全 文 ： 综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年增刊
植物抗寒性与抗寒基因的表达和调控
周德宝 张二红*
(内蒙古科技大学包头师范学院生命科学学院,包头 014030)
摘 要: 综合概述了国内外有关植物抗寒机理的研究动态, 主要讨论了抗寒基因的表达与调控在植物抗寒
性中的反应。此外, 亦提出了有关植物抗寒机制研究领域值得深入研讨的问题。
关键词: 植物抗寒机理 抗寒基因 表达 调控
Freezing Tolerance and the Expression and
Regulation of Relative Genes
Zhou D ebao Zhang E rhong
(Co llege of L ife Sciences. InnerM ongolia Science and Technology University, Baotou 014030)
Abstrac:t Advances in the research on the m echan ism o f freezing tolerance of p lant, m ainly on the re lationsh ip be
tw een the expression of freezing to lerance genes and its regulation w ith the freezing to lerance character istic of p lant, have
been rev iew ed. M eanwh ile som e problem s tha t arew orth exp lo iting further in the research about them echanism o f freezing
to lerance o f p lant have also been put forw ard.
Key words: M echan ism o f freezing to lerance of p lant F reezing to lerance gene Expression Regu la tion
作者简介:周德宝 ( 1961),男,河北宣化,副教授,研究方向:植物开花生理的分子生物学机制研究, Em ai:l debaozhou@ 163. com. Te:l 0472
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1 前言
植物对环境变迁及不良环境有足够的适应性和
抵抗能力,这种抗逆性既受系统发育的遗传基因所
控制, 又受个体发育中的生理生态所制约。温度作
为重要的环境因子之一, 在植物遗传背景限制的前
提下, 对植物某些生长发育过程起着决定性作用。
因此, 探索植物抗寒性的生理机制及其遗传因素,不
仅在基础理论上具有重要意义, 在解决生产实际问
题上也具有广泛的应用价值。
近年来,国内外学者在细胞和分子生物学方面
研究植物的抗寒性,取得了一些重要成果,似乎找到
了深入研究的突破口。为便于对植物低温反应和抗
寒机制有一个较全面的了解。对这一领域的研究概
况和进展作一综述。
2 植物抗寒基因的表达
抗寒基因是一种诱发基因, 只有在特定条件
(主要是低温和短日照 )的作用下, 启动抗寒基因的
表达,进而发展为抗寒力。在抗寒基因表达前,植物
抗寒能力仅仅是一种潜能, 一种基础 [ 1]。早在 1970
年, W e iser首先提出植物在低温适应过程中基因表
达改变的观点,同时他还指出多年生木本植物的低
温适应可能需要两个条件: 特异基因转录的激活及
在最大耐寒过程中新蛋白质的合成 (W eiser, 1970)。
支持W eiser观点的一个重要证据是 Guy等用菠菜
叶在 5诱导产生的 mRNA ( Guy等, 1985)。
随着分子生物学技术的发展和渗透, 在多种植
物中,大量实验证明在植物抗寒性诱导过程中,改变
了基因转录和蛋白质合成的模式 (王洪春, 1992) ,
而且这些变化与植物抗寒性密切相关。近年来, 研
究者们集中研究抗寒基因表达后合成的抗寒特异性
蛋白。这些大致可以分为两类: 一类直接保护植物
免受胁迫的伤害, 如抗冻蛋白, 伴侣蛋白和解毒酶
2006年增刊 周德宝等:植物抗寒性与抗寒基因的表达和调控
等;另一类在胁迫反应中调节基因表达和进行信号
传导, 如转录因子,蛋白激酶和一些磷酸肌醇代谢的
酶类。这些研究主要集中在诱导特异性的抗寒多
肽,分离纯化这些多肽,分析氨基酸的序列, 鉴定其
天然的功能, 利用它作探针, 筛选出 6特异的 cDNA
克隆。目前已在菠菜, 苜蓿, 冬小麦, 冬黑麦, 雀麦
草,冬油菜, 马铃薯和桑树等多种植物的抗寒力诱导
中观察到抗寒性特异蛋白质的新合成, 但这些蛋白
质在不同植物间差异很大,甚至同一植物在不同实
验中表现出很大区别。潘杰,简令成等在诱导合成
冬小麦抗寒特异性蛋白质的实验中证实植物的抗寒
性是有多基因控制的, 并证明抗寒性是一种积累性
的数量性状,也就是说,植物的抗寒性是由多种特异
的数量性抗寒基因调控的 [ 2]。相应的 mRNA的分
离,鉴定及体外翻译也在进行中。
研究发现抗寒力诱导中基因表达的变化主要发
生在转录水平上。Yamaguch iSh inozak i和 Sh inoza
k il994年第一次在拟南芥 RD29A的启动子分离出
两个 9bp的 DNA元件。Rd 29a基因能够在低温和
干旱时激活基因的表达。这两个元件含有低温
DRE的核心序列 CCGAC,也称 Crepeat /TRE。该序
列在其它抗寒基因的序列中也发现了, 包括 A rab i
dopsis的 COR l5a, Brassianapus的 BN ll5, W heat的
WCSl20。
要研究调控的分子机理必须分离出编码 Cre
peat结合蛋白的 cDNACBF l。 CBF l是单拷贝或低
拷贝基因,其表达水平受低温和干早胁迫影响较小。
推导出的 CBF l氨基酸序列表明该蛋白质在 N端有
一核结合序列并有 AP2结合花式, 酸性 C末端充当
激活区域。 CBF l的功能是转录激活因子。在转基
因拟南芥中, CBF l的超量表达能够诱导一些抗寒基
因的表达,增强未经抗寒锻炼的植物的抗寒能力。
CBF2和 CBF3是 CBF l的同源基因,它们与 CBF l串
联位于第四条染色体上,组成一个小的基因家族,两
者编码的蛋白质都含有核结合信号, AP2DNA结合
花式和酸性激活区域。
3 植物抗寒基因的调控
现已从植物材料中分离到多个冷调节基因
(COR基因 )。Mohapa tra( 1988)从经冷驯化的苜蓿
品种中确认了三个 COR基因, 通过构建 cDNA文
库,采用差异杂交筛选出抗寒性有关的 ABA控制的
基因。他在 1989年用同样的方法已克隆到三个苜
蓿抗寒特异性基因 ( pSM 784, pSM 2201, pSM 2358) ,
并研究了它们在转录时的丰富度及积累进程。结果
表明,这些抗寒性特异性基因很可在转录水平上,它
们在协同性方面受低温控制, 并在 4种不同抗寒性
苜蓿中都观察到基因表达和品种抗寒力呈正相相关
(M ohapartra, 1989)。目前, 在拟南芥中已得到多个
低温控制的基因克隆, 如 COR4. 7, COR6. 6,
COR15a, COR78等,它们只有在低温诱导下才能高
水平表达。从小麦中也分离到了编码叶绿体 Cu /
Snoods和线粒体 Masons的 cDNA。Cu /Snood基因
和MnSOD基因分别定位在第二和第七条同源染色
体的长臂上。SOD基因的表达在小麦抗寒性反应
中发挥着重要作用。实验证明,在低温条件下,冬小
麦中 MnSOD mRNA保持较高水平不变,而春小麦中
MnSOD mRNA水平降低,这一结果表明冬小麦比春
小麦可能有更为存在效的抗寒调节机制。
一些抗寒性基因表达调控的研究结果指出,
ABA,水分胁迫, 短日照处理都能诱导植物的抗寒
力。近些年,植物抗寒力诱导过程中, 内源 ABA水
平的提高以及外源 ABA的施用能提高植物的抗寒
力已被许多实验所证实, 并有些认为 ABA能代替低
温诱发抗寒基因的表达,合成抗寒特异性蛋白质,它
可能是抗寒基因表达的启动子 (简令成, 1978)。V i
da Lang以拟南芥为材料研究其抗冻力与低温, ABA
处理而产生的生理变化之间的联系。研究了内源
ABA和 rab18mRNA的积累, 发现在低温处理过程
中内源 ABA水平略有上升, ABA -调控 rab18基因
的表达程度很低,但可通过施用外源 ABA和旱胁迫
来使之提高。由此它们认为降低和增强抗冻力在拟
南芥这种植物中是由不同机制获得的。ABA对冷
驯化诱导的抗寒性可能有调节作用 ( V ida Lang和
Palma, 1994)。另外, ABA还可以提高植物和悬浮
细胞的耐冷力。Robertson等 ( 1987)发现在提高植
物对冷适应性过程中可能涉及新蛋白质的合成。
Re jo inder等从 ABA处理过的植株中分离到 mRNA
的进行体外转译, 发现在 ABA诱导植物耐冷过程
中,在基因表达上发生了显著的变化,其中一种编码
20KD多肽的新合成的 mRNA与耐冷性密切相关
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生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2006年增刊
(梁建生, 1991 )。尽管 ABA是植物抗寒性表达所
必需的,但它提高植物耐冻性的分子机制较为复杂,
很可能是通过诱导某些特异性基因表达, 间接地提
高植物的耐寒性。最近研究结果表明, 由转录激活
因子 CBF1诱导的抗寒性基因表达是通过 ABA非
依赖途径调控的, 因为 CBF1和 Crepeat均不受
ABA影响。
从冷害的角度出发, 研究者通常认为 Ca信使
可能起着传递低温信息的作用, 而启动 Ca信使系
统的一个中心环节就是浓度的改变。 Ryan等
( 1994)为磷脂酶 D能感知低温的信息, 进而调节膜
脂的代谢,改变了膜脂成分, 而磷脂酶 D的活性受
Ca浓度的变化所影响。M emory的实验发现钙调素
( CAM )的抑制剂 w7强烈地冷驯化诱导的抗寒力的
形成, 这表明 Ca信使系统在冷驯化过程中起着重
要的调节作用 (M emory, Saran和 Dh indsa, 1993 )。
尽管有实验证明 ABA调节某些生理活动,但目前尚
缺乏 ABA诱导植物抗寒力的生理过程是通过 Ca信
使的传递作用而实现的直接证据。
4 结论
在 20世纪 90年代植物抗寒基因工程方面的工
作也有显著进展,通过转基因的方法获得具有抗寒
性的植物, 转基因植物有两类: 一类是转入特定的
COR基因, 使其组成型表达以增强抗寒力, 例如
H ightow er等 ( 1991)将鱼类抗冻蛋白基因导入烟草
和蕃茄中,发现产生的融合蛋白具有抑制冰晶形成
的作用, A rts等 ( 1996)将 COR l5a转入烟草, 能增强
叶绿体和原生质体的抗寒能力。另一类是转入 CB
Fl一转录激活因子, 能够激活多个 cOR 基因的表
达,后一类转基因植物比前一类更为耐寒 ( 4)。转
基因植物所用的启动子有两类: 一类是组成型启动
子,如 35sCaMV启动子, 另一类是胁迫诱导型启动
子,如 rd 29A启动子。用 35sCaMV启动子的确增强
了植物的抗寒能力,但在正常生长条件下,植物也表
现出寒害胁迫下的生长情阻滞情况, 用 rd 29A启动
子,则能够减少对植物正常生长的阻滞,同时在低温
胁迫下,也能高效表达抗寒基因。
这些抗寒基因,抗冻蛋白基因被导入植物体内
得到转基因植株的报道, 表明通过抗寒基因工程来
改变植物的抗寒性可能成为植物抗寒改良的一种新
的育种途径。
植物抗寒性的生理机制十分复杂,相信随着分
子生物学和分子技术的发展把植物抗寒性与遗传基
因,酶系统的多态性以及代谢改组等有机结合起来
进行深入的研究去揭示植物抗寒性的本质已成为可
能。目前一些尚未有定论的认识,如相变发生的温
度范围, 冷驯化如何启动 cor基因, 冷驯化蛋白
( ca ip)在细胞中的功能和定位如何, Ca信使如何传
递低温信息使之转为一种分子水平的反应, cor基因
的具体功能和调控方式以及如何将外源抗寒基因导
入不耐寒植物中以提高其种性产生抗寒性等, 正为
未来提供了极好的研究课题。然而,把抗寒生理与
遗传育种学结合起来, 实现通过抗寒基因表达和抗
寒基因工程的转移来提高植物抗寒性这一目标, 尚
需一番艰辛的探索。
参 考 文 献
1 简令成,植物生理生化进展, 1987, ( 5) : 1 ~ 16.
2 潘杰,简令成,钱迎清,植物学集刊, 1994, 1( 7) : 144~ 15.
3 G oudaW u, RonalW W. P lan t Phys iology, 1999, 120: 513~ 520.
4 K irs ten R J Jag lo eland S arah J. G S cience, 1999, 280: 104.
5 Les lie A W, olive J. P lant Phys iology, 1999, 120: 391~ 399.
6 M arim an Shaun Y. P lan t Cell Phys io,l 1998, 19: 87~ 96.
7 M ien Cayuga, K iang Liu, Setsuko M iura. Natu re B iotech, 1999, 17:
287~ 291.
8 Corium U, Ch icano K, Daisuk e T. P lan t ph i soi,l 1999, 120: 481~
489.
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