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Advances in studies on DREB/CBF transcription factors, and their applications
in genetic engineering for stress tolerance of turf and forage grasses

DREB/CBF类转录因子研究进展及其在草坪草和牧草抗逆基因工程中的应用



全 文 :书犇犚犈犅/犆犅犉类转录因子研究进展及其在草坪草
和牧草抗逆基因工程中的应用
王舟1,2,3,刘建秀2
(1.南京农业大学生命科学学院,江苏 南京210095;2.江苏省中国科学院植物研究所 南京中山植物园,
江苏 南京210014;3.广西农业科学院生物技术研究所,广西 南宁530007)
摘要:草坪草和牧草是可持续农业的重要组成部分,但它们的生存力、生物量及产量的增长往往受限于各种逆境胁
迫因素。作为受多基因控制的数量性状,抗逆性分子基础的研究显得尤为重要。转录因子调控着与逆境相关的多
个下游靶基因的表达。其中,DREB/CBF类转录因子能与脱水应答顺式作用元件结合,由DREB1/CBF和DREB2
两个亚家族成员组成。前者受低温诱导,后者受干旱诱导。近年来草坪草和牧草的遗传转化技术突飞猛进,通过
转化DREB/CBF类转录因子来改良草种的抗逆性是今后草业育种工作的一个重要发展方向。本研究综述了该类
转录因子的结构特征及其在植物逆境信号转导中的作用,并对它们在草坪草和牧草抗逆基因工程中的应用作了相
关介绍。
关键词:逆境;DREB;CBF;草坪草;牧草;转基因
中图分类号:S540.34;Q945.7  文献标识码:A  文章编号:10045759(2011)01022215
  随着经济的发展和生态环境意识的提高,近半个世纪以来,国内外草业建设和研究有了迅猛发展。我国近代
草业起步较晚,草种大部分依赖进口。与此同时,我国拥有较丰富的野生草种质资源,蕴藏着珍贵、多样的种质基
因库。因此开发我国丰富的草种质资源,培育拥有自主知识产权的优良草种新品种是我国草业育种工作可持续
发展的一个重要方向[1]。传统的育种方法对提高植物的抗逆性有限,且周期较长。随着分子生物学技术的发展,
从种质基因库中遴选功能基因,并通过基因工程技术改良植物的抗逆性为植物抗性育种开辟了新的途径[2]。
抗逆性是一个受多基因控制的数量性状[35],转化单个的下游抗性基因仅能在一定程度上提高植物的抗性,
因此存在明显的局限性。通过超表达转录因子来激活更多的下游靶基因可获得持久的抗逆性[4],故而被认为是
植物抗性基因工程的首选基因[6]。DREB/CBF转录因子广泛存在于有花植物中,属于AP2/EREBP转录因子家
族,具有保守的AP2/EREBP结构域[7,8]。它能特异性地结合DRE/CRT元件,调控启动子中含有DRE/CRT元
件的一类逆境应答基因的表达,增强植物对多种逆境的抵抗和适应能力。这对从整体上增强植物的抗逆性,提高
植物的生活力与产量具有广阔的应用前景[6]。
1 抗逆相关转录因子的研究现状
植物在生长发育和对外界刺激的应答反应中,需要对各种逆境和发育信号作出反应,这就要求对各种功能基
因的表达进行精确调控。基因表达在位置、时间和空间上具有精确的次序性。研究表明,导致这种基因表达差异
的主要原因是转录因子在转录水平上的调节作用。植物通过一系列信号传导激发相应的转录因子,从而启动相
应功能基因的转录表达,最后通过基因产物对外界信号在生理生化等方面作出合适的响应。
转录因子也称反式作用因子,是能够与真核基因的顺式作用元件发生特异性的相互作用,并对转录有激活或
抑制作用的DNA结合蛋白。根据与DNA结合的方式可以把转录因子分为2类:普遍性转录因子(generaltran
scriptionfactor)和序列特异性转录因子(sequencespecifictranscriptionfactor)。普遍性转录因子能和启动子的
核心序列TATA框结合,可以激活所有基因的转录。而序列特异性转录因子和DNA序列上特定的顺式元件结
合,只能激活特定的基因进行转录。近年来相继从高等植物中分离出一系列调控低温、干旱、高盐、抗病反应及发
育等相关基因表达的转录因子。植物转录因子的结构与功能已成为植物分子生物学领域的研究热点。
222-236
2011年2月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第20卷 第1期
Vol.20,No.1
 收稿日期:20100208;改回日期:20100322
作者简介:王舟(1981),男,广西南宁人,在读博士。Email:keiffer@126.com
通讯作者。Email:turfunit@yahoo.com.cn
1.1 植物中与逆境相关的几类转录因子
植物体内存在大量的转录因子。对拟南芥(犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊狋犺犪犾犻犪狀犪)第4号染色体的基因组序列进行分析,发
现15%的基因编码或可能编码转录因子。近年来,相继分离出大量的不同类型的转录因子,仅拟南芥中就有30
多个bZIP型转录因子和145个AP2/EREBP型转录因子[9]。根据转录因子保守DNA结合区的不同,又可分为
十几类。其中有些转录因子又可根据DNA结合区保守氨基酸残基的特点再分为亚类,如含锌指结构域的转录
因子,可根据半胱氨酸(C)和组氨酸(H)残基的数目和位置,分为C2H2、C3H、C2C2、C3HC4、C2HC5 亚类;Saku
ma等[10]在 Riechmann和 Meyerowitz[11]的研究基础上,根据 DNA 结合域的不同将拟南芥中145个 AP2/
EREBP转录因子分为AP2、RAV、DREB、ERF和AL079349等5个亚类(图1)。转录因子可以调控多个基因的
表达,从而调节不同的生理生化过程[12]。
图1 犃犘2/犈犚犉转录因子家族相关蛋白的进化树(引自犛犪犽狌犿犪等[10])
犉犻犵.1 犘犺狔犾狅犵犲狀犻犮狋狉犲犲狅犳犃犘2/犈犚犉狉犲犾犪狋犲犱狆狉狅狋犲犻狀狊
1.2 AP2/EREBP转录因子
AP2/EREBP转录因子家族是植物所特有的转录因子家族。这些转录因子主要参与植物的细胞周期、生长
发育以及生物和非生物胁迫相关的基因的表达调控。它们都含有非常保守的DNA结合区,即AP2/EREBP结
构域,有60个左右的氨基酸残基组成,它们的N末端都有碱性氨基酸序列,起核定位信号的作用;C末端部分存
在一个由18个氨基酸残基组成的高度保守的酸性核心区(图2)。
Sakuma等[10]分析了拟南芥基因组全序列,根据 AP2/EREBP转录因子与 DNA 结合的数目,将145个
AP2/EREBP型转录因子分为3大类型:含有2个AP2/EREBP结构域的AP2(APETALA2)型转录因子,共有
14个成员,主要参与调控细胞的生长发育;含有2个不同的DNA结合结构域,即AP2/EREBP(AP2/ERF)和B3
结构域的RAV型转录因子,共有RAV1和RAV2等6个成员。目前,对RAV1和RAV2的生理功能尚不了
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解[13];仅含1个AP2/EREBP结构域的乙烯应答结合蛋白EREBP型转录因子,主要参与调控植物细胞发育及植
物对激素(乙烯)、病原、低温、干旱及高盐等胁迫的分子应答反应[14]。这类基因包括ERFs、DREBs、TINY、Ptis
等125个成员。根据DNA结合区氨基酸序列的相似与否,又将EREBP型转录因子分为2个亚族:ERF亚族和
DREB亚族(图1)。
ERF亚族的ERF类转录因子具有一段58或59个保守氨基酸的AP2结合域,该区域的第14和19位氨基
酸分别为保守的丙氨酸(A)和天冬氨酸(D)。ERF类转录因子与ERE顺式元件(含核心序列 AGCCGCC的
GCCbox)特异结合,其中位于GCCbox中的第2个和第5个G和第7个C对ERF蛋白的识别有重要作用。
DREB亚族的DREB类转录因子的AP2结合域中第14和19位分别为缬氨酸(V)和谷氨酸(E)。在干旱、
高盐、低温下,DREB可以特异性地结合脱水应答元件DRE/CRT,其核心序列为ACCGAC或GCCGAC。
图2 犃犘2/犈犚犈犅犘转录因子结构示意图
犉犻犵.2 犛狋狉狌犮狋狌狉犲狅犳犃犘2/犈犚犈犅犘狋狉犪狀狊犮狉犻狆狋犻狅狀犳犪犮狋狅狉
1.2.1 DREB1/CBF类转录因子 
图3 犇犚犈、犆狉犲狆犲犪狋和犔犜犚犈元件的核心序列
犉犻犵.3 犆狅狀狊犲狀狊狌狊狊犲狇狌犲狀犮犲狅犳犇犚犈,犆狉犲狆犲犪狋犪狀犱犔犜犚犈
  1)DREB1/CBF基因的分离与鉴定
拟南芥冷诱导基因早期研究的目标之一是鉴定启
动子中的特异顺式作用调控序列。YamaguchiShi
nozaki和Shinozaki[15]从狉犱29犃基因的启动子中鉴定
出一个9bp(TACCGACAT)的DNA调控元件DRE
(dehydrationresponsiveelement)。同年,从犮狅狉15犪
基因的启动子中又鉴定出另一调控元件CRT(Cre
peat,TGGCCGAC)[16]。这2个元件均含有CCGAC
核心序列,即LTRE(lowtemperatureresponsiveele
ment)元件[17](图3)。随后证明,CRT/DRE或其核心序列普遍存在于冷诱导和脱水诱导基因的启动子中,为这
类基因的冷诱导和脱水诱导表达所必需[1821]。由此推测,在含CRT/DRE元件的冷诱导和脱水诱导基因表达过
程中,很可能有调控蛋白的参与,因而鉴定这种调控蛋白变得十分必要。Stockinger等[20]采用酵母单杂交(yeast
onehybrid)方法从拟南芥中分离出一个cDNA(GenBank登录号ATU77378),其编码产物能与CRT/DRE特异
结合,且在酵母系统中可激活含有CRT/DRE作为上游激活子序列的报告基因的转录。所以,此蛋白具有转录
激活因子的作用,被命名为CRT/DRE结合因子(CRT/DREbindingfactor)犆犅犉1。Southern杂交结果表明,
犆犅犉1是一个单拷贝或低拷贝数基因。以包含犆犅犉1编码区的片段作为探针,从拟南芥文库中又筛选获得犆犅犉2
(登录号AF074601,AF062924)和犆犅犉3(登录号AF074602,AF062925)基因[22,23]。与此同时,在独立进行的另
一研究中,Liu等[24]鉴定出5种DRE结合蛋白,其中犇犚犈犅1犃、犇犚犈犅1犅和犇犚犈犅1犆分别对应于犆犅犉3、犆犅犉1
和犆犅犉2。3个犆犅犉基因构成一个小基因家族,以犆犅犉1犆犅犉3犆犅犉2的顺序正向重复排列于拟南芥染色体IV
短臂的72.8cM处,相互之间连锁,并与分子标记m600和PG11紧密连锁[22,23,25](图4)。犆犅犉3位于犆犅犉1下
游3kb处,犆犅犉2位于犆犅犉1下游7kb处。在3个犆犅犉基因的可读框中都没有内含子,犆犅犉1包含642个核苷
422 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.1
酸,犆犅犉2和犆犅犉3各含有651个核苷酸。3个可读框
图4 犆犅犉基因和犆犗犚基因在拟南芥染色体中的位置
(单位犝狀犻狋:犮犕,引自犌犻犾犿狅狌狉等[22])
犉犻犵.4 犘犺狔狊犻犮犪犾犪狉狉犪狀犵犲犿犲狀狋犪狀犱犿犪狆狆狅狊犻狋犻狅狀狊狅犳狋犺犲
犆犅犉犵犲狀犲狊犪狀犱犆犚犜/犇犚犈犮狅狀狋犪犻狀犻狀犵犆犗犚犵犲狀犲狊
狅狀犮犺狉狅犿狅狊狅犿犲狊狅犳犃.狋犺犪犾犻犪狀犪
图5 犆犅犉基因家族的同源性(引自犎犪犪犽犲等[27])
犉犻犵.5 犘犺狔犾狅犵犲狀犲狋犻犮狋狉犲犲狊犺狅狑犻狀犵狋犺犲狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狊
犫犲狋狑犲犲狀犆犅犉13犪狀犱犆犅犉4
分支上的数字表示自引导值Bootstrapvaluesareshownonbranches
的核苷酸高度同源,其中犆犅犉1与犆犅犉2之间81%相
似,犆犅犉1与犆犅犉3之间84%相似,犆犅犉2与犆犅犉3之
间84%完全一致。此外,3个犆犅犉基因的5′区域也有
中等程度的相似性。3个犆犅犉转录激活因子之间氨
基酸序列的同源性均在85%以上[22,24,26](图5)。核苷
酸和氨基酸序列高度同源、在染色体上紧密连锁以及
转录方向相同等事实表明,3个犆犅犉基因具有共同的
起缘,可能是一个祖先基因连续重复2次后,通过突变
或群体中的选择演变而成[22,23]。
Haake等[27]于2002年从拟南芥中克隆了一个与
犇犚犈犅1犃C/犆犅犉13氨基酸序列同源性很高的转录
因子犆犅犉4。该转录因子与上述3个受冷胁迫诱导、
ABA非依赖途径的犆犅犉转录因子不同,它受干旱胁
迫诱导表达,且参与 ABA依赖途径的信号转导通路
(图6)。犆犅犉4与犆犅犉13表现出的特性完全不同,可
能是基因复制和启动子重排选择产生了不同的犆犅犉
座位,它们具有相似的蛋白功能,但不同的调控元件,
在相关的环境条件下产生应答反应[27]。
拟南芥基因组测序完成后,经序列同源性比较又
发现了2个基因编码新的犆犅犉转录因子,从而克隆了
犆犅犉5、犆犅犉6[10]。虽然犆犅犉5、犆犅犉6与犆犅犉14同样
具有很高的同源性,但它们却是不受低温诱导和调控
的[28]。
此后,越来越多的植物中的DREB/CBF基因被
克隆出来[4,2938](表1)。
2)DREB1/CBF转录因子的结构特征
对DREB1/CBF类转录因子的结构分析发现,它
们除了具有一个由58~60个氨基酸残基组成的典型
的AP2/ERFDNA结合结构域外,在这个区域的上游
含有一个保守的核定位信号区(NLS):PKK/RP
AGRXKFXETRHP,在 AP2/ERF结构域的下游含有 DSAW/R 的保守氨基酸序列。这2个序列被称为
DREB1/CBF类转录因子的特征序列(signaturesequences)。这些特征序列只特异性地存在于冷诱导的
DREB1/CBF类转录因子中,在与干旱、高盐诱导相关的DREB2类转录因子中则不存在。另外,在DREB1/CBF
类转录因子的羧基端富含酸性氨基酸,被认为是此类转录因子的转录激活区域[8,39](图7)。
3)DREB1/CBF转录因子的调控
Chinnusamy等[40]通过对拟南芥ice1突变体的研究分离得到了一个转录因子犐犆犈1(inducerof犆犅犉expres
sion1)基因。通过将犆犅犉3的启动子与犔犝犆基因构成的嵌合基因转化拟南芥,获得突变体库,并筛选在冷处理
条件下荧光强度发生改变的突变体。他们得到一个ice1突变体,基因的突变几乎完全阻断了低温对于犆犅犉3表
达的诱导作用。同时ice1突变体对低温胁迫较野生型植株更敏感。体外凝胶滞留实验证明犐犆犈1蛋白特异地与
位于犆犅犉3基因启动子区的MYC元件结合,证实了犐犆犈1特异性地增强犆犅犉3的表达,但对犆犅犉其他家族成员
(犆犅犉1和犆犅犉2)无影响;超表达犐犆犈1提高了转基因拟南芥的抗寒性[40]。这些结果表明,犆犅犉家族各成员的表
达可能存在不同的调控机制,并且犐犆犈1可能是犆犅犉3转录因子的正调控子,在冷胁迫反应中具有重要的作用。
522第20卷第1期 草业学报2011年
图6 拟南芥中冷和干旱胁迫诱导的基因表达调控简单模式图(引自犎犪犪犽犲等[27])
犉犻犵.6 犛犻犿狆犾犻犳犻犲犱犿狅犱犲犾犳狅狉狋犺犲狉犲犵狌犾犪狋犻狅狀狅犳犮狅犾犱犪狀犱犱狉狅狌犵犺狋狉犲狊狆狅狀狊犻狏犲犵犲狀犲犲狓狆狉犲狊狊犻狅狀
表1 部分已克隆的犇犚犈犅基因以及不同逆境胁迫条件下基因的转录反应
犜犪犫犾犲1 犇犚犈犅犵犲狀犲狊犻狊狅犾犪狋犲犱犳狉狅犿犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犾犪狀狋狊犪狀犱狋犺犲犻狉狋狉犪狀狊犮狉犻狆狋狉犲狊狆狅狀狊犲狋狅狏犪狉犻狅狌狊犪犫犻狅狋犻犮狊狋狉犲狊狊犲狊
植物种
Species
DREB类型和登录号
DREBtypeandaccessionnumber
胁迫表达Expressioninstress
冷Cold 旱Drought 盐Salt 脱落酸ABA
参考文献
References
拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 犆犅犉1:U77378 是Yes 否No - 否No [22]
犆犅犉2:AF074601 是Yes - - -
犆犅犉3:AF074602 是Yes - - -
拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 犇犚犈犅1犃:AB007787 是Yes 否No 否No 否No [24]
犇犚犈犅2犃:AB007790 否No 是Yes 是Yes 是Yes
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犆犅犉2:AF062924 是Yes 否No - 否No
犆犅犉3:AF062925 是Yes 否No - 否No
油菜犅狉犪狊狊犻犮犪狀犪狆狌狊 犆犅犉like:AF370733,AF370734 是Yes - - - [8]
小麦犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿 犆犅犉like:AF376136 是Yes - - -
黑麦犛犲犮犪犾犲犮犲狉犲犪犾犲 犆犅犉like:AF370728,AF370729,AF370730 是Yes - - -
番茄犔狔犮狅狆犲狉狊犻犮狅狀犲狊犮狌犾犲狀狋狌犿 犆犅犉like:AY034473 是Yes - - -
烟草犖犻犮狅狋犻犪狀犪狋犪犫犪犮狌犿 犜狊犻1:AF058827 - - 是Yes - [31]
大麦犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲 犆犅犉3:AF239616 是Yes 否No - 否No [32]
犆犅犉1:AF298230 - - - -
拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 犆犅犉4:AB015478 否No 是Yes - 是Yes [27]
水稻犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪 犇犚犈犅1犃:AF300970 是Yes 否No 是Yes 否No [33]
犇犚犈犅1犅:AF300972 是Yes 否No 否No 否No
犇犚犈犅1犆:AP001168    
犇犚犈犅1犇:AB023482 否No 否No 否No 否No
犇犚犈犅2犃:AF300971 否No 是Yes 是Yes 否No
小麦犜.犪犲狊狋犻狏狌犿 犇犚犈犅2:AF303376 是Yes 是Yes 是Yes 是Yes [34]
榆钱菠菜犃狋狉犻狆犾犲狓犺狅狉狋犲狀狊犻狊 犇犚犈犅1:AF274033 - - 是Yes - [35]
辣椒犆犪狆狊犻犮狌犿犪狀狀狌狌犿 犇犚犈犅1:AY496155 否No 是Yes 是Yes 否No [36]
小麦犜.犪犲狊狋犻狏狌犿 犆犅犉21:AB178166 是Yes 是Yes - 否No [37]
犆犅犉22:AB178167 是Yes 是Yes - 否No
大豆犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓 犇犚犈犅犪:AY542886 是Yes 是Yes 是Yes 是Yes [38]
犇犚犈犅犫:AY296651 是Yes 是Yes 是Yes 否No
犇犚犈犅犮:AY244760 否No 是Yes 是Yes 是Yes
 犆犅犉1:犇犚犈犅1犅,犆犅犉2:犇犚犈犅1犆,犆犅犉3:犇犚犈犅1犃;:组成型表达Constitutiveexpression;-:未研究Notstudied.
622 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.1
图7 犇犚犈犅1/犆犅犉转录因子的结构示意图
犉犻犵.7 犛狋狉狌犮狋狌狉犪犾狅狉犵犪狀犻狕犪狋犻狅狀狅犳犇犚犈犅1/犆犅犉
通过对犆犅犉2基因启动子详尽的分析,鉴定了多
图8 低温胁迫信号转导模式图(引自犆犺犻狀狀狌狊犪犿狔等[41])
犉犻犵.8 犛犻犿狆犾犻犳犻犲犱犿狅犱犲犾犳狅狉狋犺犲狊犻犵狀犪犾狋狉犪狀狊犱狌犮狋犻狅狀
狅犳犾狅狑狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲狊狋狉犲狊狊
个参与冷诱导表达的保守区。其中一个ICEr1元件
含有一个CANNTG序列,这个序列是bHLH转录因
子的结合位点。同源性分析发现这些保守区在
犆犅犉13的启动子区是保守的,因此推测犆犅犉1和
犆犅犉2基因可能也是受到其他类犐犆犈1的bHLH转录
因子的调节[14]。犐犆犈1基因在拟南芥中组成型表达,
但要激活犆犅犉3基因的表达需要低温处理,说明犐犆犈1
对目的基因的调节需要低温条件对犐犆犈1进行转录后
或者翻译后的修饰,如图8所示[41]。
Ishitani等[42]和 Lee等[43]的研究结 果 发 现,
犎犗犛1基因(highexpressionofosmoticalyrespon
sivegenes)的突变体(hos1)在低温诱导条件下能够增
强犆犅犉2和犆犅犉3的转录以及下游狉犱29犃、犮狅狉47和
犮狅狉15等基因的表达。这一结果表明,犎犗犛1可能是
犆犅犉2和犆犅犉3的负调控子。
Novilo等[44]应用反向遗传学的方法获得了一个
cbf2突变体,该突变体中犆犅犉2基因的表达被阻断。
结果,cbf2突变体比野生型植株在冷适应前后都表现
出更强的抗寒、干旱和高盐的能力,并且这些抗性是与
cbf2突变体内的犆犅犉1和犆犅犉3的持续超表达相关
的。Novilo等[44]还证实了犆犅犉1和犆犅犉3的表达要
先于犆犅犉2的表达。这些结果表明,犆犅犉2可能是犆犅犉1和犆犅犉3表达的负调控子,并且它们的表达在冷胁迫反
应中是紧密相关。
1.2.2 犇犚犈犅2类转录因子 犇犚犈犅2类转录因子也有一个保守的ERF/AP2DNA结合结构域,并识别DRE
序列。在拟南芥的整个基因组序列中还有6个基因与犇犚犈犅2类转录因子基因同源性很高,但只有犇犚犈犅2犃和
犇犚犈犅2犅受干旱和高盐诱导表达[45]。这表明,犇犚犈犅2犃和犇犚犈犅2犅是在干旱和高盐胁迫条件下参与信号转导
的重要的转录因子。但超表达犇犚犈犅2犃的转基因植株既不表现出生长迟滞,也不表现胁迫抗性的提高,这可能
是犇犚犈犅2犃转录因子需要翻译后的修饰,如磷酸化作用[24],但具体的激活机制尚不清楚(图8)。
Sakuma等[45]对拟南芥的犇犚犈犅2犃基因的功能进行分析,通过对犇犚犈犅2犃基因的C末端转录调控区进行
一系列的删减实验,发现犇犚犈犅2犃的C末端是一个转录激活区,而位于该转录激活区中间的aa136~aa165区域
可能负调控犇犚犈犅2犃的转录活性,删除该区域,犇犚犈犅2犃的转录活性提高;通过对转基因植株下游基因的表达
722第20卷第1期 草业学报2011年
分析,结果表明,删除aa136~aa165区域的犇犚犈犅2犃超表达,激活了下游许多干旱诱导的基因表达,提高了转基
因植株的抗旱性。干旱或高盐(250mmol/LNaCl)处理拟南芥,在10min内,犇犚犈犅2犃和犇犚犈犅2犅基因被快速
强烈诱导[24];玉米(犣犲犪犿犪狔狊)犣犿犇犚犈犅2犃基因则主要受到高盐胁迫的诱导[46];大麦(犎.狏狌犾犵犪狉犲)犎狏犇犚犉1基
因除了受到干旱和高盐的诱导以外,对外源 ABA 也有响应[47]。这些结果表明,同 ABA 参与了调节部分
DREB1/CBF基因一样[27],ABA可能也参与了对部分DREB2基因的表达调控。
相对于很多因子被鉴定为参与对DREB1/CBF类转录因子基因的调控,对于DREB2类转录因子基因的调
控了解很有限。Xiong和Yang[48]在对hos5突变体进行分析时,鉴定了 HOS5是渗透胁迫基因表达的负调控
子。在渗透胁迫条件下,RD29A、KIN1、COR15、COR47、RD22、RAB18基因在hos5突变体中的表达水平都较野
生型植株高。推测,HOS5很可能是转录因子DREB2上游的一个负调控子,其作用的分子机制也还有待于进一
步的研究。
1.2.3 超表达DREB/CBF转录因子与植物的抗逆性 许多研究结果表明,超表达DREB/CBF可提高拟南芥
对冷、干旱和高盐胁迫的耐受能力[8,24,49]。组成型表达DREB1/CBF基因可以在没有冷胁迫的情况下诱导犆犗犚
基因表达,提高了转基因植株的抗寒性;超表达犆犅犉1基因的转基因拟南芥比野生型植株的电解质渗漏率低,抗
寒性强[49],这第一次向人们展示了通过一个单基因(DREB/CBF转录因子基因)可在改良植物复杂的抗逆反应
中起到关键的作用。对超表达犆犅犉3基因的拟南芥进行冷适应实验,结果表明经过冷适应的转基因植株体内比
野生型和没有经过冷适应的转基因植株在生物化学方面发生了许多变化,积累了更多的代谢保护物(可溶性糖类
和脯氨酸),且抗寒性强[50,51]。超表达犆犅犉4转录因子的拟南芥,激活了启动子区域中含有CRT/DRE元件的下
游基因的表达,提高了转基因植株的抗寒性和抗旱性[27]。这与认为DRE信号转导途径是ABA非依赖途径的结
果不同。这表明,植物在干旱、高盐和低温胁迫应答反应中存在着复杂的信号转导途径,这些途径与ABA信号
转导途径不是独立的,并且各种胁迫信号转导通路之间,包括ABA非依赖途径和ABA依赖途径,也不是完全独
立的,它们通过某些共同的成员联系在一起,构成了一个复杂的信号转导网络(图6)。表2显示了超表达DREB
基因的转基因植物对胁迫的反应[4]。
表2 超表达犇犚犈犅/犆犅犉基因的转基因植物对胁迫的反应
犜犪犫犾犲2 犛狋狉犲狊狊狉犲狊狆狅狀狊犲狅犳狋狉犪狀狊犵犲狀犻犮狆犾犪狀狋狊狅狏犲狉犲狓狆狉犲狊狊犻狀犵犇犚犈犅狊
基因Gene 转基因植物Transgenicplants 转基因植物表现Performanceoftransgenicplants 参考文献References
犃狋犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 耐寒Freezingtolerance [49]
犃狋犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 耐寒Freezingtolerance、耐旱Dehydrationtolerance [24]
犃狋犇犚犈犅2犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 -
犃狋犆犅犉3 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 耐寒Freezingtolerance [50]
犃狋犆犅犉1 油菜犅.狀犪狆狌狊 耐寒Freezingtolerance [8]
犜狊犻犾1 烟草犖.狋犪犫犪犮狌犿 耐渗透胁迫Osmoticstresstolerance [31]
犃狋犆犅犉4 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 耐寒Freezingtolerance、耐旱Dehydrationtolerance [27]
犃狋犆犅犉1 番茄犔.犲狊犮狌犾犲狀狋狌犿 耐寒Freezingtolerance [52]
犗狊犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 耐寒Freezingtolerance、耐旱Dehydrationtolerance、耐盐Salttolerance [33]
犗狊犇犚犈犅2犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 -
犜犪犇犚犈犅1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 - [34]
水稻犗.狊犪狋犻狏犪 -
犃犺犇犚犈犅1 烟草犖.狋犪犫犪犮狌犿 耐旱Dehydrationtolerance、耐盐Salttolerance [35]
犃狋犇犚犈犅1犃 烟草犖.狋犪犫犪犮狌犿 耐寒Freezingtolerance、耐旱Dehydrationtolerance [53]
犅犖犆犅犉5,犅犖犆犅犉17 油菜犅.狀犪狆狌狊 耐寒Freezingtolerance [54]
犃狋犇犚犈犅2犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 耐旱Dehydrationtolerance [45]
 -:未研究耐逆性 Transgenicplantsnotstudiedforstresstolerance.
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表3 草坪草和牧草中分离的犇犚犈犅/犆犅犉基因
犜犪犫犾犲3 犇犚犈犅/犆犅犉犵犲狀犲狊犻狊狅犾犪狋犲犱犳狉狅犿犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋狌狉犳犪狀犱犳狅狉犪犵犲犵狉犪狊狊犲狊
植物种名Plantspecies 基因名Genename GenBank登录号Accessionnumber 参考文献References
高羊茅犉犲狊狋狌犮犪犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪 犇犚犈犅1 AY423713 [39]
(犛犮犺犲犱狅狀狅狉狌狊犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲狌狊) 犇犚犈犅1 AJ634001 [58]
犇犚犈犅1犃 AJ717399
犇犚犈犅2 AY436639
犇犚犈犅2犾 AJ786399,AJ786400
草甸羊茅犉.狆狉犪狋犲狀狊犻狊 犆犅犉6 DQ996012
狗牙根犆狔狀狅犱狅狀犱犪犮狋狔犾狅狀 犇犚犈犅1 AY462117 [59]
犇犚犈犅2 AY462118 [59]
结缕草犣狅狔狊犻犪犼犪狆狅狀犻犮犪 犇犚犈犅1 GQ848096,GQ864013,GQ868711
野牛草犅狌犮犺犾狅ё犱犪犮狋狔犾狅犻犱犲狊 犇犚犈犅2 EF512460 [60]
草地早熟禾犘狅犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊 犇犚犈犅2 AY553331 [61]
多年生黑麦草犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲 犆犅犉3 AY960831 [62]
犆犅犉3 EF032485,EF032486 [63]
犆犅犉犐犪 AB258392 [64]
犆犅犉犐犫 AB258393 [64]
犆犅犉犐犐 AB258394 [64]
犆犅犉犐犐犐犪 AB258395 [64]
犆犅犉犐犐犐犫 AB258396 [64]
犆犅犉犐犐犐犮 AB258397 [64]
犆犅犉犐犞犪 AB258398 [64]
犆犅犉犐犞犫 AB258399 [64]
犆犅犉犞犪 AB258400 [64]
犆犅犉犞犫 AB258401 [64]
短芒大麦犎.犫狉犲狏犻狊狌犫狌犾犪狋狌犿 犇犚犈犅1 DQ250027 [65]
黑麦犛.犮犲狉犲犪犾犲 犇犚犈犅 AY311483
燕麦犃狏犲狀犪狊犪狋犻狏犪 犆犅犉1 AM071406 [66]
犆犅犉2 AM071407 [66]
犆犅犉4 AM071409 [66]
犇犚犈犅2 EF672101
珍珠粟犘犲狀狀犻狊犲狋狌犿犵犾犪狌犮狌犿 犇犚犈犅2犃 AY829439 [4]
犇犚犈犅2犃 DQ227697 [67]
野大豆犌.狊狅犼犪 犇犚犈犅1 AY642596,AY802779
紫花苜蓿犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪 犇犚犈犅1 EU233782 [68]
黄花苜蓿犕.犳犪犾犮犪狋犪 犇犚犈犅1 EF654111 [68]
犇犚犈犅1狊 EU233781 [68]
杂花苜蓿犕.狏犪狉犻犪 犇犚犈犅1 GU073286
东方山羊豆犌犪犾犲犵犪狅狉犻犲狀狋犪犾犻狊 犇犚犈犅 FJ223566
藜犆犺犲狀狅狆狅犱犻狌犿犪犾犫狌犿 犆犅犉1 FJ416369
霸王犣狔犵狅狆犺狔犾犾狌犿狓犪狀狋犺狅狓狔犾狌犿 犆犅犉 [69]
二色补血草犔犻犿狅狀犻狌犿犫犻犮狅犾狅狉 犇犚犈犅 FJ872558 [70]
922第20卷第1期 草业学报2011年
表4 转犇犚犈犅/犆犅犉基因的草坪草和牧草
犜犪犫犾犲4 犇犚犈犅/犆犅犉犵犲狀犲狊犻狀狋狉犪狀狊犵犲狀犻犮犲狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵狅犳狋狌狉犳犪狀犱犳狅狉犪犵犲犵狉犪狊狊犲狊
转化受体Recipient 转基因名Transgenes 基因来源Geneorigin 转化方法Transformationmethod 参考文献References
高羊茅犉.犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪 犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [71]
犆犅犉3 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [72]
犆犅犉4 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [72,73]
犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [74]
犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [75]
多年生黑麦草犔.狆犲狉犲狀狀犲 犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [76]
犆犅犉1 小麦犜.犪犲狊狋犻狏狌犿 基因枪Biolistic [77]
犆犅犉1 小麦犜.犪犲狊狋犻狏狌犿 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [78]
犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic、农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [79]
犇犚犈犅1犅 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [80]
犇犚犈犅1犅 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [78]
多花黑麦草犔.犿狌犾狋犻犳犾狅狉狌犿 犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [81]
杂交狼尾草犘.狆狌狉犲狌犿 犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [82]
结缕草犣.犼犪狆狅狀犻犮犪 犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [83]
犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic、农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [84]
犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [85]
中华结缕草犣.狊犻狀犻犮犪 犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [76]
犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [86]
匍匐剪股颖犃犵狉狅狊狋犻狊狊狋狅犾狅狀犻犳犲狉犪 犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [87]
草地早熟禾犘.狆狉犪狋犲狀狊犻狊 犇犚犈犅 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [88]
犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [89,90]
百喜草犘犪狊狆犪犾狌犿狀犪狋犪狋狌犿 犇犚犈犅1犃 野大麦犎.狊狆狅狀狋犪狀犲狌犿 基因枪Biolistic [91]
紫花苜蓿犕.狊犪狋犻狏犪 犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [92]
犇犚犈犅1 大豆犌.犿犪狓 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [93]
犇犚犈犅1 黄花苜蓿犕.狊犪狋犻狏犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [68]
犇犚犈犅1犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌 犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿、花粉
管通道Polentubepathway
[94]
犇犚犈犅1犆 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [95]
犇犚犈犅2 野牛草犅.犱犪犮狋狔犾狅犻犱犲狊 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [96]
犇犚犈犅2犃 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [97,98]
百脉根犔狅狋狌狊犮狅狉狀犻犮狌犾犪狋狌狊 犆犅犉1 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [99]
柱花草犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊 犆犅犉3 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 农杆菌犃犵狉狅犫犪犮狋犲狉犻狌犿 [100,101]
冰草犃犵狉狅狆狔狉狅狀犮狉犻狊狋犪狋狌犿 犆犅犉4 拟南芥犃.狋犺犪犾犻犪狀犪 基因枪Biolistic [102,103]
  然而超表达DREB/CBF基因可能引起部分植物种的转基因植株矮化、生产力下降等不良性状,但可以通过
逆境诱导型启动子(狉犱29犃启动子)对转化载体进行改造,不仅可以增强转基因植株对逆境的抵抗力,而且其生长
和野生型植株没有明显差别[24,49,51]。这一发现无疑为利用这类转录因子提高植物对非生物胁迫的抗性提供了一
个新的方法和思路。
通过Northern杂交、Microarray和生物信息学方法对DREB/CBF类转录因子所调节的下游基因进行了分
析[24,49,5557]。迄今为止,通过该方法在拟南芥中鉴定了至少40个基因受到犇犚犈犅1犃/犆犅犉3的正调控。这些基
因的产物包括胚胎发育晚期丰富蛋白(LEA蛋白)、转录调控因子、磷脂酶C、RNA结合蛋白、糖转运蛋白、碳水
032 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.1
化合物代谢相关蛋白、冷诱导蛋白、渗透保护生物合成蛋白、蛋白酶抑制子等。这些DREB/CBF调控的下游基
因在保护细胞免受低温、干旱和高盐等胁迫伤害中起到了重要的作用。
2 转DREB/CBF基因在草坪草和牧草抗逆品种改良中的应用
2.1 草坪草与牧草DREB/CBF基因的克隆
作为植物抗逆信号转导途径中发挥关键作用的表达调控基因,DREB/CBF类转录因子业已成为当前的研究
热点。越来越多的新基因被从各种草类植物中分离、克隆出来。表3列出了目前在GenBank中登录的所有草坪
草和牧草DREB/CBF基因家族成员。
2.2 草坪草及牧草转DREB/CBF基因研究
自第1例转基因烟草问世以来,植物转基因研究和应用发展迅速。利用基因工程技术将外源基因导入特定
的草坪草或牧草,获得改良的转基因新品种,已经成为草坪草与牧草育种的前沿研究。
鉴于转DREB/CBF基因可同时增强植物对低温、干旱和高盐等逆境的抗性,使得转基因植株的抗逆性要比
其他单一功能基因的转化高得多,许多研究者已经将该类基因转化到各种草坪草及牧草之中,并成功获得了综合
抗性增强的转基因植株(表4)。
2.3 问题与展望
虽然目前草类植物的基因转化已经取得了较丰硕的成果,但纵观草坪草与牧草的转基因研究有以下几个特
点:1)在研究材料上,以冷季型草种居多,相关的研究报道也比较多;而暖季型草种的转基因研究以结缕草为
主,在狗牙根上也开始报道,其原因可能是冷季型草的组织培养和植株再生体系比较易于建立,而暖季型草的比
较困难。2)转化方法单一,以基因枪直接导入DNA法为主,但2000年以来,农杆菌介导转化法开始广泛应用于
各种草的转基因研究中。3)在筛选基因上以潮霉素磷酸转移酶基因(犺狆犺)和膦丝霉素乙酰转移酶基因(犫犪狉)为
主,极少数用新霉素磷酸转移酶基因(狀狆狋犐犐),因为禾本科植物培养细胞对卡那霉素具有天然抗性[104]。
草坪草和牧草转基因研究中的主要问题是高效组织培养体系的建立比较困难,转化效率低。胚性愈伤组织
是草类植物遗传转化广泛应用的起始材料,而一些暖季型草种很难得到较好的胚性愈伤组织,再生植株频率低,
还有些品种似乎很难获得再生植株,从而限制了DREB/CBF类转录因子在草坪草和牧草抗逆基因工程中的应
用。近几年来,虽然农杆菌介导转化法已经成功地应用于部分草种的育种研究,但是转化效率仍偏低,高频再生
体系与适宜转化方法及转化条件的研究和完善还有待进一步探索。此外,草坪草和牧草功能基因的分离及转化
尚处于起步阶段,所应用的目的基因很少来自草自身的基因组。今后除应加强转基因本身的研究外,还应加快草
种新基因分离、克隆和鉴定方面的研究,给转基因提供更多有重要应用价值的目的基因。特别是现阶段我国可供
利用的拥有自主知识产权的基因还不多,以DREB/CBF类转录因子为例,用于转化的基因绝大部分都来源于国
外早已报道过的拟南芥(表4)。这方面还需要与分子生物学科技工作者协作攻关[105]。
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犃犱狏犪狀犮犲狊犻狀狊狋狌犱犻犲狊狅狀犇犚犈犅/犆犅犉狋狉犪狀狊犮狉犻狆狋犻狅狀犳犪犮狋狅狉狊,犪狀犱狋犺犲犻狉犪狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狊
犻狀犵犲狀犲狋犻犮犲狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犳狅狉狊狋狉犲狊狊狋狅犾犲狉犪狀犮犲狅犳狋狌狉犳犪狀犱犳狅狉犪犵犲犵狉犪狊狊犲狊
WANGZhou1,2,3,LIUJianxiu2
(1.ColegeofLifeSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;2.InstituteofBotany,
JiangsuProvince&ChineseAcademyofSciences,Nanjing210014,China;3.BiotechnologyInstitute,
GuangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanning530007,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Turfandforagegrassesarecriticaltosustainableagriculture,butstressesnegativelyinfluencetheir
survival,biomassandyield.Itisessentialtounderstandthemolecularbasisofstresstolerancesinceitismulti
genicaswelasaquantitativetrait.Transcriptionfactorsthatregulateexpressionofseveralgenesrelatedto
stresshavebeendiscovered.OnesuchclassisDREB/CBFthatbindstodroughtresponsivecisactingelements.
DREBsbelongtotheERFfamilyoftranscriptionfactorsconsistingoftwosubclasses,i.e.DREB1/CBFand
DREB2thatareinducedbycoldanddehydration,respectively.Tremendousprogresshadbeenmadeingenetic
transformationofturfandforagegrassesinthepastdecade.Therapidadvancementofmolecularbiologyand
transgenictechnologyprovidesnovelmethodstoaccelerateandcomplementconventionalbreedingefforts.Itis
possibletoengineerstresstoleranceintransgenicplantsbymanipulatingtheexpressionofDREBs.Thisopens
anexcelentopportunitytodevelopstresstolerantgrassesinfuture.Thisreviewintendstofocusonthestruc
ture,roleofDREBsinplantstresssignalingandthepresentstatusoftheirdeploymentindevelopingstresstol
eranttransgenicturfandforagegrasses.
犓犲狔狑狅狉犱狊:stress;DREB;CBF;turfgrass;foragegrass;transgenicplants
632 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.1