全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2013, 48 (2): 219–229, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2013.00219
——————————————————
收稿日期: 2012-04-20; 接受日期: 2012-10-09
基金项目: 国家自然科学基金(No.31071484)
* 通讯作者。E-mail: gaoying@caas.net.cn
病原菌诱导型启动子顺式作用元件及其互作的转录因子
昝新丽1, 2, 高英2, 3*, 陈玉玲1, 赵开军2, 3
1河北师范大学生命科学学院, 石家庄 050016; 2中国农业科学院作物科学研究所, 农业部作物遗传育种重点实验室, 北京 100081
3农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程, 北京 100081
摘要 启动子是位于基因5′端上游的一段DNA序列, 负责调控基因的转录。与植物抗病相关基因的启动子区含有能针对病
原菌胁迫做出应答的顺式作用元件, 这些顺式作用元件通过与转录因子特异性结合, 进而增强抗病基因的转录表达, 提高
植物的抗病性。该文主要综述了病原菌诱导型启动子相关顺式作用元件及与这些元件互作的转录因子, 特别对一类特殊的
转录因子——病原菌TAL效应子与植物靶基因启动子之间的相互作用机制进行了阐述, 并对其应用前景进行了展望。
关键词 顺式作用元件, 诱导型启动子, 病原菌, 抗病性, 转录因子
昝新丽, 高英, 陈玉玲, 赵开军 (2013). 病原菌诱导型启动子顺式作用元件及其互作的转录因子. 植物学报 48, 219–229.
农业生产是人类赖以生存的基础, 而农作物在
生长过程中却极易遭受各种病原菌的侵袭, 造成农
作物的产量和质量下降, 甚至产生对机体有毒害的
物质。因此, 有效防治植物病害, 对提高作物产量和
品质至关重要。除了传统的农药防治病害方法外, 转
基因抗病植物的培育也越来越受到人们的关注。但
是, 目前在转基因植物中所使用的启动子多数为组
成型启动子, 其驱动外源基因在植物体内持续大量
地表达, 打破了植物原有的代谢平衡, 增加了植株
的代谢负担, 造成了物质和能量上的巨大浪费, 且
还可能影响食物的安全性 (Kasuga et al., 1999;
Moreno et al., 2005)。而诱导型启动子就可以很好地
规避上述问题, 如病原菌诱导型启动子在病原物的激
发下才会启动抗病相关基因的表达。因此, 研究和利用
病原菌诱导型启动子, 特别是对其关键调控元件的鉴
定和利用, 将有利于抗病转基因植物的培育(Lippok et
al., 2007; Cai et al., 2008; Chujo et al., 2009)。本文主
要综述了病原菌诱导型启动子相关顺式作用元件及与
这些元件相互作用的转录因子 , 特别对病原菌
TAL(transcription activator like effector)效应子与植物
靶基因启动子的特异识别模式进行了阐述, 旨在为
抗病转基因植物的研究利用提供新的思路。
1 植物基因启动子的基本结构和功能
启动子是一段位于结构基因5′端上游区的DNA序列。
它既能够活化RNA聚合酶, 使之与模板DNA准确地
结合, 又具有转录起始的特异性, 可控制基因转录的
起始时间和表达程度。它就像一个“开关”, 决定基
因的活动, 是基因表达不可或缺的重要调控序列(朱
玉贤和李毅, 2002)。一个典型的启动子包括TATA-
box和CAAT-box, 它们位于转录起始点上游几十个
碱基处。由TATA-box及转录起始点即可构成最简单
的启动子。TATA-box决定启动子的转录方向并保证
转录精确地起始(朱玉贤和李毅, 2002)。转录起始点
通常位于基因的–40– –70 bp处, 基因转录起始区域
的DNA序列较保守, 一般为CTCATCA, 中间的A即
为转录起始点, 记作+1 (Joshi, 1987)。一般把含有
TATA-box的启动子区称为核心启动子区, 核心启动
子区具有较低的转录活性。如椰菜花叶病毒基因
CaMV35S启动子的核心区–46/+8仅具有基础转录活
性(Odell et al., 1985)。除了核心区外, 启动子5′端上
游调控区往往含有许多其它调控元件, 例如一些与组
织特异表达有关的元件和各种(如植物激素、干旱、
低温、伤害和病原菌等)诱导表达元件。深入了解这

·专题论坛·
220 植物学报 48(2) 2013
些诱导调控元件的组成及功能有助于构建高效且特
异性的植物表达载体, 对于培育生物安全的转基因新
品种具有重要指导意义。
2 病原菌诱导型启动子相关顺式作用元
件及与其作用的转录因子
植物有多种转录因子参与抗病反应, 如WRKY类、
AP2/EREBP (APETALA2/ethylene-responsive ele-
ment binding proteins)类、MYB类和bZIP类(刘蕾等,
2008)。这些转录因子通过与其调控的基因启动子区
相关顺式作用元件的特异性结合进而直接调控植物
靶基因的转录表达, 或形成同源、异源二聚体, 或与
其它的蛋白质互作形成某种活化形式参与茉莉酸
(jasmonic acid, JA)、水杨酸(salicylic acid, SA)和乙
烯等介导的信号转导, 形成基因表达的调控网络, 参
与植物抗病反应(刘蕾等, 2008)。目前已从它们与
PR(pathogenesis-related protein)基因特异结合的位
点找到了抗性相关元件 , 如W-box、GCC-box、
S-box、MREs、G-box、E-box、PRE2和PRE4等
(表1)。
2.1 W-box元件和WRKY类转录因子
目前研究得比较透彻的W-box核酸序列有2种形式,
一种是TTGACC; 另一种是TGAC-Nx-GTCA。研究
表明, W-box与基因的真菌诱导性有关(Rushton and
Somssich, 1998)。欧芹(Petroselinum crispum)中的
PR1病程相关蛋白由PR1-1、PR-2和PR-3组成的基
因家族所编码。Rushton等(1996)通过对PR1基因启
动子的缺失和功能分析, 发现PR1-1、PR-2启动子上
各有2个响应真菌激发子的元件, PR1-1启动子上为
W1-box(AATTTGACCGAG) 和 W2-box(TATTCAG-
CCATCAAAGTTGACCAA), PR1-2启动子上为W1-
box和W3-box (TTATGACTAAATAGTCAGAA)。这3
个W-box元件都包含核心序列TGAC(下划线处), 突
变该核心序列会使启动子的真菌诱导活性丧失。
PR1-1和PR1-2启动子上的2个W-box元件的功能是
独立的 , 单独一个W-box足以响应真菌的诱导。
Fukuda和Shinshi (1994)在烟草(Nicotiana tabacum)
I型几丁质酶基因CHN50启动子中鉴定出1个具有真
菌诱导活性且与W-box相似的EIRE(elicitor respon-
sive element): GGTCAGAAAGTCAG元件。该元件
是一个激发子应答元件, 含有类似W-box元件核心序
列TGAC的反向互补序列GTCA。Raventórs等(1995)
在玉米(Zea mays)的PRms基因启动子上鉴定到一个
20 bp的应答真菌激发子的元件。序列分析发现 ,
–251– –231区域含有基序AATTGACC, 这与其它基
因应答真菌或激发子的保守序列ANT/TGACC相似。
转录因子WRKY家族蛋白能够特异性地结合
W-box元件(Meier et al., 1991; Rushton et al.,
1996)。WRKY蛋白因含有WRKY结构域而得名 ,
WRKY结构域的主要功能是结合目的基因DNA, 这
是WRKY蛋白发挥其生物学活性所必需的。WRKY结


表1 应答病原菌的顺式作用元件及其特性
Table 1 The cis-acting elements responsive to pathogens and their characteristics
顺式作用元件 核心序列(5′–3′) 典型基因 材料 作用元件特性
W-box TGAC PR1, PRms 欧芹 应答真菌
EIRE GTCA CHN50 烟草 应答真菌
GCC-box AGCCGCC Gln2 烟草 应答真菌
S-box CAGCCACCAAAGAGGACC ELI7 欧芹 应答真菌
P-box CTCCAACAAACCCCTTC PAL1 欧芹
L-box TCTCACCTACC 4CL1 欧芹
应答真菌激发子
应答真菌激发子
H-box CCTACC Chs15 蚕豆 应答烟草花叶病毒
G-box ACGT PI-II 马铃薯 应答ABA、光照、紫外线、伤害及病原物
ocs元件 CTGACGTAAGGGATGACGCAC ocs 根癌农杆菌 应答SA、茉莉酮酸酯和过氧化氢
PRE2 ACGCTGCCG OsWRKY13 水稻 应答真菌
PRE4 TACTGCGCTTAGT OsWRKY13 水稻 应答真菌
E-box ACCCATCAAG CcoAoMT 欧芹 应答真菌激发子
昝新丽等: 病原菌诱导型启动子顺式作用元件及其互作的转录因子 221
构域约由60个氨基酸组成, 靠近氨基(N)末端有7个
保守的氨基酸残基WRKYGQK, 构成了该结构域的
核心序列。当核心序列发生变化时, WRKY结构域的
活性减弱甚至失去 DNA结合能力 (Dong et al.,
2003)。WRKY蛋白的C端含有一个锌指结构。该锌指
结构由WRKY蛋白区域上的半胱氨酸或组氨酸残基
与单个的锌原子结合而成 , 锌指区域和锌原子是
WRKY蛋白结合DNA所必需的(Rushton et al., 1995,
1996)。WRKY蛋白能与包含TGAC(W-box)核心序列
的DNA片段特异性结合(Yu et al., 2001; Sun et al.,
2003), 并能与自身启动子中的W-box结合, 进而参
与基因的表达调控(Turck et al., 2004)。W-box通过与
WRKY蛋白特异性结合, 促使其调节下游目标基因的
转录, 从而在植物防御过程中发挥作用。W-box元件
的核心序列TGAC中任一碱基发生改变, 都会使其与
WRKY蛋白结合的能力减弱甚至丧失 (Yu et al.,
2001)。结合WRKY蛋白的目标基因中大多数都含有
数目不等的W-box元件, 这些元件同向排列或呈回文
结构, 不同的W-box元件之间可能具有协同效应。
W-box元件数量和排列方式的不同使其可以与不同
的WRKY转录因子结合, 从而调控不同的目标基因,
参与植物体内多种信号转导及调控途径 (吴坤陆 ,
2005) 。WRKY转录因子不仅参与植物的抗病反应,
而且还会影响植物的生长发育、衰老及抗胁迫能力
(Johnson et al., 2002; Dong et al., 2003; Li et al.,
2004; Pandey and Somssich, 2009)。
已有报道显示 , 植物体被细菌(Eulgem et al.,
1999)、病毒 (Wang et al., 1998)和真菌激发子
(Rushton et al., 1996; Fukuda, 1997)等侵染后, 体
内WRKY蛋白的mRNA、蛋白质及DNA结合活性均会
有所提高。启动子上成簇存在的W-box序列足以响应
多种病原激发子和伤害的诱导(Rushton et al., 2002)。
Robatzek和Somssich(2001)的研究结果表明, 拟南
芥(Arabidopsis thaliana)WRKY6蛋白通过特异性结
合SIRK基因启动子区域的W-box进而调节其衰老和
抗病反应。在欧芹中, 3类WRKY蛋白(即WRKY1, 2
和3)与PR1-1和PR1-2基因启动子上的W-boxes特异
性结合发挥作用。欧芹的WRKY1蛋白定向作用于细
胞核。在真菌激发子诱导下, WRKY1, -2, -3的mRNA
水平迅速升高。因此, 推测WRKY蛋白可能通过与应
答真菌的基因启动子上的W-box元件结合进而参与
植物的防御反应(Rushton et al., 1996)。
2.2 GCC-box、S-box和乙烯应答因子
在很多应答真菌的基因启动子区域均发现含有元件
GCC-box(AGCCGCC)(Ohme-Takagi and Shinshi,
1995; Büttner and Singh, 1997)。该元件是一类乙烯
应答元件, 在植物与真菌互作过程中, 乙烯的生物合
成量迅速增加, 乙烯作为信号分子可能参与应答病原
物基因的表达 (Ohme-Takagi and shinshi, 1995;
Zhou et al., 1997)。现已分离到一些与GCC-box结合
的乙烯应答元件结合蛋白 (ethylene-responsive
element binding protein, EREBPs), 或称乙烯应答
因 子 (ethylene-responsive factors, ERFs)(Ohme-
Takagi and shinshi, 1995; Büttner and singh, 1997;
Zhou et al., 1997; Stockinger et al., 1997)。第1类被
分离的EREBPs是烟草的EREBP-1, -2, -3, -4(Ohme-
Takagi and shinshi, 1995), 这4个蛋白都特异性地与
GCC-box结合并且在烟草叶片中受乙烯诱导。AP2/
EREBP(APETALA2/ethylene-responsive element bin-
ding proteins)是一个起源古老的转录因子超家族 ,
它含有1–2个约由60–70个氨基酸残基组成的极其保
守的DNA结合域 (DNA-binding domain), 即 AP2/
ERF结构域。根据AP2/ERF结构域的数目 , AP2/
EREBP转录因子可以分为2个亚族: EREBP亚族(含
有 1 个 AP2/ERF 结 构 域 ) 和 AP2 亚 族 ( 含 有 2 个
AP2/ERF结构域)。AP2亚族转录因子调控植物花、
胚珠和种子的发育; 而EREBP亚族转录因子的主要
功能是调节植物对激素(乙烯和ABA等)、病原菌和胁
迫(低温、干旱及高盐)等的应答(赵利锋和柴团耀,
2008)。
Brown等(2003)的实验结果显示, 乙烯介导的基
因表达及应答乙烯的转录因子可能通过与GCC-box
作用在茉莉酸调控的基因表达中发挥功能。他们鉴定
出一个响应茉莉酸和病原菌的乙烯应答转录因子
AtERF2, 该转录因子在包含GCC-box的防卫基因中
具有组成型转录活性; 并且可通过与GCC-box结合
被激活。张海文等(2004)推测, GCC-box可作为乙烯
和茉莉素信号途径的连接因子激活相关基因表达的
协同作用, 可能汇合于GCC-box与茉莉素及乙烯应
答反应因子JERFs/TERFs(jasmonate and/or ethyl-
ene responsive factors)的互作, JERFs/TERFs通过
222 植物学报 48(2) 2013
调节PR基因的表达提高植物对多种胁迫的耐受性,
进而发挥植物的防卫 (胁迫 )应答反应。在番茄
(Solanum lycopersicum)中, Pto激酶通过识别假单胞
杆菌的一个无毒基因avrPto, 参与番茄细菌性斑点病
的抗性。运用酵母双杂交体系, Zhou等(1997)鉴定出3
个基因——Pti4、Pti5和Pti6, 其编码蛋白可与Pto激
酶作用, 且每个基因的编码蛋白均具有与番茄乙烯应
答元件结合蛋白相似的转录因子特征(EREBPs)。之
后, 他们运用凝胶阻滞实验分析, 证实了Pti4/5/6与
EREBPs相似, 并可特异性识别并结合大量病程相关
蛋白 PR 基因启动子区域的一段 DNA 核心序列
GCCGCC。在番茄中, 通过Pto-avrPto识别可增强一
些PR基因和番茄EREBP基因的表达。上述研究结果
证明, 植物防御基因的特异性激活与抗病基因间存在
直接联系。
在防御基因启动子区经常含有GCC-box(TAA-
GAGCCGCC), 其核心序列与调控茉莉酸和(或)激发
子诱导表达的JERE(jasmonate and/or elicitor re-
sponsive element)元件(AGACCGCC)及被真菌诱导
表达的S-box(AGCCACC)相似。JA是一类重要的植
物激素, 能诱导许多植物产生防卫应答反应, 包括合
成一些与防卫相关的次生代谢产物。受真菌激发子诱
导的长春花(Catharanthus roseus)Str基因次生代谢
产物的生成需要JA作为第2信号分子。Str基因启动子
上一段42 bp序列是启动子响应JA和激发子所必需
的。这段序列与之前鉴定出的响应JA的区域不同, 它
包含1个GCC-box-like元件。酵母单杂交实验鉴定出2
个AP2类转录因子, ORCA1和ORCA2(octadecanoi-
dderivative responsive Catharanthus AP2-domain),
这2个转录因子特异性结合JERE元件。ORCA2能够
激活转录Str基因的启动子, 且JA和激发子能快速诱
导ORCA2的转录活性。这些结果暗示GCC-box-like
元件和ORCA2在Str基因响应JA及激发子过程中发
挥着重要作用(Menke et al., 1999)。在欧芹中, ELI7
基因家族成员能被真菌衍生物(植物疫霉属病菌)激发
子Pep-25 oligopeptide快速诱导表达。Kirsch等
(2000)分析了2个受激发子强烈诱导的启动子ELI7.1
和ELI7.2, 这2个启动子上有一段18 bp的共有序列
CAGCCACCAAAGAGGACC, 称之为S-box。将其中
的CCACCA突变为AAGAAG, 或者将S-box缺失, 激
发子的诱导活性都会大大减弱, 说明S-box在应答真
菌诱导过程中发挥着重要作用。
2.3 MREs元件和MYB类转录因子
欧芹PAL(phenylalanine ammonialyase)基因启动子
上的Box-P(CTCCAACAAACCCCTTC)、4CL(4-cou-
marate:CoA ligase)基因启动子上的Box-L(TCTCA-
CCTACC)及蚕豆(Vicia faba)Chs15基因启动子上的
H-box(CCTACC)都含有识别MYB蛋白因子的保守序
列 A(A/C)C(A/T)A(A/C)C, 即 MYB识别元件 MREs
(MYB recognition elements) (Logemann et al.,
1995; Faktor et al., 1997a)。Box-P和Box-L最初是在
欧芹PAL-1基因启动子上发现的受真菌激发子诱导的
DNA-蛋白互作位点(Lois et al., 1989), 它们可与
MYB类蛋白BPF-1结合(box P-binding factor) (da
Costae Silva et al., 1993; Feldbrügge et al., 1997)。
da Costae Silva等(1993)的研究发现, BPF-1能与欧
芹PAL-1基因启动子上的Box-P特异性结合。用激发
子处理欧芹细胞后, BPF-1的mRNA快速积累, 说明
BPF-1参与了植物的防御反应。Faktor等 (1997a,
1997b)的研究结果显示, 单独的H-box(CCTACC)活
性不高 ; 而功能获得实验显示 , 在转基因烟草中
H-box与G-box(CACGTG)协同作用时才具活性, 且
突变H-box或G-box后降低了植物对烟草花叶病毒的
应答。
MYB蛋白家族是植物中最大的转录因子家族之
一, 由MYB基因编码, MYB蛋白一般都具有高度保守
的DNA结合域——MYB结构域。根据含MYB结构域
不完全重复子(用R表示)的个数, 可将MYB蛋白分为
3类: (1) 单一MYB结构域(R1/R2)蛋白; (2)含有2个重
复MYB结构域(R2R3)蛋白; (3)含有3个重复MYB结
构域(R1R2R3)蛋白。在c-MYB蛋白(原型MYB蛋白)
中 , 此结构域重复3次 (R1R2R3)(万小荣和李玲 ,
2002)。c-MYB蛋白包含3个保守的功能域 , 即1个
DNA结合结构域(DNA binding domain, DBD)、 1个
富含酸性氨基酸的转录激活功能域(trans activation
domain, TAD)和1个不完全界定的负调节区(nega-
tive regulatory domain, NRD)(Thompson and Ram-
say, 1995)。其中, DNA结合结构域最为保守, 一般包
含1–3个不完全重复序列R(MYB结构域), 每个重复
序列R约由52个氨基酸残基和间隔序列组成, 每隔
18–19个氨基酸间隔1个色氨酸残基, 这些氨基酸残
昝新丽等: 病原菌诱导型启动子顺式作用元件及其互作的转录因子 223
基在空间上的规则排列使MYB结构域折叠成螺旋-转
角-螺旋(helix-turn-helix, HTH)结构, MYB蛋白凭借此
结构插入靶基因DNA分子大沟与目的DNA序列结合
(陈俊和王宗阳, 2002)。
研究显示, MYB基因在植株中的过表达可明显提
高植物的抗病能力, 且此作用具有一定的广谱效应。
Yang和Klessig(1996)及Raffaele等(2006)的研究结
果表明, SA在植物抵御病原菌侵染中起着重要作用。
例如拟南芥中的一个MYB转录因子基因AtMYB30在
过敏性反应HR(hypersensitive response)早期特异
性瞬时表达; 在拟南芥和烟草中, 该基因的过表达及
抑制实验证明, AtMYB30是植物受到病菌侵染时HR
反应的正调控因子(Raffaele et al., 2006)。该基因在
应答细菌病原菌侵染引起的过敏性死亡中的表达依
赖于SA的积累, 改变AtMYB30的表达量(使其过表达
或T-DNA插入突变)可调整SA的水平和SA相关基因
的表达。说明AtMYB30参与调控SA的合成, 进而调
控细胞的死亡。烟草的一个MYB转录因子基因MYB1
编码一个水杨酸信号复合物, 该复合物能与病程相关
蛋白PR基因的启动子序列结合, 参与PR基因的激活
和植物的抗病防卫反应; 用水杨酸处理后, 烟草植株
中MYB1表达量先升高, PR蛋白量随后增加, 表明
MYB1基因可能作用于SA信号的下游, 参与调控PR
基因的表达及植物的抗病反应(Yang and Klessig,
1996)。
2.4 G-boxes、as-1-like元件和bZIP类转录因子
G-boxes为一类包含ACGT家族的顺式作用元件, 能
够应答一些环境因子, 如ABA、光照、紫外线、伤害
以及病原物信号(Kim et al., 1992; Menkens et al.,
1995)。这类元件经常与其它顺式作用元件互作发挥
功能。如蚕豆Chs15基因启动子上的G-box和H-box
协同作用响应植物对烟草花叶病毒的应答(Faktor et
al., 1997a)。
as-1-like元件或称ocs元件 (CTGACGTAAGG-
GATGACGCAC)也是一类植物防御反应元件, 最初
从椰菜花叶病毒的35S启动子和根癌农杆菌的nos及
ocs基因启动子中分离得到(Lam et al., 1989; Ellis et
al., 1993)。as-1-like元件参与一些信号(包括SA、植
物生长激素、茉莉酮酸酯和过氧化氢)的应答(Yang et
al., 1997)。尽管as-1-like元件在一些病原物基因中有
活性 , 但尚不清楚其是否在植物基因中发挥作用
(Ellis et al., 1993)。
G-box和as-1-like元件(或ocs元件)都能与bZIP
蛋白结合。bZIP蛋白(basic leucine zipper)是植物中
最大的转录因子家族之一, 参与高等植物基因的表达
与调控。G-box和as-1-like元件能够结合到带有ACGT
核心元件的DNA序列上(Foster et al., 1994)。有研究
表明, bZIP蛋白可能在植物防御反应中发挥重要作
用。例如, Dröge-Laser等(1997)从大豆(Glycine max)
中分离的bZIP蛋白因子G/HBF-1能与蚕豆Chs15基
因启动子上的G-box及其附近的H-box结合, 蛋白的
磷酸化及合成第二信使水杨酸是植物受病原物侵袭
后的早期反应, 在大豆病原物的诱导下G/HBF-1蛋白
迅速磷酸化, 进而增强了其与启动子上H-box III的结
合。现已鉴定出一种能磷酸化G/HBF-1蛋白的丝氨酸
激酶, 该激酶在激发子处理的细胞中能瞬时表达, 进
而将G/HBF-1蛋白迅速磷酸化(Dröge-Laser et al.,
1997)。G-box除了是bZIP因子的结合位点, 还是一个
潜在的螺旋-环-螺旋bHLH(basic helix-loop-helix)蛋
白的结合位点(Kawagoe and Murai, 1996)。植物激
素JA参与植物的防御反应和生殖发育过程。Figueroa
和Browse(2011)分析了拟南芥中一个编码茉莉酮酸
酯JA-ZIM区域2的蛋白——JAZ2, 并在JAZ2基因启
动子区鉴定出一个G-Box元件。该元件是诱导早期JA
反应基因活性所必需的 , 可能通过选择性地结合
bHLH类转录因子(MYC2、MYC3和MYC4)发挥作用。
2.5 PRE2和PRE4
Cai等(2008)在水稻(Oryza sativa)抗病基因OsWR-
KY13启动子上鉴定出2个新型的响应真菌诱导的顺
式作用元件PRE2(ACGCTGCCG)和PRE4(TACTG-
CGCTTAGT)。经研究表明, 细菌和真菌等病原菌能
诱导OsWRKY13基因的表达, 进而增强水稻对白叶
枯病和真菌病害的抗性。在转基因烟草中 , Os-
WRKY13启动子 (–691–+37)受真菌强烈诱导表达 ,
接种2小时后表达量最高。对OsWRKY13基因启动子
进行分析, 发现W-box定位于启动子的–481– –477,
PRE2(ACGCTGCCG)定位于启动子的–313– –305,
PRE4(TACTGCGCTTAGT)定位于启动子的–101–
–89。对OsWRKY13启动子进行5′端缺失后GUS活性
分析, 结果显示缺失W-box(保留启动子序列–384–
224 植物学报 48(2) 2013
+37), 缺失W-Box和PRE2(保留启动子序列–191–
+37), 缺失W-box、PRE2和PRE4(保留启动子序列
–43–+37)比OsWRKY13启动子 (–691–+37)的GUS
活性分别降低了54%、81%和85%。说明缺失的这3
个元件对于OsWRKY13启动子应答真菌诱导起关键
作用。
研究显示, OsWRKY13既能与W-box结合也能与
PRE4结合, 但与两者结合的核心序列不同。与W-box
相比, PRE4与OsWRKY13的结合更具特异性。PRE4
既不含有W-box(TTGACC/TTGACC/T)核心序列, 也
不含有W-box-like (TTGACA, TGACC/T, TTGAC)核
心序列 , 预示PRE4可能包含新型的W-box-like元
件。
2.6 E-box
在欧芹类植物体内发现的咖啡酰辅酶A甲基转移酶基
因(CcoAoMT)属于防卫基因, 其与植物体内木质素
的生成有关 , 并参与植物的防御反应。Grimmig和
Matern(1997)通过足迹分析和凝胶阻滞实验, 从欧芹
CcoAoMT基因启动子中鉴定出一个新型的响应激发
子诱导的元件, 并命名为E-box, 该元件含有保守的
功能域(ACCCATCAAG)。凝胶阻滞实验分析结果显
示, E-box在体内可结合核蛋白, 缺失E-box序列后
CcoAoMT基因启动子在瞬时表达分析中将丧失真菌
激发子(Phytophthora megasperma f. sp. Glycinea
的粗提物)应答活性, 表明E-box元件与真菌诱导出
有关。
3 病原菌TAL效应子与植物靶基因启动
子的特异识别
植物的抗病反应是一个复杂的过程。在抗病基因的诱
导表达过程中, 除了真核转录因子能与启动子特异序
列结合诱导基因表达外, 病原菌产生的TAL效应子也
能模拟真核转录因子与植物基因启动子区的特异序
列结合从而诱导基因的表达(赵开军等, 2011; 李岩
强等, 2011)。如黄单胞杆菌属(Xanthomonas)的系列
变种, 可使辣椒(Capsieum annuum)和番茄感染细
菌性斑点病(Xanthomonas campestris pv. Vesicato-
ria); 使水稻感染白叶枯病(Xanthomonas oryzae pv.
oryzae)和条斑病(Xanthomonas oryzae pv. oryzi-
cola)(Boch and Bonas, 2010)。这些病菌能够将其产
生的效应子蛋白TAL effector通过III型分泌系统注入
寄主植物细胞中, 并模拟真核生物转录因子的功能,
与寄主基因启动子区的DNA序列结合, 启动相关基
因的表达, 进而控制寄主植物的一系列生理生化进程
(Yang et al., 2006; Kay et al., 2007; Römer et al.,
2007; Sugio et al., 2007; Scholze and Boch, 2011)。
Bonas等 (1989)在辣椒斑点病细菌Xanthom-
onas campestris pv. Vesicatoria (xcv)中发现了第1
个TAL效应子——AvrBs3。该效应子就是通过特异识
别寄主植物的一个控制细胞大小的关键调节基因
upa20的启动子区上的保守元件, 调节该基因的表
达, 进而激发寄主叶肉细胞增大, 以便于病菌在寄主
细胞中扩散和繁殖(Kay et al., 2007)。之后, Scholze
和Boch(2010)的研究发现, TAL效应子蛋白PthXo1、
PthXo6和AvrXa7能够分别特异识别水稻的Xa13、
OsTFX1和Os11N3的启动子区。本研究组通过构建
Tn5转座子插入的白叶枯病菌PXO99的突变体库, 筛
选使近等基因系CBB23致病的突变菌株(Wang et al.,
2009), 最终克隆到水稻Xa23基因对应的无毒基因
avrXa23, 并发现AvrXa23蛋白是一个TAL效应子 ,
能够识别Xa23基因的启动子序列进而激发水稻产生
强烈的抗病反应(数据未显示)。此时, TAL效应子对于
寄主植物就是无毒因子; 而对于不含相应抗病基因的
植物则为毒性因子 , 原因是这些无毒蛋白能使其
发病。
Herbers等(1992)的研究表明, TAL效应子类蛋
白具有相似的结构特征 : (1) N端高度保守 , 且其
mRNA上存在TTSS分泌信号(T3S); (2) C端含有亮氨
酸拉链结构LZ(leucine zipper)、核定位信号NLSs
(nuclear localization signals)及酸性转录激活域
AD(acidic activation domain); (3) 中间是串联重复
区, 每个重复单元约由34个氨基酸残基组成, 其中第
12和13位氨基酸高度可变, 称为重复可变区(repeat-
variable diresidue, RVD)。TAL效应子与寄主植物基
因识别的特异性由重复可变区的重复类型和数目决
定(Conrads-Strauch and Bonas, 1992; Yang et
al., 2005)。这种特殊的结构特征决定了TAL效应子类
蛋白与寄主靶基因的特异性识别。目前, 这种识别的
分子密码已被破解: 即效应子蛋白每个重复区的第
12位和第13位2个可变氨基酸识别寄主启动子区的
昝新丽等: 病原菌诱导型启动子顺式作用元件及其互作的转录因子 225
1个核苷酸, 且这种识别具有偏爱性。如氨基酸HD和
NI分别对碱基C和A有很强的偏爱 , 不同的重复
(repeat)类型识别不同的核苷酸, 正是第12位和第13
位氨基酸残基决定了这种识别的特异性。通过这种特
异的识别, TAL效应子调控植物靶基因的表达, 并引
发寄主植物的抗病或感病反应(Boch et al., 2009;
Moscou and Bogdanove, 2009)。目前, 特异识别的
结构基础也已被解析, 详情可参见有关文献(Bradley,
2012; Deng et al., 2012; Mak et al., 2012)。
4 研究展望
农作物在生长过程中经常遭受各种病原菌的侵袭, 应
用基因工程技术提高作物对病原物的抗性在很大程
度上依赖于具有良好特性的病原物诱导型启动子。迄
今为止, 自然界中仅有少数病原物诱导型启动子具有
诱导因子广、本底活性低和启动表达快等优点。作者
认为组合不同的启动子元件构建人工启动子, 可使启
动子应答多种信号并具备更严谨的调节能力, 有望得
到理想的人工病原物诱导型启动子。本研究组从芥菜
(Brassica juncea)BjCHI1基因中分离到一个诱导型
启动子BjC-P(吴雪峰, 2009)。由于BjCHI1基因在植物
正常生长条件下几乎不表达, 在受伤害、虫食、茉莉
酸甲酯MeJA和真菌侵染等因素的诱导时强烈表达
(Zhao and Chye, 1999; Fung et al., 2002; Chye et
al., 2005), 暗示该启动子含有重要的顺式作用元件。
经研究发现, BjC-P含有应答真菌的关键调控元件(未
发表资料), 但如何更好地应用该启动子, 尚需进一
步研究。
TAL效应子与寄主靶基因识别分子密码的破解,
为开辟作物抗病育种新方法(包括构建广谱抗病基因
复合体及通过效应子核酸酶(TAL effector nucleases,
TALNs)对目标基因进行定点突变和重组的新的基因
工程手段)提供了理论和实验基础。Römer等(2009)
利用基因工程技术将不同的UPT-box相互组合, 得到
了能与多个TAL效应子识别的新启动子, 用该启动子
驱动一个抗病基因, 可以扩大该抗病基因的抗谱。目
前 , 人工重组的TALENs的基因剪切效果已在酵母
(Saccharomyces cerevisiae)(Li et al., 2011)、斑马鱼
(Danio rerio)(Huang et al., 2011; Sander et al.,
2011) 、 大 鼠 (Rattus norvegicus)(Tesson et al.,
2011)、线虫(Caenorhabditis elegans)(Wood et al.,
2011)和人类(Hockemeyer et al., 2011)等物种的细
胞上得到证实。Li等(2012)利用TALENs技术成功地
将水稻感病基因Os11N3启动子序列定点剪切, 使得
水稻白叶枯病原菌TAL效应子AvrXa7和PthXo3不能
识别Os11N3启动子靶点序列, 使白叶枯病原菌不能
致病 , 从而提高了水稻的抗病能力。上述利用
TALENs技术对植物基因组实施定点剪切并获得目标
性状改良的植物在世界上尚属首次。
随着分子生物学和生物信息学的快速发展, 对病
原菌诱导型启动子上顺式作用元件及转录因子的研
究将会越来越深入和广泛, 相信以后会鉴定出更多与
抗病相关的顺式作用元件和转录因子。对这些元件结
构及功能的深入研究将有助于理解植物病原菌诱导
的基因表达调控机制, 为人工构建植物病原菌诱导型
特异启动子提供新的遗传材料, 并为抗病转基因植物
的研究和培育提供有力的工具。TALENs作为新兴的
技术无论在基础研究还是在植物应用研究方面都将
有巨大的应用潜力。
参考文献
陈俊, 王宗阳 (2002). 植物MYB类转录因子研究进展. 植物
生理与分子生物学学报 28, 81–88.
李岩强, 王春连, 赵开军 (2011). 病原菌TAL效应子与寄主靶
基因相互识别的分子密码. 生物工程学报 27, 1132−1141.
刘蕾, 杜海, 唐晓凤, 吴燕民, 黄玉碧, 唐益雄 (2008). MYB
转录因子在植物抗逆胁迫中的作用及其分子机理 . 遗传
30, 1265–1271.
万小荣 , 李玲 (2002). 植物的MYB蛋白 . 植物生理学通讯
38, 165–170.
吴坤陆 (2005)．WRKY基因家族的进化及水稻WRKY基因表
达谱的研究. 博士论文. 杭州: 浙江大学. pp. 16–21.
吴雪峰 (2009). 诱导型启动子BjC-P的功能分析. 博士论文.
北京: 中国农业科学院研究生院. pp. 22−33.
张海文, 谢丙炎, 卢向阳, 杨宇红, 陈琪, 黄荣峰 (2004). 拟
南芥防卫基因PDF1.2启动子中GCC盒是应答茉莉素反应
必要的顺式作用元件. 科学通报 49, 2444–2448.
赵开军, 李岩强, 王春连, 高英 (2011). 植物天然免疫性研究
进展及其对作物抗病育种的可能影响 . 作物学报 37,
935–942.
赵利锋, 柴团耀 (2008). AP2/EREBP转录因子在植物发育和
226 植物学报 48(2) 2013
胁迫应答中的作用. 植物学通报 25, 89–101.
朱玉贤, 李毅 (2002). 现代分子生物学(第2版). 北京: 高等
教育出版社. pp. 71–77.
Boch J, Bonas U (2010). Xanthomonas AvrBs3 family-type
III effectors: discovery and function. Annu Rev Phytopa-
thol 48, 419−436.
Boch J, Scholze H, Schornack S, Landgraf A, Hahn S,
Kay S, Lahaye T, Nickstadt A, Bonas U (2009). Break-
ing the code of DNA binding specificity of TAL-type III ef-
fectors. Science 326, 1509–1512.
Bonas U, Stall RE, Staskawicz B (1989). Genetic and
structural characterization of the avirulence gene avrBs3
from Xanthomonas campestris pv. vesicatoria. Mol Gen
Genet 218, 127–136.
Bradley P (2012). Structural modeling of TAL effector-DNA
interactions. Protein Sci 21, 471–474.
Brown RL, Kazan K, McGrath KC, Maclean DJ, Mann-
ers JM (2003). A role for the GCC-Box in jasmonate-
mediated activation of the PDF1.2 gene of Arabidopsis.
Plant Physiol 132, 1020–1032.
Büttner M, Singh KB (1997). Arabidopsis thaliana ethylene-
responsive element binding protein (AtEBP), an ethy-
lene-inducible, GCC box DNA-binding protein interacts
with an ocs element binding protein. Proc Natl Acad Sci
USA 94, 5961–5966.
Cai M, Qiu D, Yuan T, Ding X, Li H, Duan L, Xu C, Li X,
Wang S (2008). Identification of novel pathogen-
responsive cis-elements and their binding proteins in the
promoter of OsWRKY13, a gene regulating rice disease
resistance. Plant Cell Environ 31, 86–96.
Chujo T, Sugioka N, Masuda Y, Shibuya N, Takemura T,
Okada K, Nojiri H, Yamane H (2009). Promoter analysis
of the elicitor-induced WRKY gene OsWRKY53, which is
involved in defense responses in rice. Biosci Biotechnol
Biochem 73, 1901–1904.
Chye ML, Zhao KJ, He ZM, Ramalingam S, Fung KL
(2005). An agglutinating chitinase with two chitin-binding
domains confers fungal protection in transgenic potato.
Planta 220, 717–730.
Conrads-Strauch JHK, Bonas U (1992). Race-specificity of
plant resistance to bacterial spot disease determined by
repetitive motifs in a bacterial avirulence protein. Nature
356, 172–174.
da Costae Silva O, Klein L, Schmelzer E, Trezzini GF,
Hahlbrock K (1993). BPF-1, a pathogen-induced DNA-
binding protein involved in the plant defense response.
Plant J 4, 125–135.
Deng D, Yan CY, Pan XJ, Mahfouz M, Wang JW, Zhu JK,
Shi YG, Yan N (2012). Structural basis for sequence-
specific recognition of DNA by TAL effectors. Science
335, 720–723.
Dong JX, Chen CC, Chen ZX (2003)．Expression profiles of
the Arabidopsis WRKY gene superfamily during plant
defense response. Plant Mol Biol 51, 21–37.
Dröge-Laser W, Kaiser A, Lindsay WP, Halkier BA, Loake
GJ, Doerner P, Dixon RA, Lamb C (1997). Rapid stimu-
lation of a soybean protein-serine kinase that phosphory-
lates a novel bZIP DNA-binding protein, G/HBF-1, during
the induction of early transcription-dependent defenses.
EMBO J 16, 726–738.
Ellis JG, Tokuhisa JG, Llewellyn DJ, Bouchez D, Singh
K, Dennis ES, Peacock WJ (1993). Does the ocs-
element occur as a functional component of the promoters
of plant genes? Plant J 4, 433–443.
Eulgem T, Rushton PJ, Schmelzer E, Hahlbrock K,
Somssich IE (1999). Early nuclear events in plant de-
fence signaling: rapid gene activation by WRKY trans-
cription factors. EMBO J 18, 4689–4699.
Faktor O, Kooter JM, Loake GJ, Dixon RA, Lamb CJ
(1997a). Differential utilization of regulatory cis-elements
for stress-induced and tissue-specific activity of a French
bean chalcone synthase promoter. Plant Sci 124, 175–
182.
Faktor O, Loake G, Dixon RA, Lamb CJ (1997b). The
G-box and H-box in a 39 bp region of a French bean
chalcone synthase promoter constitute a tissue-specific
regulatory element. Plant J 11, 1105–1113.
Feldbrügge M, Sprenger M, Hahlbrock K, Weisshaar B
(1997). PcMYB1, a novel plant protein containing a
DNA-binding domain with one MYB repeat, interacts in
vivo with a light-regulatory promoter unit. Plant J 11,
1079–1093.
Figueroa P, Browse J (2011). The Arabidopsis JAZ2 pro-
moter contains a G-box and thymidine-rich module that
are necessary and sufficient for jasmonate-dependent ac-
tivation by MYC transcription factors and repression by
JAZ proteins. Plant Cell Physiol 53, 330–343.
Foster R, Izawa T, Chua NH (1994). Plant bZIP proteins
gather at ACGT elements. FASEB J 8, 192–200.
Fukuda Y (1997). Interaction of tobacco nuclear protein with
an elicitor-responsive element in the promoter of a basic
class I chitinase gene. Plant Mol Biol 34, 81–87.
Fukuda Y, Shinshi H (1994). Characterization of a novel
cis-acting element that is responsive to a fungal elicitor in
昝新丽等: 病原菌诱导型启动子顺式作用元件及其互作的转录因子 227
the promoter of a tobacco class I chitinase gene．Plant
Mol Biol 24, 485–493.
Fung KL, Zhao KJ, He ZM, Chye ML (2002). Tobacco-
expressed Brassica juncea chitinase BjCHI1 shows anti-
fungal activity in vitro. Plant Mol Biol 50, 283–294.
Grimmig B, Matern U (1997). Structure of the parsley caf-
feoyl-CoA O-methyltransferase gene, harbouring a novel
elicitor responsive cis-acting element. Plant Mol Biol 33,
323–341.
Herbers K, Conrads-Strauch J, Bonas U (1992). Race-
specificity of plant resistance to bacterial spot disease
determined by repetitive motifs in a bacterial avirulence
protein. Nature 6365, 172−174.
Hockemeyer D, Wang HY, Kiani S, Lai CS, Gao Q, Cas-
sady JP, Cost GJ, Zhang L, Santiago Y, Miller JC,
Zeitler B, Cherone JM, Meng XD, Hinkley SJ, Rebar
EJ, Gregory PD, Urnov FD, Jaenisch R (2011). Genetic
engineering of human pluripotent cells using TALE nu-
cleases. Nat Biotechnol 29, 731−734.
Huang P, Xiao A, Zhou MG, Zhu ZY, Lin S, Zhang B
(2011). Heritable gene targeting in zebrafish using cus-
tomized TALENs. Nat Biotechnol 29, 699−700.
Johnson CS, Kolevski B, Smyth DR (2002). TRANS-
PARENT TESTA GLABRA2, a trichome and seed coat
development gene of Arabidopsis, encodes a WRKY
transcription factor. Plant Cell 14, 1359–1375.
Joshi CP (1987). An inspection of the domain between Pu-
tative TATA box and translation start site in 79 plant
genes. Nucleic Acids Res 15, 6643–6653.
Kasuga M, Liu Q, Miura S, Yamaguchi-Shinozaki K,
Shinozaki K (1999). Improving plant drought, salt, and
freezing tolerance by gene transfer of a single stress-in-
ducible transcription factor. Nat Biotechnol 17, 287–291.
Kawagoe Y, Murai N (1996). A novel basic region/ he-
lix-loop-helix protein binds to a G-box motif CACGTG of
the bean seed storage protein β-phaseolin gene. Plant Sci
116, 47–57.
Kay S, Hahn S, Marois E, Hause G, Bonas U (2007). A
bacterial effector acts as a plant transcription factor and
induces a cell size regulator. Science 318, 648–651.
Kim SR, Choi JL, Costa MA, An G (1992). Identification of
G-box sequence as an essential element for methyl jas-
monate response of potato proteinase inhibitor II pro-
moter. Plant Physiol 99, 627–631.
Kirsch C, Takamiya-Wik M, Schmelzer E, Hahlbrock
K, Somssich IE (2000). A novel regulatory element in-
volved in rapid activation of parsley ELI7 gene family
members by fungal elicitor or pathogen infection. Mol
Plant Pathol 1, 243–251.
Lam E, Benfey PN, Gilmartin PM, Fang RX, Chua NH
(1989). Site specific mutations alter in vitro factor binding
and change promoter expression pattern in transgenic
plants. Proc Natl Acad Sci USA 86, 7890–7894.
Li J, Brader G, Palva ET (2004). The WRKY70 transcription
factor: a node of convergence for jasmonate-mediated
and salicylate-mediated signals in plant defense. Plant
Cell 16, 319–331.
Li T, Huang S, Jiang WZ, Wright D, Spalding MH,
Weeks DP, Yang B (2011). TAL nucleases (TALNs):
hybrid proteins composed of TAL effectors and FokI
DNA-cleavage domain. Nucleic Acids Res 39, 359–372.
Li T, Liu B, Spalding HM, Weeks DP, Yang B (2012).
High-efficiency TALEN-based gene editing produces
disease-resistant rice. Nat Biotechnol 30, 390−392.
Lippok B, Birkenbihl RP, Rivory G, Brümmer J,
Schmelzer E, Logemann E, Somssich IE (2007). Ex-
pression of AtWRKY33 encoding a pathogen- or PAMP-
responsive WRKY transcription factor is regulated by a
composite DNA motif containing W-box elements. Mol
Plant Microbe Interact 20, 420–429.
Logemann E, Parniske M, Hahlbrock K (1995). Modes of
expression and common structural features of the com-
plete phenylalanine ammonia-lyase gene family in pars-
ley. Proc Natl Acad Sci USA 92, 5905−5909.
Lois R, Dietrich A, Hahlbrock K, Schulz W (1989). A
phenylalanine ammonia-lyase gene from parsley: struc-
ture, regulation and identification of elicitor and light re-
sponsive cis-acting elements. EMBO J 8, 1641–1648.
Mak ANS, Bradley P, Cernadas RA, Bogdanove AJ,
Stoddard BL (2012). The crystal structure of TAL effector
PthXo1 bound to its DNA target. Science 335, 716−719.
Meier I, Hahlbrock K, Somssich IE (1991). Elicitor-induci-
ble and constitutive in vivo DNA footprints indicate novel
cis-acting elements in the promoter of a parsley gene
encoding pathogenesis-related protein 1. Plant Cell 3,
309–315.
Menke FLH, Champion A, Kijne JW, Memelink J (1999). A
novel jasmonate- and elicitor-responsive element in the
periwinkle secondary metabolite biosynthetic gene Str
interacts with a jasmonate- and elicitor-inducible AP2-
domain transcription factor, ORCA2. EMBO J 18, 4455–
4463.
Menkens AE, Schindler U, Cashmore AR (1995). The
G-box: a ubiquitous regulatory DNA element in plants
228 植物学报 48(2) 2013
bound by the GBF family of bZIP proteins. Trends
Biochem Sci 20, 506–510.
Moreno AB, Peñas G, Rufat M, Bravo JM, Estopà M,
Messeguer J, San Segundo BS (2005). Pathogen-
induced production of the antifungal AFP protein from
Aspergillus giganteus confers resistance to the blast
fungus Magnaporthe grisea in transgenic rice. Mol Plant
Microbe Interact 18, 960–972.
Moscou MJ, Bogdanove AJ (2009). A simple cipher gov-
erns DNA recognition by TAL effectors. Science 5959,
1501–1501.
Odell JT, Nagy F, Chua NH (1985). Identification of DNA
sequences required for activity of the cauliflower mosaic
virus 35S promoter. Nature 313, 810–812.
Ohme-Takagi M, Shinshi H (1995). Ethylene-inducible DNA
binding proteins that interact with an ethylene-responsive
element. Plant Cell 7, 173–182.
Pandey SP, Somssich IE (2009). The role of WRKY trans-
cription factors in plant immunity. Plant Physiol 150,
1648–1655.
Raffaele S, Rivas S, Roby D (2006). An essential role for
salicylic acid in AtMYB30-mediated control of the hyper-
sensitive cell death program in Arabidopsis. FEBS Lett
580, 3498–3504.
Raventórs D, Jensen AB, Rask MB, Casacuberta JM,
Mundy J, Segundo BS (1995). A 20 bp cis-acting ele-
ment is both necessary and sufficient to mediate elicitor
response of a maize PRms gene. Plant J 7, 147–155.
Robatzek S, Somssich IE (2001). A new member of the
Arabidopsis WRKY transcription factor family, AtWRKY6,
is associated with both senescence- and defence-related
processes. Plant J 28, 123–133.
Römer P, Hahn S, Jordan T, Strauß T, Bonas U, Lahaye T
(2007). Plant pathogen recognition mediated by promoter
activation of the pepper Bs3 resistance gene. Science
318, 645–648.
Römer P, Recht S, Lahaye T (2009). A single plant resis-
tance gene promoter engineered to recognize multiple
TAL effectors from disparate pathogens. Proc Natl Acad
Sci USA 106, 20526–20531.
Rushton PJ, Macdonald H, Huttly AK, Lazarus CM,
Hooley R (1995). Members of a new family of DNA-
binding proteins bind to a conserved cis-element in the
promoters of α-Amy2 genes. Plant Mol Biol 29, 691– 702.
Rushton PJ, Reinstädler A, Lipka V, Lippok B, Soms-
sich IE (2002). Synthetic plant promoters containing de-
fined regulatory elements provide novel insights into
pathogen- and wound-induced signaling. Plant Cell 14,
749–762.
Rushton PJ, Somssich IE (1998). Transcriptional control of
plant genes responsive to pathogens. Curr Opin Plant Biol
1, 311–315.
Rushton PJ, Torres JT, Parniske M, Wernert P, Hahi-
brock K, Somssich IE (1996). Interaction of elicitor in-
duced DNA-binding proteins with elicitor response ele-
ments in the promoters of parsley PR1 genes．EMBO J
15, 5690–5700.
Sander JD, Cade L, Khayter C, Reyon D, Peterson RT,
Joung JK, Yeh JRJ (2011). Targeted gene disruption in
somatic zebrafish cells using engineered TALENs. Nat
Biotechnol 29, 697−698.
Scholze H, Boch J (2010). TAL effector-DNA specificity.
Virulence 1, 428–432.
Scholze H, Boch J (2011). TAL effectors are remote con-
trols for gene activation. Curr Opin Microbiol 14, 47–53.
Stockinger EJ, Gilmour SJ, Thomashow MF (1997).
Arabidopsis thaliana CBF1 encodes an AP2 domain-
containing transcriptional activator that binds to the
C-repeat/DRE, a cis-acting DNA regulatory element that
stimulates transcription in response to low temperature
and water deficit. Proc Natl Acad Sci USA 94, 1035–1040.
Sugio A, Yang B, Zhu T, White FF (2007). Two type III
effector genes of Xanthomonas oryzae pv. oryzae control
the induction of the host genes OsTFIIAγ1 and OsTFX1
during bacterial blight of rice. Proc Natl Acad Sci USA
104, 10720–10725.
Sun CX, Palmqvist S, Olsson H, Borén M, Ahlandsberg
S, Jansson C (2003). A novel WRKY transcription factor,
SUSIBA2, participates in sugar signaling in barley by
binding to the sugar-responsive elements of the iso1
promoter. Plant Cell 15, 2076–2092.
Tesson L, Usal C, Ménoret S, Leung E, Niles BJ, Remy S,
Santiago Y, Vincent AI, Meng XD, Zhang L, Gregory
PD, Anegon I, Cost GJ (2011). Knockout rats generated
by embryo microinjection of TALENs. Nat Biotechnol 29,
695–696.
Thompson MA, Ramsay RG (1995). Myb: an old oncopro-
tein with new roles. Bioessays 17, 341–350.
Turck F, Zhou AF, Somssich IE (2004). Stimulus-
dependent, promoter-specific binding of transcription
factor WRKY1 to its native promoter and the defense-
related gene PcPR1-1 in parsley. Plant Cell 16, 2573–
2585.
Wang CL, Xu AB, Gao Y, Fan YL, Liang YT, Zheng CK,
昝新丽等: 病原菌诱导型启动子顺式作用元件及其互作的转录因子 229
Sun LQ, Wang WQ, Zhao KJ (2009). Generation and
characterization of Tn5-tagged Xanthomonas oryzae pv.
oryzae mutants that overcome Xa23-mediated resistance
to bacterial blight of rice. Eur J Plant Pathol 123, 343–351.
Wang ZP, Yang PZ, Fan BF, Chen ZX (1998). An oligo
selection procedure for identification of sequence-specific
DNA-binding activities associated with the plant defence
response. Plant J 16, 515–522.
Wood AJ, Lo TW, Zeitler B, Pickle CS, Ralston EJ, Lee
AH, Amora R, Miller JC, Leung E, Meng XD, Zhang L,
Rebar EJ, Gregory PD, Urnov FD, Meyer BJ (2011).
Targeted genome editing across species using ZFNs and
TALENs. Science 333, 307–307.
Yang B, Sugio A, White FF (2005). Avoidance of host recog-
nition by alterations in the repetitive and C-terminal re-
gions of AvrXa7, a type III effector of Xanthomonas
oryzae pv. oryzae. Mol Plant Microbe Interact 18, 142–
149.
Yang B, Sugio A, White FF (2006). Os8N3 is a host dis-
ease-susceptibility gene for bacterial blight of rice. Proc
Natl Acad Sci USA 103, 10503–10508.
Yang Y, Shah J, Klessig DF (1997). Signal perception and
transduction in plant defense responses. Genes Dev 11,
1621–1639.
Yang YN, Klessig DF (1996). Isolation and characterization
of a tobacco mosaic virus-inducible myb oncogene ho-
molog from tobacco. Proc Natl Acad Sci USA 93, 14972–
14977.
Yu D, Chen C, Chen Z (2001). Evidence for an important
role of WRKY DNA binding proteins in the regulation of
NPR1 gene expression. Plant Cell 13, 1527–1540.
Zhao KJ, Chye ML (1999). Methyl jasmonate induces ex-
pression of a novel Brassica juncea chitinase with two
chitin-binding domains. Plant Mol Biol 40, 1009–1018.
Zhou JM, Tang XY, Martin GB (1997). The Pto kinase
conferring resistance to tomato bacterial speck disease
interacts with proteins that bind a cis-element of patho-
genesis-related genes. EMBO J 16, 3207–3218.

Pathogen-responsive Cis-acting Elements and Their Interactive
Transcription Factors
Xinli Zan1, 2, Ying Gao2, 3*, Yuling Chen1, Kaijun Zhao2, 3
1College of Life Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China; 2Key Laboratory of Crop Genetics and
Breeding, Ministry of Agriculture, Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100081,
China; 3National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement, Beijing 100081, China
Abstract A gene’s promoter is the 5 upstream region of the DNA sequence and it regulates the transcription of a gene.
Pathogen-inducible promoters contain cis-acting elements responsive to pathogenic stresses. The cis-acting elements
can enhance the transcription of a resistant gene to improve disease resistance in a plant by specifically interacting with
transcription factors. This article reviews the pathogen-related cis-acting elements in pathogen-inducible promoters and
the transcription factors that interact with these components. It elaborates the mechanism between the transcription ac-
tivator-like effectors and the target gene promoters in plants. Possible applications and future prospects for these patho-
gen-responsive cis-acting elements are discussed.
Key words cis-acting elements, inducible promoter, pathogens, disease resistance, transcription factors
Zan XL, Gao Y, Chen YL, Zhao KJ (2013). Pathogen-responsive cis-acting elements and their interactive transcription
factors. Chin Bull Bot 48, 219–229.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: gaoying@caas.net.cn
(责任编辑: 孙冬花)