DREB转录因子提高植物抗非生物胁迫的研究新进展

李春瑶，何龙飞，王爱勤

(广西大学农学院，广西南宁 530005)

DREB转录因子提高植物抗非生物胁迫的研究新进展

李春瑶，何龙飞，王爱勤*

(广西大学农学院，广西南宁 530005)

摘要DREB是植物生长调节过程中重要的转录因子之一，在调控与逆境相关基因的表达、提高植物对逆境胁迫适应性中发挥重要作用。综述了DREB转录因子的结构特点，以及近年来该基因在抵御干旱、低温、高盐等非生物胁迫中作用的研究进展，指出今后应加强DREB调控下游基因及其网络的研究。

关键词DREB转绿因子；非生物胁迫；抗性

植物在自然界中生长，会受到诸多不良因素的影响，如干旱、高温、低温、盐胁迫和病虫害等，这些自然灾害是导致农作物减产的重要因素。因此，通过植物本身的抗逆机制来提高作物对逆境胁迫的耐受性，对可持续农业生产具有重要的意义。由于植物的生长周期长、植株抗性提高的幅度有限，因此，传统的育种方法已无法满足现代农业生产的需要[1]。随着基因工程技术手段的不断发展完善，通过基因工程手段，提高植物本身的抗性显得越来越重要。

提高植物抗性基因工程主要采用的外源基因可分为两类：一类是编码直接参与抗逆性反应的蛋白质，如抗冻蛋白等；另一类则是编码参与信号传递途径和基因表达调控过程的转录因子。转录因子因其可调节数量众多的与逆境相关基因而成为抗逆基因工程中常用且有效的基因。目前已发现了多种与非生物胁迫相关的顺式作用元件及转录因子，这些转录因子基因又可以进一步划分为多个亚家族, 如AP2/EREBP、MYB、NAC、MYK和ERF等。在植物逆境胁迫反应中，转录因子DREB起着重要的作用，可以同时调控与植物生长发育、细胞周期及应答干旱、低温、高盐等逆境胁迫基因的表达，调节抗逆的生理生化反应，从而使植物农艺性状得到综合改良。

1DREB基因的结构与功能

DREB(dehydrationresponsiveelermentbindingprotein)是植物中重要的转录因子，它是一个干旱应答元件结合蛋白。DREB转录因子一般分为4个独立功能区域：DNA结合域(DNAbindingdomain)、核定位信号区(nuclearlocalizationsignal)、转录调节区(transcriptionregulationdomain)及寡聚化区(oligomerizationdomain)，通过这些功能区域作用于启动子元件或与其他转录因子的功能区域相互结合，从而实现对抗逆基因的表达调控。

DREB转录因子含有一个保守的AP2/EREBP结构域(APETALA2 /ethyleneresponsiveelementbindingprotein，APETALA2 /乙烯应答元件结合蛋白)，为由57～70个氨基酸残基组成的DNA结合区。因含AP2 保守结构域数目的不同，分为AP2 亚家族和EREBP亚家族。AP2 亚家族含有 2 个AP2 结合域，主要参与调控细胞的生长发育。EREBP亚家族仅含有 1 个AP2 结合域，主要调节植物对激素(乙烯)、病原、逆境(干旱、低温、高盐等)等的应答[2]。DREB转录因子属于EREBP亚家族，能特异性地结合DRE元件(5′-TACCGACAT-3′，dehydrationresponsiveelement，脱水响应元件)或具有DRE元件核心序列CCGAC的元件，进而调控逆境诱导基因的表达。

2DREB类转录因子在非生物胁迫中的作用

自Stockinger等[3]和Liu等[4]首次从拟南芥cDNA文库中分离到编码DREB蛋白的CBF1、DREB1A和DREB2A基因以来，已从拟南芥、水稻、大豆、小麦、大麦、棉花、玉米、番茄、杨树等植物中克隆到大量的DREB类基因，NCBI上检索到已克隆DREB基因的mRNA序列有441条。

近年来研究发现，在逆境胁迫诱导下，DREB转录因子其表达量在短时间内迅速增加，并能够与DRE/CRT顺式作用元件特异结合，在转录水平上调控一系列与干旱、低温、高盐等抗逆性相关基因的表达，从而引起渗透调节物质的提高，如脯氨酸、蔗糖含量等，增强植物对多种环境胁迫的抵抗性[5-6]。

2.1DREB 类转录因子在提高植物耐干旱胁迫中的作用水分亏缺是全球农业发展面临的最严重问题之一[7]。我国约有50%的农作物生长于干旱和半干旱地区。干旱的发生导致植物体内水分减少，光合速率降低，干物质减少，从而阻碍植物的生长发育。

目前，在多种植物中均发现了与抗旱相关的DREB转录因子。Li等[8]将AtDREB1A 基因转化黑麦草，转基因植株超氧化物歧化酶和过氧化物酶含量明显高于野生型植株，且具有更强的耐旱性和耐寒性。于洋等[9]对转 DREB1A 基因地被菊进行了耐旱性研究，在6个转基因地被菊株系中，其中有5个株系的耐旱性比野生型植株好，且在高温条件下更加突出，说明导入外源DREB1A基因，能激活植物体内与抗逆性相关基因的表达，从而提高转基因地被菊对干旱胁迫耐受性。以rd29A启动子转DREE2B基因的甘蔗，在干旱条件下提高了后代植株的水分利用效率、抗氧化物酶活性和脯氨酸含量，抗旱性明显提高。将受rd29A驱动的 At-DREB1A 基因转入高羊茅，转基因植株对干旱的耐受性也显著提高[10]。杨英杰等[11]将拟南芥AtDREB1A基因转入菊花“秋艳”品种中，进行干旱后复水处理，野生型植株的存活率为43.8%，而转基因植株的存活率达到89.6%。Wang等[12]将 2 周龄的转 OsDREB1F 基因水稻和野生型水稻苗暴露于空气中控水处理 5h后，野生型叶片严重卷曲，茎表现出弯曲，而转基因水稻仅在叶尖处表现出轻微的卷曲。孙晓波等[13]将转 SsDREB 基因烟草苗与转化pCAMBIA2301 空质粒烟草苗转移至含有 20%PEG6000 的MS液体培养基进行模拟干旱试验，处理 3d后，对照烟草植株叶片萎蔫严重，并出现枯黄，而转基因烟草叶片仍保持正常的叶色和伸展状态。周伟[14]从玉米品种B73中克隆得到了一个DREB1/CBF转录因子基因即ZmDREB1B，ZmDREB1B的超量表达明显提高拟南芥的抗旱性。Ma等[15]将从铃铛树中克隆得到的HhDREB2基因导入拟南芥中，经干旱处理21d后复水，转基因植株存活率明显高于野生型，且能够正常开花结果。Reis等[16]将由Rab17压力诱导型启动子驱动的AtDREB2A基因转入甘蔗中，干旱处理4d后，转基因型植株的相对含水量以及叶水势明显高于野生型，同时甘蔗的糖分累积以及萌芽率也提高了。

这些研究结果表明DREB基因的过量表达能激活植物体内与抗逆性相关代谢，引起渗透调节物质的含量增加，提高抗氧化酶活性和水分利用效率，从而提高了植物的耐旱性。

2.2DREB 类转录因子在提高植物耐低温胁迫中的作用遭受低温胁迫时，植物生长缓慢，代谢弱，根系吸水减少，蒸腾作用减弱，质膜透性变大等，生长发育严重阻碍。DREB类转录因子在植物中的表达可提高植物的耐寒性。刘志薇等[17]发现在4 ℃处理下,迎霜、安吉白茶、云南十里香3个茶树品种中CsDREB-A4基因表达量均在24h时达到最大值，分别为对照的23、4、43倍，表明低温诱导下Cs DREB-A4表达量提高增强了植株对低温的耐受性。Gupta等[18]通过基因芯片技术从宽叶独行菜cDNA文库中分离到编码LaDREB1b基因，其在低温诱导下表达，生长56d的宽叶独行菜在4 ℃处理6h后，LaDREB1b基因相对表达量在0～12h急剧升高，在12h达到最大值，相对表达量为对照的15.24倍，而后缓慢降低，但24h时仍为对照的13.45倍。表明LaDREB1b响应低温诱导表达，提高了植株的耐低温胁迫能力。

转基因研究进一步证实了DREB类转录因子具有提高植物抗寒能力的功能。张晓娇等[19]以携带逆境诱导转录因子 AtDREB1A 基因的地被菊‘秋艳’转化株系‘1805’为母本，‘亚冬之光’为父本，人工授粉杂交，获得杂交后代，与非转基因对照植株相比，5个杂交后代株系在低温环境下存活率都在60%以上，脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性比对照植株明显增高。Chen等[20]和Zhang等[21]研究发现，由CAMV35S驱动的 GmDREB3 和 OsDREB1D 转基因拟南芥在经低温(-6 ℃，30h)处理后的恢复培养(22 ℃，5d)中有更高的存活率。Chen等[22]从蒺藜状苜蓿中分离得到MtDREB1C，将其再转入到蒺藜状苜蓿以及中国玫瑰中，-6 ℃低温处理60h后，恢复到(25± 2)℃ 5d，野生型植株存活率为0，而转基因型植株的存活率则高达73.7%。这些结果说明DREB外源基因的导入，导致抗冷基因表达水平提高从而使作物耐低温物质含量增加，增强植株的耐低温胁迫能力。

2.3DREB 类转录因子在提高植物耐盐胁迫中的作用孙晓波等[23]将转SsDREB基因和野生型烟草苗分别转移到含有 300mmol/LNaCl的MS液体培养基进行耐盐试验，处理3d后，野生型烟草开始出现叶片叶缘卷曲、心叶萎蔫等现象，而转基因烟草植株没有明显变化，表明 SsDREB在烟草中的过量表达能够增强转基因烟草对盐胁迫的抗性。Bouaziz等[24]将从马铃薯中克隆得到的StDREB1基因转入马铃薯中,用100mmol/L的NaCl处理，野生型植株在处理5d后叶片边缘出现萎蔫，20d后完全死亡，而转基因型植株在处理20d后，叶片仍呈现绿色状，表明StDREB1在转基因马铃薯中的过量表达大大增强了耐盐胁迫能力。Ma等[15]将从铃铛树中克隆得到的HhDREB2转入拟南芥中，用200mmol/LNaCl处理21d后，HhDREB2过量表达，转基因植株相对野生型植株表现出更高的存活率。Jin等[25]将从大豆中克隆得到的GmDREB1基因，以Rd29A为启动子构建表达载体后转入紫花苜蓿中，并用0～400mmol/L的NaCl浓度梯度进行处理，当浓度到达200mmol/L时，野生型植株出现了萎蔫死亡的现象，而当浓度到达400mmol/L时转基因植株才出现萎蔫现象，在400mmol/L浓度处理60d后，植株才出现死亡现象。以上研究表明，在高盐胁迫下，DREB转录因子的过量表达，使植株耐盐胁迫能力大大增强。

3展望

转录因子在植物生长发育以及提高植株抵御非生物胁迫能力方面发挥着重要作用。DREB转录因子是植物中重要的转录因子之一，已经从玉米、水稻等作物中克隆得到DREB类转录因子，通过表达和转基因研究部分验证了基因的功能。但仍存在许多问题有待进一步研究，如DREB类转录因子调控的下游基因，植物抗逆性是许多基因相互叠加的综合效果，形成了极为复杂的基因表达调控网络，这些调控网络结构及其DREB类转录因子在其中的作用等。在今后的研究中，应利用不断发展和完善的基因工程技术，如基因芯片、组学等，进一步阐明转录因子对提高作物逆境胁迫能

力的作用机理，为利用转录因子提高作物耐受性的应用奠定基础。

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中图分类号S188

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)30-037-02

基金项目广西自然科学基金项目(2011GXNSFA018069)。

作者简介李春瑶(1989- )，女，广西恭城人，硕士研究生，研究方向：植物分子生物学。*通讯作者。

收稿日期2015-09-16

NewProgressinDREBImprovingAntiabioticStressAbilityinHigherPlants

LIChun-yao,HELong-fei,WANGAi-qin*(CollegeofAgronomy,GuangxiUniversity,Nanning,Guangxi530005)

AbstractDehydration responsive element binding protein (DREB) is one of the most important transcription factors, which play an important role in regulating the expression of stress-related genes and improving their adaptability to adversity stress in plants. In this paper, structure characteristics, and new progresses of the effects of DREB in improving the antiabiotic stresses such as drought, low temperature, salt were summarized. It is the main research fields to study the downstream genes and regulating network of DREB in the future.

Key wordsDREB transcription factor; Abiotic stress; Resistance