全 文 ：文章编号 :100028551 (2006) 052406204
CBF 转录因子及其在植物抗冷反应中的作用
张　晗　信月芝　郭惠明　程红梅
(中国农业科学院生物技术研究所 , 北京　100081)
摘 　要 :CBFs 转录因子是转录因子家族之一 , CRTΠDRE 是一种顺式作用因子 ,在 COR 基因的启动子区
域。在低温条件下 , CB F 基因通过结合在 CRTΠDRE 上激活 COR 基因的表达 ,从而提高植物抗冷能力。
本文论述了 CB F 转录因子的结构特性以及在植物抗寒调控中所起的作用。
关键词 : CB F 基因 ;转录因子 ;耐冷性
CBF TRANSCRIPTIONAL FACTORS AND ITS ROLES IN PLANT FREEZING TOLERANCE
ZHANG Han 　XIN Yue2zhi 　GUO Hui2ming 　CHENG Hong2mei
( Biotechnology Research Institute , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 　100081)
Abstract :The C2repeat binding factors (CBFs) are one of family of transcription factors. These proteins play an integral role
in the ability of plants to cold acclimate and increase in freezing tolerance. They perform this function by binding to the CRTΠ
DRE , a cis2acting element presents in the promoters of the cold2regulated ( COR ) genes and then activating COR gene
expression. Here we review the structure features and functional characterization of CBF transcription factors , also we discuss
its regulatory roles in plant freezing tolerance.
Key words : CB F gene ; transcription factor ;freezing tolerance
收稿日期 :2005209222
基金项目 :人事部回国人员基金项目和教育部留学回国基金项目
作者简介 :张晗 (19832) ,男 ,河北石家庄人 ,硕士生 ,从事植物抗逆基因工程研究。程红梅为通讯作者 ,Email :chenghm @caas. net . cn
　　低温寒害是农业生产中一种严重自然灾害 ,世界
每年因此造成的损失巨大。植物抗寒性机理研究不仅
在理论上有重要意义 ,在生产上也有广泛的应用价值。
在抗寒分子生物学研究中 ,人们鉴定和分离了一些抗
寒基因和蛋白 ,如拟南芥中的 COR15 a、苜蓿的 cas15、
小麦的 wca120、大麦的 HVA1 以及从北极海域鱼类分
离的抗冻基因 A FP。人们将这些基因转入植物中希
望能提高作物的抗寒能力 ,但单个基因的转入往往结
果不理想 ,仅能部分改善抗寒能力。作物的抗寒性状
是由多基因控制的 ,只有成簇抗性相关基因的转录激
活 ,才能有效提高作物的抗寒能力。克隆并鉴定调控
抗寒功能基因表达的转录因子成为这一研究领域的热
点。
转录因子是一类蛋白质。在真核生物中 ,它直接
参与调控特异基因表达或整个基因网络。在植物对生
长激素和环境反应过程中 ,它们是必需和主要的元件
之一。一般情况下 ,它们结合在目标调控基因的启动
子区域 ,通过补充 RNA 聚合酶与其他更多转录因子结
合在靶标基因的启动子上 ,从而激活该基因的表达。
CBFs (C2repeat Binding Factors) 就是这样的一类蛋白 ,
这些蛋白通过在植物冷驯化过程中的表达来提高植物
的抗寒能力。本文从 CBF 转录因子的特性及其表达
对植物的生理生化的影响出发 ,阐述了 CB F 基因在植
物抗寒调节中的作用。
1 　拟南芥 CB F 基因的克隆
植物对冷的反应有 3 种情况 :不能适应冷环境 ;不
能适应冻的环境 ;能适应冻的环境 ,增加植物耐冷性。
推测这种差异是由于不同的冷诱导基因导致的。研究
604　 核 农 学 报　2006 ,20 (5) :406～409Journal of Nuclear Agricultural Sciences
表明 ,大多数受低温和干旱的转录调控的应答基因同
时受 ABA 诱导[1 ] 。植物体 ABA 作为逆境胁迫信号在
提高植物耐逆性中的作用已得到广泛认可[2 ] 。然而 ,
有些干旱应答基因却不受 ABA 诱导。Yamaguchi2
Shinozaki 等[3 ]采用示差筛选法 ,证明植物体内还存在
一条不依赖 ABA 的逆境胁迫环境。许多植物属于第 3
种情况 ,在一定的低温冷诱导情况下 ,激活与冷有关的
基因表达信号传导途径。序列分析发现了由 20bp 组
成的重复核苷酸序列 ,利用这段 20bp 核苷酸序列与
GUS 报道基因构建融合表达载体 ,转化拟南芥和烟草 ,
发现这段序列是干旱响应所必须的 ,且能够独立响应
高盐和低温处理 ,但不响应 ABA。对这段核苷酸序列
进行碱基替换 ,鉴定出由 9bp ( TACCGACAT) 组成的干
旱应答元件 DRE (Dehydration Responsive Element ) [4 ] 。
与此同时 ,Baker 等[5 ] 从拟南芥低温应答基因 COR15A
的启动子鉴定出与 DRE 极为相似的序列 TGGCCGAC ,
称为 CRT (C2Repeat ) 元件。随后 ,在拟南芥干旱和低
温应答基因 RD17、KINl 和 COR616 等的启动子中 ,鉴
定出 DRE或 DRE核心序列 (CCGAC) 元件。该应答元
件统称为 CRTΠDRE顺式作用元件。除此之外 ,从其他
植物受干旱和低温调控的基因启动子中 ,也鉴定出
CRTΠDRE核心序列元件存在 ,如大麦 Dhn 基因 [6 ]、油菜
BNll5 基因[7 ] 、玉米 RAB17 基因[8 ] 和小麦 WCS120 基
因[9 ]等。
CRTΠDRE 是高等植物中抗寒Π抗旱基因的一种顺
式作用因子 ,位于 COR (cold2regulated) 基因的启动子
区域 , 推测 COR 基因的表达受 CRTΠDRE 调控元件的
调控。Stockinger 等[10 ] 利用 COR15A 或 COR78ΠRD29A
基因启动子的 CRTΠDRE 顺式作用元件和酵母单杂交
方法 ,从拟南芥 cDNA 文库中首次克隆出与 CRTΠDRE
结合 ,调控报道基因 ( LacZ) 表达的转录因子 CB F1
(C2repeatΠDRE Binding Factor 1) 。随后 Gilmour 等[11 ] 克
隆出 2 个 CB F1 同源序列 CB F2 和 CB F3。氨基酸序
列比较显示 ,它们之间的同源性为 88 % ,相似性为
91 %。酵母单杂交实验表明 , CB F1 和 CB F2 都能够与
COR15A , COR15B 、或 COR78ΠRD29A 基因启动子的
CRTΠDRE顺式作用元件结合 ,激活下游 LacZ 表达。
且按 CB F12CB F32CB F2 的同向方式排列于拟南芥第 4
号染色体。几乎同时 ,Liu 等[12 ] 用 RD29A 基因启动子
的 CRTΠDRE元件和酵母单杂交法 ,从低温处理的拟南
芥 cDNA 文库克隆了 3 个与 CRTΠDRE 结合 ,在低温胁
迫下调控报道基因 GUS 表达的转录因子 ,分别命名为
DREB1A(等同于 CBF3) 、DREB1B (等同于 CBF1) 和
DREB1C(等同于 CBF2) 。利用酵母和烟草叶肉离体培
养细胞的反式激活以及凝胶移位分析都显示 ,这些转
录因子与 CRTΠDRE 元件特异结合。它们由 216～335
个氨基酸组成 ,分子量在 24～38KD 之间。其蛋白质
结构分析都具备 CBFΠDREB 转录因子的典型特征 :N
端有核定位信号区 ,C 端有酸性激活区 ,中间由 58 个
氨基酸组成的 AP2 结合域。一般 CBF 蛋白结构中有
PKKPAGRKKFRETRHP 和 FADSAWR 的特异氨基酸。
拟南芥基因组测序完成后 ,经序列同源性比较发
现了 6 个基因编码 CBFΠDREB 转录因子。从拟南芥基
因组 DNA 中扩增出另外 3 个未报道的 CB FΠDREB 基
因[13 ] 。虽 然 DREB1AΠCB F3 , DREB1 BΠCB F1 和
DREB1 CΠCB F2 基因受低温诱导 ,而 CB F4、CB F5 和
CB F6 与 CB F1、CB F2、CB F3 具有很高的同源性 ,但他
们却不受低温诱导。
2 　CB FΠDREB 基因与转基因植物的抗逆性
与植物的抗虫和抗病等性状相比 ,控制植物抗逆
性状的基因调控途径要复杂的多 ,植物对干旱、高盐及
低温耐性的强弱 ,往往不取决于单个因子 ,而是受许多
因子影响。
拟南芥的许多干旱和低温应答基因 ,如 RD29A 、
RD17、ERD10、KIN1 COR616 Π KIN2 和 COR15A 等的
启动子中都含有 CRTΠDRE 元件。RD29A 编码与 LEA
蛋白非常相似的亲水蛋白。RD17 和 ERD10 编码第 2
组LEA 蛋白。KIN1 和 COR616ΠKIN2 编码的蛋白在结
构上与富含丙氨酸的鱼类抗冻蛋白极为相似。
COR15A 编码的蛋白分布在叶绿体基质和原生质体
中 ,能增强叶绿体和原生质体的抗寒能力。从上述基
因表达特性和基因产物的相似性分析 ,拟南芥这些基
因编码的产物都与干旱、低温及高盐胁迫耐性相关。
CBF 转录因子能够识别 CRTΠDRE 元件 ,调控多个与同
类性状有关的基因表达 ,在提高植物对环境胁迫耐性
的分子育种中 ,改良或增强一个关键转录因子的调控
能力 ,可使植物的耐逆性得到较为综合的改良。将拟
南芥移植到低温环境 , CB F1、CB F2、CB F3 基因的转录
水平在 15min 内迅速增长 ,并在 2h 后 COR 基因的转录
水平升高。因此推断 COR 基因表达过程是一个信号
级联放大过程 ,其中 CB F 的表达较 COR 基因早[11 ] 。
所以 ,CBF 转录激活因子诱导 COR 基因表达包括两
步 ,第 1 步是 CB F 的诱导表达 ,第 2 步是 COR 的表
达。将 CB F3 转入拟南芥 ,发现 CB F3 的超表达不仅
调控下游靶基因 (CRTΠDRE 基因) 的表达 ,还影响到脯
氨酸和糖的代谢[14 ] 。正常条件下 ,转 CB F3 拟南芥中
704　5 期 CBF 转录因子及其在植物抗冷反应中的作用
脯氨酸的含量比野生型中高 5 倍 ,与寒冷驯化后野生
型中脯氨酸的含量相当 ;寒冷驯化使转 CB F3 拟南芥
中脯氨酸的含量进一步上升 ,比经过相同寒冷驯化的
野生型中的脯氨酸含量高出 2～3 倍。正常条件下 ,转
CB F3 拟南芥中可溶性糖含量比野生型中高 3 倍 ;寒
冷驯化后的野生型和转 CB F3 拟南芥中可溶性糖含量
分别提高 2 倍 ,因此 ,转 CB F3 拟南芥中可溶性糖含量
仍旧比野生型中高 3 倍。脯氨酸和可溶性糖作为渗透
调节剂 ,在提高细胞渗透压、保护细胞膜和蛋白质活
性、增强植物耐逆性方面的作用已经得到广泛认可。
因此 , CB F3 基因在提高植物耐逆性中的作用 ,可能不
仅仅局限于只对 CRTΠDRE基因的调控 ,可能还以某种
方式调控其他与耐逆相关的基因表达。
虽然野生型植株中 CB F 基因的表达只受低温诱
导而对 ABA 处理和脱水胁迫没有反应 ,但将拟南芥
CB F1、CB F2 和 CB F3 基因与组成型强启动子 CaMV
35S 连接并导入拟南芥和油菜以后 ,它们就能在正常
的条件下表达 ,而在低温胁迫下的表达大多会得到进
一步的加强[14 ] 。用拟南芥 RD29A 基因的启动子取代
CaMV 35S ,则转基因植株中 CB F3 的表达受到ABA 处
理和脱水、高盐、低温等胁迫的强烈诱导[15 ] 。
拟南芥作为模式植物 ,对它的 CBFs 研究得比较清
楚 ,研究表明 CBF 是一个家族 ,已知拟南芥中有 6 个
CB F 基因。与冷有关的 CB F 基因有 3 个 ,分别为
CB F1、CB F2、CB F3。它们在 4 号染色体上连锁。
CBF 调节途径具有高度保守性。目前在小麦、大麦、水
稻、玉米、西红柿等作物中已相继有 CBF 研究的报道。
已发现在小麦冷调节基因 wcs120 的启动子中有 2 个
CRTΠLTRE元件 ,缺失分析结果表明 CRTΠLTRE 元件与
基因的低温诱导表达有关[16 ] 。在大麦中也发现有很
大的 CBF 家族[17 ] 。许多热带起源的植物 ,如西红柿、
玉米、水稻、棉花 ,都不能忍受冷环境 ,0 ℃～12 ℃即造
成伤害 ,这些植物中也相继证实有 CB F 基因存在。据
最新研究 , 西红柿与 Arabidopsis 中的 CBF 类似 ,在 3
号染色体上依次排列有 3 个 CB F 基因 , 但只有
LeCB F1 在冷诱导条件下表达 , LeCB F2 , LeCB F3 则不
能表达。转 LeCB F1 基因的西红柿 , CB F1 能在常温下
持续表达 ,比野生型耐冷[18 ] 。玉米中发现有与拟南芥
CBF1 功能相似的 ZmDREB1A[19 ] , 水稻中发现有 5 个
CB F 相似基因 ,其中 2 个与冷调控有关。这说明 CB F
是一个基因家族 ,其成员的表达机制不同。CBFΠDREB
转录因子特异识别结合 CRTΠDRE元件 ,调控一系列干
旱低温应答基因表达 ,这些基因所编码的产物使植物
适应或抵御逆境。另外 ,超表达 CB F3 的拟南芥耐旱
耐寒 ,而耐性的提高 ,不仅与 CRTΠDRE 基因的表达增
强有关 ,还与脯氨酸和糖含量的升高有关。
3 　CB F 基因上游相关基因的鉴定
拟南芥转基因植株中 CB F1 的过量表达对位于其
下游的 CB F3 的转录没有可检测到的影响 ,而且 3 个
CB F 基因的启动子中都不含有 CRTΠDRE 核心序列 ,
即LTRE元件 CCGAC ,推断拟南芥 CB F 基因的冷诱导
表达不涉及自身调节。但是将 CB F 基因的启动子与
GUS报道基因融合 ,低温胁迫诱导了转基因植株中该
基因的表达 ,说明 CB F 基因的启动子中确实存在有低
温调控元件[11 ] 。对拟南芥 3 个 CB F 基因的启动子区
域进行比较分析 ,结果发现 ,它们都具有多拷贝的 Myc
蛋白识别序列 CANNTG、核心 G盒序列 ACGT 以及处
在 大 致 相 同 位 置 上 的 内 部 重 复 序 列
ACAATTANNNACAATTT。有意思的是 ,3 个启动子中均
含有与LTRE元件 CCGAC排列方向刚好相反的 5 个碱
基 CAGCC序列。此外 ,在 CB F1 的启动子中还存在有
CCGTC 序列 ,它与 LTRE 元件仅有 1 个核苷酸的差
异[11 ] 。
根据低温胁迫下 CBF 转录物迅速积累、CBF 调控
发生在转录水平以及 CB F 启动子能介导转基因植株
中 GUS 报道基因的低温诱导表达等研究结果 ,推出了
一种调控模型[11 ] ,在该模型中正常生长温度下植物体
内存在有一种转录因子 ,该转录因子能识别 CB F 启动
子并在低温反应中被一条也是在正常生长温度下存在
的信号转导途径所激活。由于 CB F 基因的冷诱导表
达不受自身调节 ,所以这一转录因子可能不是 CBF 蛋
白本身。推测的转录因子称为 CBF 表达诱导物
(inducer of CBF expression , ICE) 。ICE 识别每一 CB F
基因启动子中存在的一个冷调控元件 ICE 盒 ( ICE
box) 。在温暖的环境条件下 , ICE 处于一种不活动状
态 ,其原因可能是它被一种负调节蛋白分隔在细胞质
中 ,或者以不能与 DNA 结合或不能有效激活转录的形
式存在。然而 ,一旦使植株经受低温 ,就会激活一条信
号转导途径 ,导致 ICE 或相关蛋白的修饰 , 从而活化
的 ICE 与 CB Fs 启动子中相关的顺式作用元件结合 ,
启动 CB Fs 表达。由于 CB Fs 启动子不含 CRTΠDRE 元
件 ,推测 ICE可能不属于 CBFΠDREB 转录因子 (图 1) 。
作为上述模型的一个潜在重要的扩展 , ICE 不仅调控
CB F基因的转录 ,而且还可能诱导在植物寒冷顺应中
起作用的其他基因 ( X) 的表达[11 ] 。 ICE1 突变对
CB F3 表达的影响较大 ,对 CB F1 和 CB F2 影响较小。
804 核　农　学　报 20 卷
对 CB F3 启动子下游连接荧光素酶报道基因的拟南芥
突变处理 ,筛选出低温敏感型突变体 icel。icel 突变体
幼苗与野生型相似 ,成株较小 ,但开花期和育性与野生
型无异。低温处理 ,icel 突变体中 CB F3 不表达 ; CB F1
的表达量与野生型相同 ;处理前期 CB F2 的表达量较
低 ,但后期却比野生型高。同时 ,启动子中含 CRTΠ
DRE元件的 RD29A 、COR15A 和 COR47 基因的表达量
显著下降 ,但 KIN1 的表达却与野生型中相同。由于
CB F3 的表达下降 , CB F2 的表达却有所上升 ,CBFs 之
间可能存在某种方式的负调控。另外 ,虽然 CBFs 识别
结合 CRTΠDRE 元件 ,但 CBFs 所调控的 CRTΠDRE 基因
可能有所不同。CB F3 可能在调控 RD29A 、COR15A 和
COR47 的表达中起关键作用 ,但 KIN1 的表达可能受其
他 CBFs 调控[20] 。研究还发现 , ICE1 在各组织中都表
达 ,受低温、高盐和 ABA 轻微诱导 ,不受干旱诱导。但
ICE1 却需低温信号激活。正常条件下 ,超表达 ICE1 的
拟南芥中 ,CBFs 及下游 CRTΠDRE基因均不表达 ;低温处
理后 ,CBFs 及下游 RD29A 和 COR15A 的表达量明显上
升 ,超表达 ICE1 拟南芥的耐寒性也增强。他们认为
ICE1 为依赖 CRTΠDRE的低温信号传导途径中 CB F3 的
正调控子。但 ICE1 的作用并非只局限于此 ,可能还以
某种方式调控其他低温应答基因的表达[20] 。
图 1 　CBF诱导 COR 基因表达模型 [21 ]
Fig. 1 　Model for CBF regulation of COR
gene expression
除 ICEl 外 ,Lee 等[22 ] 还发现其他 CBFs 调控蛋白
HOS1(high express of osmotically responsive genes) , HOS1
编码环指蛋白 ,通常位于细胞质 ,经低温刺激 ,转移并
累积于细胞核 ,HOS1 可能与 CBFs 的泛素化及降解有
关。低温处理 hosl 突变体 ,CBFs 和一些 CRTΠDRE 基
因的表达增强 ,因此 ,HOS 1 为 CBF 的负调控子。最近
研究发现 HOS10 基因是冷驯化所必需的转录因子 ,可
能通过控制逆境诱导 ABA 合成的途径影响植物抗寒
能力[23 ] 。
4 　展望
综上所述 , CBF 是植物中广泛存在而不依赖于
ABA 的逆境胁迫信号传导途径。CBF 转录因子的功
能 ,也许不简单局限于对 CRTΠDRE 基因的调控 ,可能
还以某种方式、通过某种途径调控其他与耐逆相关的
基因表达。突变体技术的发展为鉴定和克隆参与
DREBΠDRE逆境信号传导途径的其他相关组分起到了
推动作用。我国北方寒冷地区主要的粮食作物 (如 :水
稻、小麦) 、经济作物 (如棉花) 在生长发育期都存在低
温寒害问题 ,而这些作物的抗寒机制的研究非常有限。
研究 CBF 在这些作物中家族成员数量 ,不同 CBF 基因
间如何相互作用以及与冷、干旱等逆境的关系 ,CBF 启
动子区域有哪些基元和核心序列等方面开展研究将对
实际生产有现实指导意义。
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