1、植物逆境應答轉錄因子DREB的研究進展 趙爽吉林師范大學 生命科學學院 四平 136000 指導教師：金太成摘要：DREB轉錄因子即干旱應答元件結合蛋白質,能特異結合DRE/ CRT 順式作用元件，可以以非ABA 依賴的滲透脅迫信號的傳遞途徑調控大量逆境相關基因，在增強植物抗逆性中扮演重要角色。在本文中，我們總結了DREB結構特征和表達調控，對于DREB植物耐非生物脅迫也作了簡單介紹。關鍵詞：逆境應答基因 ；DREB轉錄因子 ；植物抗逆性Research advance on plant stress responsive DREB transcription factors.Zhao Shu

2、angCollege of science, Jilin Normal University, Siping 136000, chinaInstructor:JIN Tai-chengAbstract：DREB transcription factors, specifically interacting with the dehydration-responsive element / C-repeat(DRE/CRT) cis-acting element, play an important role in plant tolerance to abiotic stress by con

3、trolling the expression of its downstream genes in an ABA-independent pathway. In this paper, we summarized the structural and expressional characteristics of DREB. Moreover, the application of DREB in plant tolerance to abiotic stresses were also briefly introduced.Keywords：Stress responsive gene D

4、REB transcription factor plant tolerance to abiotic stress干旱、低溫和土壤鹽漬化一直是制約農作物生長發育和增產增收的主要逆境因子,又稱非生物脅迫因子。干旱可導致植物細胞失水,造成細胞膨壓完全喪失,，嚴重者甚至導致植物死亡。零下低溫使植物細胞間隙結冰，細胞內水分不斷向胞間移動，造成細胞脫水，細胞質濃縮，同時產生冰晶機械壓力，結果使植物失綠透明；融冰后出現水漬狀傷害，組織壞死。低溫也破壞了植物的正常代謝，減低了細胞間水分和有機物質的運輸以及根系的透水性，因而使植物萎蔫和壞死。高濃度鹽分特別是當葉片中鹽分因蒸騰而濃縮時，會對細胞產生傷害。堿性

5、鹽主要是鎂、鈣、鈉的碳酸鹽，對根系有腐蝕作用。鈉離子過多會降低鈣、鎂的可給程度。因此，人們通過探討植物在各種不良環境條件下的抗逆機理，就可以采取相應措施去減少逆境對植物的損害等。這些對于提高經濟作物的產量具有重要意義。一直以來,有許多科研工作者都致力于植物遺傳育種改良的工作,目的是培育出抗逆性強的作物和植物品種來普遍提高和改善植物對逆境的抵抗和忍耐能力。然而,改善植物的抗逆性,單從傳統的遺傳育種已難以滿足現實的優良抗逆品種的開發現狀,因此隨著分子生物學技術的發展以及一些植物遺傳轉化技術的建立,利用轉基因生物技術得到抗逆性強的植物來改進植物抗逆性,已成為一條捷徑2，3。 近年來,科研工作者分離鑒

6、定的DREB(dehydration resistance element binding protein) 類轉錄因子是一類與抗逆相關的基因。它是AP2/EREBP 轉錄因子家族中的成員。DREB轉錄因子能夠特異地識別DRE（干旱應答元件）順式作用元件并與之發生作用，從而激活植物體內一系列逆境應答基因的表達。1 AP2/ EREBP轉錄因子家族與.DREB 轉錄因子結構特征1.1 AP2/ EREBP 轉錄因子家族轉錄因子是一種具有特殊結構、行使調控基因表達功能的蛋白質分子，也稱為反式作用因子。它是轉錄起始過程中RNA聚合酶所需的輔助因子。真核生物基因在無轉錄因子時處于不表達狀態，RNA聚合

7、酶自身無法啟動基因轉錄，只有當轉錄因子(蛋白質)結合在其識別的DNA序列上后，基因才開始表達。研究還表明植物的抗逆性轉錄因子偏向在根部表達,或在根部表達的轉錄因子往往是與抗逆性有關的4 。在擬南芥中，3個最大的轉錄因子家族是AP2/EREBP,Myb-(R1)R2R3和BHLH家族，每種大約占總轉錄因子數的9%。 擬南芥基因組編碼至少1 533種轉錄因子，大約占其總基因數的5.9%5。植物中存在的轉錄因子中，有相當一部分與抗逆性有關，例如：DREB。有些轉錄因子能被幾種脅迫誘導，例如：ABA、高滲、低溫、衰老都可以誘導AtMyb2轉錄因子。50%以上的一致或預測再根部特異性表達的轉錄因子都能由

8、這樣或那樣的脅迫所誘導。此轉錄因子家族為植物所特有，至少有144個成員。可以根據AP2/EREBP域的數目將其分為兩類：一、含兩個AP2/EREBP域，包括AP2、AINTEGUME、NTA和Glossy15；二、含一個AP2/EREBP域，包括EREBPS、TINY、DREBs、AtEBP。DREB 轉錄因子屬于AP2/ EREBP 轉錄因子家族。 A P2/EREBP等這些轉錄因子主要參與植物的細胞周期、生長發育以及生物和非生物脅迫相關的基因的表達調控，它們都含有非常保守的DNA結合區，即AP2/EREBP結構域，有60個左右的氨基酸殘基組成，起核定位信號的作用。Reichmann等人分析

9、了A. thaliana荃因組全序列，發現有144個AP2/EREBP型轉錄因子，并根據含DNA結合區的數目分為三個亞族: RAV亞族，有2個不同的DNA結合結構域，AP2/EREBP結構域和B3結構域，共有6個成員; EREBP亞族，僅含1個AP2/EREBP結構域，共有124個成員，主要參與調控植物對激素(乙烯)、病原、干早、高鹽和低溫等脅迫應答反應以及AP2(APETALA2)亞族，有2個AP2/EREBP結構域，共有14個成員，主要參與調節細胞的生長發育。Sakuma等人分析At liana基因組全序列，發現有145個AP2/EREBP型轉錄因子，并進一步將其分為5個亞族:AP2亞族，

10、RAV亞族，DREB亞族，ERF亞族和AL079349。蛋白 質 三 維分析表明，AP2/EREBP結構域含有3個一折疊，對識別順式作用元件起關鍵作用。其中位于第二個一折疊中的第14和19位的兩個氨基酸殘基決定了轉錄因子結合的特異性。AP2/ EREBP 家族轉錄因子的結構如圖1 所示。圖1 AP2/ EREBP 轉錄因子結構示意Figure 1 AP2 / EREBP transcription factors indicate1.2 DREB因子的結構特征DREB 轉錄因子含有一個保守的AP2/EREBP 結構域、酸性轉錄激活區和堿性核定位信號區。它一般由核定位信號區、DNA 結合區、寡聚

11、化位點及轉錄調控區4 個功能區域組成。DREB 屬于AP2/ EREBP 轉錄因子家族。其中 ，AP2PEREBP 結構域是由大約60個氨基酸殘基組成的高度保守區6，7。AP2/ EREBP 結構域由60 個左右的保守氨基酸殘基組成,位于第14 位的纈氨酸和第19 位的谷氨酸對轉錄因子與順式元件的結合至關重要(圖2) 8 。圖2DREB蛋白AP2/ EREBP 結構域的氨基酸序列比對分析Figure 2Amino acid sequence alignment of conserved AP2/ EREBP domain of DREB proteinsAP2/ EREBP 轉錄因子家族典型特

12、征是DNA 結合區均為由5770 個氨基酸殘基組成的AP2/ EREBP 保守結構域。Liu 等9利用One-Hybrid System從擬南芥中分離到5個AP2/EREBP類轉錄因子基因，分別屬于兩個亞族。分別命名為DREB1、DREB1B、DREB1C、和DREB2A、DREB2B。2 DREB轉錄因子DREB在應用方面研究進展2.1DREB 轉錄因子在植物抗逆中的作用擬南芥DR EB1/ CB F 基因能夠誘導靶基因的表達,從而提高轉基因煙草和蕓薹植物對低溫、干旱和氧脅迫的耐性10 。在擬南芥中過表達OsDR EB1A 基因,提高了轉基因植物對高鹽和低溫的耐性11 。玉米DR EB1 類

13、基因ZmDR EB1A 參與調控低溫應答基因的表達,提高了擬南芥對干旱和低溫脅迫的耐性12 。Xue等13,14 從大麥中分離到兩個CBF/ DREBl 類轉錄因子,分別命名為HvCBFl 和HvCBF2 ,它們的表達均特異性地受到低溫的誘導,并均具有反式激活能力。Xue等15 在2004 年報道從大麥中克隆到另一與DRE結合的轉錄因子,命名為HvDRFl ,他們發現該基因的表達受干旱、高鹽脅迫和外源ABA 的誘導,并且在胚中和籽粒成熟時期表達量升高。2.2rd29A因子DREB轉錄因子自被發現以來，很受人們的關注。有很多的科研工作者通過進一步的研究，逐步的發現了更多的與植物抗性有關的轉錄基因

14、。如圖表1。有人將DREB2A及DREB2A CA的cDNA序列置于35S啟動子轉入到擬南芥中，發現了在非脅迫條件下DREB2A CA轉基因植株中基因的表達量明顯高于DREB2A轉基因植株，但是前者的轉基因植株都出現了矮化的現象。使用了rd29A啟動子以后，植株的矮化現象便會消除。有的基因在低溫或干早誘導下的表達需要ABA基因，有的基因就不需要ABA基因。比如說擬南芥的水分脅迫基因rd29B,就是一個依賴于ABA表達的基因。干早誘導型基因rd29A16在逆境下的表達式不需要ABA的參與的。Rd29A啟動子區的序列為TACCGACAT。，在rd29A 基因的啟動子區域含有2個20bp的正向重復序

15、列。核心序列為CCGA。表1 功能已被鑒定的DREB基因Table1: Functiom of DREB genes have been identified2.3 DREB 轉錄因子應用前景的展望DREB 轉錄因子是一類與應答植物干旱、高鹽和低溫逆境脅迫相關的轉錄因子,參與植物非ABA 依賴的滲透脅迫信號的傳遞途徑。雖然對的研究己經取得了不少進展, 對轉錄因子在逆境中的表達方式和調控機制有了一定程度的了解, 但依然存在許多問題有待進一步研究。目前有關DREB 類抗逆境轉錄因子的功能及轉錄調控的研究大部分來自擬南芥,但有很多的問題有待人們去開發，去研究，去解決。比如說, 對于上游調控基因的研究

16、還有待加強。再比如: DREB 類轉錄因子基因家族的成員是否和相同的順式元件結合或控制相同基因的表達等。我們中國是世界上人口最多的國家，從長期的和戰略的角度看，確保我國的糧食產量，保證我國糧食安全的根本出路在于不斷推進農業的科技進步。站在全人類的角度，世界人口也在的迅速增長。還有，由于氣候、土壤等多種條件的限制，很多地區都無法大規模種植糧食作物；同時，自然災害如突發性低溫天氣等也使糧食產量遭到巨大損失。比如說現在我國的云南省昆明市，全市受旱作物面積達84.7千公頃，已造成49萬余人、24萬余頭大牲畜飲水困難，庫塘蓄水與去年同期相比少蓄3.6億立方米。未來旱情發展范圍和程度將進一步加深，將對農業

17、生產小春作物生產和春耕春播用水產生嚴重影響，抗旱形勢十分嚴峻。 因此，提高植物的抗逆性對于培育抗逆作物新品種，提高作物產量具有重要的意義17。 參考文獻 1 Bray E A. Plant responses to water deficit J. Trends Plant Sci,1997,2:48-54.2 Holmberg N, Bulow L. Improving stresses tolerance in plants by gene transfer J.Trends Plant science,1998, (3):61-66.3Liu Q, Zhao N M, Yamaguchi

18、 - Shinozaki K, et al. Regulatory role of DREB transcription factors in plant drought salt and cold -toleranceJ .Science Bulletin , 2000,45(11):970-975.4 孫京燕,張寒霜,趙俊麗,等.DREB 轉錄因子及其在我國大豆轉基因方面的應用C .中國棉花學會2006 年年會暨第七次代表大會論文匯編,2006:86-87.5Reichmann JL, Heard J, Martin G et al. Arabidopsis transcriptional

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21、 drought-and low-temperature-responsive gene expression, respectively,in ArabidopsisJ . Plant Cell , 1998 , 10 : 1391-14069Liu Q, Kasuga M,Sakuma Y,et al.Two transcription factors,DREB1 and DREB2,with an EREBP/AP2 DNA-binding domain separate two cellular signal transduction pathways in drought - and

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