中 6
个与 SW I /SNF亚基同源或相似, 也包含催化亚基
Sw i2 /Snf2
[ 16]。哺乳动物中研究表明,包含 BRG1或
BRM亚基的 SW I /SNF具有染色体重塑活性, 能够
激活或失活基因的表达 [ 22]。
RNA螺旋酶 A ( RHA )是 ATP酶 /RNA螺旋酶
中 DExH家族成员, 通过与 Po lⅡ相互作用或通过
ATP依赖的机制, 能够独立激活 CREB ( cAMP re

sponse element binding protein)依赖的转录 [ 23]。而
CREB转录因子响应胞外信号, 通过磷酸化作用调
控其活性 [ 24]。
2. 2. 2
转录后水平调控
转录后基因沉默 ( PTGS)
能够防止病毒对植物的侵害,同时也抑制外来基因
的表达 [ 25, 26 ]。PTGS明显特征之一是能够特异性的
保护核酸序列免受不同类型外来基因的侵扰, 因此,
它实际上是一种核酸水平上起作用的免疫系统 [ 26 ]。
植物通过 PTGS锚定外来 mRNA (包括病毒、和转基
因等 ), 并诱导其降解, 从而保护植物免受病毒或外
界的侵扰 [ 27]。RNA螺旋酶 SDS3可能参与 dsRNA
的合成, 然后加工成短的 21 ~ 23bp的 RNA s, 对
SDS 3突变的拟南芥研究表明, SDS 3参与拟南芥的
转录后基因沉默的调控,调节基因的表达 [ 26]。
2. 3
转录因子相关蛋白
转录因子在细胞中能够与基因的启动子区域或
增强子区域结合,并相互作用, 促进或抑制相关基因
翻译为蛋白质。
2. 3. 1
bZIP转录因子
bZIP转录因子是主要的转
录因子家族之一,它在植物的抗病、光和胁迫信号、
种子成熟以及花的发育等过程中起着重要的调控作
用 [ 28]。在 ABA介导的信号传导途径中,主要包括 2
大类 bZIP转录因子, 一类是 bZIP- ABRE s结合蛋
白 ( ABFs),能够与含有 ABRE基序 ( CGCGTG )的基
因结合 ( K ang et a.l , 2002) ; 另一类是 bZIP
G
box
结合蛋白 ( GBFs) ,能够与含有 G
box ( CACGTG)序
列的基因结合 [ 29 ]。
干旱、高盐和低温等逆境胁迫引发 ABA的积
累,反过来, ABA诱导各种基因的表达 [ 6]。这些
ABA响应基因的启动子区存在保守序列, PyACGT

GGC,作为 ABA响应元件 (ABREs) [ 6, 30]。ABRE s首
先在小麦 Em基因和水稻 rab16基因中得到鉴定, 分
别在种子胚胎后期形成期间和脱水的植物组织及成
熟种子中表达 [ 6, 31 ]。现在已经克隆出编码 ABRE s
的束缚蛋白 EmBP
1基因的 cDNA,其编码的氨基酸
序列中包含碱性亮氨酸拉链 ( bZIP )结构 ( Y am agu

ch i
sh inozak i and Shinozak,i 1994; Sh inozak i et a,l
1997; Abe et a.l , 2003) ,其中, 包含 bZIP结构的基
因构成一个大家族 [ 6 ]。目前,在拟南芥的 bZIP基因
超家族中,已发现有 81个基因含 bZIP结构,其中仅
有一个 bZIP超家族与 ABA响应相关 [ 32]。然而, 单
一 ABRE s序列不足以诱发 ABA响应基因的转录。
在脱水和 ABA响应中,对 rd29B基因启动子分析表
明,其启动子 77bp区域至少存在两个 ABRE s元件;
而且,在启动子区的适当位置多于两个 ABRE s的存
在足够 ABA诱导基因的转录 [ 33]。运用酵母单杂交
筛选系统在拟南芥中已鉴定的 ABRE1、ABRE2和
ABRE3三个编码 ABRE束缚蛋白的 cDNA, 它们都
包含一个单 bZIP型 DNA束缚结构域。AREB1和
AREB2基因在非胁迫植物中表达微弱, 而能被脱
水、高盐和内源 ABA诱导。然而 AREB3在胁迫与
非胁迫植物中都没有检测到 [ 33 ]。
另外, GBFs也是研究最为广泛的转录因子家族
之一,在各种环境条件下调控植物基因的表达 ( Sh i

nozak i et a.l , 1997)。在光和激素的诱导下,从整株
植物上, GBFs影响着它们的发育和生理过程; 从细
胞水平上,它们涉及到把细胞质中的信号传递到细
胞核内的基因表达调控 [ 34 ]。
2. 3. 2
MYC /MYB转录因子
有些 ABA响应的基
因,蛋白质的合成是其基因表达的前提 [ 6]。例如,
脱水响应基因 rd22被 ABA诱导, 它的表达需要新
蛋白质的合成来激活 [ 6]。研究表明, rd 22基因启动
子不包含典型的 ABRE保守序列 [ 35] , 其启动子 67
bp区域包含保守的 MYB识别位点 (MYBRS)
Py

AACPyPu和 MYC识别位点 (MYCRS)
CANNTG,
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起顺式作用元件的作用 [ 6, 31]。通过 DNA
ligand束
缚筛选方法, 已分离到编码 MYC相关的 DNA结合
蛋白 ( rd22BP1)的 cDNA克隆 (A Mt YC 2) , 其编码的
氨基酸序列具有典型的 DNA结合结构域
碱性螺
旋 -环 -螺旋亮氨酸拉链基序 [ 35]。研究显示, 拟南
芥 MYB基因超家族由 109个基因组成, 但仅有一个
MYB基因含有典型的 bHLH
ZIP结构域, 与 139个
含 bHLH因子的基因具有广泛的同源性 [ 32]。通过
对转化 AMt YC 1和 AMt YB 2基因的植物进行基因芯
片分析,结果表明 几个 ABA诱导的基因也在转基
因植物中表达量提高, 进一步说明干旱胁迫下发生
时,这两种蛋白在 ABA诱导的基因表达中起到转录
激活子的作用 [ 31, 35]。
通过对比研究表明,环境胁迫发生时,诱导植物
MYB /MYC响应系统相关基因的表达比 bZIP
ABRE
响应系统稍微迟些, 原因可能是 MYB和 MYC蛋白
质需要重新合成 [ 32]。这也说明 MYB /MYC系统可
能调控植物对脱水胁迫的慢适应, 而 bZIP
ABRE系
统则与之相反。
2. 3. 3
DREB转录因子
在 ABA缺乏 ( aba)和
ABA不敏感 ( abi)的拟南芥突变体中, 几个 ABA诱
导基因的表达都被低温和干旱所诱导 [ 36] ,这说明胁
迫时这些基因的表达不需要 ABA, 但外源 ABA对其
有影响 [ 36, 37]。对 rd29A基因启动子区进行分析,鉴
定出一个新的受脱水和冷诱导顺式作用元件, 9 bp
保守序列 TACCGACAT, 称为脱水响应元件 ( DRE ) ,
负责调控脱水相关基因的表达 [ 30, 36 ]。Rd29A 基因
至少有两个 DRE s元件,其中一个参与 ABA相关的
脱水响应,其它由渗透势的改变诱导。然而,在拟南
芥基因组中与 rd29A基因紧密连接在一起的 rd29B
基因至少包含一个 DRE元件, 参与 ABA响应的缓
慢诱导。在脱水、高盐和低温条件下, rd29A 基因的
顺式作用元件分快和慢两个诱导步骤; 而 rd29B的
仅为慢诱导过程 [ 30]。运用酵母单杂交筛选技术已
克隆到两个编码 DRE 结合蛋白 DREB1A 和
DREB2A的 cDNA 克隆, 这两个蛋白存在一个
EREBP /AP2 DNA结合域 [ 36]。正常条件下,在转基
因植物中过分表达DREB 1A基因能激活许多耐胁迫
基因的表达,并导致植株呈侏儒状 [ 5, 36] , 而同样条件
下,过分表达 DREB 2A 基因仅微弱的诱导目的基因
的表达 [ 36]。结果暗示,胁迫发生时,作为转录因子,
DREB 1A 和 DREB 2A两个独立的 DREB蛋白家族存
在各自的信号传导途径。而且, 对转编码 DREB蛋
白基因的植物分析, 发现一个 DREB转录因子能够
调控几个干旱、高盐和低温相关基因的表达。
另外,有些干旱诱导基因,包括 rd 19和 rd21, 对
冷或 ABA处理没响应,说明还存在独立于 ABRES、
MYB /MYC和 DREs的途径。例如, 脯氨酸脱氢酶
( P roDH )基因的启动子区发现一个脯氨酸或超渗透
作用响应元件 ( PRE ) , 核心序列为
ACTCAT
, 但
哪类调控因子与其结合起作用还不清楚 [ 38]。
3
功能性抗旱相关基因
水分胁迫过程中, 调控基因编码 DREB、MYB /
MYC和 bZIP蛋白等转录因子, 结合在水分胁迫响
应基因的顺式作用元件上,然后激活基因表达,最后
引起植物细胞生理生化的改变来适应环境胁迫。
耐胁迫基因的表达产物在功能上可分为以下几
类:参与水分跨膜运动的水通道蛋白;合成各种渗透
调节 (糖、脯氨酸和甜菜碱等 )所需的酶; 保护大分
子和膜的蛋白 ( LEA蛋白、抗冻蛋白、分子伴侣和
mRNA结合蛋白等 ) ; 蛋白质转换蛋白酶 ( th iol蛋白
酶、c lp蛋白酶和泛素等 ) ( Sh inozaki et a.l , 1997;
Kasuga et a.l , 1999)。本部分主要综述了水分运
输、抗脱水、渗透调节和调节气孔开关等基因的研究
现状。
3. 1
水分运输相关基因
逆境胁迫影响着植物的水分跨膜运动。近来发
现质膜和液泡膜上存在 aquaporins(水通道蛋白 ) ,
无论是地上部分还是地下部分, 都能够调控水分的
跨膜运动,特别是水分胁迫期间 [ 39]。Aquaporins存
在于所有真核生物和大多数原核生物中, 是一种古
老的运输水分和中性溶质的通道蛋白 [ 39]。
对所有哺乳动物的 aquapo rins结构分析和氨基
酸序列比较发现它们有六个跨膜
-螺旋, 其 N末
端和 C末端朝向细胞质, 第二和第三跨膜域之间细
胞质内的环 (HB )和第五及第六跨膜域之间的细胞
质外的环 (HE)也形成短的疏水性螺旋,从相反的方
向嵌入膜内 (图 3) [ 39]。
植物中的 aquaporins蛋白分两类,分别命为 PIP
和 T IP,位于质膜和液泡膜上 [ 39]。当在 X enopus lae

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2006年增刊 史胜青等:植物抗旱相关基因研究进展
vis oocy tes表达时,质膜的水压传导性提高 [ 40, 41 ]。研
究表明,在烟草中过分表达植物质膜 PIP b1基因,正
常生长条件下,转基因烟草的生长率、蒸腾速率和光
合速率明显提高;然而,盐胁迫条件下, 对上述生理
指标没有明显作用,干旱胁迫条件下,反而促使了烟
草快速萎蔫 [ 42]。结果暗示, 正常条件下, 植物质外
体水通过质膜 aquaporins的运输是其生长的限制因
子,在充分灌水的条件下, 甚至限制水分的运输 [ 42 ]。
研究也表明, 质膜和液泡膜 aquaporins基因的表达
与细胞延伸有关, 并且有些基因的表达是水分诱
导 [ 40]。通过对玉米中克隆到的 zmTIP基因体内杂
交表明, 其在分生组织和细胞伸长区 zmTIP 1高表
达,如根尖,叶原基和雌雄花分生组织等 [ 40, 41]。
3. 2
抗脱水相关基因
水分缺乏经常明显地引起植物组织脱水, 且在
不同种和不同发育阶段, 植物有不同的抗脱水能
力 [ 42]。
图 3
水通道蛋白 ( aquaporin)的结构模型, 有 6个跨膜结构域
(TM 1
TM 6) , 2个螺旋状结构域 (HB和 HE)


LEA蛋白是一个富含甘氨酸的超家族蛋白,具
有亲水性 [ 43]。其基因及相关基因已从植物组织中
分离 [ 44]。研究认为,脱水期间 Lea基因编码的 LEA
蛋白有利于水分的保持, 膜与离子的区隔化以及保
护细胞质成分 [ 42] ,有利于分子伴侣的活性和核定位
蛋白的运输 [ 45]。并且, 在脱水和超渗透胁迫发生
时, LEA蛋白表达明显增强 [ 43 ]。LEA蛋白主要分布
在细胞质、分生组织的细胞核、维管和原形成层细
胞 [ 45]。这些蛋白已在藻类 ( cyanobacteria)和单双子
植物中得到鉴定 [ 46] ,普遍存在的共同特征是在 N末
端有高度保守的氨基酸序列,许多包含一到两个拷
贝的 Y片段 DEYGNP;中间部分经常含有一串 7~ 9
个丝氨酸残基
S片段 ( SSSSSSS ), 它们易于磷酸
化;在 C末端至少存在两个拷贝的碱性赖氨酸重复
序列
K片段 ( EKKG IMDKIKEKLPG) [ 46]。
作为 LEA蛋白基因家族中的一个亚家族, De

hydrins( LEA D
11g roup)研究较广, 是许多高等植物
中多基因家族的表达产物 [ 47]。Dehydrin蛋白的鉴
定首先是水稻中的 RAB21和棉花中的 D
11( g roup
2 LEA蛋白 )。目前, 已证明植物中至少有 65种
Dehydrins蛋白 ( C ellier et a.l , 1998)。拟南芥中 De

hydr ins蛋白分为酸性 ( P I= 4. 6~ 6. 4)和中性或碱
性 ( P I = 7. 6 ~ 9. 8 ), 酸性 Dehydrins, 如 Cor47、
ED10、ERD14和 X91920等,通常富含谷氨酸, 中性
或碱性的 D ehydrins, 如 RAB18、XER01和 XER02
等,通常富含甘氨酸 [ 49]。研究认为, 冷冻或脱水等
胁迫发生时, D ehydrin在保护质膜的稳定性以及大
分子物质免受伤害等方面具有重要作用 [ 43, 50]。
3. 3
渗透调节相关基因
遭遇干旱时,植物通过积累小分子溶质降低渗
透势从而达到吸收水分的目的,如钾离子 ( K + )、钠
离子 ( Na+ )、氨基酸及其衍生物、糖类、季氨类物质
等 [ 2, 51]。
K
+作为植物所需的主要大量元素之一,在调节
气孔关闭、渗透调节、酶活性、细胞扩展、非扩散阴离
子的中和以及膜极化等反面占有重要作用, 而且与
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Bulletin 2006年增刊
植物的抗旱性密切相关 [ 51]。近十年来, 植物根部对
K
+的吸收、装载和运输的分子机制已成为研究热
点。拟南芥 ( Arab idop sis)、马铃薯 ( Solanum tuberos

um )、大麦 (H ordeum vulgare)和小麦 ( Triticum aesti

vum )等植物中已报道的几种运输 K+膜蛋白, 主要
包括离子通道蛋白以及两类载体 HKT 和 HAK /
KUP
[ 52]。从盐生植物冰上日中花 (M esembryanthe

mum cry stallimum )中分离 3个 AKT /KAT 亚家族
( Shaker type) K
+通道蛋白基因 Mkt1、Mkt2和 Km t1
[ 52]和 4 个 HAK /KT /KUP 家 族 K + 载 体 基因
M cHAK 1、2、3和 4[ 53]。M kt1是根部特异性表达基
因,M kt2在叶片、花和种壳中表达, Km t1在叶片和
种壳中表达。在盐胁迫条件下 ( 500mm NaC I), M kt1
(转录物和蛋白 )负调控, 而 Mk t2转录物没有明显
变化 [ 52]。M cHAK 1和 M cHAK 4主要在根、叶和茎中
表达, M cHAK 2主要在茎中, M cHAK 3在根部。在 48
h高盐条件下,引起 K+的饥饿,因此 M cHAK 基因表
达量的增加,M cHAK 1转录物根部持续增加大到 24
h, 之后降到最低水平,而在叶和茎中持续到 48 h;
M cHAK 2、3与 1类似, 但 M cHAK 2转录物的丰度很
低,M cHAK 3在根部表达最强; M cHAK 4的转录水平
在根、茎和叶中表现出组成性表达。这些载体在高
盐条件下保持离子的动态平衡起着重要的生理作
用 [ 53]。
遭遇干旱等逆境胁迫时, 植物通过改变代谢
(增加合成或减少降解 )或物质运输 (提高吸收或降
低输出 )等方式, 从而提高细胞内部可溶性有机小
分子物质的含量。因此, 通过克隆合成代谢途径中
的某种关键酶基因,例如,甜菜碱脱氢酶 [ 54] , 将其转
化到目的植物中,结果表明, 在胁迫条件下, 它们能
够提高甘露醇、脯氨酸、甘氨酸甜菜碱等的含量,提
高转化植株的抗性,这方面已有较多研究报道。然
而,逆境胁迫发生时, 这些可溶性有机小分子物质是
怎样运输的呢? 目前, 已经克隆到许多传递体蛋白
相关基因, 例如, A tP roT1 and A tP roT2 (拟南芥 )、
LeProT 1
3(西红柿 )、OsP roT (水稻 )、H vP roT (大麦 )、
AhP roT1(滨藜 )、AmT 1
3 (红树 )等 [ 55 ]。研究表明,
这些传递体蛋白介导多种小分子物质的运输,但介
导各种分子传递的能力不同 [ 56 ]。例如, A tP roT 2蛋
白不仅运输脯氨酸,而且还介导
氨基丁酸 (GABA )
的传递,但对 GABA的亲和力较低 [ 55 ]。
3. 4
调节气孔开关相关基因
高等植物叶片气孔保卫细胞的大小能够迅速的
改变,这对于维持叶片内部湿润的环境至关重要。
干旱发生时, ABA含量增加, 调节质膜 K +和 C I-通
道有利于溶质的流出。同时, 细胞膨压收缩,气孔关
闭,降低了植物叶片的蒸腾失水。ABA响应依赖
GTPases蛋白的 (去 )磷酸化; 细胞质游离 Ca2+浓度
和 PH值的改变; 并且与保卫细胞内膜结构的实质
性改变密切相关 [ 56]。
植物体 90%的水分损失是通过叶片表面成对
的保卫细胞形成的气孔蒸腾造成的。干旱胁迫促使
植物合成 ABA, ABA引发保卫细胞信号传导的级联
反应,导致气孔关闭, 减少水分损失,这一过程需要
保卫细胞质膜阴离子通道的激活 [ 57]。根据质谱测
定的多肽序列信息,从 V icia faba中克隆得到 AAPK
基因 cDNA,是一种编码保卫细胞特异性的、ABA激
活的丝氨酸 - 苏氨酸蛋白激酶 ( AAPK )。尽管与
PKABA1家族有极大的同源性, 但其蛋白结构具有
独特的区域, 即通过 ABA调节气孔的开关。N orth

ern杂交显示 AAPK在保卫细胞原生质体中表达,
但在叶肉原生质体、花、叶和种子中没有表达 [ 58]。
另外,拟南芥缺失 farnesy ltransferaseERA 1基因
突变体 ( era1)导致对 ABA超敏感, 激活阴离子通
道, 引起气孔关闭, 并且 E ra1在保卫细胞中表
达 [ 57]。从拟南芥突变体 ( ost1
1 and ost1
2)克隆得
到 ost1基因,发现其也在保卫细胞中表达, 并且在
ABA的感知和活性氧的产生之间起到桥梁的作用,
而近年来,研究发现活性氧是保卫细胞 ABA信号传
导途径中的重要媒介之一 [ 59]。这说明 ERA1和 ost1
基因也可能参与保卫细胞的调控。 Leyman等 [ 56]
( 1999)从烟草中克隆出N t
SYR 1基因,编码 syntax in
蛋白,参与保卫细胞 ABA信号传导的级联反应, 调
控 K +和 C I-通道的开关。N orthern杂交和蛋白质
酶联反应表明, N t
SYR 1转录物和翻译产物在灌溉
良好的植株叶片中表达丰度较低, 而在 ABA处理
30m in和干旱处理 48 h后, N t
SYR 1转录物水平很
短时间内大约提高了 9倍。以上结果说明, 植物叶
片保卫细胞的开启和关闭是由许多基因调控着, 并
且可能都与保卫细胞的 ABA信号传导途径相关。
12
2006年增刊 史胜青等:植物抗旱相关基因研究进展
4
展望
由于不能像动物那样自由移动, 植物不得不进
化为最有效的方式来应对外界不良环境 ( Schw acke
et a.l , 1999)。另外, 由于气候、生物、营养失调等
外界胁迫因子的影响, 植物很难达到在最适生长条
件下那样体内的动态平衡 (H omeostasis) , 特别是在
极端温度 (冷、冻和热 )、水分利用 (干旱和离子过
剩 )以及离子毒害 (高盐和重金属 )等胁迫条件下,
更加难以预测 [ 60]。在遭遇上述逆境时, 植物对胁迫
的感知、信号的传导,然后产生适应性反应, 是决定
其生存与繁衍的关键 [ 61 ]。因此, 植物需要调控多种
基因和通过多种途径来抵御外界非生物胁迫的伤
害 [ 60]。从前面的分析得知,胁迫的信号的感知和传
导是植物的上游调控基因表达, 这对植物最后在生
理生化功能上的适应非常重要。
近 10年来,通过基因组测序; 细胞、器官、组织
和胁迫特异性基因的收集;转录、蛋白和代谢图谱以
及它们的动态变化; 蛋白质间的相互作用和突变体
的筛选等方面的研究, 利用基因组学技术在阐明植
物逆境胁迫响应中的基因调控机制方面得很大进
展 [ 60]。目前, 尽管许多抗逆相关基因以及胁迫信号
传导过程中的相关基因已经被克隆, 但我们对此的
了解还十分有限 [ 61]。由于生长在自然界中的植物,
常常受到一种或几种胁迫的威胁。因此, 今后开展
植物对胁迫信号的感知和传导途径的研究中,应该
不断的完善植物特异的和交叉共有 ( cross
ta lk)的信
号传导途径的研究, 以便更好地了解植物的抗逆胁
迫分子机制 [ 61] ,为农林作物的遗传改良奠定基础。
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