全 文 ：植物生理学通讯 第42卷 第1期，2006年2月 155
拟南芥CBF 冷反应通路
杨家森1,2 张洪涛1,2 李新国2,* 毕玉平2,**
1 山东师范大学生命科学学院，济南 250014；2 山东省农业科学院高新技术研究中心，济南 250100
The CBF Cold Response Pathway in Arabidopsis
YANG Jia-Sen1,2, ZHANG Hong-Tao1,2, LI Xin-Guo2,*, BI Yu-Ping2,**
1College of Life Sciences, Shandong Normal University, Jinan 250014, China; 2High-Technology Research Center, Shandong
Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China
提要 就植物在遭受冷胁迫时被激活的应对冷胁迫伤害的两种反应通路中的 CBF 冷反应通路，从 CBF 的发现到调控机制
以及通路组成的研究进展作了介绍。
关键词 CBF；冷反应通路；冷胁迫；抗逆性
收稿 2005-07-22 修定 　 2005-11-21
资助　 国家自然科学基金项目(30571126)、山东省优秀中青
年科学家科研奖励基金(2005BS06003)和山东省作物生
物学重点实验室项目。
*通讯作者(E-mail: lixinguo@tom.com, Tel: 0531-83179047)。
** 通讯作者(E-mail: yupingbi@vip.sina.com, Tel: 0531-83179842)。
在自然界中，植物不可避免地遭受各种环境
因子的胁迫，其中低温是影响植物生存的主要环
境胁迫因子之一(李新国等 2005)。在冷胁迫时，
植物不仅能够进行相应的形态改变，而且还会通
过一定的生理变化来抵御胁迫(Joglo-ottoson等
1998；Gilmour等 2000；McKown等 1996；Wanner
和Junttila 1999)。据统计，世界上每年因冷害造
成的农业损失高达数千亿美元(利容千和王建波
2002)，植物抗冷性研究一直是植物抗逆性研究中
的热点之一(Li 等 2003，2004)。人们很早就发
现，许多植物在遭受严寒前，若经过一个缓慢的
降温过程，其抗冷性会逐渐提高，这一过程称为
冷驯化或冷锻炼(Guy 1990；Hughes 和 Dunn
1996)。在此过程中，主要有两种反应通路被激
活(Chinnusamy等2003b；Kanaya等1999): 一是
依赖于 ABA 的通路，在这个通路中包括 ABA 应答
元件和 ABA 应答结合蛋白；另一个是独立于 ABA
的通路，CRT/DRE (C repeat/dehydration respon-
sive element)和CBF (CRT/DRE-binding factor)认为
是这一通路的主要元件。在这些反应通路被激活
的过程中涉及许多基因的调控表达，这些基因直
接或间接地参与反应通路。正是这些基因对植物
的抗冷起一定作用，才引起研究者致力于分离鉴
定此类基因的兴趣。但研究发现此类基因中大部
分对植物抗冷性的影响并不明显，直至发现 CBF
后，植物抗冷性研究才有了很大进展(Storckinger
等 1997)。CBF 是一类反式作用因子，它能调控
一大类与抗冷相关基因的表达，从而较大地提高
植物的抗冷性。因而 CBF 通路成为抗冷性研究的
热点问题，其通路成分也日渐明晰。
1 CBF因子的发现
冷驯化过程涉及多种基因的调控表达，包括
COR (cold-regulated)基因(Hajela等1990)。而许多
C O R 基因的协同诱导表达则表明可能存在调节
COR基因表达的调控因子(Joglo-ottoson等1998；
Hajela等1990)。人们进一步研究发现，这些COR
基因的启动子中存在一个共同序列 CCGAC，称为
CRT 或 DRE 序列，Liu 等(1998)推测可能是反式
作用因子的结合部位。随后，Stockinger等(1997)
通过酵母单杂交从拟南芥 c D N A 文库中分离出
CBF1。CBF1 在拟南芥中过量表达，在非寒冷情
况下可诱导 COR 基因的表达，并能提高拟南芥的
抗冷性、抗旱性和抗盐性，但 CBF1 基因的表达
只受低温诱导，并不受干旱和高盐的调控(Joglo-
ottoson等1998)。Medina等(1999)的研究也表明，
提高 ABA 水平并不能提高 CBF 基因的表达量，表
植物生理与分子生物学 Plant Physiology and Molecular Biology
植物生理学通讯 第42卷 第1期，2006年2月156
明此通路为独立于 ABA 的途径。拟南芥 CBF1 在
酵母中表达，可诱导带有 CRT/DRE 序列报告基因
的表达(Storckinger 等 1997)。以上这些研究表
明，CBF1 可能是调控植物抗冷基因(主要是 COR
基因)表达的“总开关”，在拟南芥 C B F 冷反应
通路中起作用。
后来又陆续发现了 CBF2、CBF3。与 CBF1
基因包含 642 个核苷酸相比，CBF2 和 CBF3 基因
各含有 651 个核苷酸，与 CBF1 基因的核苷酸同
源性分别达 81% 和 84%，高度同源。这 3 个 CBF
基因的可读框中都没有内含子(Medina 等 1999；
Shinwari 等 1998)。进一步研究表明，CBF2、
CBF3 与 CBF1 基因具有相似的功能，3 个基因串
联排列在拟南芥第四染色体上，其中 CBF3 位于
CBF1 下游 3 kb 处，CBF2 位于 CBF1 下游 7 kb 处
(Medina 等 1999)。尽管CBF基因的启动子并不含
有 CRT/DRE 序列，但它仍然能被低温诱导，并
先于COR 基因表达，因此推测可能还有其他因子
调控 CBF 基因的表达。基因表达分析表明，CBF
基因表达并无组织特异性(Medina等1999；Shinwari
等 1998)，且呈瞬时表达，当植株处于 4℃条件
下，40 min 内即可检测到 CBF 基因的表达，2 h
达到最大，其后逐渐减弱，5 h 内含量仍然较高
(Shinwari等 1998)。这也充分说明，CBF只起反
式作用因子功能，而无直接改善植物抗冷性的作
用。
2 CBF因子的结构特点
自从发现 CB F 1 具有反式作用因子功能后，
人们就致力于 CBF 的序列分析。通过 CBF 家族内
3 个基因的比较，发现了许多序列信息。
2.1 CBF基因序列的结构特点 CBF基因能被低温
诱导，说明其启动子中必然存在被调控的位点。
所以，对 CBF 基因序列的研究主要集中于启动子
部分。CBF 虽然也能被低温诱导，但其启动子中
并不含有 CRT/DRE 序列，即 CCGAC，而是含有
其相反序列 CAGCC；另外，与 CRT/DRE 只有 1
个碱基差别的序列 CCGTC 则存在于 CBF1 基因启
动子中(Medina等 1999；Gilmour等 1998)。进一
步分析表明，Myc 蛋白的识别序列 CANNTG 也存
在于 C B F 基因启动子中( G i l m o u r 等 1 9 9 8；
Blackwell等 1993)。值得注意的是，一个重复序
列 ACAATTANNNACAATTT 存在于 CBF 基因启动
子中，每个基因只有 1 个，并且位置大体一致，
这意味着它是极有可能起作用的(Gilmour等1998)。
但以上这些潜在的识别序列基本上是通过序列比较
得出的，很少有实验验证，因此它们是否真正起
作用以及起多大作用，还需进一步研究。
2.2 CBF蛋白序列的结构特点 CBF作为反式作用
因子，起调控作用的主要是蛋白质，因此对 CBF
蛋白一级序列结构以及其空间结构的研究也比较
多，其中对 CBF1 的研究尤其深入。CBF1 由 213
个氨基酸组成，分为 4 个区域(Kanaya 等 1999；
Storckinger等 1997): 氨基末端区域(氨基酸1~
132)、潜在核酸定位信号区(氨基酸33~47)、AP2
区域(氨基酸48~106)和酸性区(氨基酸107~213)。
研究表明，CBF 因子的 AP2 区域能与 COR 基因启
动子的 CRT/DRE 序列结合，刺激 COR 基因的表
达(Kanaya等 1999；Gilmour等 1998)。将缺失部
分氨基酸的 CBF1 导入大肠杆菌中，并进行下游
报告基因检测时发现，AP2 区和酸性区对 CBF 执
行功能来说都至关重要，而氨基末端区域则不是
必需的(Kanaya等 1999)。CBF蛋白中还存在蛋白
激酶 C 和酪蛋白激酶Ⅱ的潜在识别位点，据此，
Medina等(1999)推测这些潜在识别位点对CBF执
行反式作用因子功能可能起作用。
二级结构预测表明，CBF1 蛋白有 2 个 a 螺
旋，一个 a螺旋位于氨基末端，另一个位于 AP2
域内(Kanaya等 1999)。AP2域内的 a螺旋已通过
CD 光谱分析得到证实，它对于 AP2 域结合 CRT/
DRE 序列来说至关重要。还有 6 个 b 折叠，其中
3个位于CBF1 蛋白的 AP2 域内，另外3个位于Ｃ
末端酸性区域，推测其对 CBF 因子结合顺式作用
元件可能起作用(Kanaya等 1999)。
通过 CD 光谱对 CBF1 完整和截短的蛋白进行
二级结构分析表明，CBF1 蛋白在 -5~30℃范围内
表现出可逆的冷变性，在 40~60℃范围内表现为
热变性(Kanaya等1999)。冷变性主要存在于氨基
末端区和酸性区，而热变性存在于 AP2 域。冷变
性是CBF 蛋白的一个重要特征(Kanaya 等 1999)，
它是由水与暴露于溶液中的蛋白质非极性基团相互
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作用产生的。在常温下，非极性基团通过氢键相
互作用存在于蛋白质分子内部；温度降低时，氢
键作用力减小导致低温下 C B F 蛋白分子延伸。
AP2 区在 -5~30℃范围内稳定性很强，这就保证
了其在低温下与 CRT/DRE 序列结合，实现 CBF1
蛋白低温下的调控功能。
CBF2、CBF3 与 CBF1 蛋白具有相似的结构
和功能(Medina等1999；Shinwari等1998；Gilmour
等 2004)，它们调控的机制也大体相同。
3 CBF通路及其调控因子
自从发现冷调控反式作用因子CBF 后，人们
就开始致力于对其通路的研究，并分离鉴定该通
路的作用因子。CBF 通路非常复杂，涉及的因子
很多。Vogel等(2005)通过基因芯片杂交发现，至
少有85个冷诱导基因和8个冷抑制基因与CBF2有
关；Maruyama等(2004)也用类似的方法鉴定了38
个 CBF3 的下游基因，其中 20 个为尚未报道的基
因，这些基因都参与 CBF 通路，但对其研究相当
肤浅。就目前研究情况来看，CBF 通路主要包括
两步级联放大步骤(Thomashow等2001): 第一步，
CBF 基因的诱导表达，即正常生长温度下存在的
一些未知激活因子(如：ICE)能在低温下诱导CBF
基因家族的表达；第二步，C O R 基因的诱导表
达，即 CBF 诱导下游逆境基因的表达。这种级联
放大能使植物迅速启动多种生理变化，以应对低
温对植物造成的伤害。另外，抗冷植物 CBF 通路
与非抗冷植物的 CBF 通路可能并不相同，Zhang
等(2004)的实验表明，将番茄CBF1基因导入抗冷
植物拟南芥中，拟南芥的抗冷性可提高；但在番
茄中过量表达自身的 CBF1 则不能提高其抗冷性。
此现象可能是由于两类植物的 C B F 通路不同所
致。以下重点介绍拟南芥 CBF 通路中几种研究得
比较清楚的调控因子。
3.1 CBF上游调控因子 CBF基因本身是冷诱导的，
CBF 通路的上游调控对 CBF 基因的表达及其抗冷
性至关重要，相关作用因子较多，如：HOS1 (high
expression of osmotic stress-regulated gene expres-
sion 1)、ICE1 (inducer of CBF expression 1)和
CAX1 (cation exchanger 1)等均能调控CBF基因的
表达。这些调控因子既有正调控也有负调控，相
互协调共同维持 CBF 通路的畅通。
ICE1 是一个上游调控因子，早在 1998 年，
Gilmour等(1998)就预测到它的存在，并认为CBF
基因启动子中存在ICE结合位点(ICE盒)。ICE在
常温下处于非激活状态，当有冷信号存在时，可
能在某个(或某些)未知因子介导下，ICE由非活化
状态转变为活化状态，并结合于 CBF 基因启动子
的 ICE 盒处，从而激活 CBF 基因的转录。后来，
Chinnusamy等(2003a)分离并鉴定了ICE1基因。他
们将一个 CBF3-LUC 基因(一个含有 CBF3 基因启
动子与发光荧光素酶基因LUC的重组DNA分子)导
入到拟南芥的基因组中，目的是创造出能够在寒
冷环境下生物发光的植物。进而对这些低温应答
的生物发光植物进行诱变，筛选出低温条件下不
再发光的植株，从而得到了一个突变体ice1。结
果发现这个突变体阻止了 CBF3 的表达，CBF 下
游基因的表达量也减少。生物芯片分析也表明，
在ice1拟南芥突变体中，超过70%的低温应答基
因被错误调控，以致植物的耐寒性和耐冻性大大
降低(Chinnusamy等2003a)。表达分析表明，ICE1
基因为组成型表达，并且过量表达ICE1基因的植
株与野生型植株相比较，在常温下并没有提高
CBF3 基因的表达量，但在低温下却提高了 CBF3
基因的表达量，符合 Gilmour 等(1998)的设想。
ICE1基因编码一个类似MYCbHLH (MYC-like ba-
sic helix-loop-helix)的蛋白，由494个氨基酸组
成，DNA 结合实验表明它能与 CBF 基因启动子的
MYC识别序列CANNTG (即 Gilmour预测的 ICE盒)
结合(Chinnusamy等2003a)，而ICE盒正是激活CBF
基因转录的重要顺式作用元件(Zarka等2003)。
HOS1 是另一个重要的上游调控因子，在拟
南芥中为组成型表达，常温下位于细胞质内，受
冷胁迫后迅速积累到细胞核内，这种质 - 核穿梭
在冷环境下可能介导一定的冷反应信息。Ishitani
等(1998)筛选分离了一个hos1-1突变体，此突变
体可提高 C B F 基因及下游冷应答基因的表达，
如：RD29A (responsive to dehydration 29a)、
COR49、COR15、KIN1 (cold induced 1)和 ADH
(alcohol dehydrogenase)。正常植株的这些基因都
能被 ABA、高盐和寒冷诱导，但该突变体只有寒
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冷条件下明显提高这些基因的诱导量，因此推测
HOS1 是通过负向调控 CBF 从而调控 COR 基因表
达的。HOS1 基因表达量在冷胁迫 10 min 内有所
下降，1 h后即恢复至原初水平(Ishitani等1998)，
即瞬时减少，与 CBF 基因表达量瞬时增加是相对
应的，这种变化在时间上也早于后者，从而更充
分地说明 HOS1 是处于 CBF 上游的。HOS1 基因编
码一种环指蛋白。业已证实许多类似的环指蛋白
都具有泛素 E3 连接酶作用，也就是说，E3 负责
将泛素连接到异源底物或/和环指蛋白本身上。E3
的这种介导非常重要，它还有辨认特定蛋白质的
功能，其作用关系到许多特定蛋白的降解。于
是，有人据此推测，低温下 HOS1 能介导某个(或
某些)未知CBF上游激活因子的降解(Lee等2001)。
在野生型拟南芥中异位表达 H O S 1 基因可导致
HOS1 共抑制现象的发生，出现与突变体 hos1 相
似的表型(Lee等 2001)，这似乎表明HOS1具有泛
素E3连接酶的作用(即介导自身降解)。尽管有人
推测 HOS1 可能控制着 ICE 状态的转变(Lee 等
2001；Thomashow 1999)，但 HOS1 是否具有泛
素E3连接酶作用以及对哪种(或哪些)蛋白的降解
起介导作用还不明确，尚有待进一步研究。综合
以上结果，可以认定HOS1通过降解某个(或某些)
未知 CBF 激活因子负向调控 CBF 基因的转录。除
此之外，HOS1基因似乎还调控其他基因，如hos1
突变体对乙醇脱氢酶基因的冷诱导有影响，而这
个基因并不在 CBF 因子的调控之下；HOS1 也是
目前所发现的唯一的一个既调控抗冷性又调控春化
作用的基因(Ishitani等1998)。
另外，还有许多其他上游调控因子，如 LOS4
(low expression of osmotically responsive gene 4)
(Gong 等 2002)，它编码含 DEAD 结构域的 RNA
解旋酶蛋白。功能研究的结果表明，此种 RNA 解
旋酶参与 mRNA 由核内向核外运输的过程，能正
向调控CBF及其下游基因的表达。拟南芥的Ca2+/
H+ 反向共同运输蛋白CAX1 对寒冷反应行负调控，
若破坏 C A X 1 的功能，即可提高突变株的耐寒
性，CAX1可能通过调节CIPK3 (CBL-interacting
protein kinase 3)和CDPKs (calcium-dependent pro-
tein kinases)基因来开启低温反应基因CBF/DREB
及其下游应答基因的表达(Catala等2003)。
3.2 CBF自身调控 CBF基因家族中，各基因成员
之间的表达是否存在一定的相互调控作用，还存
在争论。Gilmour等(1998)认为CBF基因的冷诱导
表达并不涉及自身调节，其主要依据是：(1)过量
表达 C B F 1 的拟南芥转基因植株中没有检测到
CBF3 基因转录的改变；(2) 3 个 CBF 基因的启动
子中都不含有CRT/DRE序列。而Novillo等(2004)
则认为 CBF2 能负调控 CBF1 和 CBF3 基因的表达。
他们通过 T-DN A 插入缺失突变的方法，获得了
cbf2 缺失突变植株，分析 cbf2 突变体时发现 T-
DNA 插到了 CBF2 基因启动子的 TATA 框中，以
致CBF2 基因转录的缺失。但拟南芥 cbf2 突变体
比野生型更具抗冷性，且突变体的 CBF1 和 CBF3
基因表达量比野生型的更高，其下游冷应答基因
的表达量也是如此。因此推测，C B F 2 负调控
CBF1 和 CBF3 基因，并先于 CBF1 和 CBF3 基因
的表达。进一步对低温条件下拟南芥 CBF 基因的
瞬时表达情况分析表明，CBF1 和 CBF3 都比 CBF2
基因表达得早，当 CBF2 基因表达量在低温处理
2.5 h 达到最大时，CBF1 和 CBF3 基因的表达量
已经降低了很多。这与CBF2 负调控 CBF1 和 CBF3
的推测相一致。微阵列实验也表明，在常温下，
CBF2 基因的转录水平比 CBF1 和 CBF3 高 5~8 倍
(Chinnusamy 等 2003a；Fowler 和 Thomashow
2002；Chen 等 2002)。因此，这些研究者认为，
当植物处于常温下时，CBF2 基因的表达水平足
以抑制 CBF1 和 CBF3 基因的表达；当植物遭受
寒冷时，某些特异的上游激活因子(如：ICE因子)
图1 CBF2负调控CBF1和CBF3机制示意(Novillo等2004)
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迅速激活CBF1和 CBF3基因的表达而逃脱CBF2的
抑制，当CBF1 和 CBF3 基因的表达量达到一定水
平时，CBF2 基因被诱导表达，进而抑制 CBF1 和
CBF3 基因的表达。据此，Novillo 等(2004)还提
出如图 1 所示的 CBF 基因自身调控模式。此调控
模式结合 CBF 基因能调控下游应答基因的事实，
同时提出CBF1和 CBF3能够正向调控CBF2基因表
达的假设，CBF1 和 CBF3 基因的瞬时表达可以用
CBF2 抑制来解释，而 CBF2 基因的瞬时表达可能
是某个(或某些)下游未知调控因子的反馈抑制，但
这还缺少足够的实验依据，尚待进一步探讨。
3.3 CBF下游调控因子 CBF的下游调控因子众多，
主要有COR、LOS2、SFR6 (sensitive to freezing
6)等，这些因子往往与植物的低温抗性直接相关，
如维持生物膜稳定性，消除活性氧等。
COR基因是一类在低温条件下高度表达(是正
常生长温度下的50~100 倍)，并在抗冷中直接发
挥作用的基因。Thomashow 实验室(Hajela 等
1990；Lin和 Thomashow 1992)分离了 4个 COR基
因，分别是COR6.6、COR15a、COR47 和 COR78；
另外，Yamaguchi-shinozaki和Shinozaki (1994)也
在拟南芥中发现一组抗旱基因 RD。DN A 序列分
析表明，COR78 与 RD29A、COR47 与 RD17 分
别为同一基因。由 D N A 推导出的蛋白质序列表
明，COR6.6、COR15a 和 COR78 编码亲水肽类，
而COR47 则编码脱水肽类，这些蛋白可能在抗旱
及抗冷中起作用。启动子分析表明，这些 COR 基
因中含有共同的核心序列 CCG A C，称为 DRE 或
CRT，并认为此序列为寒冷和干旱的顺式调控元
件，随后 CBF/DREB1 基因得到分离。这些 COR
基因中，以 COR15a 研究得最为清楚(Artus 等
1996)，它编码一个分子量为15 kDa 的多肽，在
其转运到叶绿体时，COR15a被加工为9.4 kDa的
多肽，命名为 COR1 5 a m，定位在叶绿体的基质
中。为了确定 C O R 1 5 a 是否在抗冷过程中起作
用，A r t u s 等( 1 9 9 6 )获得了一个组成型表达
COR15a 基因的拟南芥转基因植株，通过比较发
现转基因植株叶绿体在1~2℃时比野生型更具有抗
冷性。他们进一步研究表明，未经冷驯化的拟南
芥转基因植株中COR15a的过量表达可减少冷诱导
的叶绿体膜双分子层结构向六角形Ⅱ相结构的转
变，从而避免膜伤害(Artus 等 1996；Steponkus
等 1998)。COR15a 通过阻止冷害时膜系统向内弯
曲和稳定膜的脂双层结构来提高植物的抗冷性。
但单个 COR 基因的过量表达似乎并不能提高植株
的整体抗冷能力，必须联合其他 COR 基因共同作
用，这也许是通路末端基因的普遍特征之一。
Boyce等(2003)用化学诱变法获得一个拟南芥
冷驯化不敏感型突变体sfr6。在 sfr6 突变体中，
CBF1、CBF2、CBF3 在低温下的积累均达到正常水
平，而 COR 基因却没有受诱导表达。显然，sfr6
对冷驯化的不敏感不是由于 CBF 基因对低温的不
响应，而是由于 COR 基因没有被有效激活所致。
所以，他们推测 SFR 基因编码的蛋白介导了 CBF
蛋白与 COR 基因顺式作用元件 CRT/DRE 的结合。
Lee等(2002)通过对RD29A-LUC (RD29A启动
子与发光荧光素酶LUC的重组DNA分子)植株进行
甲烷乙磺酸盐(ethyl methane sulphonate，EMS)诱
变，获得了一个los2突变体。通常情况下，RD29A-
LUC 转基因植株在寒冷、渗透胁迫和 ABA 诱导下
都有较强的荧光，与 A B A 、高盐和 P E G
(polyethylene glycol)等胁迫条件相比，突变体los2
只在冷胁迫条件下荧光较弱，表明它只阻断低温
对 RD29A-LUC 基因的诱导。他们深入研究的结
果表明，低温胁迫条件下，突变体los2与正常植
株中 CBF 基因的表达量变化没有区别，这意味着
LOS2 为 CBF 下游功能因子，直接或间接介导 CBF
对 COR/ RD 基因的激活。他们进一步研究发现，
LOS2基因编码一种烯醇酶(Lee等 2002)，常温下
也有表达，但低温条件下大量积累，其启动子中
也含有 CRT 序列，这进一步表明 LOS2 基因可能
受 CBF 因子的直接调控。相关实验表明，烯醇酶
定位于细胞核，并与 C-M y c 启动子结合，反向
调控C-Myc 的表达(Feo 等 2000)，这一结果有助
于 LOS 2 功能的研究。
下游基因受CBF 调控的同时也能对 CBF 基因
表达起反馈抑制。Guo 等(2002)筛选出一个突变
体los1，此突变体中的CBF 基因表达量增加，但
其下游基因表达量却减少，表明下游基因能够反
馈抑制 CBF 基因的表达。在 LOS1 基因缺失的条
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件下，下游基因的反馈抑制作用丧失，从而出现
CB F 基因超表达的情况。
4 结语
低温是影响温带地区作物产量的一个主要因
素，大多数研究都致力于寻找提高作物耐低温的
方法，以期能提高产量和扩大种植的地理范围。
但植物抗冷性属于复杂的数量性状，靠单个基因
很难彻底改善植物抗冷性(Thomashow 1990)。CBF
通路的发现和研究已经取得可喜进展，从而为人
们改善植物的抗冷性提供了可能。通过过量表达
通路中的某些基因，尤其是关键基因，能在很大
程度上提高植物抗冷性。但对植物细胞如何感受
低温胁迫，又如何将这些胁迫信号传递到细胞核
中诱导转录因子 CBF 的表达，并调控下游的各种
功能基因的表达等一系列的分子机制迄今知之甚
少，有待探讨。
参考文献
李新国, 毕玉平, 赵世杰, 孟庆伟, 何启伟, 邹琦(2005). 短时低温
胁迫对甜椒叶绿体超微结构和光系统的影响. 中国农业科学,
38 (6): 1226~1231
利容千, 王建波(2002). 植物逆境细胞及生理学. 武汉: 武汉大学
出版社, 141
Artus NN, Uemura M, Steponkus PL, Gilmour SJ, Lin CT,
Thomashow MF (1996). Constitutive expression of the cold-
regulated Arabidopsis thaliana COR15a gene affects both
chloroplast and protoplast freezing tolerance. Proc Natl Acad
Sci USA, 93: 13404~13409
Blackwell TK, Huang J, Ma A, Kretzner L, Alt FW, Eisenman RN,
Weintraub H (1993). Binding of myc proteins to canonical and
noncanonical DNA sequences. Mol Cell Biol, 13 (9): 5216~5224
Boyce JM, Knight H, Deyholos M, Openshaw MR, Galbraith
DW, Warren G, Knight MR (2003). The sfr6 mutant of
Arabidopsis is defective in transcriptional activation via
CBF/DREB1 and DREB2 and shows sensitivity to osmotic
stress. Plant J, 34 (4): 395~406
Catala R, Santos E, Alonso JM, Ecker JR, Martinez-Zapater JM,
Salinas J (2003). Mutations in the Ca2+/H+ transporter CAX1
increase CBF/DREB1 expression and the cold-acclimation
response in Arabidopsis. Plant Cell, 15 (12): 2940~2951
Chen W, Provart NJ, Glazebrook J, Katagiri F, Chang HS, Eulgem
T, Mauch F, Luan S, Zou G, Whitham SA et al (2002).
Expression profile matrix of Arabidopsis transcription fac-
tor genes suggests their putative functions in response to
environmental stresses. Plant Cell, 14 (3): 559~574
Chinnusamy V, Ohta M, Kanrar S, Lee BH, Hong X, Agarwal M,
Zhu JK (2003a). ICE1: a regulator of cold-induced
transcriptome and freezing tolerance in Arabidopsis. Genes
Dev, 17 (8): 1043~1054
Chinnusamy V, Schumaker K, Zhu JK (2003b). Molecular genetic
perspective on cross-talk and specificity in abiotic stress
signaling in plant. J Exp Bot, 55: 225~236
Feo S, Arcuri D, Piddini E, Oassantino R, Giallongo A (2000).
ENO1 gene product binds to the c-myc promoter and acts as
a transcriptional repressor: relationship with Myc promoter-
binding protein 1 (MBP-1). FEBS Lett, 473: 47~52
Fowler S, Thomashow MF (2002). Arabidopsis transcriptome
profiling indicates that multiple regulatory pathways are
activated during cold acclimation in addition to the CBF
cold response pathway. Plant Cell, 14 (8): 1675~1690
Gilmour SJ, Fowler SG, Thomashow MF (2004). Arabidopsis tran-
scriptional activators CBF1, CBF2, and CBF3 have match-
ing functional activities. Plant Mol Biol, 54 (5): 767~781
Gilmour SJ, Seblot AM, Salazar MP, Everard JD, Thomashow MF
(2000). Overexpression of the Arabidopsis CBF3 transcrip-
tional activator mimic multiple biochemical changes associ-
ated with cold acclimation. Plant Physiol, 124: 1854~1865
Gilmour SJ, Zarka DG, Stockinger EJ, Salazar MP, Houghton JM,
Thomashow MF (1998). Low temperature regulation of the
Arabidopsis CBF family of AP2 transcriptional activators as
an early step in cold-induced COR gene expression. Plant J,
16 (4): 433~442
Gong ZZ, Lee H, Xiong LM, Jagendorf A, Stevenson B, Zhu JK
(2002). RNA helicase-like protein as an ealy regulator of
transcription factors for plant chilling and freezing tolerance.
Proc Natl Acad Sci USA, 99 (17): 11507~11512
Guo Y, Xiong LM, Ishitani M, Zhu JK (2002). An Arabidopsis
mutation in translation elongation factor 2 causes superin-
duction of CBF/DREB1 transcription factor genes but blocks
the induction of their downstream targets under low
temperatures. Proc Natl Acad Sci USA, 99: 7786~7791
Guy CL (1990). Cold acclimation and freezing stress tolerance:
Role of protein metabolism. Annu Rev Plant Physiol Plant
Mol Biol, 41: 187~223
Hajela RK, Horvath DP, Gilmour SJ, Thomashow MF (1990).
Molecular cloning and expression of COR (cold-regulated)
genes in Arabidopsis thaliana. Plant Physiol, 93: 1246~1252
Hughes M, Dunn M (1996). The molecular biology of plant accli-
mation to low temperture. J Exp Bot, 47: 291~305
Ishitani M, Xiong L, Lee H, Zhu JK (1998). HOS1, a genetic
locus involved in cold-responsive gene expression in
Arabidopsis. Plant Cell, 10: 1151~1161
Joglo-ottoson KR, Gilmour SJ, Thomashow MF (1998). Arabi-
dopsis CBF1 overexpression induces COR genes and en-
hances freezing tolerance. Science, 280: 104~106
Kanaya E, Noboru N, Morikawk K, Okada K, Shimura Y (1999).
Characterization of the transcriptional activator CBF1 from
Arabidopsis thaliana: evidence for cold denaturation in
regions outside of the DNA binding domain. J Biol Chem, 23:
植物生理学通讯 第42卷 第1期，2006年2月 161
16068~16076
Lee H, Guo Y, Ohta M, Xiong LM, Stevenson B, Zhu JK (2002).
LOS2, a genetic locus required for cold-reponsive gene tran-
scription encodes a bi-functional enolase. EMBO J, 21:
2692~2702
Lee H, Xiong L, Ishitani M (2001). The Arabidopsis HOS1 gene
negatively regulates cold signal transduction and encodes a
ring finger protein that displays cold-regulated nucleo-cyto-
plasmic partitioning. Genes Dev, 15: 912~924
Li XG, Duan W, Meng QW, Zou Q, Zhao SJ (2004). The function
of chloroplastic NAD(P)H dehydrogenase in tobacco during
chilling stress under low irradiance. Plant Cell Physiol, 45
(1): 103~108
Li XG, Meng QW, Jiang GQ, Zou Q (2003). The susceptibility of
cucumber and sweet pepper to chilling under low irradiance
is related to energy dissipation and water-water cycle.
Photosynthetica, 41 (2): 259~265
Lin C, Thomashow MF (1992). A cold-regulated Arabidopsis gene
encodes a polypeptide having potent cryoprotective activity.
Biochem Biophys Res Commun, 183: 1103~1108
Liu Q, Kasuga Y, Abe H, Miura S, Yamaguchi-Shinozaki K (1998).
Two transcription factors, DREB1 and DREB2, with an
EREBP/AP2 DNA binding domain separate two cellular sig-
nal transduction pathways in drought- and low-temperature-
responsive gene expression, respectively, in Arabidopsis.
Plant Cell, 10: 1391~1406
Maruyama K, Sakuma Y, Kasuga M, Ito Y, Seki M, Goda H,
Shimada Y, Yoshida S, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
(2004). Identification of cold-inducible downstream genes
of the Arabidopsis DREB1A/CBF3 transcriptional factor
using two microarray systems. Plant J, 38 (6): 982~993
McKown R, Kuroki G, Warren G (1996). Cold responses of
Arabidopsis mutants impaired in freezing tolerance. J Exp
Bot, 47: 1919~1925
Medina J, Bargues M, Terol J, Perez-Alonso M, Salinas J (1999).
The Arabidopsis CBF gene family is composed of three genes
encoding AP2 domain-containing proteins whose expres-
sion is regulated by low temperature but not by abscisic acid
or dehydration. Plant Physiol, 119 (2): 463~470
Novillo F, Alonso JM, Ecker JR, Salinas J (2004). CBF2/DREB1C
is a negative regulator of CBF1/DREB1B and CBF3/DREB1A
expression and plays a central role in stress tolerance in
Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA, 101: 3985~3990
Shinwari ZK, Nakashima K, Miura S, Kasuga M, Seki M,
Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K (1998). An Arabidopsis
gene family encoding DRE/CRT binding proteins involved in
low-temperature-responsive gene expression. Biochemi
Biophys Res Commun, 250: 161~170
Steponkus PL, Uemura M, Joseph RA, Gilmour SJ, Thomashow
MF(1998). Mode of action of the COR15a gene on the
freezing tolerance of Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad
Sci USA, 95: 14570~14575
Storckinger EJ, Gilmour SJ, Thomashow MF (1997). Arabidopsis
thaliana CBF1 encodes an domain-containing transcrip-
tional activator that stimulates transcription in response to
low temperature and water deficit. Proc Natl Acad Sci USA,
94: 1035~1040
Thomashow MF (1990). Molecular genetics of cold acclimation
in higher plants. Adv Genet, 28: 99~131
Thomashow MF (1999). Plant cold acclimation: Freezing toler-
ance genes and regulatory mechanisms. Annu Rev Plant
Physiol Plant Mol Biol, 50: 571~599
Thomashow MF, Gilmour SJ, Stockinger EJ, Jaglo-Ottosen KR,
Zarka DG (2001). Role of Arabidopsis CBF transcriptional
activators in cold acclimation. Physiol Plant, 112:
171~175
Vogel JT, Zarka DG, Van Buskirk HA, Fowler SG, Thomashow
MF(2005). Roles of the CBF2 and ZAT12 transcription
factors in configuring the low temperature transcriptome of
Arabidopsis. Plant J, 41 (2): 195~211
Wanner LA, Junttila O (1999). Cold induced freezing tolerance in
Arabidopsis. Plant Physiol, 120: 391~400
Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K (1994). A novel cis-acting
element in an Arabidopsis gene is involved in responsiveness
to drought, low-temperature, or hight-salt stress. Plant Cell,
6: 251~264
Zarka DG, Vogel JT, Cook D, Thomashow MF (2003). Cold
induction of Arabidopsis CBF genes involves multiple ICE
(inducer of CBF expression) promoter elements and a cold-
regulatory circuit that is desensitized by low temperature.
Plant Physiol, 133 (2): 910~918
Zhang X, Fowler SG, Cheng HM, Lou YG, Rhee SY, Stockinger
EJ, Thomashow MF (2004). Freezing-sensitive tomato has
a functional CBF cold response pathway, but a CBF regulon
that differs from that of freezing-tolerant Arabidopsis. Plant
J, 39 (36): 905~919