植物干旱胁迫相关调控基因研究进展

王 霞 ，吴 霞 ，马燕斌 ，马 亮 ，李贵全 ，李燕娥

（1.运城学院生命科学系，山西运城044000；2.山西省农业科学院棉花研究所，山西运城044000；3.山西农业大学农学院，山西太谷030801）

在植物的整个生长发育过程中，不可避免地经受着干旱、盐渍、低温等各种非生物逆境的胁迫[1]。其中，干旱是最为普遍的逆境因子之一，干旱严重时往往会导致植物生理性脱水，进而影响植物代谢、光合作用等过程。对人类而言，干旱引起作物减产的影响是最为严重的。如何通过科学手段认识和了解植物的耐旱性及如何提高植物的耐旱性成为一项重要的科研目标。

迄今为止，随着科研手段的不断改进，已对植物与干旱之间的关系进行了从宏观表型到微观细胞基因的各项研究。近年来，随着现代分子生物学与生物技术的快速发展，科研人员已经能够从整个基因表达的水平上了解植物与干旱之间的关系，并且许多与干旱胁迫相关的不同功能基因已被证实。

本文主要概述了干旱胁迫时植物的调控性相关基因的研究进展，以期有助于进一步评价该类耐旱相关调控基因的利用前景。

1 植物耐旱胁迫中相关基因概述

植物应答干旱胁迫的发育过程受基因的精确表达所调控。根据耐旱相关基因功能不同，可以分为2类[2]：第1类是直接作用的功能基因。该类基因编码产物在植物干旱胁迫过程中直接起保护作用，包括具有抗氧化作用的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶等，能够合成渗透调节物质的甜菜碱脱氢酶基因、编码催化甜菜碱合成的单加氧酶（CMO）等关键酶，以及保护生物大分子及细胞膜结构的蛋白质（如LEA等发育后期富集蛋白）。第2类为间接作用的调节基因。该类基因编码产物通过调节别的基因表达应答干旱胁迫，主要包括MYC/MYB，脱水反应结合蛋白（DREB）类转录因子，感应和转导胁迫信号的蛋白激酶（如MAP激酶等）以及与第2信使生成有关的酶类（如磷脂酶等）[3]。这2类基因通过复杂而有序的方式共同应答植物干旱胁迫，为保证植物正常的生长发育发挥重要作用。

2 耐旱相关调节基因及其分类

耐旱相关调节基因主要为转录因子（Transcription factor），它们编码一类结构特征明显、能调控其他基因表达的蛋白质分子。植物中的转录因子包括非特异性转录因子和特异性转录因子，其中，前者能够非选择性地调控基因的转录表达，而后者能够选择性调控某类或某些基因的转录表达。根据它们与DNA转录结合的蛋白结构域的不同特点，划分为MYB/MYC，Zinc-finger，bZIP，DREB，MAPK等不同类型的转录因子[4-5]。

2.1 MYB/MYC类转录因子及其结构特征

植物中MYB蛋白中含有1～3个串联的、不完全重复的MYB结构域（R1，R2和R3），有51～52个氨基酸MYB结构域肽段，可简单分成3个亚类，即R1-MYB，R2R3-MYB和R1R2R3-MYB，每个MYB结构域折叠成螺旋-转角-螺旋（HTH）的形式参与与DNA大沟的结合[6]。另外，其显著特征是每隔约18个氨基酸被一保守色氨酸残基所间隔，而这一色氨酸残基与其空间结构中疏水核心的形成密切相关，且其前后都存在一些高度保守的氨基酸。

目前，MYB类转录因子在植物耐旱反应中的作用已被不断证实。有研究发现，甘蔗的ScMYBAS1、菊花的CmMYB2在抗旱性和耐盐性的诱导反应中都可以起重要作用[7-8]。棉花中GbMYB5基因的表达具有组织特异性，而且重金属、PEG、脱落酸、赤霉素等外部条件的刺激都可以增强GbMYB5基因的表达[4]。

2.2 bZIP类转录因子及其结构特征

bZIP结构域的蛋白在所有的真核生物中都存在，是转录因子中较大的基因家族之一[9]。有研究表明，bZIP类转录因子在细胞中主要定位于细胞核中，如小麦的TabZIP1转录因子就被定位于细胞核中[10]。

另外，在bZIP类转录因子中，可根据碱性结构域及其他保守的结构域进行不同亚家族的分类，拟南芥中的75个基因家族成员以及大豆基因组中分离的131个GmbZIP类转录因子均可分为 A，B，C，D，E，F，G，H，I，S这 10 个亚家族[11-12]，这些不同家族成员可行使不同功能。其中，A亚族bZIP成员主要在种子、植物组织的胁迫信号调控中发挥重要作用；C亚族在种子发育和逆境胁迫中期发挥作用；D亚族基因参与防御病害和生理生长2种不同进程；E亚族与I亚族有相似的亮氨酸拉链结构，能起到调控基因表达的作用；G亚族在光信号转导和种子成熟过程中起作用，拟南芥中的GBF3，CPRF1和CPRF4a具有光调控表达功能；H亚族只有HY5和HYH这2个成员，调控光合作用，参与光形态发生和光信号转导；I亚族可能在维管的发育中起到重要作用；S亚族是拟南芥中最大的一个bZIP亚族，参与逆境胁迫和糖类信号代谢，但B亚族和F亚族报道较少。

此外，通过对bZIP转录因子的研究表明，将玉米ZmbZIP72转到拟南芥中表达，可增强转基因拟南芥的抗旱性和耐盐性[13]。将辣椒的CAbZIP1基因转入拟南芥，能够提高其抗旱性和耐盐性。而在转基因拟南芥过量表达CAbZIP1基因时，植株表现矮化，推测该基因参与植物生长过程并起负调控作用[14]。

2.3 DREB类转录因子及其结构特征

DREB转录因子即干旱应答元件结合蛋白质，能与DRE/CRT顺式作用元件结合，并激活下游基因的转录，使基因产物积累，进而调节植物体内各种生理生化反应[15-16]。这类转录因子具有典型的结构特征：N末端富含碱性氨基酸，为核定位信号区；C末端富含酸性氨基酸，为转录激活区；中间为58个氨基酸组成的AP2/EREBP结构域，其中，位于第2个β-折叠中的第14位缬氨酸（V）和第19位谷氨酸（E）对DREB转录因子与DRE顺式作用元件的特异性结合起关键作用。目前，编码DREB转录因子的基因从多种植物中被不断克隆和研究。其中，构树的BpDREB1，BpDREB2基因均能被盐胁迫所诱导[17]；而盐、低温、干旱及ABA也能诱导银中杨PaDREB基因的表达[18]。

2.4 蛋白激酶类

MAPK是一类存在于各种真核生物体中的Ser/Thr蛋白激酶，干旱、盐害以及极端温度等均能诱导和激活MAPK信号途径。MAPK信号途径包括 MAP3K，MAP2K和MAPK这3类蛋白激酶，通过依次磷酸化将上游信号传递至下游应答分子，并在多种不同的信号转导途径中充当一种共同的信号转导成分发挥作用。有研究表明，低温胁迫可诱导油菜中BnMPK6基因的表达[19]，水分胁迫会导致玉米叶片细胞产生氧化损伤，而MAPK对其抗氧化损伤起一定的正调控作用[20]。拟南芥MPK3，MPK4，MPK6转化酿酒酵母hog1Δ突变体时，均恢复了hog1Δ对盐胁迫的抗性及渗透调节作用[21]。此外，小麦、水稻和拟南芥大部分的MAPK基因家族都表现出组织特异性，在愈伤、叶子、花中的含量逐渐降低[22]。

CDPK是一种类钙调素结构域的蛋白激酶，是植物中研究较多、了解较为清楚的一类蛋白激酶，与细胞Ca2+信号传递关系密切。CDPK的氨基酸序列具有3个功能区，N端由200多个氨基酸残基组成，包含典型的Ser/Thr蛋白激酶保守序列的催化区；中间是由富含碱性氨基酸的20～30个氨基酸组成，是功能区中最为保守的连接区；C端为调控区，共有4个与Ca2+结合的EF手型结构，为CDPK所特有的区域。已有研究表明，CDPK与植物的胁迫反应关系密切，牧草短芒大麦HbCDPK基因参与低温胁迫信号转导，具有提高植物抗寒性的潜能[23]；番茄LeCPK2在热胁迫应答中发挥重要作用[24]；另外，有报道对11个烟草属CDPK基因进行系统进化树分析，把它们归为4个亚家族[25]。

此外，一些与第2信使生成有关的酶类与植物耐逆反应等也密切相关。磷脂酶是一类在生物体内可以水解甘油磷脂的酶，可分为磷脂酶A1（PLA1）、磷脂酶 A2（PLA2）、磷脂酶 B（PLB）、磷脂酶 C（PLC）和磷脂酶 D（PLD）5类。其中，PLD广泛存在于植物的根、茎、叶等各种组织中，参与耐旱等胁迫的信号转导，可提高植物对干旱等不良环境的抵御能力。目前，磷脂酶相关研究表明，PLDβ基因介导低温信号转导，参与脯氨酸和过氧化氢酶（CAT）活性的调控[26]。橡胶 HbPLDα1 基因的表达可被ABA等激素信号以及干旱等环境因子调解，可在对激素和环境信号的响应过程中发挥重要作用[27]。

3 结语

随着现代生物技术的发展，当逆境发生时，植物如何感受逆境信号、传导逆境刺激、激活一系列分子途径并调控相关基因表达和生理反应以适应逆境已成为研究热点。

人们通过各种方法鉴定和定位了很多与抗旱相关的基因，有的甚至获得了这些抗旱基因的转基因植株[28-29]。但是植物抗旱性的提高不是靠单个基因的转移就能实现的，因为单个基因只能提高部分抗性。要从根本上提高作物的抗旱性，就要从不同层次、系统地对抗旱机制进行深入的研究，以找出更多的抗旱基因。另外，植物的抗逆反应不但涉及到众多的基因，同时还是受多途径调控的复杂过程。所以，今后应该加强植物特异和交叉共有的信号传导途径的研究，为作物的改良奠定良好的基础。

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