全 文 ：武汉植物学研究 ,
植物低温诱导蛋白和低温诱导基因的表达调控
‘
王 艇 苏应娟 刘良式
中山大学生命科学学院 广州
、 一 一
、 一 一
耐 , , , 邵 , 而
关键词 低温诱导蛋白 , 低温诱导基因 , 基因表达调控
一 一 , 一 一 ,
对于温带作物而言 , 耐冷是一种重要的农艺性状 , 它对作物的安全越冬和生存起决定作用 。 阐明冷
驯化的形成机理无疑对提高作物的耐冻性使之免遭冰冻伤害具重要意义 。 自从 年 提出研
究冻害机制的重要性以来 , 已经发表了数以千计的文章来探讨低温胁迫对植物形态结构和生理功能等
方面所造成的影响〔, 〕。
和 在越冬期的黑槐树皮中发现 条新蛋白谱带 , 这是最早发现的植物低温
诱导蛋 白〔幻 。 其后 , 在 年代中期进行了大量的植物耐冷品种和冷敏感品种的蛋 白比较研究 , 逐渐认识
到某些蛋 白的出现和耐冷性之间存在潜在的关系 。 进入 年代 , 植物低温诱导蛋白成为国际上植物逆
境生理的研究热点 , 开始集中对冷驯化和耐冻性形成过程中的蛋白质代谢 , 特别是对低温诱导蛋白的性
质 、 结构和功能进行了较为全面的研究 。 通过 比较低温诱导蛋 白的氨基酸组成序列特征和其它生化性
质 , 逐步得出一些规律性结论 。 与此同时还对低温诱导蛋白的潜在生理生化功能作了探索 。
随着研究的深入 , 人们开始越来越关注冷驯化的分子生物学基础并且认识到 , 要想通过改进遗传组
成来培育抗冷 、耐冻新品种 , 就必须了解低温对基因表达的影响 。 从 年代起 文库构建 、 序
列测定和 同源性分析 、 体外转录及翻译技术 、 核 一 。 转录 、 扣除杂交法 、 定位突变以及基因转化等分
子生物学手段被广泛应用于这方面的研究 。 迄今为止 已建立了大麦 烤 、 小麦
收稿 日 一 一 , 修回 日 一 一 。 第一作者 男 , 岁 , 副教授 博士 。
, 国家 自然科学基金资助项 目 , 广东省 自然科学基金资助项 目 。
第 期 王艇等 植物低温诱导蛋白和低温诱导基因的表达调控
、水稻 、 菠菜 、 首楷 卫亡 、 拟南芥菜
、 和 欧洲 油 菜 等植物低温诱导基 因 也称冷调节基 因 、 低温应答基 因 的
文库 〔 一的 , 从中分离到的一些低温诱导基因作了测序 , 而且对它们的基因结构 , 启动子 内是否存在
可能的低温应答元件都给予了比较细致的研究 。
本文对近年来植物低温诱导蛋白和低温诱导基因表达调控方面所取得的主要进展作一综述 。
低温诱导蛋白的性质 、结构与功能
增强细胞抗冰冻脱水能力的低温诱导蛋白
脱水是冻伤造成的主要伤害之一 , 所以低温诱导基因编码的部分蛋白与防止细胞冰冻缺水有关
。
这
方面已经积累了不少例证 。 首楷的 蛋白和小麦的 、 只能由冷处理专一性诱导 ,
而不受 或干早的诱导 , 属冷驯化特异蛋白 。 是一种高度亲水的外周蛋白 , 其二级结构特点
是 属 一折叠 , 属 一螺旋 , 其余部分由转角 、 环及无规卷曲组成 。 氨基酸水平上它和胚胎发育晚
期丰富表达的蛋白 应答蛋白 脱水诱导蛋白家族具高度同源性 , 其中和水稻的脱水
诱导蛋白 的同源性最高 〔 〕。 含大量的 和 , 使其在细胞中保持可溶性 , 这些都利于
提高植物在冰冻时忍受次生脱水胁迫的能力 , 防止细胞冰冻失水 。 另外 , 具备的 一 重复是
“ 时钟 ”蛋 白 。 的特征 。 中也存在 个这样的重复 。 有报道指出 , 低温可以中断转录
活动的生理节律 〔” 。 所以推测 也有可能在植物遭受冷激之后 , 调整内源节律形成耐冻性的过程
中起作用 。 值得注意的是 , 虽然 的氨基酸序列和 脱水诱导蛋 白家族具有高度同源
性 , 但是后者能被 或干旱诱导 。
小麦的 蛋白是一种高度亲水 、 沸点下稳定的可溶性蛋白 。 具有 个重复结构域 结构域
和结构域 。 两者具共通序列 , 分别重复 次 、 次 〔们 。 另一种冷驯化特异蛋 白 , 分子量为
。 组成上偏向 、 和 , 这 种氨基酸占总氨基酸的 写 , 具
有和 类似的重复元件 由于体内的修饰作用 , 其 端被封闭 , 这可能与这些蛋 白行使特定功能
或细胞定位有关 〔幻 。
还存在另一类称作冷调节蛋白的低温诱导蛋白 , 与冷驯化特异蛋 白不同 它们不是由低温专一性诱
导 , 除了对低温处理作出迅速应答外 , 还可以被外源 和水胁迫诱导 。 但是冷调节蛋白和上面介绍的
与细胞脱水相关的冷驯化特异蛋白 , 在氨基酸组成 、性质和结构方面无明显差异 。 在小麦中发现一种冷
调节蛋 白 , 它不具 和 , 但具亲水性 。 主要由两个重夏单元组成
,
, 一个单元富含 , 称作
另一单元富含 , 称作 , 分别在分子内不完全重复 次 〔” 。 单元和拟南芥菜的冷调节蛋白
及 蛋 白的类群 家族成员的重复序列几乎完全相同 单元也与 蛋白类群 成员
的重复序列关系紧密 。 在氨基酸序列水平上 , 和大麦脱水诱导蛋 白 和 的同源性最高
。
在小麦冷驯化植株的叶 、 根和根颈组织中均有积累而且对低温应答迅速 , 但移回正常生长温度
时 , 积累水平很快下降 在植株对外源 和水胁迫作出应答时 也能高水平积累
。
估计
和 蛋白具有类似的功能 。 蛋白可能在干化作用和耐旱性方面起作用 , 而 则可能在防
止冰冻造成的细胞严重缺水方面行使功能 。
另外一些和水胁迫相关的低温诱导蛋 白属于脱水诱导蛋 白或类脱水诱导蛋 白
。 多年生木本植物乌
饭树 瓜“ , 经冷处理后 , 在花芽和叶内可以观察到主要有 种蛋白质水平上升 , 它们的
分子量分别为 “ 、 和
。
这些蛋白具热稳定性 , 保温 仍不会变性聚集 。 和
蛋白等电点介于 到 。之间 , 蛋白的等电点是 。 蛋白和 蛋白的氨基酸序
列高度相似
。
脱水诱导蛋 白的共通序列 一 一 一 一 一 一 一 ’一 一 一 一 一 一
一 。一 的抗血清和 、 、 , 这 种低温诱导蛋 白都能发生交叉反应 。 这些蛋 白应属于脱
水诱导蛋 白或类脱水诱导蛋白 , 在冷胁迫引起缺水时保护植物免遭伤害 。 此外 , 在黑麦 。 ‘ 。
武 汉 植 物 学 研 究 第 巧 卷
植株中也发现低温和 能够诱导类脱水诱导蛋白的积累 。 田间实验表明这类蛋白含量的增加与植物
耐冻能力的提高平行相关
。
菠菜的耐冻性和 蛋 白的 丰度密切 相关 , 低温和 水份胁迫都可 以诱导此种蛋 白的积 累 。
的分子量 , 等电点 , 富含 和 。 和 家族的类群 相似 , 它具有
典型的 、 由 个氨基酸组成的富含赖氨酸重复序列 , 此重复序列 又包含在 个更大的重复了 次的
氨基酸序列 内 。 另外它还具有 个散布在赖氨酸重复之间的不完全重复基序 。 长的重复 一 一
一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 出现 次 短重 复 一 一 一 一 一
一 出现 次 。 和 家族中 的同源性最高 , 但它也和 类群 有不同之处 , 就
是不具丝氨酸簇 。 属于一种新型对水有束缚作用的蛋白质 , 能够改变水的结冰过程 〔, “〕。
小 球藻 棺 、 一 品 系的低温诱导 蛋 白 和 欧洲 油菜的 类群 蛋 白
具同源性 。 其 位氨基酸残基和 的 残基有 的氨基酸相同 , 氨基
酸相似 而且 类群 蛋 白的一个主要特征 —具有由 个氨基酸组成的不完全重复基序 —在
中也存在 。 的氨基端具有 个和 叶绿体转运肤序列相似的氨基酸序列 , 显示它最终可能被运
送到叶绿体内川 〕。 类群 蛋白所具有的 个氨基酸基序能形成一个两亲性 一螺旋结构 , 提供 个
具疏水条区的亲水表面 这类蛋白质可以重新定向细胞的水分子 、 结合离子以改善干化过程中失水造成
的影响 。 蛋白的功能与之相似 。
许多低温诱导蛋 白都和与干旱有关的蛋 白质 脱水诱导蛋 白家族 在氨基酸序列上具高
度同源性 , 它们普遍具有 个特点 含量高 、 高度亲水以及在达到沸点的水溶液中仍能保持可溶性 。
这些特点是和它们的功能潜在相关的
。
高比例的 含量可以使蛋白质具有高度柔性和流动性 , 促使分
子内氢键的形成 , 使蛋 白分子具无规卷曲构型 , 可以在各个方向上拉长 、 弯曲和伸展 , 保护细胞结构免遭
冰冻或严重脱水的伤害 。 高度亲水性能把足够的水份捕获到细胞内 , 以阻止冰冻或水胁迫引起的局部缺
水 。 沸点可溶性这种性质 , 最早是在 蛋白和脱水诱导蛋白中发现的 。 由于低温诱导蛋白也具有大量
的亲水氨基酸残基提供的极具柔性的骨架 , 所以也具此性质 。
冰冻时对酶行使正常功能可能起保护作用的低温诱导蛋 白
拟南芥菜的一种低温诱导导蛋白 , 分子量
,
, 和 含量高 , 不
具 、 和 , 在沸点仍保持可溶性
。
端的 区域内既具疏水区 又具亲水区 , 与把蛋白质定向
到叶绿体基质内的转运肤的序列极其相似 。 随后的 区域内主要是亲水区而且具 一螺旋构型
。 成熟的
蛋白位于 叶绿体内 。 体外进行的低温保护实验证明 具有高效的低温保护活性 , 它能极其
有效地防止易受低温影响的乳酸脱氢酶 , 因冰冻而失活
。 它的保护效率比蔗糖高 护 倍 , 比包括牛血清
清蛋 白在内的其它蛋 白质高 一 护 倍〔下 〕。 另外从欧洲油菜中分离到 一个编码低温诱导转录物的
克隆 召 。 核酸测序和 由此推定的氨基酸序列显示 编码的蛋白 和拟南芥菜
的 蛋白相似 。 含 个氨基酸残基 , 分子量
,
, 富含 和 ,
不具 、 、 和 。 和 不同的是 在室温条件下不被外源 诱导 。
等对拟南芥菜的另外两种低温诱导蛋白 和 作了研究 〔, 〕 , 发现 是一个
含 个氨基酸的多肤 , 分子量 , 等电点 较小 , 是一个含 个氨基酸的多肤 , 分子量
, 等电点
。 两种多肤有 个氨基酸是相同的 , 个氨基酸相似 , 其中 端和 端区序列高度
相似 , 而在多肤的其余部分差异较大 。 这两种多肤的关系密切 , 但是和其它 已知蛋 白并无相似性 。 它们都
具亲水性 , 缺乏跨膜区 、 端信号肤和其它靶向信号 , 显示这两种蛋白是位于细胞质内
。
包含几个
重复区 , 其中有些也在 中出现 。 在 中重复 次的序列 , 在 中仅出现 次 。 两种蛋白
质的 端包含 个不完全重复序列 一 一 一 一 。 在 一 位和 位间还
具有一个不完全的重复序列 一 卜 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 , 而且它的
端存在两 个经轻度修饰 的 序列 一 印一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 。一 一 一 。
第 期 王艇等 植物低温诱导蛋 白和低温诱导基因的表达调控
一 一 一 一 一 一 。 仅温度下降就可以对细胞的生物化学过程和生理过程 , 其中包括对重要
的酶分子活性和膜的流动性造成影响 , 所以重要的酶分子在低温 , 但非冰冻的温度下 , 要正常行使功能
就需要被保护 拟南芥菜的 蛋白就是在这方面起作用 , 仅有 的存在不足以使植物具耐冻
性 , 但是当植物具耐冻性时则会有 的存在 。
具调节功能的低温诱导蛋白
是水稻的一种低温诱导蛋 白 , 含 个氨基酸 。 它和玉米的 一 蛋白的氨基酸序列具
高度同源性 。 后者是玉米 心名基因增强子结合因子 , 属 家族成员 , 是一个具有碱性区和
亮氨酸拉链基序的 结合蛋白〔,‘
· ’ 〕。 和 一 的 端都存在 个由碱性区和一些亮氨酸
重复组成的 氨基酸片段 。 两种蛋 白的这个片段具 的同源性 。 通过比较 和其它植物
蛋白的氨基酸序列确定 , 是一种新的植物 蛋 白 , 其碱性区和典型的 共通序列接近 , 把重
复的亮氨酸间隔开的疏水氨基酸也很保守 。 的特征是 、
、 、
、 、 环 和 含量高 。 脯氨酸残基簇集在蛋白质的梭基端区域
。
其功能可能是在水稻中调节 由低温连续诱导的基因 。 在原核生物内也曾经发现过冷激蛋白 , 它和
真核生物的 结合蛋白具高度同源性 , 可以和冷激调节元 的成员 — 和 基因
的启动子结合 〔“ 〕。
首楷的冷驯化特异蛋白 , 富含 、 亲水 , 含 个重复了 次的 肤基序 , 属可溶蛋白或外周
蛋 白 。 二级结构主要是 一螺旋 , 约占 , 只有 属伸展的 任折叠 , 属转角或环构型 。 的
梭基端附近存在 个由 或 残基组成的和核靶向信号 序列同源的
二元序列 区 。 推测 是一种定向到核的蛋白 , 在基因调节或维持核的结构与功能方面起作用 , 详细
结论还有待于进一步研究 〔, ’〕。
低温诱导的热激蛋 白
菠菜的一种低温诱导蛋 白属于热激蛋 白 家族的成员 , 而且低温还能诱导其积 累 蛋
白〔, 〕。 低温也能诱导欧洲油菜积累 月 基因的转录物和蛋 白产物 , 而 巨 尸 的表达具组织特异
性 〔 ”〕。 在马铃薯中观察到低温处理可以诱导植物小热激蛋白 , 一 的转录物
积 累 , 具有分子伴侣 。 的功能 〔州 。 蛋 白的功能是在蛋白质的转运 、 折叠
、
装配和
拆卸过程中起作用
。
尽管 蛋 白在低温应答和在热激时表达数量有所不同 , 但是低温诱导其合成
增加 , 说明它可能与通过代谢调节以维持体内平衡或增强耐冻性有关 。 的功能是单独或是和其它
构成复合体 , 参与把低温诱导蛋白运输到质膜 、 核或细胞器中〔, , 〕。 另外 , 低温引起生理变化可能会
导致蛋 白变性 〔 。 像 这样的热激蛋 白也许具稳定功能 , 帮助冷胁迫造成的变性蛋白进行重新折
叠 , 恢复功能 。
低温诱导的激酶调节蛋白
拟南芥菜 和 两种低温诱导 蛋 白具冷驯 化特异性 , 不 被 或水胁迫诱导
。
具 个氨基酸 , 分子量 , 等电点
。 它的 端区是带有负电荷和疏水表面的两亲性
螺旋 , 具蛋白激酶 和 的识别位点 , 以及蛋 白激酶 的“ 伪作用物 ” 结构域 , 此结构
域对蛋白激酶 有抑制作用
。 它还具有一个和亮氨酸拉链相似的包含 个异亮氨酸颗氨酸重复的序列 ,
但是此序列不具前导碱性区 , 这与 家族不同 。 含 个氨基酸 , 分子量 , 等电点
和 一样 , 它也具有一个两亲性 一螺旋 、 蛋 白激酶 和 的识别位点 、激酶 的“ 伪作用物 ”结构
域以及和亮氨酸拉链相似的序列 。 和 有 个氨基酸相同 , 个氨基酸相似 它们和其
它 已知的植物低温诱导蛋白无相似性 , 然而却和色氨酸酪氨酸经化酶激酶依赖性激活蛋 白 又称 一 一
蛋 白 具高度同源性 〔 。 一般认为 一 一 蛋白的功能是作为信号转导及磷酸化过程中的调节因子 〔, 〕
。
低
温诱导 和 蛋 白的积累显示 , 它 们可以在不依赖 的冷应答信号转导途径中起作
用 , 通过影响蛋白激酶来调节与低温应答有关的其它蛋白的磷酸化和脱磷酸化作用 。
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
对 具稳定作用的低温诱导蛋白
根据大麦低温诱导基因的 克隆 户 和 的核昔酸序列 , 以及由最长的开放读框推导
出的氨基酸序列知道 , 它们所编码的蛋 白具有富含精氨酸的碱性结构域 〔 〕。 在 位和 位间包
含 个由 个精氨酸残基组成的片段 , 在 位和 位之间还有另外 个精氨酸 。 在 的氨基酸
序列中富含碱性残基的两个结构域相靠很近 在 位和 位之间含 个被 个丙氨酸分散开的精氨
酸 在 位和 位之间存在 另外 个精氨酸 。 富含精氨酸的序列可以和 相互作用 , 估计
和 基因编码的蛋白是通过这种相互作用方式来稳定特定 。
了 低温诱导的酶蛋白
植物在遇到低温和光强度改变时 , 叶和茎中花色素的积累会增加 。 花色素是通过苯丙酸途径合成
的 。 苯丙氨酸解氨酶 和苯基苯乙烯酮合成酶 是此代谢途径的关键酶 〔川
。
在 年 ,
和 等人就注意到番茄和甘薯 、 在低温应答时 活性升高 〔 ’ 〕。近年来 又发现
欧洲油菜的冷处理过程伴随着 蛋 白积累 , 由低温诱导的玉米花色素的合成和尸 及 的
积累相关 〔
· 。
冷胁迫也能使拟南芥菜叶和茎中花色素水平上升 , 但是低温诱导其 及
的积累是光依赖性的 , 如果是在黑暗中对植株作低温处理则相应的转录物不能积累 。 把 报告基因
置于 尸 的启动子控制之下转化拟南芥菜 , 通过检测转基因植株的基因表达情况了解到 , 光照条件下
低温诱导的 尸 转录物积累是在转录水平上调节的〔川 。
用扣除杂交法从玉米幼苗中分离到 个低温诱导基因 , 其中之一是编码线粒体过氧化氢酶 的基
因 魂 〔 。 此酶是玉米幼苗用以分解 的主要酶 , 在冷驯化过程中 转录物水平和过氧化氢
酶 的活性都会升高 。 幼苗中的线粒体以非常高的活性供给生长 , 它是细胞产生的 的主要来源之
一面 〕。 低温时在线粒体氧化磷酸化过程中起作用的 一 酶的 。 和 俘亚基 , 以及细胞色素氧化酶 的
数量和活性均下降 , 这些变化妨碍了线粒体的正常电子传递 , 导致 的产量更高 。 在冷驯化过程中 ,
的积累可以作为次级信号引发过氧化氢酶 的合成 。
一种富含脯氨酸的低温诱导蛋白
等 年发现了第 个富含脯氨酸的低温诱导蛋白 —首楷的 蛋 白
。 它 由
个氨基酸组成 , 等 电点 , 除被低温诱导外不被水胁迫 、 热激 以及 处理诱导 。 富含
、 、 和 。 结构上它和 种在植物发育过程中起调节作用的蛋白质非
常相似 。 这 种蛋白是胡萝 卜体细胞在体胚发生时表达的 蛋白 , 在番茄的幼果中特异表达的
蛋白 , 在玉米根皮层细胞中特异表达的 蛋 白 , 以及在玉米合子胚中特异表
达的 蛋 白〔 。 这些蛋白都是由信号肤 、 富含脯氨酸的结构域和疏水性结构域 部分组成 , 其中
第 部分在长度上变化较大 第 部分的长度接近 , 而且氨基酸序列也高度保守 , 相同氨基酸 比例可达
到 。 目前正在通过把 蛋白的反义基因导入首楷来研究它在耐冻性形成中的作用
。
低温诱导基因的表达调控
门 拟南芥菜的低温诱导基因
基 因对低温 的应答 无 需 介 导
拟南芥菜的 了, 基因是一个单拷 贝的低温诱导基因 , 经低温处理仅 , 就开始
在叶内积累 , 后达到稳态水平 。 当把经低温处理的植株移回正常生长温度时 , , 了 的量急
剧下降 , 后就不再能检测到 。 另外 , 此基因还可以被外源 和水胁迫诱导 〔 。
然而一些事实表明 , 低温诱导 了, 基因表达并不需要 介导 ①拟南芥菜的 合成缺陷
突变体 一 在低温时所积累的 和野生型类似 ②用 合成抑制剂 盯 处理植
株对 了 的低温诱导没有影响 ③对 不敏感的拟南芥菜突变体 一 同样能被低温诱导 , 而且
, 积累量不变 。 另外还发现 对 一 突变体 基因的诱导作用和对野生型的作
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用没有差别 , 但是它却不能诱导 一 突变体 基因的表达 。 这说明 的低温诱导和
诱导是两条各 自独立的途径 。 一 突变代表着 诱导途径中一个组分发生了变异
。
但是 , 同时用低
温和外源 处理植株并没有累加效应 , 而是和单独用低温处理植株所诱导出的 了, 水平
完全一样 。 这又说明两种应答途径的某些阶段是共有的 , 最终合并为一 。
第 个能诱导 的信号是水胁迫 。 中度或严重缺水都能迅速诱导 转录物的积
累 。 对 不敏感的突变体 一 经水胁迫处理 后也能被诱导 , 但是比野生型的积累量少
。 另外 , 用
抑制剂 盯 处理野生型植株后 , 水胁迫对 的诱导作用也有所下降 。 这些结果
说明水胁迫是通过一个部分独立的途径诱导 基因表达 , 在其中起部分介导作用
。
图 总结了调节拟南芥菜低温诱导基因 表达的信号途径 , 在 一 突变体中 应答被
阻断 。
基 因 的表达调控需要 参与
是拟南芥菜的另一个低温诱导基因 , 编码一个富含甘氨酸的亲水性蛋白 。 和 一样 ,
它除可以被低温诱导外 , 还可以被水胁迫和外源 诱导 。 外源 和干旱处理 比低温的诱导作用更
为迅速 、 明显 而且 浓度决定着 的积累程度 , 在一定范围内 浓度越高
的积累量就越大 , 显示 出 的调控需要有 参与〔川 。 合成缺陷突变体 一 和对
不敏感的 一 突变体的 基因不能被低温和水胁迫诱导 。 加入外源 能对 一 突变
体起到一种补偿作用 , 它能诱导使 一 突变体的 的积累量达到野生型水平 。 但是 , 对
一 突变体外源 仍然无诱导作用 , ’一 突变把 对外源和 内源 的应答过程全部阻
断 。 此外 , 用 合成抑制剂 盯 处理野生型植株也能强烈抑制水胁迫对 的诱导 。
对 基因的调控总结如图 。 低温和干旱都可诱导 由 介导的 基因的表达 , 但在 一
和 一 突变体中诱导被阻断 。 由此可知 , 尽管 和 了, 都属于低温和水胁迫诱导基因 , 但是
它们的表达调控途径却极其不同 。
低温 干旱
沪尸
口七‘下仁三卜、︸一
,
低温 , ·干旱
天月
了
应答
脱水耐性
图 拟南芥菜 基因的诱导途径
之 了’
图 拟南芥莱 基因的调节
,
分析 基因的 ’ 端上游区 , 发现其中存在 个 应答元件
。
这 个元件和许多其
它 应答基因一样 , 具有保守的 核昔酸序列 , 但是它 们是否足以解释 基因对
的应答效应 , 仍有待于进一步研究 。
和 墓因 对低温 的 慢速应答
拟南芥菜的 个低温诱导基因 和 串联排列在基因组的一个 区域内 , 两者很靠
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近 , 而且编码的蛋 白都具亲水性 、 它 们都能被低温 、 脱水
、
高温或外源 处理诱导 , 但诱导方式各
不相同 。
脱水处理诱导 积累是以两步动力学方式进行的 。 首先是在脱水处理 后就开
始的快速诱导期 , 然后是在处理 后开始的第 个诱导期 而 只是在脱水处理 左右才被诱
导 。 但是 个基因用 处理约 后都能刺激它们的表达 。 在脱水处理过程中 , 内源 在脱水
后才开始积累 , 后达到最大值 , 表明 的第 次快速诱导不是由内源 诱导的 。 然而 , 对
不敏感的突变体 一 经脱水处理 后被诱导的 水平 又会下降〔‘ ’ , 。 这两方面
的资料说明 基因应该至少拥有 个顺式作用元件 , 个在和 有关的对脱水处理作出慢速
应答的过程中起作用 , 而 另 个在不需要 参与的快速应答过程中行使功能 。 至 于 基因 , 因
为只存在需要 介导的缓慢应答过程 , 所 以它应该至少具备 个在此过程中起作用的顺式 作用元
月二 。
一 研究了 尺 八 和 尺 召 对胁迫作出应答的分子机制 〔 〕。 他们把这 个基因
的启动子作系列缺失后 , 分别同报告基因融合 , 转化拟南芥菜和烟草 , 。动 。 结果表 明
对胁迫作 出应答所需 的顺式作 用 元 件是 启动子一 到 一 之 间一 个 的序列 而
所需的顺式作用元件是位于 一 到 一 之间的 序列 。 两基因的启动子内存在几个保守
序列和顺式作用元件 , 特别是位于 盒附近的序列是高度保守的 。 启动子的 序列 内
存在 个和 应答元件 相似的序列及 个 序列 的对应区域只
有 个和 相似的序列及 个类激活子 序列 , 这个激活子是在根专一性表达中起作用
。 另外 ,
尽管 的 序列是其脱水应答必需的 , 但是 的对应序列却和脱水应答无关 。 两基因
的另一 差异是位于 启动子内一 到 一 之 间的脱水应答必需序列 内含 个 的同向重
复序列 , 但 的启动子不具此重复序列 。
位于 一 到 一 间的 片段除了具有 匕述 个同向重复序列外 , 不再含其它
顺式作用元件 。 当把 基因缺失至 一 位的片段和 基因融合后转化烟草和拟南芥菜时 , 转
化植株的 活性不被水胁迫诱导 。 但是当把此 片段和 一 一 片段融合后转
化植物时 , 所得到的转化植物就可以被水胁迫明显诱导 , 而且 片段的正向和反向连接不影响诱
导水平 把此融合基因中 的启动子换作一 的启动子和 一 启动子可 以得到 同
冷 厂咒
次级信使
上 上
尺 州
,
一 一一一一 画逗卜一 一图 拟南芥菜 基因的诱导及其胁迫应答过程中
的顺式作用元件
‘ 门 、 , ,
一
一
样结果 。 进一步对 的 片段作 系列缺
失 , 发现其中至少存在 个拷 贝的 同向重复
序列是脱水诱导基因表达必需的 。 通过分析碱基取
代的突变效应知道 , 位于 同向重复中央的
序列 , 现命名为同向重复 或 ,
是脱水诱导 表达过程中起调节作用的元件 ,
它 的缺失直接造成 对水胁迫不应答 。
不仅在基因的脱水应答中起作用 , 而且也在基因对
高盐及低温应答中起作用 , 但是它对 的诱导却
没有反应 。 在行使功能时不需要其它元件参与 ,
这点和以往发现的在由信号诱导的基因表达 中起调
控作用的其它顺式作用元件 如 一 、 、 苯基苯
乙烯酮合成酶盒 及 盒 不同 〔 一侧 。
经凝胶阻滞分析 , 已鉴定出和 特异结合的
结合因
一 仁 。 是一 种核 因子 , 在细胞核 内恒定存在并与 结合 , 只是在遇到胁
迫信号时才参与刺激 的转录 。
第 期 王艇等 植物低温诱导蛋白和低温诱导基因的表达调控
图 是脱水 、 低温或高盐这些胁迫信号诱导 天 。 、 基因表达的信号转导途径的模式图 。
总结起来 , 的启动子至少包含 个在脱水 、 高盐或低温应答中起作用的顺式作用元件
。
其中
负责对环境信号作出第 次快速应答 其它元件 包括 个 和 个 位于一 到 一 这个
区域内 , 负责第 次慢速应答 , 在其中起介导作用 。 基因只对胁迫信号作慢速应答 ,
在其中起介导作用
。 基因只对胁迫信号作慢速应答 , 而且应答过程由 部分参与 , 其一
启动子区是表达必需的 , 内含 个 和 个 识别序列 , 此区域对应于 的 区
域
。
上述模型说明在脱水 、 高盐或低温条件下 , 和 基因可以借助不同的顺式作用元件实
现不同的表达方式 。
口 基 因的 重 复具低温 应答 功能
拟南芥菜的 。 基因编码 个分子量为 , 是能被低温 、 和干旱诱导的位于 叶绿体
内的蛋 白 。 此基因在转录水平上调控 , 具有 个冷诱导型启动子 。 把 。尺 的 ’ 区和 口 基因融合
后转化拟南芥菜发现低温可以诱导 转录物在转化植株内积 累 。 在正常生长温度下 , 。 启动
子在多数组织和器官不具活性 , 遇到低温才能把它激活
。
但是也有两个例外 , 一是即使在正常温度下这
个启动子在花药内也表现出很高活性 二是它在经低温处理的植物根和子房内始终不具活性 。 该现象的
分子基础现在还缺乏深入了解 。 一种可能性是 由低温调节的顺式作用元件 , 需要和具组织专
一性的增强子协 同作用才能行使功能 , 而在某些植物组织 内缺乏这 样 的增强子
。
另一种可能性是
〔〕 的低温调控元件在行使功能时并不需要增强子参与 , 但是 由于某些组织的低温信号转导途径
缺失 一种或几种因子 , 造成这类元件不起作用 。
通过对 的启动子作系列缺失发现 , 其 ’ 区 一 至 间的核昔酸序列是对低温
、
和干旱应答所必需的 。 这些环境信号可能是借助共同的顺式作用元件来调节 的表达 〔 〕。
口 的一 到 区域 内有 个基序 。 首先是位于 一 处的 重复 一
。 此基序应特别注意 , 它在 口 , , 和 这些低温诱导基因的 ’ 区中普遍存
在 在低温诱导基因 的 ’ 区重复 次的基序 也和 重复基本相同 , 它 们共有
序列 。 此外 , 融合基因一 一 能被低温诱导 , 而一 口 一 之 基因不
被诱导 , 也说明 重复的确具低温诱导功能 。 其次是位于 一 处的 个 盒核心元件 , 及位
于一 处的 盒相关序列 盒元件是一个顺式作用序列家族 , 它们在 由光 、 和干旱等
各种因素诱导的基因表达中起调控作用
。 最后是在一 处还存在 个 应答元件
。
对 低温 调节 口尺 基 因表达 的信号转 导途径 目前还 知之 甚 少 , 只是 初 步 了解到 低 温 诱 导
表达时 , 没有合成能传输到植物体各处的调节分子 。
大麦的低温诱导基因
, 基 因 家族存在对低温作 出应答 的 “ 微调 ”机制
利用 由低温
‘
处理的大麦分生组织构建的 文库 , 用示差筛选法 , 获得了 一 些低温诱
导基因
。
它们分别编码一些低分子量的蛋 白 , 对低温和干旱均能作出应答 , 似乎属于同一个基因家
族 。
大麦这些 基因的调控方式不尽相同 , 它们对温度和其它胁迫的应答各具特点〔‘ 〕。 当大麦长出
个叶 片时 , 植 株经低温
‘
处理两 周后 , 个 了吸 基 因 、 、 、
、
了’ 、 了’ 、 , ’ 、 、 了’ 的稳态 水平全部升高 。 其中 了
’ 、 了
’ 、
和 这 个基因在低温时高水平转录 , 而在对照温度 ℃ 条件下水平非常低 ,
它们对低温的应答是在转录水平上调节的
。 、 在对照温度下转录水平就较高 , 但是低温仍
能使其转录水平明显提高 , 低温对这 个基因也是在转录水平上调节的 。 了
’
和 在低温和
对照温度下转录水平都很低 , 在低温时转录水平反而下降 , 但是低温都能使它们的转录物达到
高稳态积累水平 。 说明低温可以对这 个基因的转录物具稳定作用 , 它 们属于转录后调节
。
武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
对 个转录调节基因 了
’
和 及 个转录后调节基因 进一步作表达研究发现 ,
这 个基 因对温度应答 的时 间过 程差 异 明显 , 在对照温度下 和 检测 不到表达 , 而
有低的本底表达 。 当移至低温时 , 和
’ 的转录物比 的先出现 , 后三者
的稳态转录物都接近最大值
。
移回对照温度时三者转录物水平均下降 , 其中 的下降最快 , 后
几乎完全消失 然而 , 后尽管 和 转录物的稳态水平也有所下降 , 但是仍然维持在相
对较高的水平 。 在零下温度时转录水平没有明显增高 , 但在 ℃到 ℃之 间时转录水平开始
升高 。 和 的转录水平只从 ℃才开始升高 , 而且它们在 ℃到 一 ℃之间转录水平的升
高方式几乎完全相同
。
这 个基因中没有 个基因随温度的变化是和大麦耐冻性的改变完全一致的
。 它
们的不同应答方式代表着基因对低温作出应答的一种“ 微调 ” 一 机制 。
和 基 因的 高水平表达需要调 节元件共 同参与
大麦 基因的表达具组织特异性 , 在发育的种子内它可被暂时调节 , 使其 在糊粉层和
胚中积累 , 但在胚乳中不出现 。 这个基因能被低温 、 热激和高盐诱导 , 和干早也能对处于一定发育
阶段的营养组织和特定器官中的 起调节作用
。
低温对 的诱导效应可以逆转 , 当经冷胁迫
处理的植株移回室温 后 , 其转录物完全消失 〔 。
是一个单拷贝基因 , 具完整的编码序列 , 内含 个 的内含子把编码区分成 个外显
子
。
第 个外显子编码 个氨基酸 , 第 个外显子编码 个氨基酸 。 ’上游区长度 , 在 一
、
一 和 一 位分别存在 个具 核心序列的推定 应答元件 、 和
另外在 一 位还存在 个 盒 。 在 ’ 端非翻译 区 的 位有 个类似共通多聚 信号的序列
。 采用接头分区诱变和瞬时表达技术研究 启动子内 个保守元件的功能 , 发现 盒和
突变对 诱导和转录水平的改变几乎没有影响 然而 盒和 或 突变却可以使
转录水平下降到 只有野生型启动子的 , 说明 基因的高水平表达需要后两者参与 。 值
得注意的是 , 尽管启动子的突变会使表达水平降低 , 但是突变后的启动子在 应答时仍能使表达提
高 倍 。 因此 , 在 对 的应答过程中 , 基因的绝对表达水平是 由 和 一起组成的复
合体控制的 , 而且这 个元件中的任何 个或者还可能存在第 个元件 , 对 的诱导过程都具调节
作用 。 大麦的另 个低温诱导基因 月 也有 、 和 三个元件 , 前两者位于
启动子区域 内 , 后者位于第 内含子 内 。 只要 或 的序列之一发生突变 , 就导致 在
应答时的表达降低 , 然而突变的启动子仍能对 处理作出低水平应答 。 但是如果 和
两者都发生突变 , 则 对 启动子的诱导彻底消失 〔
·
栩 。
对 应答元件 这个概念 , 目前还存有不少争论 。 等曾经提出 , 许多对 不
敏感基因的启动子也具有和 类似的序列 〔绷
。 而像 的 这样的元件 , 即使具有高度
保守的 核心序列 , 也不一定就对 作出应答
。
所以估计还有其它旁侧序列在 应答中起
作用 。 它们还负责把 应答和其它 由发育或环境信号引起的应答区分开 , 因为与后 种应答相关的
盒元件也具有 核心序列 。 制备了一系列含 核心区的寡核昔酸 , 其中系统地取
代 序列的旁侧核昔酸 检测这些寡核昔酸和核结合蛋白的亲和度后发现 , 核心区的旁侧
核昔酸决定着它和特定类型核结合蛋白的亲和性与结合强度〔‘幻 。 所以 的旁侧序列可能在决定其
特定功能方面 , 的确具重要作用 。 这是一个值得深入探索的方向 。
第 期 王艇等 植物低温诱导蛋 白和低温诱导基因的表达调控
参 考 文 献
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武 汉 植 物 学 研 究 第 卷
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