植物COR抗寒基因的转入研究

缪嘉航

（安徽中烟芜湖卷烟厂 安徽芜湖 241000）

植物COR抗寒基因的转入研究

缪嘉航

（安徽中烟芜湖卷烟厂 安徽芜湖 241000）

温度是决定植物生长地理环境的关键因素，温度因素也决定着植物的周期性减产，COR作为植物的冷调节基因，其编码产物是一种亲水性多肽，该多肽二级结构为α-螺旋，该结构可以使脱水的细胞膜具有稳定性，有效保护植物细胞，从而得到了抗寒性。在现代生物技术中，常常将外源的COR基因导入到植物中，使植物有更强的抗寒性，其调控机制十分复杂，并且其编码产物具有很广阔的发展空间，所以本文对其进行综述。

COR基因 抗寒基因 基因转入

温度对植物的生长有关键的作用，由于温度的限制，植物本身具有固定的区域生长，要想提高植物在低温中的适应能力，就必须对植物本身的温度耐受性进行调节，保证细胞在较低的温度中不会受损［1］。在温带生长的植物经过短期的非致死温度刺激后，其对寒冷的耐受性会有所提高，这种现象被人们称为冷驯化［2］。冷驯化是传统的抗寒育种手段，但是其抗寒能力的提高很悠闲，所以确定基因的抗寒机制以及抗寒基因的种类对改变农艺植物抗寒提供了新思路。

冷驯化的过程非常复杂，将经过冷驯化的拟南芥与非冷驯化的拟南芥进行转录组分析显示，拟南芥中有将近1千个基因受到低温的调节［3］。COR基因可以在低温条件下大量表达的一类基因，也被人们称为低温诱导基因。

人们对低温信号传递通路进行了一系列研究发现，在COR基因中含有CRT元件，CRT元件与CBF相互结合后引起了COR的表达，但是CBF的调控受到ICE的调控［4］，ICE是一种组成型表达的蛋白质，但是蛋白质的泛素化是通过磷酸化来进行识别和调控的。所以，刺激COR表达的上游调控十分复杂，现代生物技术对其提供了有效依据。

1　COR基因的表达产物及其抗寒机理

在植物抗寒研究的前期，学者对冷驯化的机理进行研究发现，冷驯化后的基因转录变化巨大，并且抗寒驯化后植物体内产生了新的蛋白质。Guy等人对进行了菠菜冷驯化实验，将菠菜种植于5℃的环境中，叶片中表达的mRNA快速表达并稳定积累，这是由于低温使mRNA表达的多肽并非热激蛋白，此次发现使冷诱导相关的基因与植物的抗寒有关的研究有了很高的兴趣［5］。Shinozka等人在拟南芥中发现了一组抗寒基因，通过对这组基因序列进行分析发现其中有两个基因与DR基因是相同的。油菜中的BN基因与拟南芥中的COR基因为同源基因［6］。Steponkus等人对植物细胞膜遇到冷刺激后的反应进行研究，解释道当植物遇到寒冷环境时，其细胞膜上的脂双层会变成六角星，这种形状会造成细胞膜的膨胀，进而促进了细胞膜的崩解，细胞膜崩解后细胞坏死，但是学者在体外进行实验对此学说进行了验证，发现COR15am表达的多肽对脂类混合物片层的形成有很高的促进作用。这就可以解释COR类蛋白在受到低温胁迫后对细胞膜起到了稳定作用，从而增强了植物对冷刺激的抗性［7］。

2　COR基因在植物抗寒中的应用

最早对植物转COR基因的研究的人是Artus，其将COR15α连接到CaMV 35S之后，将基因转化如植物体，经过研究发现，经过转基因的拟南芥与冷驯化后拟南芥COR15am有相似的表达，转基因后的植物叶绿体抗寒能力比正常植株提高了2℃［8］。Chen等人从欧洲油菜中分离得到了一个名为BnCOR25的基因，它对冷刺激有一定的调节作用，但是在子叶、胚轴、花中有较高水平的表达，但是在叶子和根部表达量很低。学者在酵母中对BnCOR25进行超表达研究，当BnCOR25超表达时，酵母细胞的生存率有很大程度的提高，在拟南芥中对BnCOR25基因进行超表达后发现拟南芥的抗寒能力有很大的提高［9］。上述实验结果可以说明BnCOR25基因在植物受到寒冷胁迫时，具有较强的调节作用。COR基因不仅存在于叶片或叶绿体中，而且在植物其他部位也存在，因此COR基因的功能也有很大的差异性。

柑橘生长于亚热带地区，低温耐受性较低，小麦和拟南芥起源于温带地区，低温耐受能力较强，但是经过研究发现柑橘中也存在COR基因，柑橘中含有CuCOR19，将该基因倒入到烟草中发现，烟草植株中丙二醛含量较低，导电率也很低［10］。将CuCOR19基因在大肠杆菌中表达，其表达产物提纯后研究发现其具有抗大豆磷脂脂质体的过氧化反应，由此可以推测，CuCOR19主要是通过清除植物体中的自由基，使植物获得抗寒性，上述实验对COR蛋白抗寒作用机理的揭示提供了新的参考依据［11］。COR基因产物的主要作用机理是对细胞膜系统起到稳定作用，所以COR基因也可以提高非脱水的外界胁迫作用。

3　COR启动子的潜在价值

在转基因植物的相关研究中，如果使用组成型启动子来启动外源基因的表达，则会在表达的过程中产生大量的异源蛋白质以及其他的植物体本身不具有的代谢产物，这些异源的产物在植物中积累，造成植物代谢异常，甚至对植物体有一定的毒害作用，导致转基因植物生长异常或死亡［12］。所以目前所允许使用的基因改良启动子具有共同的特征，即基因在细胞中的表达几乎与原基因无差别，此类启动子大部分为CaMV 35S RNA。这种组成型的表达可能导致植株某些形状发生退化，所以科学家想要找到对植物基因有更好调节作用的启动子，所以科学家对特异性的启动子和诱导性的启动子COR基因启动子包含CRT/DRE调节元件，该调节元件与CBF结合后会促进COR的表达，由于其可以在低温条件下对基因的表达进行调节，所以对多余物质的积累有一定的降低作用。如拟南芥中的COR78基因所使用的启动子在植物抗逆性诱导中作为非生物诱导在植物转基因中广泛应用，该启动子与组成型启动子相比，改启动子在植物表达中有组成型启动子的功能，在此基础上降低了副产物对植物造成的伤害。但是自然界中冷诱导启动子较少，想要在转基因植物中广泛应用，还应对启动子活性进行一定的改进，所以要想在转基因植物中有理想的表达就要人工合成特异性的启动子。

开始有兴趣。如近几年市场上出现的金色水稻，其外援基因的表达是由水稻谷蛋白胚乳启动子控制的。

目前使用逆境诱导的启动子在植物基因改良中的研究越来越多。但是找到相关的诱导启动子还有很多工作要做，所以对于新的诱导型启动子的研究仍然是今后对启动子研究的热点。

4　展望

植物冷驯化后反应最显著的基因是COR，COR基因表达产物是一种亲水性的多肽，该物质在细胞质膜的保护作用中起关键作用，从而提高了植物的抗寒性。大量的COR基因转入到植物中的研究显示，转入COR对植物的抗寒性有提高作用［18］。植物对冷胁迫的抵抗能力受到很多因素的控制，在冷驯化的调节基因数量巨大，所以植物综合性抗寒不能只通过COR过量表达来实现，多基因导入是将来研究的重点。目前对植物抗寒的研究主要集中于基因的颗粒和功能的鉴定，但是在真正的抗寒作用育种工作中应用极少，通过现在的研究进一步实现基因工程改良作物形状。

［1］吴楚，王政权.拟南芥中CBF对COR基因表达的调控［J］.植物生理学通讯，2001，04：365-368.

［2］关涛，李卓夫，王晓楠，付连双.冷驯化和冷冻条件下不同抗寒性冬小麦品种三个COR基因表达差异的实时荧光定量分析［J］.麦类作物学报，2013，02：230-235.

［3］陆艳梅，张金文，魏玉洁，魏贵民，张艳红，高宜峰.罂粟COR和BBE基因RNAi载体构建及烟草转化［J］.药学学报，2013，07：1169-1177.

［4］钟克亚，叶妙水，胡新文，郭建春. 转录因子CBF在植物抗寒中的重要作用［J］.遗传，2006，02：249-254.

［5］孙晓红，冯爱萍，陈明杰，潘迎捷.草菇冷诱导相关基因的克隆及序列分析［J］.菌物学报，2006，01：88-93.

［6］张晗，信月芝，郭惠明，程红梅. CBF转录因子及其在植物抗冷反应中的作用［J］.核农学报，2006，05：406-409+448.

［7］乔娜，汪虹，陈明杰. 草菇冷诱导基因Cor1在低温下表达变化的研究［J］.菌物学报，2009，02：213-219.

［8］梁倩倩，魏玉杰，张金文，陈志国，贾小霞，何庆祥.野生罂粟COR基因克隆及转化［J］.西北植物学报，2009，08：1520-1526.

［9］梁倩倩，张金文，魏玉杰，王旺田，何庆祥，雷耀湖. 野生罂粟COR、BBE基因片段融合及其RNAi载体构建［J］.中国生物工程杂志，2009，11：41-47.

［10］孙伟.拟南芥CBF3等位基因AtCRAP2的克隆及抗寒功能研究［D］.首都师范大学，2007.

［11］李志友.COR和CBF3基因导入番茄的研究［D］.西南大学，2007.

［12］刘洋.山葡萄转录因子CBF1基因的克隆及转化研究［D］.吉林农业大学，2006.

Q789

A

1674-2060（2016）05-0035-02

缪嘉航（1992—），男，汉族，安徽省铜陵市，2014年毕业于安徽工程大学生物工程专业，现供职于安徽中烟芜湖卷烟厂，学士学位。