全 文 ：第27卷 第5期
2015年5月
Vol. 27, No. 5
May, 2015
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2015)05-0625-06
DOI: 10.13376/j.cbls/2015084
收稿日期：2014-12-30；修回日期：2015-02-14
基金项目：国家自然科学基金项目 ( 3 1 3 0 0 2 1 5，
31370289)；深圳市科创委项目( J C Y J 2 0 1 2 0 6 1 4 -
085333654，JCYJ20130329120339418)
*通信作者：E-mail: sunshine@szu.edu.cn(刘 昀)；
yzzheng@szu.edu.cn(郑易之)
植物ASR蛋白的研究进展
刘　昀*，吴佳辉，李冉辉，杨梅燕，郑易之*
(深圳大学生命科学学院深圳市微生物基因工程重点实验室，深圳市海洋生物资源与生态环境重点实验室，深圳 518060)
摘　要：ASR (abscisic acid, stress, ripening)蛋白是植物特有的一类蛋白质家族。ASR基因在成熟果实中表达，
也受脱落酸和胁迫诱导在营养组织中表达。现对 ASR基因家族的发现和进化、时空表达和 ASR蛋白的特
性及亚细胞定位等进行综述，特别对 ASR蛋白抗非生物胁迫功能及其可能的分子机制进行了总结，旨在为
ASR蛋白的农业应用提供新思路。
关键词：ASR蛋白；非生物胁迫；亚细胞定位；转录调控；固有无序蛋白
中图分类号：Q946.1 文献标志码：A
Research progress on plant ASR protein
LIU Yun*, WU Jia-Hui, LI Ran-Hui, YANG Mei-Yan, ZHENG Yi-Zhi*
(Shenzhen Key Laboratory of Microbiology and Gene Engineering,
Shenzhen Key Laboratory of Marine Bioresource and Eco-environmental Science,
College of Life Sciences, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)
Abstract: Abscisic acid stress ripening (ASR) protein is only found in plant kingdom up to now. ASR gene was
expressed not only in ripening fruit, but also induced by ABA and stresses in vegetable tissues. This review
summarizes the cloning, characterization, evolution and expression pattern of ASR gene, the amino acid composition
and subcellular localization of ASR protein. Especially, the role and molecular mechanism of ASR protein in
abiotic-stresses resistance are analyzed to provide new insight for applying ASR protein in agriculture.
Key words: abscisic acid stress ripening protein; abiotic stress; subcellular localization; transcriptional regulation;
intrinsically disordered protein
ASR (abscisic acid, stress, ripening)是在植物中
广泛分布的一类蛋白质家族，目前尚未在植物以外
的物种中发现。ASR蛋白可参与植物的胁迫应答、
糖代谢、果实发育和成熟等重要生命过程。ASR蛋
白具有胚胎晚期富集蛋白 (late embryogenesis
abundant, LEA)的特性，如蛋白质高度无序、高亲
水性、热稳定性、在种子发育后期大量积累、基因
表达受胁迫和 ABA诱导和胁迫时可保护目标蛋白
质 (如乳酸脱氢酶、Sma I和柠檬酸合成酶 )等。因
此，有学者将 ASR蛋白归类为第七组 LEA蛋白 [1]。
近年来大量报道指出，ASR蛋白具有转录因子的活
性。本文将从 ASR蛋白的进化、表达、定位、结
构与功能等方面揭示 ASR蛋白的多功能性，及其
增强植物抗非生物胁迫能力的生化与分子机制，为
ASR蛋白的研究和农业基因工程应用提供参考。
1　ASR基因家族的发现与进化
Amitai-Zeigerson等 [2]和 Iusem等 [3]在进行番
茄 (Lycopersicon esculentum) 成熟果实基因组文库差
异杂交时，首次筛选到 ASR1基因，因表达受
ABA、胁迫和成熟诱导而得名。该基因可编码相对
分子质量为 1.3 × 104的碱性蛋白。ASR1蛋白富含
生命科学 第27卷626
丙氨酸、谷氨酸、组氨酸和赖氨酸，定位于细胞核 [3]。
随后，陆续在番茄中发现 ASR2、ASR3和 ASR4基因，
且均位于 4号染色体 [4]。目前已在土豆、大豆、玉米、
西瓜、百合、水稻、葡萄和香蕉等 20多种植物中发
现了 50余个ASR基因 [5]。这些物种涵盖了裸子植物、
单子叶植物和双子叶植物。与一组和三组 LEA (late
embryogenesis abundant)基因存在于原核生物和动
物中不同，ASR基因仅在植物中广泛分布。不同植
物物种中 ASR基因数目差异较大。玉米中有 9个
ASR基因，为目前报道含 ASR基因最多的物种 [6]。
水稻、番茄和松树中 ASR基因的数目分别为 6、5
和4 [7-9]。值得注意的是，在拟南芥、盐芥 (Thellungiella
halophila)和遏蓝菜 (Thlaspi caerulescens)等十字花
科植物中不存在 ASR基因及其同源序列 [10]，暗示
十字花科植物可能均缺少 ASR蛋白。
Carrari等 [10]和 Franke等 [11]发现，直系同源
ASR蛋白序列的相似性比旁系同源的 ASR蛋白高，
番茄 ASR1基因与马铃薯 ci21a基因的同源性高于
番茄 ASR1基因和 ASR2基因的同源性。这表明
ASR基因家族起源早，约为 3亿年前，ASR基因的
复制发生在番茄和马铃薯进化分歧前 (图 1)。这一
假说与十字花科植物不存在 ASR基因这一现象一
致。ASR蛋白起源早，且高度保守，意味着可能在
植物中有着重要的功能。
ASR基因都是通过Multalin软件进行分析[10]。不同家族的ASR基因用不同颜色来表示。在成熟组织中表达的基因用红色标出。
图1　ASR基因家族之间的进化关系的分析
2　ASR基因的时空表达
ASR基因可在植物的所有器官中表达 [1,12]，且
与植物发育相关。ABA、渗透、高盐、脱水以及果
实成熟过程均可诱导ASR基因表达 [7-8,13-14]。Liu等 [15]
发现， LcAsr可在荔枝各个器官中表达，如根、茎、叶、
花、果实和种子表达，但表达水平各不相同，在花
中的表达量最高，其次是种子；在采摘后的荔枝果
实中，随着保存时间的增加，LcAsr基因的表达量
逐渐升高，并在 24 h达到最高。此外，渗透胁迫和
外源 ABA可诱导 mAsr3基因在香蕉中表达，而且
Henry等 [16]和 Hu等 [17]发现 H2O2可诱导小麦 ASR
基因表达量升高 。
刘　昀，等：植物ASR蛋白的研究进展第5期 627
ASR基因家族各成员的表达呈现多样性。正常
培养条件下，番茄 ASR2基因在叶的韧皮部伴胞细
胞中表达；在水分胁迫条件下，除了伴胞细胞外，
还可在叶肉细胞中检测到少量 ASR2基因的转录产
物。与 ASR2基因不同，ASR1基因不管是在正常培养
还是水分胁迫条件下，几乎不在维管组织中表达 [18]。
此外， Maskin等 [19]发现在干旱胁迫条件下，番茄
ASR1、ASR2和 ASR3基因在叶中表达上调，但在
脱水胁迫的根中，只有 ASR2基因的表达上调，
ASR1和 ASR3表达下降。香蕉中 4个 ASR基因的
表达也各不相同，如 mASR1和 mASR3的表达受渗
透胁迫和损伤诱导，mASR3和 mASR4的表达受
ABA诱导，而 mASR2的表达在这 3种条件下无明
显增强 [16]。这些结果表明，在植物体内，ASR基因
家族的各个成员在不同时期、不同胁迫条件、不同
细胞 /组织 /器官中表达，各个成员时空表达的差
异是否意味着功能不同仍有待进一步实验验证。
3　ASR蛋白的性质及亚细胞定位
ASR蛋白的氨基酸序列具有高亲水性，富含
谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、丝
氨酸、脯氨酸、丙氨酸和组氨酸等，特别是组氨酸
含量丰富。2012年，本实验室 Li等 [20]克隆大豆
GmASR基因，其编码的蛋白质序列中组氨酸含量
为 9.8%，具有较强的结合金属离子的能力。体外
实验证实 GmASR 蛋白可与 Cu2+、Zn2+、Ni2+ 和
Fe3+结合，但不能结合 Ca2+、Mg2+和 Mn2+。ASR
蛋白具有 3~5个的保守区 [1]，每个保守区都富含组
氨酸。N端保守区的序列含 6~7个组氨酸残基，可
能具有结合 Zn2+的功能；C端保守区域约含 70个
氨基酸，具有 ABA/WDS结构域 (Pfam: PF02496)。
因此，Gonzalez 和 Iusem[5] 提出 ASR 蛋白应归
ABA/WDS蛋白家族。
生物信息学预测结果显示，ASR蛋白属于固
有无序蛋白 (intrinsically disordered protein, IDPs)[12]，
即在生理条件下无明确的三级结构。IDPs占真核生
物全部蛋白质的 20%~28%，在植物中 IDPs参与胁
迫应答、转录调控和信号转导等功能 [21-22]。Goldgur
等 [12]利用生物信息学、圆二色谱及傅里叶变换红
外光谱技术证明，ASR蛋白在生理条件下处于无序
状态，但在结合了 Zn2+后，ASR蛋白的 α-螺旋和 β-
折叠比例增加，并可形成二聚体。此外，同一 ASR
蛋白定位于不同的亚细胞结构时，其结构会发生变
化，如番茄ASR1蛋白在细胞质中为单体，结构无序，
可发挥保护蛋白质、结合离子等功能；而在细胞核
中 ASR1蛋白为有结构的二聚体，并可结合 DNA，
发挥转录调控作用 [23]。
本课题组利用 YLOC服务器预测了 32个物种
共 68个 ASR蛋白序列在细胞中的定位，结果发现
所有 ASR蛋白为核定位 (表 1)。目前实验证实
ASR蛋白主要分布于细胞质和 (或 )细胞核中。
Wang等 [24]利用绿色荧光融合蛋白和免疫金定位方
法证实，百合花粉 ASR蛋白 (LLA23)定位于细胞
核和细胞质中。他们通过多肽截短突变实验发现，
LLA23蛋白 C端的核定位信号可分为含有 4个赖
氨酸的结构域 A和含 2个赖氨酸的结构域 B，其中
A结构域对 ASR蛋白的入核作用要强于 B结构域。
Cakir等 [25]发现，葡萄 ASR蛋白 (VvMSA)主要定
位于细胞核，并可特异结合 VvHT1基因的启动子，
表明 ASR蛋白可能具有转录调控的功能。但是，
Urtasun等 [26]利用酵母异源表达番茄 ASR1蛋白，
通过免疫荧光检测 ASR1蛋白的定位，发现大部分
ASR1蛋白分布于细胞质中。此外，ASR蛋白作为
植物特有蛋白，还可分布在叶绿体中。Arenhart等 [27]
发现水稻 ASR5蛋白可作为一种非活性转录因子存
在于叶绿体中，当植物受到铝胁迫时会转移到细胞
核中，发挥转录因子的作用，参与应答铝胁迫对光
合作用的影响。因此，作为 IDPs的 ASR蛋白，其
家族成员的亚细胞学定位、二级结构与构象的关系
及其与保护功能、与转录调控关系等的研究，有助
于从分子水平上阐明和揭示植物 ASR蛋白的作用
机制，是下一步研究的重点。
4　ASR蛋白的抗非生物胁迫功能及其分子机理
ASR基因的过表达可增强植物抗盐、抗旱、抗
重金属和抗高温等非生物胁迫的功能，如转番茄
ASR1基因的烟草在 200 mmol/L NaCl高盐胁迫下的
萌发率高于野生型，且转基因烟草细胞中的 NaCl
含量明显下降，表明 ASR1蛋白的表达具有提高烟
草细胞抗逆的能力 [30]。此外，在 60 mmol/L NaCl
和 300 mmol/L甘露醇胁迫下转百合 ASR基因的拟
南芥的萌发率高于野生型，而且百合、香蕉 ASR
蛋白的过表达可调高转基因拟南芥在干旱复水后的
存活率 [31-32]。不仅如此，ASR蛋白还可以提高酵母
的抗逆功能。过表达水稻 ASR1 蛋白或大豆
GmASR蛋白的酵母细胞在 1.5 mol/L NaCl、50 °C
生命科学 第27卷628
表1 YLOC 预测ASR蛋白的亚细胞定位
注：实验证实ASR定位的物种：1ASR5蛋白定位于细胞核和叶绿体[27]；2Maasr1蛋白定位于细胞核[28]；3LLA23蛋白定位于细胞
核与细胞质[24]；4 ASR1蛋白定位于细胞核与细胞质[29]；5VvMSA蛋白定位于细胞核[25]。
刘　昀，等：植物ASR蛋白的研究进展第5期 629
高温、200 μmol/L CuCl2和 6 mmol/L ZnCl2胁迫下
的生长好于对照酵母 [33-34]。上述研究表明，ASR蛋
白具有广泛的抗逆保护功能。
ASR蛋白可能通过 3种方式增强植物的抗逆
能力。(1)ASR蛋白序列中含高比例组氨酸，可通
过结合 Fe3+等金属离子，减少氧自由基的产生，从
而保护胁迫下的细胞 [23,33]。此外，ASR可直接结合
Cu2+等重金属离子，降低细胞中游离重金属离子含
量，减轻对细胞的伤害，而增强细胞 /生物抗重金
属胁迫能力。本实验室 Li等 [20]利用 2-脱氧核糖降
解法检测大豆 GmASR蛋白是否能够减弱 Fe3+参与
的 Fenton反应以及减少羟基自由基的产生。结果显
示，GmASR蛋白具有抗氧化能力，其抗氧化能力
要高于对照蛋白 (BSA蛋白 )。(2)由于 ASR为固有
无序蛋白，因此，ASR蛋白与其他固有无序蛋白，
如 LEA蛋白一样，直接参与细胞的多种抗逆保护
功能，如在胁迫条件下，阻止靶蛋白聚集，稳定蛋
白质活性。体外实验结果显示，在冻融和热胁迫条
件下，番茄、大豆 ASR蛋白可保护乳酸脱氢酶、
Sma I和柠檬酸合成酶的活性，阻止目标蛋白质发
生聚集，并且番茄 ASR1蛋白可以与渗透调节分子
甜菜碱发生协同作用，提高 ASR蛋白保护作用的
能力 [23]。(3)ASR蛋白具有转录调控的功能。在没
有 Zn2+条件下，ASR蛋白不能结合 DNA，但一旦
结合 Zn2+，ASR蛋白的结构即发生变化，可与
DNA结合 [30]。在高盐和渗透胁迫条件下，番茄和
小麦 ASR基因在烟草中的过表达可增强 ROS和胁
迫相关基因的表达量，防止植物发生氧化损伤，增
强植物抗胁迫的能力 [17,35]。Cakir等 [25]发现，葡萄
的 ASR蛋白 VvMSA可以与 VVHT1基因启动子的
一段 160 bp DNA序列发生特异的结合，VvMSA可
能与 ABA信号转导途径有关，表明 ASR蛋白可能
在糖信号转导和 ABA信号转导中起重要作用 。
Yang等 [31]研究显示，百合的 ASR基因在拟南芥中
过表达会引起其他应答 ABA信号的相关基因，如
RD29b、KIN2、ADH1、COR15a、P5CS1 的 表 达，
说明 ASR蛋白在 ABA信号转导过程中和植物逆境
中起重要的作用 。
5　展望
ASR蛋白属 IDPs蛋白，具有多重保护功能。
对 ASR蛋白的保护功能研究已积累较多资料，而
其参与转录调控作用的研究还不多见，其具体的调
控过程及作用机制还不清楚。ASR蛋白的二级结构、
构象与保护功能的关系、与转录调控的关系的研究，
及其在发育过程中和胁迫条件下动态变化的研究，
有助于从分子水平上阐明和揭示植物 ASR蛋白作
用的分子机制，可为将 ASR基因应用于农业生产奠
定基础。ASR蛋白的多重保护性功能特性在提高农
作物抗逆领域将发挥更大的作用，在农业生产实践
上具有广阔的应用前景。

[参　考　文　献]
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