综述性论文样本

1、植物逆境应答转录因子DREB的研究进展 赵爽吉林师范大学 生命科学学院 四平 136000 指导教师：金太成摘要：DREB转录因子即干旱应答元件结合蛋白质,能特异结合DRE/ CRT 顺式作用元件，可以以非ABA 依赖的渗透胁迫信号的传递途径调控大量逆境相关基因，在增强植物抗逆性中扮演重要角色。在本文中，我们总结了DREB结构特征和表达调控，对于DREB植物耐非生物胁迫也作了简单介绍。关键词：逆境应答基因 ；DREB转录因子 ；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、低温和土壤盐渍化一直是制约农作物生长发育和增产增收的主要逆境因子,又称非生物胁迫因子。干旱可导致植物细胞失水,造成细胞膨压完全丧失,，严重者甚至导致植物死亡。零下低温使植物细胞间隙结冰，细胞内水分不断向胞间移动，造成细胞脱水，细胞质浓缩，同时产生冰晶机械压力，结果使植物失绿透明；融冰后出现水渍状伤害，组织坏死。低温也破坏了植物的正常代谢，减低了细胞间水分和有机物质的运输以及根系的透水性，因而使植物萎蔫和坏死。高浓度盐分特别是当叶片中盐分因蒸腾而浓缩时，会对细胞产生伤害。碱性

5、盐主要是镁、钙、钠的碳酸盐，对根系有腐蚀作用。钠离子过多会降低钙、镁的可给程度。因此，人们通过探讨植物在各种不良环境条件下的抗逆机理，就可以采取相应措施去减少逆境对植物的损害等。这些对于提高经济作物的产量具有重要意义。一直以来,有许多科研工作者都致力于植物遗传育种改良的工作,目的是培育出抗逆性强的作物和植物品种来普遍提高和改善植物对逆境的抵抗和忍耐能力。然而,改善植物的抗逆性,单从传统的遗传育种已难以满足现实的优良抗逆品种的开发现状,因此随着分子生物学技术的发展以及一些植物遗传转化技术的建立,利用转基因生物技术得到抗逆性强的植物来改进植物抗逆性,已成为一条捷径2，3。 近年来,科研工作者分离鉴

6、定的DREB(dehydration resistance element binding protein) 类转录因子是一类与抗逆相关的基因。它是AP2/EREBP 转录因子家族中的成员。DREB转录因子能够特异地识别DRE（干旱应答元件）顺式作用元件并与之发生作用，从而激活植物体内一系列逆境应答基因的表达。1 AP2/ EREBP转录因子家族与.DREB 转录因子结构特征1.1 AP2/ EREBP 转录因子家族转录因子是一种具有特殊结构、行使调控基因表达功能的蛋白质分子，也称为反式作用因子。它是转录起始过程中RNA聚合酶所需的辅助因子。真核生物基因在无转录因子时处于不表达状态，RNA聚合

7、酶自身无法启动基因转录，只有当转录因子(蛋白质)结合在其识别的DNA序列上后，基因才开始表达。研究还表明植物的抗逆性转录因子偏向在根部表达,或在根部表达的转录因子往往是与抗逆性有关的4 。在拟南芥中，3个最大的转录因子家族是AP2/EREBP,Myb-(R1)R2R3和BHLH家族，每种大约占总转录因子数的9%。 拟南芥基因组编码至少1 533种转录因子，大约占其总基因数的5.9%5。植物中存在的转录因子中，有相当一部分与抗逆性有关，例如：DREB。有些转录因子能被几种胁迫诱导，例如：ABA、高渗、低温、衰老都可以诱导AtMyb2转录因子。50%以上的一致或预测再根部特异性表达的转录因子都能由

8、这样或那样的胁迫所诱导。此转录因子家族为植物所特有，至少有144个成员。可以根据AP2/EREBP域的数目将其分为两类：一、含两个AP2/EREBP域，包括AP2、AINTEGUME、NTA和Glossy15；二、含一个AP2/EREBP域，包括EREBPS、TINY、DREBs、AtEBP。DREB 转录因子属于AP2/ EREBP 转录因子家族。 A P2/EREBP等这些转录因子主要参与植物的细胞周期、生长发育以及生物和非生物胁迫相关的基因的表达调控，它们都含有非常保守的DNA结合区，即AP2/EREBP结构域，有60个左右的氨基酸残基组成，起核定位信号的作用。Reichmann等人分析

9、了A. thaliana荃因组全序列，发现有144个AP2/EREBP型转录因子，并根据含DNA结合区的数目分为三个亚族: RAV亚族，有2个不同的DNA结合结构域，AP2/EREBP结构域和B3结构域，共有6个成员; EREBP亚族，仅含1个AP2/EREBP结构域，共有124个成员，主要参与调控植物对激素(乙烯)、病原、干早、高盐和低温等胁迫应答反应以及AP2(APETALA2)亚族，有2个AP2/EREBP结构域，共有14个成员，主要参与调节细胞的生长发育。Sakuma等人分析At liana基因组全序列，发现有145个AP2/EREBP型转录因子，并进一步将其分为5个亚族:AP2亚族，

10、RAV亚族，DREB亚族，ERF亚族和AL079349。蛋白 质 三 维分析表明，AP2/EREBP结构域含有3个一折叠，对识别顺式作用元件起关键作用。其中位于第二个一折叠中的第14和19位的两个氨基酸残基决定了转录因子结合的特异性。AP2/ EREBP 家族转录因子的结构如图1 所示。图1 AP2/ EREBP 转录因子结构示意Figure 1 AP2 / EREBP transcription factors indicate1.2 DREB因子的结构特征DREB 转录因子含有一个保守的AP2/EREBP 结构域、酸性转录激活区和碱性核定位信号区。它一般由核定位信号区、DNA 结合区、寡聚

11、化位点及转录调控区4 个功能区域组成。DREB 属于AP2/ EREBP 转录因子家族。其中 ，AP2PEREBP 结构域是由大约60个氨基酸残基组成的高度保守区6，7。AP2/ EREBP 结构域由60 个左右的保守氨基酸残基组成,位于第14 位的缬氨酸和第19 位的谷氨酸对转录因子与顺式元件的结合至关重要(图2) 8 。图2DREB蛋白AP2/ EREBP 结构域的氨基酸序列比对分析Figure 2Amino acid sequence alignment of conserved AP2/ EREBP domain of DREB proteinsAP2/ EREBP 转录因子家族典型特

12、征是DNA 结合区均为由5770 个氨基酸残基组成的AP2/ EREBP 保守结构域。Liu 等9利用One-Hybrid System从拟南芥中分离到5个AP2/EREBP类转录因子基因，分别属于两个亚族。分别命名为DREB1、DREB1B、DREB1C、和DREB2A、DREB2B。2 DREB转录因子DREB在应用方面研究进展2.1DREB 转录因子在植物抗逆中的作用拟南芥DR EB1/ CB F 基因能够诱导靶基因的表达,从而提高转基因烟草和芸薹植物对低温、干旱和氧胁迫的耐性10 。在拟南芥中过表达OsDR EB1A 基因,提高了转基因植物对高盐和低温的耐性11 。玉米DR EB1 类

13、基因ZmDR EB1A 参与调控低温应答基因的表达,提高了拟南芥对干旱和低温胁迫的耐性12 。Xue等13,14 从大麦中分离到两个CBF/ DREBl 类转录因子,分别命名为HvCBFl 和HvCBF2 ,它们的表达均特异性地受到低温的诱导,并均具有反式激活能力。Xue等15 在2004 年报道从大麦中克隆到另一与DRE结合的转录因子,命名为HvDRFl ,他们发现该基因的表达受干旱、高盐胁迫和外源ABA 的诱导,并且在胚中和籽粒成熟时期表达量升高。2.2rd29A因子DREB转录因子自被发现以来，很受人们的关注。有很多的科研工作者通过进一步的研究，逐步的发现了更多的与植物抗性有关的转录基因

14、。如图表1。有人将DREB2A及DREB2A CA的cDNA序列置于35S启动子转入到拟南芥中，发现了在非胁迫条件下DREB2A CA转基因植株中基因的表达量明显高于DREB2A转基因植株，但是前者的转基因植株都出现了矮化的现象。使用了rd29A启动子以后，植株的矮化现象便会消除。有的基因在低温或干早诱导下的表达需要ABA基因，有的基因就不需要ABA基因。比如说拟南芥的水分胁迫基因rd29B,就是一个依赖于ABA表达的基因。干早诱导型基因rd29A16在逆境下的表达式不需要ABA的参与的。Rd29A启动子区的序列为TACCGACAT。，在rd29A 基因的启动子区域含有2个20bp的正向重复序

15、列。核心序列为CCGA。表1 功能已被鉴定的DREB基因Table1: Functiom of DREB genes have been identified2.3 DREB 转录因子应用前景的展望DREB 转录因子是一类与应答植物干旱、高盐和低温逆境胁迫相关的转录因子,参与植物非ABA 依赖的渗透胁迫信号的传递途径。虽然对的研究己经取得了不少进展, 对转录因子在逆境中的表达方式和调控机制有了一定程度的了解, 但依然存在许多问题有待进一步研究。目前有关DREB 类抗逆境转录因子的功能及转录调控的研究大部分来自拟南芥,但有很多的问题有待人们去开发，去研究，去解决。比如说, 对于上游调控基因的研究

16、还有待加强。再比如: DREB 类转录因子基因家族的成员是否和相同的顺式元件结合或控制相同基因的表达等。我们中国是世界上人口最多的国家，从长期的和战略的角度看，确保我国的粮食产量，保证我国粮食安全的根本出路在于不断推进农业的科技进步。站在全人类的角度，世界人口也在的迅速增长。还有，由于气候、土壤等多种条件的限制，很多地区都无法大规模种植粮食作物；同时，自然灾害如突发性低温天气等也使粮食产量遭到巨大损失。比如说现在我国的云南省昆明市，全市受旱作物面积达84.7千公顷，已造成49万余人、24万余头大牲畜饮水困难，库塘蓄水与去年同期相比少蓄3.6亿立方米。未来旱情发展范围和程度将进一步加深，将对农业

17、生产小春作物生产和春耕春播用水产生严重影响，抗旱形势十分严峻。 因此，提高植物的抗逆性对于培育抗逆作物新品种，提高作物产量具有重要的意义17。 参考文献 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 孙京燕,张寒霜,赵俊丽,等.DREB 转录因子及其在我国大豆转基因方面的应用C .中国棉花学会2006 年年会暨第七次代表大会论文汇编,2006:86-87.5Reichmann JL, Heard J, Martin G et al. Arabidopsis transcriptional

19、 factors: genome-wide comparative analysis among eukaryotes. Science,2000,290:2105-21096Jofuku D K,Boer D W G B,Montagu V M,et al.Control of Arabidopsis flower seed development by the homeotic gene APETALA2J.Plant Cell,1994,6:1211-1225.7Hao D,Ohme-Takagi M,Sarai A.Unique mode of GCC box recognition

20、by the DNA-binding domain of ethylene-responsive element-binding factor(ERF domain)in plantJ.J.Biol.Chem.,1998,273:26857-26861.8Liu Q,Kasuga M,Sakuma Y,et al. Two t ranscription factors, DR EB1 and DR EB2 , with an EREB P/ A P2 DNA binding domain separate two cellular signal transduction pathways in

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

22、 low - temperature responsive gene expression in Arabidopsis J . Plant Cell , 1998 , 10 :1391 - 1406.10 Agawam P K, Agawam P, Reddy M K, et al. Role of DREB transcription factors in abiotic and biotic stress tolerance in plants J .Plant Cell Reports,2006,25:1263-1274.11Dubouzet J G,Saknma Y,Ito Y,et

23、 al.OsDREB genes in rice,Oryza sativa L,encode transcription activators that function in drought-,high-salt-and cold-responsive gene expressionJ.The Plant Journal,2033,33:751-763.12Qin F,Sakuma Y,Li J,et al.Cloning and functional analysis of a novel DR EB1/ CBF transcription factor involved in cold-responsive gene expression in Zea mays L J . Plant amd Cell Physiology,2004,45:1042-1052.13 Xue G P. An AP2 domain transcription factor HvCBFI activates expression of cold - responsive genes in barley through interaction with a (G/ a) (C/t) CGAC motif J . Biochim