植物诱导型启动子及相关顺式作用元件研究进展.docx

1、植物诱导型启动子及相关顺式作用元件研究进展植物诱导型启动子及相关顺式作用元件研究进展李濯雪1陈信波1，2【摘 要】启动子是基因表达调控的重要元件，而启动子能正确调控基因的表达需要核心启动子以及上下游的顺式作用元件协同作用。诱导型启动子的应用减少了外源基因表达时产生的大量异源蛋白等代谢产物的积累和植物能量的浪费。综合近几年关于诱导型启动子的研究，从其启动子的结构及功能、分类、应用及相关顺式作用元件等方面进行概述，提出了在研究过程中存在的问题及展望。【期刊名称】生物技术通报【年(卷),期】2015(000)010【总页数】8【关键词】启动子；顺式作用元件；诱导型启动子植物体因无法通过移动来逃避危害

2、，因此植物通过增强自己的防御体制，如耐逆性等一系列的调控网络来调控自身的生长发育和抵抗外界不良环境。高等植物的基因表达调控主要是在转录水平上进行的，受到多种顺式作用元件和反式作用因子的相互协调作用。启动子作为调控基因表达的调控序列，它能被RNA聚合酶识别并与之结合，使其具有起始特异性转录的性质，并决定转录的方向和效率，是理解基因转录调控机制和表达模式的关键。诱导型启动子，它是受到诱导条件刺激下能大幅度快速调控转录活性的启动子。可以快速调控诱导基因的表达，当植物发育到特定阶段或在特定的生长环境与组织器官中接收诱导信号，调控目的基因表达；同样也可以在胁迫信号消失时停止目的基因的表达。研究顺式作用元

3、件及转录因子既可以从分子水平探讨胁迫诱导基因表达的机制，又可以为利用启动子进行作物遗传改良提供新的策略。根据逆境胁迫的不同，如干旱、高温、低温、损伤和病虫害等分为非生物胁迫诱导型启动子和生物胁迫诱导型启动子。1 植物非生物胁迫诱导型启动子非生物胁迫诱导启动子的研究主要为高温、干旱、低温和高盐等逆境胁迫型启动子，这类启动子对于植物体遭受恶劣环境时，继续维持其生长发育，增强逆境适应性起到重要作用。诱导型启动子的应用减少了外源基因表达时产生的异源蛋白等代谢产物的积累和植物能量的浪费，从而稳定植物的代谢平衡。而重复使用相同启动子驱动多个外源基因可能引起的基因沉默或共抑制现象也随着更有效的诱导型启动子被

4、找到而逐步解决。Li等1利用诱导型启动子RD29A和组成型启动子CaMV35S分别启动外源基因TaEXPB23在烟草中进行表达，发现组成型启动子表达外源基因时，转基因植株的生长和发育异常，幼苗期生长速度过快，花期提前和植株变矮等，相比之下诱导型启动子可以更大限度地减少外源基因表达的负面影响并加强了植物对水分胁迫的耐受性。1.1 光诱导型启动子光调控基因主要包括与光合作用和光形态发生作用有关的基因，而这些基因大部分是通过光诱导型启动子来转录调控。常见的光诱导启动子如植物捕光叶绿素a/b蛋白复合体基因（cab）启动子、核酮糖二磷酸羧化酶小亚基（rbcS）基因启动子、丙酮酸正磷酸双激酶（PPDK）启

5、动子，同时这些启动子也具有绿色组织特异性。王奇峰等18分别用光诱导型启动子（PrbcS）和组成型启动子（CaMV 35S）驱动柠檬酸合酶基因（cs）在转基因烟草中过量表达，结果表明诱导型启动子控制cs基因的过量表达能更有效地增加转基因烟草中酶活性及叶片中柠檬酸的合成量。瞿韵等4对ST-LS1启动子功能分析发现STLS1启动子为马铃薯光诱导型茎叶特异表达启动子，并含有大量光效应顺式作用元件G-box、GT-1、Box和-box等。光诱导型启动子一般都具有光反应元件区域，包含大量光调控元件并通过特殊组合方式来共同调控基因的表达，但这些光调控元件大部分也存在于其他非光诱导启动子中。如G-box是植物

6、中广泛存在的顺式作用元件且需要和其他光调控原件相互作用才能起到光调节的作用。黄海群等19克隆水稻日本晴rbcS基因的启动子，命名为Posrbcs。在进行其启动子片段缺失分析时发现，I box、T box、GATAbox 等相关光应答元件的缺失会造成在不同时期光诱导活性的降低及表达时间后移。1.2 干旱诱导型启动子拟南芥RD29A启动子是干旱诱导型启动子中的典型代表，Bihmidine等20在脱水情况下验证了RD29A与RD29B基因启动子的活性明显增强，从而推测RD29类启动子将被应用为抗旱型启动子。利用RD29A启动子调控DREB1基因的表达已被应用到多种作物中，如烟草21、菊花22、马铃薯

7、23、花生24、大豆25、小麦26和水稻27。Nakashima等8通过基因芯片表达分析选择了6种水稻干旱诱导基因的启动子进行研究，筛选出在正常水平下表达水平比其他启动子表达水平低，受干旱和高盐度胁迫后它的表达量明显增加但无生长缺陷的Oshox24启动子。这类启动子的应用既可在逆境胁迫条件下启动外源抗逆基因表达，又可避免外源抗逆基因过量表达引起的生长缺陷等不良反应。在某些特殊情况下，受干旱调节的基因的表达分为脱落酸依赖性和不依赖，因此大部分干旱诱导型启动子同时也受ABA信号诱导，通常含有1个或多个ABRE元件。如水稻LIP9、OsNAC6、OsLEA14a、OsRAB16D和OsLEA3-1基

8、因启动子8，拟南芥RD29A启动子20和向日葵HAHB4启动子28等。研究表明，抗旱基因启动子一般含有以下若干顺式作用元件如DRE /CRT 元件、MYB 元件、MYC元和ABREs 元件。刘习文等3对海马齿SpSCL1基因的序列进行分析后发现其含有脱水响应元件CBFHV和MYB2CONSENSUSAT，它们分别是脱水应答元件结合蛋白CBF1、CBF2的结合位点和MYB转录因子特异识别序列。1.3 温度诱导型启动子植物与大多真核生物一样，包含有许多热激基因，如HSP100、HSP90和HSP70等。这类热激蛋白基因的启动子都含有热激元件HSE、CCAAT-box、AT-rich等。Khuran

9、a等29在研究小分子热激蛋白sHSP26启动子中发现CCAAT-box和HSEs热激元件在表达调控中起到决定性作用。热激响应调控相关的转录因子家族主要包括bZIP、WRKY、NAC、C2H2、MYB、MADS、bHLH和AP2/ERF家族。Rerksiri30通过对6个显著高温诱导表达基因分析发现水稻穗中的热响应调控基因主要涉及转录因子、蛋白质修饰和降解、植物激素响应因子、受体激酶及钙相关蛋白质等，并得到具有显著高温诱导特性的OsHsfB2c和PM19启动子。Li等1发现cor15b基因启动子比cor15a基因启动子能更显著提高抗逆基因的表达活性，通过构建缺失表达载体分析得出启动子激活抗逆基因

10、表达活性不但与其含有的顺式作用元件种类有关，也与其数量有关。Kovalchuk等31发现来自水稻WRKY71基因的低温诱导型启动子不但能提高植物的抗寒性，还能在表达外源基因时不会像组成型启动子形成营养生长阶段迟缓、花期延后等表型，从而采用低温诱导型启动子能在一定程度上降低不利影响。1.4 盐诱导型启动子植物抵御盐胁迫的有效策略之一是利用钠离子在液泡膜上的移动来达到。Yi等32发现水稻诱导型启动子Wsi18在高盐诱导条件下能在叶和根部特异表达，没有诱导的情况下启动子活性较低，但同时也能被干旱和ABA诱导。吴炳江等33利用生物信息学方法分析了拟南芥盐胁迫响应基因的启动子并发现了10个保守元件，主要

11、是大量分布于盐胁迫上调基因启动子中的G-box元件和类似于ABRE元件和DRE元件，还有2个有可能是新的盐胁迫响应元件。TsVP1基因启动子为典型的盐胁迫启动子，其中含有顺式作用元件G-box、CGCTA-box、box-III和TC-rich element长约130 bp的区域（-667至-538）被确定为盐胁迫响应重点区域15。干旱逆境发生时往往伴随高盐逆境胁迫，所以大部分干旱胁迫启动子也同时具有盐胁迫诱导，如RD29A、OsLEA3-1等启动子。Zhou等34利用RD29A调控DREB基因PeDREB2a在拟南芥中表达，过表达情况下转基因植株在干旱和盐胁迫中表现出耐受性增强，并且根长和

12、株高都有增加。OsNCED3诱导型启动子是参与ABA合成的重要基因启动子，它在干旱和高盐胁迫条件下活性明显上升35。1.5 激素诱导型启动子激素诱导型启动子主要有生长素诱导启动子、赤霉素诱导启动子、脱落酸诱导启动子、乙烯诱导启动子、水杨酸诱导启动子和甲基茉莉酮酸诱导启动子等。对植物激素诱导启动子的研究，有助于进一步了解植物的生长发育过程中植物激素作用的机制。Walcher等36对拟南芥中的SAUR15基因启动子进行缺失及定点突变实验，鉴定出该启动子中有与应答生长素和油菜素内酯激素相关的两个元件，受到上述激素的诱导。种子或果实特异性启动子大部分也受激素的诱导，如麻风树的种子特异性启动子JcMFT

13、1受脱落酸诱导，这可能是由于其含有ABA应答元件、G-box和RYrepeat等元件10。草莓的果实特异性启动子FaXTH1和FaXTH2基因启动子在赤霉酸和脱落酸诱导条件下表达量显著上升，乙烯处理后则表达量减少13。除了生殖器官特异型启动子外，运输系统相关的特异性启动子也同样受激素的诱导。以维管组织特异型启动子Athspr启动子为例，序列分析发现Athspr启动子含有一系列激素响应元件，如GA响应元件WRKY71OS、生长素响应元件NTBBF1ARROLB motif和细胞分裂素响应元件ARR1AT motif，通过GUS定量分析其对植物激素和光都有响应14。上述研究证明，诱导型启动子并不仅

14、仅受到一种因素的诱导，通常是多种诱导因素共同发挥作用。Tao等2利用一个富含亮氨酸重复序列（NBS-LRR）基因ZmRXO1的启动子PZmRXO1启动下游报告基因GUS在烟草中表达发现，在激素（茉莉酸甲酯、GA、ABA），干旱和低温的条件下，Gus表达水平提高。同年，Prabu等37克隆了甘蔗逆境胁迫相关MYB转录因子基因的启动子PScMYBAS1，通过实验发现该启动子受到许多因素的诱导，包括干旱、低温、高盐及水杨酸等。2 植物生物因素诱导型启动子除了干旱、温度、水分等环境因素可对植物造成很大的生理影响外，病虫害也是严重影响植物正常生长并造成作物产量减产的重要因素。在长期的进化过程中，植物对于

15、病虫害也形成了一定的防御机制。Xu等12在中国华东野生葡萄中克隆了一个受白粉病和赤星病诱导表达的VpSTS诱导型启动子，通过序列分析发现该启动子含有Box-W1、TC-rich repeat element、ABRE、MBS和LTR等特殊元件。植物蛋白酶抑制剂是抵抗动物摄食和病原侵染的重要防御蛋白，以玉米叶片组织的cDNA 为模板，采用克隆测序技术获得Wip1启动子序列和该基因的cDNA序列。玉米Wip1特异地受机械伤害诱导表达。而Wip1启动子是一种有效的伤害诱导特异性启动子38。为提高柑橘的抗病性，Zou等39将3种病原体诱导型启动子PPP1、hsr203J（烟草）和gst1（马铃薯）启动

16、GUS基因表达发现，在柑橘中外源性启动子hsr203J未被激活，gst1则在正常条件下保持较高活性，而PPP1不但背景活性低，而且能快速的诱导激活。可见，有些外源诱导型启动子在转基因植株中驱动外源基因时并不一定能诱导高效表达。3 人工特异性启动子人工启动子为转录活性的定向调节提供了一个有效的手段，并且能通过对顺式调控元件的改造和重新组合来实现人工合成启动子的定向高效表达调控。目前，构建人工启动子最常用的两个方法是核心启动子顺式元件上游的组合和单向启动子的双向结合。如Ganguly等40将4个重复的ABRE脱落酸响应元件和两个ABRE脱落酸响应元件串联构建的人工启动子与GUS报告基因结合转化植株

17、发现，GUS基因的表达受高盐和脱落酸的诱导而表现出不同表达量。Romer等41将来自不同植物启动子的顺式元件组合形成一个新型人工启动子，并且每个顺式元件在启动子中仍然保持其特有响应特性，研究结果表明所构建的人工启动子能够识别来自不同病原菌的多种响应因子。双向启动子能够在不同方向上启动基因表达，因此大多将其两端融合两个或多个基因进行转基因研究，从而增强基因表达，提高转基因效率。4 结语对启动子结构、功能和作用机制的深入研究对于了解基因调控模式和信号传递途径、深入了解植物的自身生长机制和外界环境影响等的调控模式具有重要的意义。植物基因工程的发展需要构建更适合的表达载体以在转植株中精确表达外源基因。

18、由于对天然启动子序列的分析及作用的研究还不够深入，导致其在应用中具有不确定性。同时在诱导因子和特异性等方面也存在局限性。相对人工特异性启动子而言可根据不同目的自由构建，有可能达到诱导因子广、本底活性低、表达强度高、启动表达快等特点。在未来的研究中对于新的启动子的克隆、顺式作用元件序列和作用的确定、各元件之间以及与这些元件互作的转录因子之间相互作用的研究仍然是重点。而人工启动子定向调控转录活性为启动子的研究提供了新思路，从而开启了设计启动子的新领域。参 考 文 献：1Li F， Han YY， Feng Y， et al. Expression of wheat expansin driven

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