全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 4期，2008年 8月804
植物热激蛋白HSP100/ClpB及其在提高植物抗热性和抗寒性中的应用
许声涛, 孙文香, 田进平, 王崇英 *
兰州大学生命科学学院细胞生物学研究所, 兰州 730000
Plant Heat Shock Protein HSP100/ClpB and Its Applications in Improvement
of Heat and Cold Resistances in Plants
XU Sheng-Tao, SUN Wen-Xiang, TIAN Jin-Ping, WANG Chong-Ying*
Institute of Cell Biology, School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
提要: 文章介绍了植物热激蛋白HSP100/ClpB的表达及其与抗逆性的关系, 以及HSP100/ClpB在提高植物抗逆性应用中的
研究进展, 并对这一领域未来可能的发展方向作了展望。
关键词: 热激蛋白; HSP100/ClpB; 热激转录因子(HSFs); 抗逆性
收稿 2008-01-28 修定 2008-06-27
资助 国家基础科学人才培养基金(J0630644)和国家自然科学
基金(3 03 7 0 0 87 )。
* 通讯作者(E-ma il : wa ngcy@lzu .edu .cn; T el : 09 31 -
8 9 1 4 1 5 5 )。
生物体在高温、盐渍、干旱、饥饿和重金
属离子等环境胁迫下诱导合成的一类应激蛋白——
热激蛋白(heat shock protein, HSP)是当今分子生物
学、蛋白质生物化学和植物抗逆生理学的研究热
点之一(张建国等 2005; Lee等 2005; Batra 等
2007)。在逆境条件下, 热激蛋白作为分子伴侣促
进其他蛋白的重新折叠、稳定、组装、胞内运
输和降解, 对受损蛋白的修复和细胞的存活都有作
用(Sangster和 Queitsch 2005; 翁锦周和洪月云
2006)。根据分子量大小, 植物热激蛋白家族通常
分为五大类: HSP100、HSP90、HSP70、HSP60
和小分子量的热激蛋白(small heat shock protein,
sHSP)。ClpB是分子量最大的热激蛋白(约 100
kDa), 属于HSP100家族, 因此也称为HSP100/ClpB
(casein lytic proteinase B)。HSP100/ClpB广泛存在
于细菌、酵母和高等植物中, 具有高度的保守性,
能溶解蛋白聚集颗粒, 调节植物的生长发育, 是微
生物和植物获得耐热性的因子(Lee等2005; Yang等
2006; Gulli等 2007)。植物HSP100不仅在热激条
件下表达, 植物处于高盐、干旱、ABA和冷激等
胁迫环境中也能表达, 并赋予植物耐受其他胁迫因
子的功能(Agarwal等 2001; 秦佳等 2007)。在高等
植物中人们已经克隆了HSP100/ClpB家族的若干基
因, 并对其蛋白进行了结构、定位和功能的分析。
根据系统进化关系和亚细胞定位, 植物 HSP100/
ClpB分为定位于细胞质或细胞核的胞质型(主要为
HSP101)及定位于叶绿体(ClpB-p)和线粒体(ClpB-m)
的细胞器型两大类(Batra等 2007)。
逆境胁迫是影响植物生长和作物产量的限制
性因素, 深入了解HSP100/ClpB与植物抗逆性的关
系, 揭示植物抗逆的分子机制, 对降低逆境对植物
的伤害和提高作物的产量来说十分重要 (邵玲和陈
向荣 2005; 张建国等 2005)。关于HSP100/ClpB的
一级结构、各结构域的功能以及作用机制已经有
了较为详细的介绍(杨金莹等2006a), 本文不再赘述,
仅就HSP100/ClpB基因的表达及其与抗逆性的关
系, 以及HSP100/ClpB在提高植物抗逆性中的研究
进展进行概述。
1 植物HSP100/ClpB的表达与调控
HSP100/ClpB的表达是植物获得抗逆性的基
础, 只有HSP100/ClpB高效表达, 植物才能更好地
适应逆境胁迫。在植物的整个生命周期中 ,
HSP100/ClpB的表达具有器官特异性, 且受RNA转
录水平和转录后水平的调控(Young等 2001)。在
正常生长条件下, 拟南芥热激蛋白AtHSP101在各
个组织器官中几乎检测不到, 即只有微量表达, 但
在高温胁迫时, AtHSP101表达量急剧增加和积累,
并对高温耐受有调节作用。当温度从 22 ℃上升到
45 ℃时, 拟南芥受热激诱导, 高水平表达AtHSP101,
植物生理学与农业及生产应用 Plant Physiology and Agriculture and Applications
植物生理学通讯 第 44卷 第 4期，2008年 8月 805
同时获得耐热性增强, 能够很好地适应高温胁迫
(Lee等 2007; Larkindale和Vierling 2008)。前期的
研究表明, HSP101在小麦、玉米、芸芥(Brassica
napus)和水稻成熟种子中都有积累(Singla等1998),
但是随着种子的吸胀萌发, HSP101在各种组织中的
含量逐渐下降, 直至检测不到。不过, 水稻种子萌
发 12 d后仍可在根尖和叶片中检测到低水平的
HSP101, 这很有可能是新合成的(Singla等 1998;
Young等 2001)。
Young等(2001)比较系统地研究了热激和非热
激条件下玉米 HS P1 01 的表达水平, 结果表明
HSP101的表达具有明显的组织器官特异性, 而且即
使在同一组织器官中, 其mRNA和蛋白质的表达水
平也不相同。HSP101在正在发育中的雄花、穗、
须、胚乳和胚中表达量丰富; 在营养分生组织和花
分生组织中表达量欠丰富; 在开花期的花药、成熟
花粉、根和叶中表达水平更低。受热激后不同器
官中 hsp101的表达调控不同: (1)在营养分生组织
区、花分生组织区、完全长大的叶片、幼穗和
根中, hsp101的 mRNA水平增加, HSP101蛋白的
水平也增加; (2)在开花期的雄花中, hsp101的
mRNA水平上升, 但 hsp101的蛋白水平却没有上
升; (3)在发育着的叶片和有丝分裂前期的雄花中,
hsp101的mRNA水平没有增加, 而HSP101表达的
水平却增加; (4)在开花期的花药、成熟的花粉、
发育中的胚乳和胚中, hsp101的mRNA水平和
hsp101的蛋白水平上升很少或没有上升。
包括HSP100/ClpB在内的所有热激蛋白的表
达均受热激转录因子(heat shock transcription
factors, HSFs)的调控。植物热激转录因子是一个
大的蛋白家族, 它的高丰度性和基因表达的灵活性
使植物能很好地适应逆境胁迫。热激转录因子介
导胁迫基因的活化, 是植物获得耐热性的调节因
子。在高温胁迫下, 热激转录因子高效表达并结合
于热激蛋白启动子的热激元件(heat shock element,
HSE)的共有序列“nGAAnnTCCn”上, 从而吸引其他
转录因子形成转录复合体, 促进热激蛋白的表达(翁
锦周和洪月云 2006; Nishizawa等 2006)。过量表
达热激转录因子基因的转基因拟南芥, 其热激蛋白
基因表达明显上调, 同时也获得很强的高温胁迫耐
受能力( N i s h i z a w a 等 2 0 0 6 )。组成性表达的
AtHsfA1a和AtHsfA1b对处于热激状态的拟南芥中
热激蛋白基因的早期表达是必需的, 热激诱导的
AtHsfA2是拟南芥获得耐热性的主要调节因子。
Charng等(2007)在研究AtHsfA2突变体热激蛋白的
表达水平时观察到, 缺失HsfA2的拟南芥突变体在
受到37 ℃热激时, 其hsp70和hsp101的转录水平明
显下降。他们分别将野生型拟南芥、HsfA2突变
体和 hsp101突变体放在 37 ℃下预处理 1 h后再在
室温下进行2 d的恢复性生长, 而后再给予44 ℃的
热激处理 45 min, 结果在热激恢复期的第 8天时,
野生型拟南芥获得耐热性的强度逐渐降低, 但还能
存活至72 h, 而HsfA2突变体和hsp101突变体则对
高温敏感, 并很快枯萎死亡, 且两种突变体内
H S P 1 0 1 的表达水平都显著下降。在番茄中 ,
LeHsfA1的过量表达能够提高番茄对高温胁迫的耐
受能力, 如果采用反义 RNA技术使转基因番茄的
LeHsfA1表达量下降, 则高温耐受性也明显下降; 而
过量表达LeHsfA1后这些番茄又能重新获得热耐受
能力(Mishra等 2002)。这些结果说明, 热激转录因
子的表达可增强HSP100/ClpB热激蛋白的表达, 进
而增强转基因植物的耐热性。迄今, 关于HSP100/
ClpB表达调控的研究报道还比较少, 尚待进一步研
究。
2 HSP100/ClpB与植物的抗逆性
植物的整个生长周期常处于各种各样的胁迫
环境中, 伴随着生长发育的进程逐渐形成各种抗逆
境胁迫的能力。Bowen等(2002)报道, 苹果细胞悬
浮液先经38 ℃热激处理1 h, 然后又在42 ℃致死温
度下处理 1 h, 其获得的热耐受性和存活率均高于
直接置于 42 ℃下处理 1 h的情况。他们进一步的
研究表明, 38 ℃的热激处理可诱导大量热激蛋白
的表达, 因而细胞能在致死温度下存活。HSP100/
ClpB与植物抗逆性的获得密切相关, 其合成后植物
即很快地适应外界环境胁迫, 表现出很强的抗逆
性。人们对酵母HSP104在耐热中的作用研究得最
早, 也最清楚。酵母中的HSP104是植物HSP101
的同源物, 在高温胁迫下, 野生型酵母与 hsp104的
缺失突变体(∆ hsp104)的生长和死亡率是一样的, 如
果先给予一个温和的热刺激, 后给予高温胁迫时, 野
生型酵母可获得耐热性, 而酵母突变体则失去耐受
致死高温的能力。如用野生型的HSP104基因转化
酵母突变体, 则突变体细胞耐受高温胁迫的能力又
重新恢复, 说明 H SP 1 04 是热耐受的关键分子
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(Sanchez和Lindquist 1990)。这项研究为后来研究
植物中HSP100/ClpB参与热耐受作用提供了借鉴和
方法。而且, 大豆和拟南芥的HSP101都能够恢复
酵母 ∆hsp104的表型, 表明HSP101在功能上与酵
母 HSP104 是互补的(Gur ley 2000; 杨金莹等
2006a)。Gurley (2000)报道, 在拟南芥种子萌发的
早期阶段, 组成型表达HSP101的种子比野生型种
子对高温的耐受时间更长。高等植物 HSP100/
ClpB具有耐热功能的更直接证据是Hong和Vierling
(2000)对拟南芥HSP101突变体 hot1的分析。hot1-1
是由一个保守的谷氨酸残基转变为赖氨酸残基后引
起的错义突变, 突变体中HSP101表达量正常, 但
突变体幼苗和萌发种子对高温的耐受能力却受到严
重影响。而 hot1-1突变体能够通过转化野生型
HSP101得到补救从而恢复野生型表型。hot1-3是
T-DNA插入HSP101基因第二个外显子而获得的
突变体, 没有HSP101的表达。在无外界胁迫时hot1-3
的生长和发育同野生型一致。但 hot1-3在热胁迫
条件下却表现出与 hot1-1相似的表型。hot1突变
体提供的直接证据表明AtHSP101是拟南芥产生热
耐受能力所必需的(Quietsch等 2000; Hong和
Vierling 2000; Lee等 2007)。据 Nieto-Sotelo等
(2002)报道, 玉米中的HSP101对玉米基础耐热性
(basal thermotolerance)和获得耐热性(acquired
thermotolerance)均比较重要, 它们参与植物热耐受
过程, 是植物热耐受的关键分子。Srikanthbabu等
(2002)用 “温度诱导反应 ”技术(temperature induc-
tion response technique, TIR)筛选具有热耐受能力
的豌豆时, 将 3 2 种不同基因型的豌豆( P i s u m
sativum)种子先以 30 ℃热激, 后再 49 ℃高温处理,
在恢复的后期筛选存活的种子。结果存活的种子
中积累大量的HSP104、HSP90和高水平的HSP18.1
及HSP70。其中热耐受的Acc.623基因型豌豆比
热敏感的Acc.476基因型豌豆表达HSP104的水平
更高, 且获得热耐受性时的热激起始温度也更高。
杨金莹等(2006b)用农杆菌介导法将CaMV 35S驱动
的反义 Lehsp110/ClpB cDNA片段导入番茄后, 在
高温下转化反义基因的番茄株系中LeHSP110/ClpB
的mRNA水平明显低于未转基因株系, 转基因株系
的光系统 II (PSII)对高温胁迫更加敏感, 由此说明
HSP110/ClpB在植物耐热性中的确起作用。
通常, 一种逆境可以诱导植物对另一种逆境的
抗性。HSP100/ClpB不仅与热激胁迫有关, 它还受
ABA、冷胁迫、干旱和高盐等逆境胁迫的诱导,
在上述胁迫环境下, HSP100/ClpB合成增加, 耐受
多种胁迫的能力提高。黄上志等(2004)报道, 萌发
的水稻种子经42 ℃热激处理后, 水稻幼苗的耐冷性
明显增强, 其热激蛋白合成水平也急剧升高。Tanaka
等(2002)用基因芯片技术检测红树榄钱(Avicennia
marina)的全基因组以鉴定高盐条件下表达的基因
时, 克隆到HSP100蛋白家族的同源物基因, 说明
H S P 1 0 0 / C l p B 可能与盐耐受性有关。另外 ,
Agarwal等(2003)报道, 植物HSP100/ClpB还能促使
酵母的 hsp104缺失突变体获得抗砷能力, 不过, 其
分子机制还不清楚, 有待进一步研究。此项研究也
启示我们可以用HSP100/ClpB过量表达的方法培育
具有抗砷能力的农作物品种。最近, 我们在筛选
T-DNA插入的拟南芥启动子诱捕系(promoter trap
lines)时也分离到一个多效突变体, 此突变体对高温
和高盐协迫非常敏感, 在此协迫条件下其生长发育
严重受阻, 不能进入生殖生长阶段。对突变体相关
基因的克隆和核苷酸序列比对分析时发现, 此基因
位于第 IV号染色体上, 为热激蛋白相关基因, 暂命
名为Athspr (heat shock protein-related in Arabidopsis
thaliana), 它编码一个含有1 017个氨基酸的蛋白质,
分子量约为113.8 kDa, 具有与HSP101相似的ATP
结合及水解活性(我们实验室尚未报道的资料)。
但是目前除了知道AtHSP101与高温和高盐的耐受
性有关外, 还不清楚它是否属于HSP100家族以及
它与 HSP101之间是否存在相互作用。因此, 对
Athspr突变体及其相关基因的功能分析不仅能够揭
示 Athspr在植物正常生长发育和抗逆境胁迫中的
作用, 而且还有助于我们了解HSP100/ClpB的作用
机制和调控方式, 为将来有目的地利用HSP101改
良植物抗逆性状提供有意义的信息。
关于细胞器型HSP100/ClpB在植物热耐受中
的作用还存在一定的争议。不过, 多数研究认为细
胞器型的HSP100/ClpB在植物耐逆性中是有作用
的。Keeler等(2000)在研究定位于利马豆线粒体上
的HSP100/ClpB时, 发现其对热耐受能力的提高起
作用。杨金莹等 ( 2 0 0 6 b )用农杆菌介导法将
CaMV 35S启动子驱动的定位于叶绿体基质的反义
Lehsp100/clpB cDNA片段导入番茄叶中, Nothern
杂交的结果表明, 高温下转基因株系中LeHSP100/
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ClpB 的mRNA水平明显低于非转基因植株, 热适
应后的转基因番茄中 PSII的获得耐热性也明显低
于非转基因植株, 说明叶绿体HSP100/ClpB在植物
获得耐热性中起作用。但Lee等(2007)却发现拟南
芥中叶绿体型ClpB-p和线粒体型ClpB-m的突变并
没有表现出类似于 hot1突变对高温敏感的表型。
最近, 秦佳等(2007)报道组成型表达叶绿体hsp100/
clpB的转基因番茄比非转基因番茄表现出较轻的
冷胁迫症状。
HSP100/ClpB赋予植物耐受逆境胁迫的能力与
其分子伴侣功能直接相关。有研究表明, 高温下植
物产生的热激蛋白可以保护机体蛋白质免遭损伤或
修复已受损伤的蛋白质, 从而对植物起保护作用(邵
玲和陈向荣 2005)。Agarwal等(2003)的研究表明,
植物HSP101可以溶解酵母hsp104突变体中的蛋白
聚集颗粒。Lee等(2005)在研究拟南芥 HSP100/
ClpB时发现, 热激后蛋白聚集体的溶解需要HSP101
与 sHSP分子伴侣系统的相互作用。近来的研究认
为, HSP100/ClpB可能与 sHSP、HSP70及HSP90
一起形成一个分子伴侣网络(Bosl等2006), 溶解高
温造成的蛋白聚集体, 从而保护植物细胞免受逆境
胁迫的伤害。
3 HSP100/ClpB在提高植物抗逆性中的应用
高于植物正常生长温度的热胁迫会打乱细胞
内的代谢平衡, 影响细胞的生长和增殖甚至导致细
胞死亡。植物一生都要面对环境中温度的变化以
及各种其他非生物胁迫的影响, 全世界农业每年由
于高温、干旱和其他胁迫环境的影响承受着巨大
的损失(Kotak等 2007)。随着转基因技术的飞速发
展, 人们已经将转基因技术成功应用于植物育种, 通
过转基因技术构建具有优良性状的粮食作物和经济
作物, 从而给人类带来了极大的经济效益和社会效
益。Lee 等( 19 9 4)将从大豆中分离克隆出来的
hsp101 cDNA通过基因工程方法导入缺失hsp104的
酵母突变体后, 缺失 hsp104的酵母突变体在 50 ℃
的环境下依然能够存活下来, 此酵母突变体可以恢
复获得耐热性的能力。此项研究启发人们试图将
植物的HSP100/ClpB基因转入农作物中以获得所需
的抗逆性状。根据HSP101过量表达或表达不足都
不影响植物的正常生长和发育的结果, 人们对构建
hsp100/clpB转基因植物产生了极大兴趣, 即采用基
因工程手段获得过量表达HSP100/ClpB的转基因植
物以提高植物或作物的抗逆性, 从而提高植物的存
活力和作物产量。近年来, 人们已在这方面进行了
一些非常有价值的探索, 并获得了一些抗逆性明显
增强的转基因株系。
3.1 提高植物的耐热性 高温损伤生殖细胞的育性,
致使作物产量下降, 而一些热激蛋白(HSP101、
HSP70、sHSP)的表达则会降低这种损伤, 这就启
迪人们用基因工程的方法提高作物育性和产量
(Young等 2004)。Katiyar-Agarwal等(2003)以水稻
栽培种 ‘Pusa basmati 1’成熟种子盾片的胚性愈伤
组织为材料, 通过农杆菌介导法将拟南芥Athsp101
cDNA转入受体细胞, 获得了再生植株及其后代,
Southern印迹杂交和遗传技术分析表明 Athsp101
已经整合进水稻基因组 , 且能稳定过量表达。
Athsp101在后代中的分离符合单基因孟德尔分离规
律。转基因水稻在 45~50 ℃热激下也能存活, 且在
随后的28 ℃恢复期中长势良好, 而非转基因水稻则
枯萎死亡, 表明转基因水稻比非转基因水稻更能耐
受高温胁迫。Western和Northern杂交表明, 转基
因水稻中低分子量的热激蛋白和Clp的其他家族蛋
白如ClpC和ClpA的表达都没有变化, 说明转基因
水稻的高温耐受性是HSP101过量表达所致。而
且, 转基因植株在正常温度下的生长发育与非转基
因植株没有明显差别, 表明HSP101的过量表达并
不影响植物的正常生长和发育, 这为水稻在热胁迫
下不至于减产提供了保证。当今由于温室效应导
致全球温度的持续升高, 而这些转基因水稻品种的
出现对未来的粮食生产无疑是一个积极的信号。
因此, 可以采用表达过量HSP101的转基因技术, 以
产生具有耐受热胁迫的水稻植株, 从而改变种植时
间以更好地促进前期作物和后续作物的播种, 并扩
展到其他由于高温胁迫而不适合生长的地区种植,
最终减少高温对农业生产的危害。
Chang等(2007)采用农杆菌介导法将水稻
(Oryza sativa)的 hsp101 cDNA转入烟草(Nicotiana
tabacum)中, hsp101的过量表达对烟草的生长发育
并没有表现出明显的作用, 而在转基因烟草的子代
即T2代中, 转基因株系比非转基因株系表现出更强
的耐受高温胁迫的能力。杨爱芳等(2006)以2个草
地早熟禾栽培品种 ‘Nassau’和 ‘Mardona’为受体,
用农杆菌介导的方法将来源于玉米编码HSP101的
hsp101导入丛生芽中, 培育出了转基因株系。这
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一株系在 49 ℃下进行 1 h的高温胁迫处理和恢复
培养 2周后, 转基因株系仅有轻度的枯黄, 其存活
率为 75.56%, 而非转基因株系则全部死亡, 说明转
基因株系比非转基因系具有更高的耐受高温胁迫的
能力。他们还观察到高温处理前, 转基因株系和非
转基因系的叶中游离脯氨酸含量没有明显差异, 经
过 12 h的 37 ℃高温处理后, 转基因株系叶中游离
脯氨酸含量增加 2.5倍左右。
此外, 增强拟南芥热激转录因子AtHsf1的表达
和降低不饱和脂肪酸的表达都可以很好地减轻高温
胁迫对植物的伤害。为了从水稻中分离到适应高
温胁迫的基因, Yokotani等(2008)将水稻 cDNA文
库中的全部基因分别转入拟南芥, 并从大约20 000
个转基因系中筛选到一个热耐受系——R04333, 该
系可表达水稻热激转录因子OsHsfA2e。OsHsfA2e
是水稻5个A2型热激转录因子中的一个, 它在水稻
种子中受高温诱导表达。OsHsfA2e定位于核质,
其 C端具有很强的转录激活活性。基因芯片分析
表明, 在非胁迫条件下过量表达OsHsfA2e的转化
拟南芥能够促进 sHSP和 HSP70的高水平表达,
R04333系也显示出对高盐胁迫的耐受性。这些研
究表明, 在植物分子育种中也可以构建热激转录因
子的转基因植物或作物以应对外界环境的胁迫。
HSFA9在种子发育的后期表达, 是种子特有的
热激转录因子。Prieto-Dapena等(2006)报道, 太阳
花(Helianthus annuus)的热激转录因子HaHSFA9基
因转入烟草(Nicotiana tabacum)种子后, HSP101即
大量积累, 且转基因的烟草种子维持较高水平的基
础耐热性和获得耐热性。HaHSFA9基因的过量表
达并不影响烟草种子的形态和总的种子产量, 说明
HaHSFA9基因对烟草的生长发育没有造成实质性
的伤害。HaHSFA9基因也存在于其他的单子叶和
双子叶植物中, 这就启发人们可采用遗传转化方法
过量表达HaHSFA9基因, 增加HSP101的表达水平,
以提高其他经济作物种子的活性。
3.2 提高植物的耐冷性 低温是植物区域性分布的
主要生态限制因子, 低温冷害也是农业生产中的不
利条件, 近年来人们发现热激蛋白在增强植物耐冷
性中也有应用价值。
已有研究表明, 叶绿体的PSII对低温环境胁迫
十分敏感, 因而植物光合作用和存活能力下降。在
4 ℃低温胁迫下, 组成型表达叶绿体小分子热激蛋
白HSP21的转基因番茄可以保护叶绿体的PSII, 保
证光合作用的有效进行, 从而提高番茄的耐冷性
(Neta-Sharir等 2005)。Guo等(2007)克隆了甜椒的
小分子热激蛋白CaHSP26基因, 并用农杆菌介导法
将Cahsp26转化烟草后, 转基因烟草在接受热激后
的 48 h内受到 4 ℃冷激时, Cahsp26依然能够进行
转录。在弱光冷激条件下, 表达 CaHSP26的转基
因烟草其PSII的光化学效率, 即叶绿素可变荧光与
最大荧光的比值(Fv/Fm)和氧化色素 P700值均高于
野生型, 说明在弱光低温胁迫下CaHSP26对PSII和
PSI可起保护作用。
除了上述小分子热激蛋白在抗冷性中起作用
外, HSP101在冷胁迫的耐受性中也发挥作用。最
近, 秦佳等(2007)采用基因工程方法将CaMV 35S启
动子驱动的定位于番茄叶绿体基质中的 hsp100/
clpB导入番茄, 使之组成型表达, 发现在 4 ℃低温
下处理21 d后, 转基因番茄比未转基因番茄表现出
较轻的冷胁迫症状。Fv/Fm能够反映 PSII的光能
转化效率, 而低温胁迫会损伤 PSII从而导致 Fv/Fm
的下降。在 4 ℃低温胁迫下, 非转基因番茄植株的
Fv/Fm值下降 21.2%, 而转基因番茄的 Fv/Fm值只下
降 9.1%; 胁迫解除后, 转基因番茄的 Fv/Fm值恢复
缓慢, 而非转基因植株则迅速死亡。这表明, 低温
胁迫条件下, 组成型表达的叶绿体ClpB可以保护转
基因番茄的 PSII, 维持较高的 PSII水平, 致使番茄
的耐冷性提高, 这为作物抗冻育种工作提供了新的
应用前景。但是, 目前 hsp100/clpB转基因植物在
抗旱和耐盐中的应用还比较少, 预计今后这方面的
研究将会引起人们的极大关注。
4 结语
虽然近年来人们对植物HSP100/ClpB结构和
功能的研究取得了一定的进展, 但是其深度还远远
不够。相信随着研究工作的进一步深入, 这一领域
的研究在未来若干年内仍然是热点之一。其未来
的研究可能主要集中在以下几个方面。
(1)研究植物HSP100/ClpB的表达及其执行分
子伴侣功能的机制, 这对揭示植物细胞抗逆性本质
来说, 无疑是有意义的。
(2)继续研究定位于细胞器中的HSP100/ClpB
在植物发育和抵抗逆境胁迫中的作用。虽然细胞
器型HSP100/ClpB的研究刚刚开始, 但它在植物中
发挥的生物功能不容忽视。
(3)根据HSP100/ClpB的表达调控特点, 应该从
两个方面着手研究提高植物的抗逆性: 一是通过调
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控顺式作用元件和反式作用元件, 使其在转录水平
和翻译水平上得到加强, 从而增强植物本身高效表
达hsp100/clpB的能力; 二是在转基因植物中过量表
达 hsp100/clpB, 以增强逆境耐受性。
(4)更加深入地研究HSP100/ClpB表达的诱导
机制和功能, 从而推动用基因工程方法改良植物性
状的进程, 给人类带来经济效益和社会效益。而转
基因植物的研究又将反过来增加人们对HSP100/
ClpB功能的了解。因此, HSP100/ClpB转基因植物
的构建仍然是今后研究的重点。
(5)越来越多的资料证明, 植物发挥抗逆性功能
不仅是依靠单纯的HSP100/ClpB, 而是通过很多分
子相互协作的网络系统实现的, 这就启示人们研究
HSP100/ClpB时, 还应该与其上游和下游相互作用
的分子伴侣蛋白结合起来进行综合研究, 这样才能
对植物中HSP100/ClpB的作用及其机制有更确切的
了解。
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