全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (6): 707~710　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0045 707
收稿 2014-02-12　　修定 2014-04-29
资助 国家自然科学基金(30170488)。
* 通讯作者(E-mail: jienalnnu@126.com; Tel: 0411-85827079)。
植物逆境胁迫耐受性启动子的研究进展
张晶红, 那杰*
辽宁师范大学生命科学学院, 辽宁大连 116081
摘要: 逆境胁迫如干旱、极端温度、损伤等非生物胁迫和病虫害等生物胁迫严重影响植物的生长发育及产量。逆境胁迫
耐受性启动子能够接受逆境条件下的诱导信号, 激活植物体内胁迫应答基因的表达, 使植物感知并适应逆境。本文对逆境
胁迫耐受性启动子的克隆及功能研究情况进行综合分析, 主要包括抗旱、耐盐、耐高温、抗冻、耐损伤、抗病和抗虫基
因启动子。
关键词: 胁迫; 抗逆启动子; 植物
Progress on Stress Tolerance Promoters in Plants
ZHANG Jing-Hong, NA Jie*
College of Life Sciences, Liaoning Normal University, Liaoning, Dalian 116081, China
Abstract: Abiotic and biotic stresses, including drought, extreme temperature, damage and many diseases, seri-
ously affected plants growth and yield. Stress-tolerance promoter could accept signals induced by stress condi-
tions, and activate the expression of stress responsive gene in plants, enabling plants to perceive and adapt to
adversity. In this article, current research on cloning and function of stress-tolerance promoters were reviewed,
including drought-resistant, salt-tolerance, high-temperature-resistant, damage-tolerance, cold-resistant, dis-
ease-resistant and insect-resistant promoters.
Key words: stress; stress-tolerance promoters; plant
启动子(promoter)是DNA链上一段能与RNA
聚合酶结合并能起始mRNA合成的序列, 主要由核
心启动子区及其上游调控区组成。核心启动子区
包含转录起始位点和TATA盒结构(RNA聚合酶的
结合位点处之一, 决定转录起始的精确性)。上游调
控区包括增强转录效率的CAAT盒及应答元件; 应
答元件结合转录因子, 调控下游基因表达。
启动子分为组成型启动子(constitutive pro-
moter)和特异性启动子(specific promoter), 组成型
启动子在个体的任何细胞中都有表达, 如花椰菜
花叶病毒CaMV35S启动子。特异性启动子又分为
组织特异性和诱导特异性启动子。组织特异性启
动子可调控基因只在某些特定的部位或器官中表
达, 常表现出发育调节特性。诱导特异性启动子
能够接受逆境条件下的诱导信号, 特异启动应答
基因表达, 在植物体内产生大量的特异蛋白, 从而
做出调节反应, 抵抗外界环境。
逆境胁迫如干旱、高温、低温、损伤等非生
物胁迫和病虫害等生物胁迫严重影响植物的生长
发育及产量, 甚至死亡。植物体内多种基因受逆
境胁迫诱导 , 而抗逆基因的表达受启动子所调
控。因此, 在抗逆基因工程中, 选择响应逆境胁迫
的诱导性启动子(即胁迫耐受性启动子)构建植物
表达载体, 用以驱动胁迫应答基因在植物体内定
时、定位、定量表达, 是解决植物逆境胁迫问题
的一个重要策略, 对于研究植物抗逆能力调控具
有重要意义。
1 植物非生物胁迫耐受性启动子
1.1 抗旱基因启动子
干旱胁迫下, 细胞感知、转导水分胁迫信号,
诱导水分胁迫相关基因的表达。启动子控制的基
因表达主要通过启动子顺式作用元件进行调控。
存在于一种抗旱基因启动子中的顺式作用元件也
可能存在于抗其他胁迫的启动子中, 可能这些顺
式作用元件的特殊组合方式调控抗旱基因的表
达。研究发现, 在抗旱基因启动子中可能含有若
干干旱响应元件, 如DRE元件(dehydration-respon-
sive element)、ABRE元件(ABA-responsive ele-
植物生理学报708
ment)、MYB1AT元件等(Lee等2013; 阴霞等2014;
Fang等2014)。Yamaguchi等(1992)首次从拟南芥
(Arabidopsis thaliana)中分离克隆的逆境诱导型启
动子rd29, 在脱水情况下, rd29A和rd29B基因启动
子活性被明显激活(Bihmidine等2013), 推测rd29X
启动子可作为抗旱型启动子。
研究发现, 干旱胁迫下近10个GRAS家族(植
物所特有的调节植物生长发育的一类蛋白家族)基
因表达量上升(郭华军等2009)。刘习文等(2013)克
隆的海马齿(Sesuvium portulacastrum) SpSCL1基因
启动子含有CBFHV及MYB2CONSENSUSAT两个
脱水响应元件。丁雪峰等(2010)发现水稻(Oryza
sativa)抗旱相关基因OsGRAS1上游1 332 bp启动子
序列含有多个与干旱胁迫相关的调控元件, 且其
顺式作用元件的缺失和增加可以直接影响内源基
因的表达。Kim等(2011)将柑橘(Citrus unshiu) Cu-
Lea5基因启动子导入拟南芥, 干旱胁迫后维管束
鞘部位GUS基因表达增强。Xiao等(2007)分离获
得的水稻LEA蛋白基因OsLEA3-1启动子, 干旱条
件下表现出很强的GUS活性。
1.2 耐盐基因启动子
植物抵御盐胁迫的有效策略之一是利用液泡
膜上的Na+/H+逆向转运蛋白将细胞质中的Na+主动
运输进入液泡。杨国栋和郑成超(2007)利用TAIL-
PCR方法克隆的棉花(Gossypium hirsutum)液泡型
Na+/H+逆向转运基因GhNHX1启动子, 能在转基因
棉花中响应盐胁迫信号, 诱导表达强度高于CaM-
V35S启动子, 能提高植物耐盐性。
DREB类转录因子是与植物耐盐有关的一类
调节基因。Chen等(2012)分离了菊花(Chrysanthe-
mum dichrum) DREB转录因子的启动子CdDREBa,
将–430 bp至–351 bp的片段与CaMV35S融合, 转化
拟南芥在盐胁迫条件下增强了GUS基因表达, 提示
该启动子对植物体适应高盐可能有重要作用。Cd-
DREBa启动子中含有GT-1元件, 可作为响应盐胁迫
的正调控元件。Park等(2004)研究发现AtGT-3b-1-
like转录因子可以结合GT-1元件并且促进盐诱导的
SCaM-4启动子在大豆(Glycine max)和拟南芥中表
达。此外, 在拟南芥、辽宁碱蓬(Suaeda liaotungen-
sis)和辣椒(Capsicum annuum)等多种植物的盐胁迫
诱导基因启动子中也存在GT-1元件(Yang等2011;
Zhang等2008; Hong和Hwang 2009)。
1.3 温度响应基因启动子
1.3.1 高温耐受性启动子 高等植物受到高温胁迫
后会大量表达热激蛋白如HSP100、HSP90和
HSP70等, 从而减轻胁迫所引起的伤害(Schöffl等
1998)。热激蛋白基因的转录活性依赖于热激因子
HSF与高度保守的热激元件HSE的相互作用。Liu
和Shono (2001)研究发现番茄(Lycopersicon escu-
lentum)线粒体小分子热激蛋白(LeMTshsp)基因无
组成型表达, 但对热激有较强应答, 该基因启动子
含有6组典型的HSE元件及多个AT-rich区(伊淑莹
等2007)；凝胶阻滞结果表明, 纯化的HsfA2蛋白
与HSE元件在体外具有结合活性, 且与近端5组
HSE的结合活性比与远端强。该启动子在热激处
理条件下GUS检测表明其为热诱导强启动子, 活性
类似CaMV35S启动子。另有研究表明高温下小麦
(Triticum aestivum) Hvhsp17基因启动子能驱动
Hvhsp17基因在小麦中表达(Freeman等2011)。
1.3.2 抗冻基因启动子 低温冻害条件下, 植物体
内会发生一系列生理生化变化如改变蛋白质、碳
水化合物组分或合成一些新的物质。COR (cold-
regulated)基因是含有CRT/DRE顺式作用元件的一
类冷响应基因(Cheong等2002)。小麦Wcor15基因
启动子含有3个CRT/DRE核心序列和2个GTCGAC
序列(Takumi等2003)。甘蔗(Saccharum offici-
narum) ipt基因启动子ATCOR15a可使ipt基因在冷
冻胁迫下表达量增加(Belintani等2012), 叶片中总
叶绿素含量提高到31%, 转基因植株叶片的衰老程
度明显低于非转基因植株, 而转基因植株中丙二
醛和电解液释放量的降低显示冻害对植物引起的
损伤明显减少。
启动子激活抗逆基因表达的活性不仅与其存
在的顺式作用元件种类有关, 还与其数量有关。
研究发现拟南芥中cor15a和cor15b启动子为2个同
源的冷胁迫响应基因启动子, 但在转基因番茄和
烟草(Nicotiana tabacum)中, cor15a (含有2个CRT/
DRE元件)启动子活性明显高于cor15b (含有1个
CRT/DRE元件)启动子(Li等2013)。
1.4 耐损伤基因启动子
损伤是植物所面临的最为普遍的非生物胁迫
之一, 植物通过体内防御反应信号系统应答外界
机械损伤胁迫, 产生防御反应。茉莉酸(jasmonic
acid, JA)和茉莉酸甲酯(methyl jasmonate, MeJA)是
张晶红等: 植物逆境胁迫耐受性启动子的研究进展 709
植物体中广泛存在的与损伤相关的植物激素和信
号分子。杂交三倍体毛白杨(Populus tomentosa)
TIP特异启动子PtDr102含有响应机械损伤和MeJA
的顺式作用元件, 能诱导MeJA胁迫下GUS基因表
达(Zheng等2010)。甘蔗MYB转录因子基因的启
动子PScMYBAS1能够响应机械损伤和MeJA胁迫
(Prabu和Prasad 2012)。
2 生物胁迫耐受型启动子
2.1 抗病基因启动子
WRKY类转录因子为植物所特有, 几乎所有
WRKY蛋白都能结合W盒[TGAC(C/T)], W盒存在
于植物防御相关基因启动子中, 介导病原菌诱导
的转录反应。小米椒(Capsicum frutescens)基因启
动子CAWRKY5p内含有多种与逆境胁迫相关的顺
式作用元件, 如应答青枯病菌的核心元件——W盒
和S盒(结合AP2转录因子, 调节植物对病原菌、低
温、干旱及高盐胁迫的应答), 瞬时表达分析显示
CAWRKY5p-GUS受病原菌诱导(刘志钦等2013;
Eulgem等2000; Kirsch等2000)。咖啡(Coffea arabi-
ca) WRKY转录因子同源基因CaWRKY1a和CaW-
RKY1b启动子可被真菌等胁迫诱导, 提高植物对
真菌胁迫的抵抗力(Petitot等2013)。编码细胞溶质
水解酶的AtNUDT5基因在应答毒性病原菌时迅速
增加(Adams-Phillips等2010), 其启动子在拟南芥中
具有较强的病原菌诱导表达活性, 可以提高转基
因植株的抗病性(Zhang等2013)。
启动子响应病原菌侵染与元件数量有关, 也
与元件间的顺序、间距及病原菌类型有关。Rush-
ton等(2002)通过人工合成包含一定调控元件(boxes
W1、W2、GCC、JERE、S、Gst1和D)的启动子
对响应病原菌信号通路进行研究, 发现上述因素
之间存在的轻微差异, 对抗病启动子的活性都有
显著的影响。
2.2 抗虫基因启动子
当植物受病虫害侵犯时, 受伤部位会立即启
动细胞程序性死亡, 发生超敏反应(hypersensitive
response, HR)。HR启动受伤部位产生次级防御反
应, 从而对病虫害产生普遍抗性, 即系统获得性抗
性(systemic acquired resistance, SAR)。水杨酸(sali-
cylic acid, SA)是SAR信号转导途径中的重要信号
分子。植物体感染病虫后体内SA急剧增加, 诱导
病程相关蛋白的表达。烟草病程相关蛋白启动子
PR-1a与CaMV35S嵌合导入到棉花中, 能驱动cry1EC
基因在昆虫侵蚀位点表达, 且喷施SA使表达量增
加, 显著提高了棉花的抗虫性(Kumar等2009)。
3 小结与展望
启动子是精确调控基因在植物体内表达的“开
关”。利用逆境胁迫耐受性启动子提高植物对逆境
的抵抗性是近年来植物基因工程中研究的热点。
随着不断完善的分子生物学实验技术及网络在线
预测软件的应用, 越来越多的植物逆境胁迫耐受性
启动子将被克隆, 其功能元件信息及各元件之间的
相互作用也将被确定, 为应用启动子进行植物抗逆
基因工程改良提供更全面的理论参考。
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