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Anaerobic Gene Expression and Regulation Mechanism in Plants

植物缺氧响应相关基因的表达调控机制



全 文 :热带亚热带植物学报 2006,14(1):87-92
Journal ofTropical and SubtropicalBotany
植物缺氧响应相关基因的表达调控机制
吴功庆 ,一, 李亚男 , 陈大清
(1长江大学生命科学学院,湖北荆州 434025;2.华巾农业大学植物科学与技术学院,武汉 430070)
摘要:对近年来缺氧应答相关基因的分离、克隆及缺氧响应信号转导模式与调控机制作了综述。分析了缺氧应答基因
的序列特点,概述了植物感受缺氧胁迫的信号传递模式,阐述了缺氧响应的调控机制并着重讨论了调控因子AtMYB2
的调控特点,并对缺氧相关研究进行了展望。
关键词:缺氧响应:基因表达;调控机制;信号转导
中图分类号:Q756 文献标识码 :A 文章编号:1OO5—3395(2006)O1一OO87一O6
An, robic Gene ExI and ReR tlation M echanism ‘ Plantsae oression u U in
wu Gong—qing , LI Ya.nan , CHEN Da—qing
(1.College ofLife Science,Yangtze University,Jingzhou 434025,China;
2.Colege ofPlant Science and Technology,Huazhong Agricuhural University,Wuhan 430070,China)
Abstract: This review focuses on anaerobic respone in gene expression pattern, signal transduction in higher
plants and regulation mechanism under anaerobic stress.
Key words:Anaerobic response;Gene expression;Regulation mechanism;Signal transduction
植物缺氧作为一种逆境因子一直以来被人们
高度关注,植物对缺氧胁迫的生理生化特征及其适
应机制的相关报道较多。前人己对植物缺氧响应多
肽、缺氧诱导相关基因的克隆及缺氧相关基因的结
构特点作了详尽的阐述[1-3]。目前人们研究的重点已
转向对缺氧应答相关基因的功能分析,通过构建缺
氧应答基因表达谱进而分析其表达调控机制,为筛
选耐涝相关基因及培育耐涝品种奠定基础,本文就
有关缺氧响应相关基因的调控机制作一综述。
1缺氧应答基因序列特点
应用分子生物学技术,科学家们对与缺氧响应
相关的乙醇脱氢酶基因 (adh1)进行了较为深入系
统的研究。已经在玉米 (Zea mays)、小麦 (Triticum
aestivum)、大 麦 (Hordeum ulgare)、拟 南 芥
(Arabidopsis thaliana)、水稻 (Oryza sativa)和 白菖
收稿日期:2005—06-27 接受日期:2005一ll—O7
基金项目:湖北省教育厅重点项日资助
通讯作者Corresponding author
蒲 (ACOF~$c 帆 )6种植物上获得adhl基因全
序列[4】。笔者最近以薏苡(Coix lacryma-jobi L.)为材
料克隆了adh基因,所获得的序列与玉米中的adhl
基因同源性达到91%,且实验证明在缺氧状态下其
表达量大大增加。
植物细胞中均存在两套乙醇脱氢酶基因:一套
为组成型 adh2,另一套为缺氧诱导表达型 ,【5】。
Walker等同报道玉米 adhl基因中,位于起始密码予
上游一f40到一100区域是缺氧诱导表达的关键区.
称为缺氧反应元件(Anaerobic Response Element,
ARE),它有 2个亚区,分别含两个 GT.结构 (5’.
[T/C】GGTTT.3’)和两个 GC.结构 (5’.GCC[G/C】
C.3’)。Dennis等用在分析多种植物的adh基因启
动子区核苷酸的缺失与突变时发现,当 adhl中有
多个ARE时,这一基因的缺氧诱导转录水平成倍
提高;在组成型的 adh2中亦存在 ARE序列,因而
认为 ARE是调节蛋白结合位点,有类似增强子的
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作用。他们进一步证明ARE近旁还存在 个决定
转录的关键区,这是一个覆盖 ARE的更长一些的
启动子区(称 AR~F),它决定调节蛋白的结合与缺
氧诱导的表达。并且他们认为AREF可能对结合蛋
白进行二次修饰(如磷酸化),或在促使第二种分子
结合上去时起作用,从而使调节蛋白复合体活化并
启动转录。此后,在其它缺氧基因的启动子 也发
现了类似 AREF结构,这提示缺氧基因诱导表达有
某种共同的调节开关。DolferusN等发现拟南芥启动
子上同样存在ARE,它位于起始密码子上游一160
到一140区域,存在 与玉米方向相反的 GT.结构
(5’.AAACCAA,3’)和 GC.结构(5’.GCCCC.3’),
在 GT.结构上包含 Myb结合位点MBS1SLIMBS2,
其中 ACC(59一T/CAAC【T/G]G.39;或59-CC[T/A]
ACC.39)序列是Myb结合所必须的。adhl基因这些
特有的结构都有利于它在缺氧状态下表达。
与adh基因类似,甘油醛 .3 磷酸脱氢酶基因
同样分为组成型 GPc,、Gpc2与缺氧诱导型GPc3、
Gpc 9】。在研究 甘油醛 .3.磷酸脱氢酶基因族序列
特点时,用细胞质甘油醛 .3.磷酸脱氧酶基因 GapC
的mRNA,构建一个包含 gus基因的编码区基因,
将其转入到烟草(Nicotiana tabocl~m.)中进行缺氧诱
导,发现 GapC基因 5’端的820个碱基内存在缺氧
诱导所必需的序列5’ nGAAnnTTCn.3’。对拟南芥
GapC基因肩动 ‘f的研究表 明存其 TATA框上游
8ObD处存在两个反向重复的5’.nGAAn.3’序列[ 。
缺氧诱导型基因的 5’端非编码区特殊结构均有利
于调控因子 (如 AtMYB2、WRKY、bZIP等)与之
结合[ ”。
Huq和 Hodges【 2]报道在水稻中有 一种新的基
因 P,称之为缺氧早期诱导基 因 (anaerobicaly
inducible early gene),它在缺氧 1—3 h后人量表达,
并达到高峰。他们用差别显示技术分离了两个
cDNA片段和一个 cDNA全长。这些 cDNA包含一
个以2-3个基因为成员的小基因家族。全长 cDNA
编码一个 由 127个氨基酸组成 的新蛋 白质 ,在
GenBank和 SwisProt数据库中没有搜索到与之类
似的蛋白质及核苷酸序列。Hosaint”】等以水稻为材
料克隆出pdc3基因,该基因缺乏内含予,在缺氧条
件 卜用 Northern杂交分析没有检测到其转录产物,
此被认为是一个假基囚(pseudogene)。Hossaint 4J
和 Huqt s】义分别克隆出水稻L卜I的pdcl及pdc2基
因,这两个基 均由 6个内l令子和 5个外. 子组
成。但是,其中只有pdc2基因在所有的器官中均转
录mRNA,而pdcl的转录产物只在根部存在,它属
于诱导表达型基因。
Dolfems~ 6】对拟南芥的缺氧诱导基因进行了研
究,发现都存在组成型与诱导型两类 源基因。于
是他提出一个缺氧呼吸代谢 0 调节模式,即糖酵
解的相关酶都存有两套基因,一套是组成型表达,
不受 0 的影响;另一套受 0 分压的控制,缺氧下启
动,有氧下则关闭。这些基因表达有共同的调节基
因。
2高等植物感受缺氧信号的模式
植物对缺氧信 号的响应是一个复杂的生理过
程,涉及众多基因的诱导表达和代谢途径的启动
(图 1),如缺氧代谢、信号传导、防御相关蛋 白和
DNA结构及转录调节蛋白等。探索植物对缺氧信
号响应的途径,是阐明缺氧相关基因表达调控机制
的基础。然而,到日前为止,有关细胞如何感应氧气
浓度的变化,以及对氧气的感应对相关基凶调节的
偶联系统等知议的了解仍然很少。已经知道血红素
能调节不同供氧条件下基因的表达,在动植物组织
感应和利用氧气的过程中起着枢纽作用,血红素的
合成需要氧气,所以细胞内血红素的含量可以反映
氧气的供应情况并诱导特异基因的表达[ 。Bunn
等 旨 以血红素为基础的氧气感受器,一般是含
有两个结构域的血红蛋白,其中一 是血红蛋白激
酶 (hemokinases),另一些是黄素血红蛋白 (flavo
hemoproteins)。Hon等 [19j对酵母细胞 内血红素水
平、氧气浓度和 Hap1活性的检测发现,血红素合成
途径中的一些生化反应能够感应氧气浓度的变化,
血红素水平和氧气浓度密切相关。
ca 在缺氧信号转导中也起着重要作用,在缺
氧胁迫下,植物细胞内钙离子的流动是缺氧响应相
关基因选择性表达的先决条件,这一结论已在水
稻、玉米及拟南芥中得到证实[2o1。利用铷红阻碍线粒
体及【人J质网膜上的Ca 通道而抑制钙离子的释放,
证明了Ca 对于触发缺氧信号的级联反应及维持
细胞内离子动态平衡是十分必要的 。研究表明:
存缺氧条件下,线粒体内膜通透性发生改变,Ca2+
释放到细胞质,随着钙离子浓度升高,adhl的转录
产物也随之增加,这说明[Ca2_]变化是缺氧基因表达
所必须的,但 Ca 信号是如何被缺氧基因所接受 目
前尚不清楚[2]】。
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第1期 吴功庆等:植物缺氧响应相关基因的表达调控机制 89


缺氧信号
(二三 红索{ /氧气
启动于元件 TGTT 吸火 ~
l _lI _l_ _lI ———1——一 —,r
基因表达谱的改变 低AT MP (一 1⋯ 昏 关激
I 1.r
维持ATP
的生成
降低缺氧
伤害
l 逃 避 缺 氧
图1植物对缺氧信号响应及缺氧应答基因表达模式 (引自Geigenberger P )
Fig.1 General outline ofthe responscs ofplants to anaerobic singal and anaerobic gene expression pattern fAfter Geigenberger P tz,j)
总体上讲,植物在感受缺氧信号后通过两种途
径来调节缺氧伤害:其 ,通过抑制线粒体呼吸来
减缓ATP的消耗;其二,两导 。‘系列基因的表达来
降低伤害。这些基因主要包括:(1)参与发酵的酶,
主要是乙醇发酵,如 ADH,PDC等,通过发酵代谢
维持ATP的生成[23J;(2)清除体内氧自由基伤害及
降低细胞质酸化的酶类,如过氧化物酶,超氧化物
歧化酶,谷胱 肽还原酶,谷氨酸脱羧酶,丙氨酸转
氨酶等[ ;(3)涉及乙烯合成,细胞程序性死亡及细
胞伸缩相关的 ‘些酶,乙烯参与细胞程序性死亡的
级联反应,并有利于通气组织的形成[25]。
最近,以拟南芥为材料的研究表明:缺氧条件
下,植物体内生成的活性氧 (如 H O )参与了缺氧
信号转导。H:0:对缺氧信号的响应首先表现在细胞
内质膜及胞质腔H:0 含量急剧升高 。植物体存在
一 种特异性的甲.体 G蛋白即Rop,该蛋白结合 GDP
呈失活状态,缺氧时 GDP转换成 GTP,结合 GTP的
Rop呈活性状态,并通过对二亚苯基碘 (DPI)敏感
的黄素结合氧化酶 (Flavin.binding oxidase) 生成
H:O:,Rop信号存在两种负反馈调控机制,一种是通
过 Rop.GTPase活性蛋 白(RopGAPs)水解 Rop.GTP
成 Rop—GDP,另一种是通过 GDP降解抑制 因子
(GDIs)保持Rop与GDP结合的非活性状态。这一
信号途径是 ADH酶活性增加所必需的 (图2)。
在动物中高含量 的 H 0 促使缺氧诱导因子 l oc
(HIFla)的生成,HIFlot促进了缺氧诱导基因的表
达[28]。NO作为第二信使在缺氧信号传导中有着不
可替代的作用,它在硝酸还原酶及植物特异性的一
氧化氮合成酶 (N0S)的催化作用下生成,并通过
抑制细胞色素氧化酶促使蛋白质硝基化来传递缺
氧信号,在血红蛋白调节下,其含量随血红蛋白浓
度升高而升高 。
3缺氧响应相关基因的表达调控特点
缺氧应答基因的表达调控包括转录水平及翻
译水平的调控 。早在 1980年 Sachs等_3l】用含 35S
的蛋氨酸进行脉冲场标记及双向聚丙烯酰胺凝胶
电泳技术研究了玉米 (Zea mays)根尖在缺氧中蛋
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2 Rop参 的缺氧信号转导途径 (参见 Baxter-Burelt J)
Fig.2 Singal transduction pathway particpated by Rop fAfter Baxter—Burell )
白质及多肽表达的变化过程:当玉米处于根系缺氧
状态时.首先合成的是 ‘类过渡性多肽(transition
polypeptides;TPs),它与热休克蛋白类似,在较短的
时间内合成,然后迅速下降;另一类在缺氧 1.5 h后
开始合成,町一直持续 72 h,直到细胞死亡,大约有
20多种,称之为缺氧多肽 (anaerobic polypeptides,
ANPs)。
根据玉米中缺氧响应基因在缺氧状奄下的表
达调控模式可将缺氧应答基因分为_二类:第一类包
括编码 ADH,GAPC,PDC等缺氧多肽 (ANPs)的
基因,这类基因在正常状态下表达量极低,但在缺
氧状态下转录和翻译活性大大增强。第一二类基因在
缺氧状态下转录活性增强,和 ANPs相似,mRNA
大量积累,但翻译活性基本上没变化,因此,蛋白质
也只有少量增加,这类基因在缺氧状态下的活性体
现在通过翻译水平的调控起作用,如 shl,ald,enO
等基因。第三类是一些编码好氧多肽(APs)的基因,
它们在缺氧条件下转录和翻译都受阻,如 £,,cat2
等基因[32]。
目前研究较多也较细致的是有关 adhl摹因在
缺氧状态下的调控机理。对 adhl基因启动子序列
及有关转录调控因了与缺氧响应元件 (ARE)结合
的机制也有较详细的阐明。ARE含有低氧诱导必须
的足够序列,如果将其连接到另一基因. ,该基因
同样会对低氧胁迫产生响应 ]。DolferusIs]的研究证
明,拟南芥 adhl基因启动子序列上的 GT.和 GC.
结构是其缺氧诱导表达的关键。在其它 一些缺氧应
ADH
答基因中也同样存在相似的结构。从拟南芥rf1得到
的⋯一个1 kb的启动子片段,可以在干旱、冷害和低
氧胁迫下,调节 adh基因的表达。该启动子包含 3
个区域,其中区域 II和区域 I在这 3种胁迫条件下
分别诱导和抑制adh基因的表达,而区域 II则对这
3种胁迫条件有不同的响应。进一步的研究显示,玉
米、豌 和拟南芥【}J编码 ANPs的许多基因都含有
相l 的这一启动子序N[34]。在低氧诱导的玉米细胞
中,GBF1与 adhl基因的低氧诱导启动子结合,其
mRNA在 ,基囚上调表达之前迅速聚集。因此,
GBFI可能是激活 adhl基因表达的因子之-[ 。在
另⋯‘些研究中找到了与玉米 adhl启动子相互作
用,结合丁 ARE上和 ARE之外的⋯些核蛋白[361。
4 AtMYB2参与缺氧反应的调控
AtMYB2足已经发现的r 个重要的参与缺氧
反应调控的转录调控因子,它结合在一些特定的序
列 t-.~H Myb结合位点(MBS1,MBS2)并诱导这些
缺氧基因表达,AtMYB2是 Mvb家族中的一个,分
了量为32 kD 。有关拟南芥 AtMYB2已广泛用十
植物对缺氧响应机制的研f~[38],拟南芥 (ulhl基因
的AtMYB2结合位点位于转录起始点上游 200 bp
处 ,其中 MBSl位于一l89至一l87之问 ,包含
G.box.2;MBS2位于一l 50至一148之间,包含 GT.结
构。突变实验结果表明:当MBS1突变时AtMYB2便
/1 能与之结合,adhl随之也不能表达;MBS2发生
突变虽然降低了AtMYB2的结合能力,但并不影响
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第 1期 吴功庆等:植物缺氧响应相关基因的表达调控机制 91
adhl的表达,这说明MBS2并不是诱导adhl表达
的功能位点。利用原生质体瞬时表达及微粒子轰击
实验证明:adhl基因受AtMYB2的调控,其表达量
随AtMYB2的升高而升高,一般AtMYB2的合成在
2—4 h内达到最大值,紧接着 4-6 h内adhl的合成
也随之达到高峰。
5展望
l
A ⋯ ⋯ 一
从图3我们可以看出:无论在缺氧或是正常状
态下,编码AtMYB2调控因子的基因都存在转录产
物,只是当氧含量充足时其转录的 mRNA迅速降
解,相反缺氧时它能稳定存在并很快调节adh基因
的表达。因此,AtMYB2所参与的缺氧调控丰要体
现在转录后的水平。
调控因子
e.g. AtMYB2
[0 ] 善
稳定的ⅡRNA —◆ AAAA
生成转录因子调控缺氧反应
图3 AtMYB2参与缺氧调控的机制(参见 Dolferust q)
Fig.3 The regulated mechanism of anaerobic response particpated by AtMYB2(After Dolferus )
过去 一段时间里,人们在高等植物对缺氧响应
的形态变化及生坪代谢方而积累了大量的资料,这
些工作为开展缺氧响应的分子机制的研究奠定了
重要的基础。高通量的功能基因组研究方法被应用
于植物的耐渍性研究中,已成功地分离、鉴定出了
‘系列耐渍相关基因,对揭示植物耐渍性分子机理
具有重要意义。分析玉米及拟南芥 adhl突变体表
明:体内高活性的ADH或 PDC有利丁二它们抵抗短
期的涝渍胁迫l 。目前,对耐渍基因的研究主要集中
在 (1)有关糖代谢,乙醇发酵及氮代谢相关的基
冈;(2)参与缺氧信号转导过程及形态结构变异相
关的一类基因。SSH,eDNA微阵列等技术的应用有
助于更多的缺氧响应基因的鉴定和克隆。高灵敏度
的微阵列技术能够比较缺氧诱导下不同时期的缺
氧应答基因及这些基因所参与的不同反应的调控,
但它仅局限于 mRNA水平而无法应用于转录后水
平调控的研究。研究证明转录后水平调控及 mRNA
选择性的翻译是缺氧响应相关基冈的 ‘种重要的
调控机制[40- “。科学家对缺氧响应的研究将会从旱
生性及一些模式植物转向于湿生性野生植物,通过
阐明湿生性野生植物对缺氧的响应机制,并运用这
种机制来调控某些早生性植物对缺氧的耐受能力
具有重要的理论和实践意义。分离、鉴定湿生性野
生植物中缺氧反应基因将是今后一个时期的研究
热点。通过研究缺氧适应生物资源多样性的内在特
点也是揭示植物耐受缺氧规律的重要途径。
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