低温胁迫下CBF转录因子在植物中的重要作用精.docx

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低温胁迫下CBF转录因子在植物中的重要作用精

2008年5月第21卷第3期

黑龙江生态工程职业学院学报

JournalofHeilongjiangVocationalInstituteofEcologicalEngineering

May2008Vol.21No.3

低温胁迫下CBF转录因子在植物中的重要作用

刘　颖　陈雅君3　王　巍　梁　敏

（东北农业大学,哈尔滨150030

　　摘　要:

综述了低温胁迫下CBF转录因子家族成员的发现和研究进展情况,并对该基因在低温胁迫下的表达与调控以及在相关植物上发现的类似基因进行了阐述,对CBF基因在提高植物抗冻性等生产实际问题方面的应用,指出了研究方向。

关键词:

CBF基因;低温胁迫;转录因子

中图分类号:

Q943.2　　　文献标志码:

A

　　温度是一个重要的环境因子,它在很大程度上影响了植物的生长、生存及其分布。

植物经过非冻低温作用后,抗冻性增强,这种现象称为冷驯化（coldacclimation,CA[7]植物的这种冷驯化机制,上世纪80年代就已产生了许多关于冷驯化的观点,这些观点包括:

耐寒性提高是由多基因控制;植物细胞及组织的冷损伤是由于冰的形成而使细胞脱水造成;细胞膜系统是冰冻损伤的主要位点等。

1985年,Guy首次提出:

植物低温驯化过程中基因表达发生了变化。

随后的数十年中,随着植物抗寒分子机制的飞速发展,

　　收稿日期:

2007-12-17

作者简介:

刘颖（-,,,,从。

下,主要通过两种途径诱导多基因表达。

一种是,依赖ABA（脱落酸途径的活性表达;另一种是在ABA基因缺失突变体,或在ABA敏感型突变体中,CBF结合到CRT/DRE基因序列上,诱导

抗寒性[3]。

CRT/DRE（C—repeat—elementDNA调控元件结合,激活（或脱水诱导基因,从而引起植物体内的多种生理生化变化,并产生一定的抗寒能力[2]。

CBF基因家族包括CBF1、CBF2、CBF3和CBF4四个基因[20,19,10]。

3d,经观察得知,1功能叶片多1.0~1.5片叶,单位叶面积大,光合效率高,灌浆速度加快,两个品种稀植后都能够安全成熟。

2.4　不同插秧密度对穗粒数的影响

随着插秧穴距的增加,穗粒数明显增加,同时品种间穗粒数也存在差异,垦稻12品种更适合稀植。

2.5　不同插秧密度对产量因素的影响

从表1可以看出,单位面积穗数、每穗粒数、结实率和千粒重等产量因素之间都存在着对立又统一的关系,在密度合理的条件下,这些因素相互协调,反之则处于相互制约状态。

密度对千粒重影响较小,对每穗粒数表现显著的负相关,越稀植,每穗的粒数越多,空秕率也随之提高,结实率随之降低,但成粒数多,空育131稀植处理2—5每穗粒数比处理1分别多4.4、8.5、14.2、16.5粒,垦12稀植处理2—5每穗粒数比处理1分别多4.0、8.2、15.1、16.4粒,这主要是稀植后协调了个体与群体之间的关系,水稻个体生长得到充分发展,根系发达,茎杆粗壮,干物质积累多,所以穗大成粒多,在肥水管理水平较高的情况下,稀植同样能获得高产。

2.6　不同插秧密度的费用支出

随穴距的加大,单位面积投入随之减少,处理2—5分别比处理1减少投入22.0元、18.5元、15.0元、6.0元,稀植后,虽然产量差异不显著,但减少了劳动量,降低了生产成本,最终获得较好的效益。

3　结论

（1稀植条件下,穗大结实率降低,但产量并没降低,如果稀植采取相应的措施,不降低结实率,可提高产量。

（2水稻稀植主要是靠分蘖穗增加产量,只有发挥每株有效分蘖作用,才能达到高产,培育壮苗及移栽后15~20d的秧苗管理是中晚熟品种稀植,特别超稀植成功与否的关键,稍有疏忽就会推迟分蘖或减少分蘖,无法确保收获穗数,所以必须壮秧早插,浅插,防止药害,合理配方施肥,提高管理水平,促进早分蘖。

（3不同栽培密度之间随着穴距的增加有增产作用,稀植处理3、处理4产量比处理1高7.0~13.5kg/666.7m2,其他处理与处理1差异不大,在我地区空育131以30cm×13cm为宜,垦12以30cm×（16.5-20cm插秧密度为宜。

（4稀植后群体叶面积适当,功能叶片可达3.5~4.0片叶,后期功能叶片衰老缓慢,光合效率高,光合产物———干物质积累多,生育期虽然延长2~3d,但灌浆速度快,空育131、垦稻12两个品种稀植都能安全成熟。

（5稀植后单位面积穗数相应减少,协调了个体与群体之间的矛盾,群体质量好,茎秆粗壮,穗大成粒多,增强了抗病性（特别是纹枯病,从而获得高产。

（6稀植可降低生产成本,增加经济效益,缓解插秧季节劳动力紧张的矛盾,提高劳动效率,节省秧苗30%~50%,可增收14~42元/667m2。

（7插秧密度还与水情、施肥量、土壤肥力、秧苗素质、插秧早晚有关,所以在确定具体田块插秧密度应考虑综合因素。

责任编辑:

郭兴顺—54—

1　CBF基因

Yamaguchi-Shinozaki和Shinozaki[8]以拟南芥为研究对象,从rd29A基因的启动子中鉴定出一个9bp（TACCGACAT的DNA调控元件DRE（dehydration-responsive-element。

同年,从cor15a基因的启动子中又鉴定出另一调控元件CRT（C-repeat,TGGCCGAC[12]。

这两个元件均含有CCGAC核心序列,即通称为DRE/CRT元件。

CRT/DRE是高等植物中抗寒/抗旱基因的一种顺式作用因子,位于COR（cold-regu2lated基因的启动子区域。

1997年,Stockinger等采用酵母单杂（yeastone-hybrid方法从拟南芥中分离出一个cDNA,其编码产物能与CRT/DRE特异结合,且在酵母系统中可激活含有CRT/DRE作为上游激活子序列的报告基因的转录。

所以,此蛋白具有转录激活因子的作用,被命名为CRT/DRE结合因子CBF1。

Southern杂交结果表明,CBF1是一个单拷贝或低拷贝数基因,以包含CBF1编码区的片段作为探针,从拟南芥文库中又筛选获得CBF2和CBF3基因[8,15]。

与此同时,在独立进行的另一研究中,Liu[12]等从低温处理的拟南芥CDNA文库中克隆了3个与DRE元件结合,在低温胁迫下调控报告基因GUS表达的转录因子,命名为DREB1A、DREB1B、DREB1C。

2002年Haake等又发现了这个家族中的第4个成员CBF4。

研究表明CBF1、CBF3、CBF2紧密连锁,依次排列在拟南芥4号染色体的短臂上[8]而CBF4定位在5号染色体上[21]。

序列分析表明,CBF基因家族中的4个成员其基因阅读框架中都不含有内含子,其中CBF1包含642个核苷酸,CBF2和CBF3各含有651个核苷酸,3个可读框的核苷酸高度同源,其对CBF:

CBF1、CBF2、CBF3蛋白有88%的氨基似91%。

CBF2、CBF3基因能编码

224个氨基酸,它与其他,

同[15]。

2　低温胁迫下

CBF基因在植物抗寒中的相互作用。

实验表明在常温生长下,植物体内的CBF基因几乎不表达,检测不到其转录物的存在。

而将拟南芥植株移至低温环境下,CBF基因的转录水平在15min内明显提高,在接下来的1~2h内持续提高,2h后开始下降,但在24h内仍比常温下生长的植株中的水平要高。

与拟南芥的情况相同的,油菜、小麦、黑麦和番茄中类似CBF基因的转录也在低温胁迫后15~30min内快速提高,几小时内达到最高,随后开始下降[13]。

CBF基因家族中的前3种不受ABA诱导,同时不涉及自身诱导表达。

依据低温胁迫下CBF转录物迅速积累、CBF调控转录水平以及CBF能介导转基因植株中GUS报道基因的低温诱导表达等研究结果,推出了一种调控模型[9],在该模型中常温下植物体内存在有一种转录因子,该转录因子能识别CBF并在低温反应中被一条也是常温下存在的信号转导途径所激活。

由于CBF基因的冷诱导表达不受自身调节,所以这一转录因子可能不是CBF本身,推测的转录因子称为CBF表达诱导物（inducerofCBFexpression,ICE。

2003年,Chinnusamy等首次分离到ICE1基因。

ICE是在低温时诱导CBF家族表达的转录激活因子,它在低温时能特定地结合到CBF的启动子序列上,诱导CBF的表达,而后CBF结合到其下游目的基因启动子的DRE序列上,诱导COR的表达,从而提高植株的抗冻性[16]。

Gilmour等对上述模型的重要扩展是ICE不仅调控CBF基因的转录,而且还可能诱导在植物冷驯化中起作用的其他基因（X的表达。

在对模式植物拟南芥CBFs研究中,通过分析CBF2基因的序列,发现其中有2个片段与低温胁迫下表达有关,这2个区域为ICEr1（inductionofCBFexpressionregion1和IC2Er2（inductionofCBFexpressionregion2。

通过分析推测IC2Er1和ICEr2可能是调节CBF/DREB1表达的2个顺式作用元件,然后CBF/DREB转录因子结合于DRE/CRT元件,调节下游基因的表达。

这2个元件对非生物胁迫下的基因级联表达是十分重要的[24,22]。

Novillo等[17]发现冷诱导后的CBF2植株比对照植株抵御寒冷、抗旱和耐盐碱的能力更高,而且CBF2植株中CBF1和CBF3的表达量也相应提高。

同时还发现CBF1和CBF3的表达要先于CBF2,三者之间的相互作用,保证了表达调控的瞬时性和严格性。

同时能确保表达量而正常诱导下游基因的表达,使拟南芥抵抗寒冷和相关胁迫的能力提高。

COR基因是冷诱导基因,它的启动子区域含有五个碱基核心序列CCGAC的脱水反应元件DRE（dehydration-respon2siveelement,DRE能在低温胁迫时激活COR基因的表达。

CBF可以特异识别启动子内部含CRT/DRE元件的冷诱导基因,例如COR15a和COR78/RD29a等。

除此之外,从其他植物受干旱和低温调控的基因启动子中,也鉴定出CRT/DRE核心序列元件存在,如大麦Dhn基[5]、油菜BNll5基因[12]、玉米RAB17基因[4]基因[18]等。

这些CBF。

目前,40DREB/CBF,它们的蛋,而这可能是转基因植物[2。

3CBF类似基因

年,Weiser提出低温锻炼可能改变基因表达的设想。

Guy等[2]首次证实在低温锻炼中菠菜基因表达发生改变。

目前,大量的研究已经证实,低温可以诱发许多抗冻基因表达,并且已经从拟南芥、油菜、苜蓿、菠菜、马铃薯、小麦、大麦、黑麦等植物中鉴定出大量冷诱导基因[1],例如:

拟南芥的cor基因,又称为lti或rd或kin基因,其中研究较多的是Cor15cor6.6,cor78,cor47;油菜的BN28和BN15,这两个基因分别与拟南芥的cor6.6和cor15是同源基因;苜蓿的cas18和cas15;菠菜的cap基因;马铃薯的pA13（Zhuetal,1993;小麦的cor39,wcs120和wcs200;大麦的HVA1,PT59,pA086,BLT14（Dunnetal,1990,BLT4等。

Zhou等[23]从油菜中克隆出一个DRE结合蛋白的编码基因,其可读框中含有645个核苷酸。

Jaglo等[13]用PCR产生的探针筛选油菜cDNA文库,又鉴定出两个编码不同类似CBF蛋白的cDNA克隆。

这两种类似CBF蛋白的氨基酸序列有92%一致,与拟南芥CBF1的序列大约76%相同,而且同源性遍及整个蛋白。

冷敏植物番茄和玉米也存在CBF类似基因。

在番茄表达序列标签数据库中发现了CBF的同源序列,从番茄CBF类似基因DNA序列推测的氨基酸序列与拟南芥CBF1有53%的同源性[13,11]。

Burren等和Qin等报道在玉米基因组中存在一个拟南芥CBF1类似基因,且定位在玉米6号染色体上[8]。

4　展望

在植物生长发育中温度是及其重要的因素,纵观全球农作物发展趋势来看,由于低温所造成的灾害,比比皆是,因此培育耐低温品种和改良现有的作物品种对保持粮食生产与世界人口的同步增长具有重要意义;除此之外在生产和生活等诸多方面,对于增强植物在低温胁迫下的耐受性,都有着同样举足轻重的作用。

植物的耐逆性属于复杂的数量性状,是多种耐逆机制共同作用的结果。

用单一的功能基因转化

—64—

植物,后代虽然也能表现出耐冷性、耐旱性或耐盐性等特性,但效果并不十分理想。

因此在寒冷驯化过程中,更多的转录因子参加,已成为植物抗寒基因工程的首选目标。

CBF基因的发现为改良植物耐逆性提供了一种全新的技术途径。

如上所述,CBF是一类受低温特异诱导的反式作用因子,它们能与CRT/DREDNA调控元件特异结合,促进多个冷诱导和脱水诱导基因的表达,从而激活植物体内的多种耐逆机制。

许多植物中均存在有潜在的CBF同源基因[1],研究CBF在这些作物中家族成员数量,不同CBF基因间如何相互作用以及与冷、干旱等逆境的关系,CBF启动子区域有哪些基元和核心序列等方面开展研究将对实际生产有现实指导意义。

这些表明,CBF技术在各种大田作物和园艺植物耐逆性的综合改良中具有广泛的应用前景和极大的利用价值。

目前,这方面的转基因研究国内外已在开展之中。

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