植物顺式作用元件的基因表达调控作用

植物顺式作用元件的基因表达调控作用

温度、盐渍和干旱等环境危害对高等植物的生长发育和生长发育有严重危害，导致作物产量和品质下降。植物受到逆境胁迫时会产生相应的应答反应,以降低或消除逆境胁迫给植物带来的危害。植物的这种应答反应是一个涉及多基因、多信号途径及多基因产物的复杂过程。首先是在转录水平上调控相应基因的表达,转录水平上的调控是由启动子和与之相互作用的转录因子共同完成的。启动子是一段位于结构基因5′端上游区的DNA序列,能活化RNA聚合酶,使之与模板DNA准确地结合,并具有转录起始的特异性。顺式作用元件是启动子中与转录因子结合的一段特异序列,长度一般在5-20个碱基对之间,它们与相应的转录因子结合后,通过特定的机制促进或抑制转录的发生。在非生物胁迫条件下,转录因子与胁迫应答基因启动子的顺式作用元件结合,特异地启动应答基因的转录表达,从而作出调节反应。图1显示了植物对非生物胁迫的分子应答途径。植物感受胁迫刺激后,通过ABA依赖或ABA非依赖途径传导胁迫信号,合成转录因子,继而各转录因子与抗逆功能基因上游启动子中的顺式作用元件结合,促进抗逆功能基因的表达,植物表现出抗逆性。植物非生物胁迫功能基因的表达受启动子中顺式作用元件及转录因子的调控,了解植物非生物胁迫诱导启动子顺式作用元件及转录因子研究现状,有助于揭示胁迫应答基因的表达调控机制。目前已鉴定出多种非生物胁迫诱导启动子顺式作用元件及与其相互作用的转录因子。本文将介绍这些顺式作用元件及转录因子的结构和功能。在干旱、低温、ABA和高盐等逆境环境下NAC,ZFHD,DREB2A/DREB2B和DREB1/CBF,AREB1,RD22BP1和MYC/MYB转录因子分别与逆境相关基因启动子中的NACR,ZFHDR,DRE/CRT,ABRE和MYCRS/MYBRS元件结合对非生物胁迫进行调控。ABA.脱落酸;ABRE.ABA应答元件;AREB.ABRE-结合蛋白;CBF.C-repeat-结合因子;COR.低温调控基因;CRT.C-repeat;DRE.干旱应答元件;DREB.DRE-结合蛋白;ERD.早期脱水反应;MYBRS.MYB-识别序列;MYCRS.MYC-识别序列;NACR.NAC-识别位点;RD.干旱应答基因;ZF-HD.锌指同源域;长方形表示参与逆境响应基因的顺式作用元件;椭圆形表示调节逆境响应基因的转录因子图1干旱、低温和盐胁迫下顺式作用元件与ABA依赖的转录因子在基因表达中的转录调控网络1转录因子drebf11994年,Yamaguchi-Shinozaki等运用缺失分析、启动子筛减试验和凝胶迁移分析(EMSA)对拟南芥rd29A基因启动子进行研究,首次发现DRE元件,核心序列为TACCGACAT,它在干旱、高盐和低温胁迫条件下驱动基因表达。Baker等对拟南芥cor15a基因5′端区域的研究发现,cor15a基因受低温诱导,在它的启动子区(-305-+78bp)有与DRE元件极为相似的序列——TGGCCGAC,称为C-repeat(CRT)元件,这个元件也受ABA和干旱诱导。DRE和CRT元件都包含了核心序列CCGAC,它们普遍存在于干旱、高盐或低温胁迫应答基因的启动子中,统称DRE/CRT元件,对在这些胁迫条件下的基因诱导表达起调控作用。与DRE元件相互作用的转录因子最早是在拟南芥的核抽提物中检测到,命名为DREBF1。Stockinger等通过酵母单杂交技术,从拟南芥cDNA文库中首次分离得到转录因子CBF1(C-repeat/DREBindingFactor1)。DREB转录因子与启动子中的DRE/CRT顺式元件特异结合,可以激活许多逆境诱导基因的表达,从而增强植物对逆境胁迫的耐受力。Xu等从大麦中分离到HvDREB1,发现它可以作为转录因子与DRE/CRT元件结合。HvDREB1的过量表达可以提高拟南芥对盐胁迫的抗性。Matsukura等研究发现,在干旱和高温胁迫下,拟南芥中DREB2s作为转录因子与DRE/CRT元件结合,诱导下游基因的表达,提高植物对非生物胁迫的抗性。2与引发低温胁迫相关的基因表达通过对拟南芥干旱、高盐和ABA诱导的功能基因启动子区域进行分析,鉴定出了MYB结合位点的核心序列为C/TAACNA/G。Iwasaki等利用5′端缺失和原核表达的方法对拟南芥rd22基因启动子进行研究,发现该启动子中一段67bp(-207至-141)序列对干旱和ABA应答,并且在这段序列上含有MYB转录因子的结合位点。多种抗逆基因启动子上都有MYB元件。Yamaguchi-Shinozaki等对拟南芥Atmyb2基因进行序列分析并在不同胁迫环境下对该基因的表达情况进行研究,发现Atmyb2转录因子与Atmyb2基因上的MYB元件结合,对水分胁迫和ABA应答。在拟南芥中与抗逆相关的rd22、rd17和rd29等下游靶基因启动子中均含有MYB识别元件。MYB类转录因子广泛存在于植物中,它们与MYB元件结合,参与植物对外界环境,尤其是逆境胁迫反应的调控。玉米的c1基因所编码的蛋白是第一个从植物中发现的MYB转录因子。Urao等研究拟南芥MYB同源基因时,发现AtMYB2基因受干旱、盐胁迫及外源ABA的诱导表达,通过原核表达该蛋白、凝胶迁移分析发现,AtMYB2能与MYB元件(TAACTG)特异结合,说明MYB类转录因子参与水分胁迫响应基因的调控。Agarwal等研究拟南芥CBF基因时通过凝胶迁移分析发现,MYB15能与拟南芥CBF基因启动子上的MYB元件结合,MYB15在拟南芥中过量表达会降低植物对低温胁迫的抗性,敲除该基因后植物对低温胁迫的抗性有所提高,说明MYB15在CBF基因对低温胁迫调节和植物对低温胁迫的抗性中起重要作用。Liao等研究了大豆GmMYB76、GmMYB92和GmMYB177基因,通过酵母单杂交技术发现这3个GmMYBs转录因子都可以与顺式作用元件TATAACGGTTTTTT结合,但是不同转录因子对提高植物抗逆性的作用不同,转基因拟南芥中GmMYB76或GmMYB177的过量表达与GmMYB92的过量表达相比,植物对高盐和低温有较强的抗性。3低温和干旱诱导基因表达MYC元件是干旱和ABA应答的顺式作用元件,核心序列是CANNTG,存在于多种抗逆基因启动子上。Onishi等对大豆GmOLPa基因研究发现,GmOLPa基因5′端存在MYC元件,GmOLPa基因在根中受高盐(24h,300mmol/LNaCl)诱导表达,在茎和叶中高盐处理48-72h后,GmOLPa基因才开始表达,在根中GmOLPa基因还受到ABA和干旱的诱导。Agarwal等对拟南芥CBF基因启动子(CBF1:-1000-+1bp;CBF2:-1000--20bp;CBF3:-984--84bp)研究发现,CBF基因受低温诱导表达,CBF基因启动子上存在MYC元件。MYC转录因子与MYC元件相结合可以调节植物体内ABA应答基因的表达。ICE1是bHLH类转录因子,有研究表明ICE1能与MYC元件结合,提高植物对低温胁迫的抗性。4干旱胁迫和复水基因对植物抗盐能力的影响ABREs(ABA-responsiveelements)在依赖ABA的基因表达中作为顺式作用元件起作用,ABREs的核心序列是ACGT,又称为ACGT-box。1989年,Marcotte等利用缺失分析研究小麦Em基因启动子,鉴定得到ABRE。许多干旱和寒冷诱导基因的启动子中包含ABREs基序,ABRE序列经常和其他元件协同作用参与ABA响应基因的转录。Narusaka等对拟南芥RD29A基因启动子上一段120bp(-174--55bp)序列上的DRE/CRT和ABRE元件进行缺失、碱基替换、凝胶迁移和转录激活试验。结果显示,在干旱胁迫的ABA应答反应中,ABRE和DRE/CRT协同作用行使功能,提高拟南芥对干旱、高盐、低温和ABA的抗性。Manavella等对向日葵HAHB4启动子的研究发现,在HAHB4启动子上含有ABRE元件。对转HAHB4基因的拟南芥和向日葵进行组织化学染色和RT-PCR分析,结果显示ABRE元件对ABA、NaCl和干旱胁迫作出反应。bZIP(basicdomain/leucinezipper)类转录因子可与ABREs顺式作用元件结合,调控下游基因表达,提高植物的抗盐性。Liao等通过酵母单杂交技术和凝胶迁移分析发现,大豆的4个蛋白GmbZIP44、GmbZIP46、GmbZIP62和GmbZIP78可以和ABRE(CCACGTGG)元件结合,其中GmbZIP44、GmbZIP62和GmbZIP78通过ABA依赖的信号途径调节胁迫应答基因表达,最终提高植物对非生物胁迫的抗性。OsAREB1基因的表达受ABA、聚乙二醇和热激的诱导,转OsAREB1基因植物对干旱和高温有较强的抗性,Jin等通过酵母单杂交技术发现,转基因拟南芥OsAREB1蛋白可以作为转录因子与ABRE元件结合。5烟草pr基因启动子对乙烯的回应GCC-box是乙烯应答元件,存在于许多PR基因启动子区域,在植物抗性反应和生长发育中具有重要的调控作用。植物受到病虫害的侵害后产生防卫反应,诱导某些基因的表达,用乙烯处理后也会诱导这些基因的表达。Eyal等通过缺失分析和凝胶迁移分析烟草PR基因启动子(863bp)对乙烯的应答反应,确定了含有11个碱基对的乙烯应答元件TAGAA-GCCGCC,AGCCGCC是GCC-box的核心序列。张海文等的研究表明,某些ERF(Ethyleneresponsivefactor)蛋白可与GCC-box互作参与乙烯应答的多种防卫反应。ERF转录因子是AP2/EREBP的一个子家族,对植物来说是特有的。该类转录因子在拟南芥中有124个成员,每个成员均含有一个由58-59个氨基酸残基构成的保守区域可以和GCC-box结合,参与非生物胁迫反应。JERF3是一种乙烯应答结合蛋白,Wu等对JERF3的研究表明,JERF3与GCC-box结合后可以提高烟草在种子萌发和幼苗生长过程中对干旱、低温和渗透胁迫的抗性。6wrky基因启动子1996年,SylviadePater等在研究拟南芥的转录激活剂时发现了W-box即(T)(T)TGAC(C/T)序列,TGAC是该序列的核心保守序列。W-Box主要位于抗病相关基因的启动子区域,而且数量有1个至多个不等,它们的位置相近,呈同向或者回文结构排列。Meier等研究发现,拟南芥AtPNP-A基因启动子中含有W-box,受水杨酸(salicylicacid,SA)的间接调控,提高水杨酸浓度,可以增强植物对非生物胁迫的抗性。GolS(galactinolsynthase)基因受干旱和ABA诱导表达,Wang等研究发现,在复苏植物旋蒴苣苔BhGolS1基因启动子上有4个W-box与WRKY基因一起参与植物的脱水胁迫。WRKY蛋白专一识别W-box序列,WRKY是一类在植物中起特异作用的转录调控因子,植物WRKY转录因子在生物和非生物胁迫中起重要作用。1994年,Ishiguro等最早在甜薯中发现WRKY转录因子,随后在多种植物中陆续发现了大量的WRKY转录因子。ABO3是一种WRKY转录因子,ABO3可以与拟南芥ABF2基因启动子上的W-box结合,应答ABA和干旱胁迫。从葡萄藤提取到一类WRKY类转录因子VvWRKY11,通过酵母单杂交试验发现,VvWRKY11蛋白也可以与W-box结合。转基因拟南芥幼苗VvWRKY11过量表达,与野生型植物相比对水胁迫有较高的抗性。7aba基因诱导表达G-box最早是Giuliano等在研究核糖1,5-二磷酸酶小亚基(RBCS)时作为光调控元件发现的,是广泛存在于植物中的顺式作用元件,其共有序列为[C/G/T]ACGTGG[C/G],核心序列为CACGTG。有研究表明G-box参与ABA诱导表达调控。在大麦HVA22基因和Lea(lateembrogenesisabundant)基因启动子中,G-box的核心序列ACGT分别和其他调控序列(CE1和CE3)组成ABA应答复合体(abscisicacidreponsecomplex,ABRc),调控这些基因对ABA的诱导表达。识别并结合G-box的转录因子——G-box结合蛋白(GBF)广泛存在于植物界中。OsABI5是水稻体内的bZIP类转录因子,Zou等研究发现OsABI5基因的表达受ABA和高盐诱导,干旱和低温(4℃)会抑制该基因的表达。OsABI5和G-box元件结合会提高植物对高盐的抗性。Ko等从烟草中分离得到一种bHLH(helix-loop-helix)基因——NtbHLH,通过RNA印迹发现,NtbHLH的表达受到水淹胁迫的诱导,低温、热激和干旱会降低NtbHLH基因的表达;通过凝胶迁移分析和化学交联试验发现NtbHLH以同源二聚体的形式特异地与G-box结合。8nac转录因子在矮牵牛NAM基因、拟南芥ATAF1/2和CUC2基因编码蛋白的N端包含一段保守的氨基酸序列,取3基因首字母命名该段保守的氨基酸序列为NAC。Tran等通过酵母单杂交试验,以拟南芥erd1基因启动子上一段63bp区域为诱饵,筛选出3个NAC转录因子:ANAC019,ANAC055和ANAC072。原核表达和凝胶迁移分析发现这3个NAC蛋白特异地与erd1启动子上的CATGTG序列结合。