中国农业科技导报,2015,17(2):33—40 Journal of Agricultural Science and Technology 作物耐旱基因的表达特性及遗传工程研究 马--E文 ,一, 李 亮 , 王 楠 , 王振萍。, 姜立雁 , 郝转芳 , 王振华H (1.东北农业大学农学系,哈尔滨150030;2.中国农业科学院作物科学研究所,北京100081; 3.吉林省通化市农业科学研究院,吉林海龙135007) 摘要:干旱会作物生长及产量形成,并引起作物体内一系列生理生化反应。作物耐旱性是多基因控制 的复杂数量性状,为了应对水分缺失,作物体内形成多条信号途径,并在形态、生理和分子水平上适应干旱。 受到干旱胁迫后,作物通过激活相关转录因子来相应下游基因的表达,并且通过转录后和渗透调节 来适应干旱,维持正常的生理活动和代谢活动,减少干旱胁迫对植物的伤害。逆境也会诱导小RNA的产生, 其通过诱导目的基因mRNA的降解以及阻止翻译过程去靶基因,达到耐胁迫逆境的作用。耐旱相关基 因的遗传工程对作物在非生物逆境下的正常生长非常重要,总结了干旱响应机制所涉及的基因的功能及利 用情况,以期为耐旱育种提供参考依据。 关键词:作物;耐旱基因;表达特性;遗传工程 f doi:10・13304/j・ db・2014・707 中图分类号:Q78 文献标识码:A 文章编号:1008—0864(2o15)02・0033-08 Expressive Characteristics of Drought-related Genes and Their Genetic Engineering Prospects in Crops MA Yi.wen ,LI Liang ,WANG Nan ,WANG Zhen.ping。,JIANG Li.yan , HAO Zhuan.fang .WANG Zhen-hua (1.Northeast Agricultural University,Harbin 150030;2.Institute of Crop Sciences,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081;3.Tonghua Academy of Agricultural Sciences of Jilin Province,Jilin Hailong 135007。China) Abstract:Drought restricts crop growth and yield formation,and causes a series of physiological and biochemical reactions inside of crop.Drought tolerance of crops is a complex quantitative trait controlled by multiple genes.In order to cope with water deficiency,crops form muhiple signaling pathways for surviving in morphology,physiology and molecular leve1.Under drought stress,crops activate transcription factors to regulate expression of the corresponding downstream genes,and being adapt to drought via the post—transcriptional regulation and osmotic adjustment,and maintain normal physiological and metabolic activiites to reduce damage by drought stress.Stress Can laso induce the generation of small RNA,which regulates its traget genes by inducing degradation of target gene mRNA nad prevents trnaslation,reaches the function of stress tolerance.Genetic engineering of crop drought—related genes, which can grow well under abiotic stresses,is very importnat.This paper summarized the function and application of genes involved in diferent drought response mechanisms,which will provide references for drought tolerance breeding. Key words:crop;drought tolerant gene;expressive characteirstics;genetic engineering 随着环境的变化,植物通过自身外部形态和 都是为了维持作物干旱胁迫下的正常生理活动和 内部生理机制的进化来适应所处的环境。当作物 代谢功能。作物抵御干旱的蛋白根据作用机制可 受到干旱胁迫时,能够诱导大量干旱响应基因的 以分为两类:一类是调节蛋白,表达产物参与胁迫 表达(图1),这些基因表达产物功能各异,但目的 信号转导和功能基因的表达,包括NAC 收稿日期:2014—12—08;接受日期:2015一O1—29 基金项目:国家自然科学基金项目(31271735);国家转基因生物新品种培育重大专项(2014ZXO800304B)资助。 作者简介:马艺文,硕士研究生,研究方向为作物遗传育种。E-mail:mayiwen3070@163.conr。 通信作者:王振华,教授,博士生导 师,研究方向为玉米遗传育种与分子生物学。E・mail:zhenhuawang一2006@163.corn;郝转芳,副研究员,博士,研究方向为 玉米耐旱遗传育种。E—mail:haozhuanfang@caa8.cn 34 中国农业科技导报 17卷 (NAM、ATAF1-2、CUC2)、DREB(dehydration responsive element binding protein)等典型的与 DNA基序结合类转录因子,这类调节蛋白在所有 组织中转录的特异性依赖于基因表达系统中 对作物起直接保护作用,包括渗透保护剂,例如脯 氨酸和糖代谢产物,一些大分子保护因子如LEA 蛋白(1ate embryogenesis abundant proteins,胚胎发 育晚期丰富蛋白)等。而小RNA在植物逆境胁 迫下的机制也一直是大家关注的热门问题, miRNA介导下的网络(图1)有助于更好的 理解植物耐逆境机制。本文拟通过对水稻、玉米、 反式作用因子与DNA顺式作用元件相互作用的 能力 。通常真核生物转录因子识别序列短,在 基因组中分布较广,便于转录¨ 。还包括促 进生长的生长激素、CDP激酶、受体蛋白激酶等 转录蛋白激酶以及感应和转导胁迫信号的蛋 白激酶。第二类是功能蛋白,功能蛋白在逆境中 ③④ 大豆等主要农作物中耐逆相关的基因生理、生化 和分子功能方面的作用进行分析,为耐旱基 因的利用及遗传改良和育种提供参考。 图1植物非生物胁迫下基因工程战略 Fig.1 Genetic eEIgineering strategies for plant abiotic stresses tolerance[ 异的DNA结构域,C端是具有高度变异且具有转 1转录 环境胁迫诱导作物进行转录,通过 下游基因表达进行自我保护或者产生耐逆性。在 拟南芥中超过1 700个基因编码转录因子 ,其 中一些已经被证实与耐旱相关。转录因子中很多 家族基因对干旱胁迫起作用。干旱环境下这 录激活功能的域。水稻SNAC1在中度干旱 或严重干旱条件下,转基因植株比非转基因植株 结实率提高22%一34%,而在正常灌溉条件下转 基因与野生植株结实率相同,耐旱性增强原因可 能是由于SNAC1诱导减少了保卫细胞的气孔孔 径,导致保卫细胞中ABA敏感性增强 。大豆 NAC基因GmNAC2在烟草中过表达后对干旱、高 些转录因子的表达提高了作物耐旱性。 1.1 NAC 盐和冷胁迫非常敏感,在非生物胁迫下,转基因烟 草比野生型中含有较高的丙二醛,作为一个非生 物胁迫负基因,GmNAC2的功能通过清 除活性氧相关的基因表达进而参与活性氧信 NAC转录因子是植物特有的一类转录因子, 具有多种生物功能。其N端含有高度保守且特 2期 马艺文等:作物耐旱基因的表达特性及遗传工程研究 35 号 。小麦NAC基因TaNAC8在低温、干旱以及 TaABP1由ABA、高盐、低温和干旱强烈诱导,在 高盐胁迫下表达量增高,而ABA对其没有 影响 。 l-2 D量U£B 根中TaABP1的表达量明显高于茎和叶,且显著 提高了烟草的耐旱性 。 1.4 WRKY DREBs包括两个亚类(DREB1和DREB2), DREB1被低温胁迫强烈、快速诱导 j,DREB2被 干旱或高盐胁迫诱导。这两种类型中的一些 WRKY转录因子的DNA结合区都至少含有 1个大约由6O个氨基酸组成的高度保守WRKY 结构域,其中N末端含有7个绝对保守的氨基酸 DREB都作用在ABA的耐旱信号通路上H 。 水稻OsDREB1A、DREB1B、DREB1E、DREB1F和 DREB1G在温室和大田条件下均能增强转基因植 物的耐旱性 j。在DREB2转录因子中,小麦过 表达TaDREB2和TaDREB3转基因植株在严重干 旱胁迫下存活率高于对照,组成型过表达转基因 植物在霜冻条件下提高耐性。TaDREB2和 TaDREB3的过表达提高了一些CBF/DREB基因 和大量胁迫应答的LEA/COR/DHN基因表达,它 们都是一些已知的保护细胞免受损因子,在干旱 条件下起保护作用的 J。通过苗期耐旱表 型性状与DREB基因型进行关联分析发掘出耐旱 基因ZmDREB2.7,DNA多态性是在启动子区而非 编码区,过表达转基因拟南芥提高耐旱性的优异 等位基因在耐旱材料中被发现,并且能有效提高 植物耐旱性¨ 。 1.3 bZlP 在bZIP(basic leucine zipper)转录因子家族 中,水稻OsABF1在各种非生物胁迫下如缺氧、高 盐、干旱、氧化胁迫、冷和脱落酸(ABA)的诱导发 现其在幼苗的芽和根中表达 。OsABF2在水稻 许多组织中表达,由干旱、盐、低温、活性氧和 ABA等非生物胁迫诱导,是依赖于ABA途径下 非生物胁迫应答基因¨ 。ZmbZIP72在玉米 基因组中是一个单拷贝基因,含有三个内含子,由 高盐、干旱诱导在各组织中表达。根据胁迫下植 物的叶失水率、电解质外渗、脯氨酸含量和成活率 进行生理分析确定ZmbZIP72的异源过表达提高 植物抗旱性和耐盐性。此外,过表达ZmbZIP72 的转基因植物对ABA和渗透胁迫高度敏感,同时 诱导RD29B、RAB18和HIS1—3的表达。这些结果 说明,ZmbZIP72的功能是作为一种依赖ABA的 转录因子正调节非生物胁迫 。通过原位噬菌 斑杂交法从小麦eDNA文库中分离出一个bZIP 转录因子基因TaABP1,表达模式分析表明 残基。WRKY基因在植物体内是诱导型表达,且 其表达具有瞬时的特点,同时还具有组织特异性。 水稻中由热响应启动子HSP101控制的 OsWRKYll的表达提高耐旱和耐热性,转基因植 株叶片萎蔫减少,植物绿色部分损伤减少 。大 豆GmWRKY54基因转化拟南芥,能显著诱导 DREB2A基因的表达_1 ,在干旱和耐热两方面具 有双重功能。当小麦TaWRKY79编码区上游一个 843 bp的片段和GUS([3-葡萄糖苷酸酶基因)插 入到拟南芥中,GUS染色表明在上游片段中捕捉 到响应ABA和盐胁迫的序列,把TaWRKY79转入 拟南芥中,盐或ABA胁迫促进初生根的生长, TaWRKY79能够增强盐和ABA耐受性,同时降低 对ABA的敏感性,在转基因植株中ABA相关的 一些基因全部上调,说明TaWRKY79不依赖ABA 通路 。 1.5 bHLH bHLrt(basic helix—loop—helix)蛋白是一个保 守转录因子家族,对于植物响应干旱非常重要。 bHLH家族成员主要以二聚体的形式来行使功 能。拟南芥bHLH122转录因子受干旱、盐和渗透 胁迫诱导,但是不受ABA诱导。GUS活性分析显 示bHLH122在维管组织和保卫细胞中表达较高。 与野生型相比,转基因植株bHLH122高耐旱、盐 和渗透胁迫,相比之下丧失功能的bhlh 122突变 体比野生型对盐和渗透胁迫更敏感¨ 。玉米 ZmPTF1碳代谢以及根的生长,转基因植株 具有更发达的根系,在低磷土壤环境中生长时,雄 穗分支较多,籽粒饱满,受低磷胁迫诱导表达从而 增强对低磷酸盐的耐受性 。水稻OsbHLH148 通过参与茉莉酸信号途径对水稻干旱起调节作 用,干旱、高温、低温等胁迫下表达量提高。而且 OsbHLH148过表达诱导OsDREB基因表达上调 。 1.6锌指蛋白 锌指蛋白参与植物生长发育中的许多环节, 36 中国农业科技导报 17卷 在生物和非生物胁迫中具有调节功能。过表达 OsZFP252的转基因水稻耐旱性提高,干旱条件 下比野生型生长速率快74%一79%。OsDREBIA 与干旱诱导表达相关,OsZFP252有可能是 OsDREBIA的上游调节器,并诱导较高的游离脯 氨酸和可溶性糖的积累E2o]。DST是水稻C2H2 类型的锌指蛋白,通过调节H 0:的体内平衡来负 向调节气孔关闭, £突变体通过增加气孔关闭和 降低气孔密度提高耐旱和耐盐性 。锌指蛋白 OsSAP1在免疫调节和响应胁迫中发挥重要作用, 非生物胁迫时上调,具有植物防卫反应功能, OsSAP1在转基因烟草的组成型表达导致对有毒 细菌病原体增强抗病能力,使已知的防御相关的 基因上调。说明OsSAP1对抗病原体感染的基础 抗性起着关键的作用E22 3。ZmAN13在玉米基因 组中是一个单拷贝基因,ZmAN13的表达量在叶 中明显高于在其他组织中,由冷和ABA诱导,但 是在盐胁迫中下调。ZmAN13增强拟南芥的耐寒 性,但转基因种子萌发和幼苗期比野生型更易对 盐和干旱敏感感_2 。小麦锌指蛋白基因 TaZFP15在根中由干旱和高盐诱导,但是不响应 ABA。转基因烟草中通过增加对磷的吸收能力从 而增加干物质积累,表明TaZFP15是由多种外部 信号转导所调节的 。 2代谢物和渗透保护剂 当植物受到干旱胁迫时,体内会产生各种信 号以及积累大量代谢物质,如糖类、脯氨酸、多胺 等,这些物质有益于调节植物细胞内渗透压和外 界的平衡,防止水分的流失,以保证植物正常 生长。 2.1磷脂信号 磷脂膜组成及其代谢物是植物生长和响应外 界刺激的重要第二信使。拟南芥磷脂酶c基因 PLC和磷脂酶D基因PLD都由干旱诱导。在玉 米干旱胁迫初期,PLD活性的增长在气孔关闭中 发挥重要作用。玉米过表达ZmPLC1基因表现出 较高的细胞溶质含量和光合速率 J。而油菜过 表达BnPtdlns—PL2基因表现出气孔蒸腾速率较 低和气孔较小,转基因玉米产量更高,在干旱条件 下每穗百粒重高出14%,而转基因油菜在干旱 24 d对照死亡的情况下仍然可以继续生长 ]。 2.2热激和冷激蛋白分子伴侣 干旱、高盐和高温能够引起许多RNA和蛋白 质的错误折叠和功能失调,HSPs(heat shock proteins)和CSPs(cold shock proteins)不仅可以帮 助纠正这些错误折叠和功能修复,而且在冷和热 的情况下要快速恢复体内正常生理活动。水稻幼 苗过表达OsHSP1Z 7有增强耐旱性的能力,这表 明,热激处理后耐旱性增强以及sHSP(small heat shock proteins)蛋白大量积累 。热激蛋白 TaHSF3在小麦苗期受到冷和热刺激高度上调, 受到干旱、高盐和ABA胁迫时较小程度的上调。 极端温度胁迫后的转基因拟南芥中TaHSF3过表 达提高耐性,转基因拟南芥在热胁迫和冷胁迫后 的存活率也提高 。孟山都公司的转基因抗旱 玉米MON87460,包含一个来源于土壤枯草芽孢 杆菌的冷休克蛋白基因(CspB),其作为一个分子 伴侣可以调节受水分胁迫伤害后的基因组RNA 修复,主要通过增加玉米穗粒数来提高玉米 产量[291。 2.3胚胎发育晚期丰富蛋白 LEA在干燥种子胚胎中积累,IJEA蛋白也在 脱水、冷、盐、ABA处理的植物组织中被诱导。在 少雨或无雨的田间干旱条件下,转基因水稻由自 身的抗旱诱导启动子或35S启动子诱导表达 OsLEA3.J,结实率和籽粒产量比野生型提高45%。 在正常大田条件下检测到在转基因和野生型植物 之间产量没有明显变化 。LEA基因Rab28在 组成型启动子玉米中过表达,Rab28蛋白定位在 野生型玉米胚芽细胞核中,对转基因植株进行了 耐旱性测试发现,在PEG持续增长的同时,与野 生型比较,转基因幼苗在胁迫下增加了叶和根的 生长,并且有相对较高的含水量,减少了叶绿素的 损失和丙二醛的产生,在缺水条件下转基因种子 也比野生型种子发芽率高,总的来说,Rab28基因 对提高玉米植物耐旱性具有重要作用 。 2.4脯氨酸 脯氨酸是一种在水分胁迫的植物和其他生物 体最常见的相容性溶质。脯氨酸的积累是由于植 物脱水后促进其生物合成并防止其降解。P5CS 是水稻中脯氨酸生物合成的限速酶(1-pyrroline- 5-carboxylate synthase;1.吡咯啉.5-羧酸合酶),水 2期 马艺文等:作物耐旱基因的表达特性及遗传工程研究 37 分胁迫诱导其表达 ;在干旱胁迫的大豆中 P5CR((1一pyrroline.5一carboxylate synthase,1一吡咯 啉.5 羧酸还原酶)诱导脯氨酸合成,导致相对含 水量增加以及在干旱条件下生长的更好 引。然 而,P5CR在大豆中表达受到抑制时,渗透物质、 干旱和热胁迫的敏感性增加。通过DREB1信号 途径表明了脯氨酸在适应干旱中的作用。例如, 在正常和缺水条件下,转基因植株中AtDREB1A/ CBF3,OsDREB1或AtDREB1过表达比野生型植 株积累更多的脯氨酸。相应的,转基因植株比野 生型的更耐旱 ’ 。 2.5甜菜碱 甜菜碱积淀在许多耐盐的植物叶绿体和质体 中,通过清除活性氧自由基和蛋白质的保护稳定 光合和翻译机制。转编码胆碱脱氢酶的betA基 因玉米,在干旱胁迫下,比对照能够积累更多的甜 菜碱。三周干旱胁迫之后,转基因植物生殖发育 很少受到抑制,单株产量比野生型高10%~23%。 转betA的棉花耐旱性也提高,光合作用增加,离 子渗漏的比例较低,膜脂过氧化比野生型少 。 2.6多胺 多胺是较小的含氮化合物,参与植物多种胁 迫响应。燕麦精氨酸脱羧酶或曼陀罗精氨酸脱羧 酶的转基因水稻腐胺、亚精胺和精胺的前体显著 增加。等超过了阈值以后,触发腐胺转换亚精胺 和精胺,然而干旱胁迫下转基因水稻各个化合物 只增长了1.5倍,严格控制植物之间多胺下动态 平衡有利于植物正常生长发育。然而,精氨酸脱 羧酶转基因植物在干旱胁迫8d后显示无叶绿素 损失和没有胁迫的症状,如叶片萎蔫 3 ]。由于水 稻中亚精胺和精胺含量不与精氨酸脱羧酶的 mRNA水平相关,但与s一腺苷甲硫氨酸脱羧酶相 关。后者实际上催化腐胺前体多胺的形成,应该 是植物工程重要的候选基因。 2.7海藻糖 海藻糖是一种非还原性二糖,存在于不同组 织,作为胁迫保护剂能够稳定蛋白质和保护膜。 海藻糖在转基因植物中的积累表明海藻糖生物合 成基因使植物耐旱性提高。水稻为了增加海藻糖 的积累,通过基因工程将两个在海藻糖合成中重 要的酶改造到植物基因组中,无论是在组织特异 性,胁迫应答,或组成型启动子的控制下,转基因 水稻比非转基因植物能够多合成2—9次海藻 糖 38,? 。水份胁迫8 d或12 d后,非转基因水稻 表现出卷叶和萎蔫,而转基因水稻表现出旺盛新 梢生长 , 。总之,转基因水稻在盐和低温胁迫 下光氧化更少。 3翻译后蛋白质修饰 3.1蛋白质磷酸化 一些转录因子需要被蛋白激酶磷酸化才有活 性。在植物中,钙依赖性的蛋白激酶是重要的环 境传感器。水稻蛋白激酶基因OsCDPK7在正常 情况下保持非激活的状态,被钙信号迅速激活后, 由冷和盐诱导。耐冷性和耐盐性与这些基因的表 达水平相关,OsCDPK7在转基因水稻中过表达, 水稻幼苗对干旱、盐和低温的耐受性程度和过表 达基因的表达水平相关 J。三个水稻互作激酶 OsCIPK03、OsCIPK12和OsCIPK15与一个玉米 ZmCIPK16都响应非生物胁迫_4l I,在水稻苗期 过表达,OsCIPK12提高了耐旱性,OsCIPK15提高 了耐盐性,OsCIPK03提高了耐冷性,说明每个 OsCIPK基因在响应不同非生物胁迫下作用不同。 通过观察OsCIPK12基因表达后脯氨酸和可溶性 糖含量增加确定耐旱性。一周失水后复水的实验 显示,转基因植物叶片卷曲很少,生长恢复率高达 33%~57%[ 3.2聚ADP-核糖化 很多非生物胁迫引起植物细胞中活性氧的积 累,对遗传物质造成损害,其后通过ADP.核糖聚 合酶的激活干扰细胞能量平衡。在油菜PARP转 换成发卡结构后活性降低,对各种非生物胁迫如 干旱、热和高温等抗性增强_4 。这种抗逆性起初 是由于减少NAD 的消耗,而维持细胞能量平 衡 ,然而,另一种对耐逆性解释是PARP缺陷 型植物的ABA含量升高,ABA响应基因转录会 过度表达例如ABF3和RD29A。油菜 彤 转 基因植物在干旱下的产量上显示显著增加(最好 的自交系增加20%一40%) J。由于PARP可以 转录功能,这对剖析ABA相关基因表达和控 制PARP活性将具有实际意义。 4小RNA 小RNA(21~24个核苷酸)几乎控制所有的 38 中国农业科技导报 17卷 生理和代谢过程 。最近几年的研究表明,一些 小RNA在干旱条件下植物对胁迫的耐受性。 植物受到胁迫后,通过合成某些特殊的小RNA在 转录后诱导或抑制基因表达,从而使某些物质积 累以及代谢途径的变化,最终使植物适应 胁迫 。 4.1 IniRNAs miRNAs(micro RNA,小分子RNA)在转录后 调解中发挥关键作用,并作为对植物生长发育过 程中各种逆境重要的内源性调节剂。研究发现一 些胁迫的miRNAs主要是针对转录因子,它 们在基因的网络中作为主要的对象 。 番茄miR169过表达提高耐旱性 ;水稻miR319 提高耐冷、耐盐和耐旱性 引。miR169在响应干 旱时下调,然而他的靶基因NFYA5在拟南芥中被 诱导,通过功能分析NFYA5在转基因植株中过表 达是耐旱的。这些发现表明,miR169介导的 NFYA5是适应干旱胁迫的关键 。 4.2 siRNAs 不同类型的siRNAs(small interfering RNAs, 小干涉RNA)通常是由双链RNA经Dicer酶剪 切,装载至AGO(argonaute)蛋白而发挥作用 。 在拟南芥盐胁迫条件下,nat—siRNA是从SR05和 P5CDH基因的顺式天然反义转录本中发现的,在 渗透和氧化胁迫下起重要作用。盐胁迫时,SRO5 mRNA降解后产生的24.nt nat.siRNA导致靶基因 P5CDH的mRNA降解并产生一个21-nt nat- siRNAs群。P5CDH的下调导致脯氨酸积累,这 对植物耐盐非常重要。然而,减少P5CDH也导 致一种有毒代谢中间产物和活性氧的积累,可能 通过线粒体中直接解毒网络反击SRO5蛋白,通 过直接感应盐胁迫的SRO5的mRNA可以调节氧 化应激反应。因此SRO5一P5CDH nat—siRNAs和 P5CDH、SRO5这两种蛋白质是响应盐胁迫和控 制活性氧产生这两个环节中的关键的 组成 。 5结语 作物在水分缺失时的耐受性对于粮食稳定生 产具有重要意义。转录调节在植物生长发育和环 境之间相互作用中起到非常重要的作用,这可能 是受到转录在网络中的影响。信号转导方式 之间的交互作用将会是未来一个重要的课题。负 以及正对基因表达同样重要。转录因子 蛋白的降解在基因表达的负中起重要作用。 最近,一些小RNA干扰或mRNA降解应用到响 应胁迫基因的表达中。基因表达的复杂可导 致植物复杂又多变的响应非生物胁迫。分子生物 学和基因组学新技术促进抗旱相关基因的发掘和 进一步的功能解析,使得抗旱分子育种和基因工 程能够推动作物抗旱的改良进程。研究已经证 明,通过对抗逆性基因的功能和作用机制通透研 究能够潜在的克服在培育非生物抗性转基因植物 中的局限性。本文对抗旱基因及它们的特性 进行了阐述和归类,对抗逆基因响应胁迫的 网络进行初步探索,为抗旱作物的培育和应用提 供了参考。 参考文献 [1]Todeschini A L,Georges A,Veitia R A,et a1..Transcription factors:speciifc DNA binding and speciifc gene regulation[J]. 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