植物在渗透胁迫下的基因表达及信号传递

1、专论植物在渗透胁迫下的基因表达及信号传递舒卫国陈受宜(中国科学院遗传所, 北京100101渗透胁迫是指由于环境因素的变化使植物不能得到充足水分的一种状况。常见的渗透胁迫因素有干旱、盐害及冻害等。渗透胁迫会严重影响植物的生长发育及产量。植物在长期的进化过程中形成了一些保护机制能减轻渗透胁迫造成的伤害。比如有些植物在形态上演化生成盐腺, 能排出体内的过量盐分以逃避盐害。但在渗透胁迫下几乎所有的植物上, 了改变, , , 还有一些基因则由不表达状态变为表达状态。我们将这类基因统称为渗透胁迫应答基因。1渗透胁迫应答基因在过去的十几年中克隆了一批渗透胁迫应答基因, 根据这些基因在渗透调节中可能起的作用,

2、 分类综述如下:111渗透调节剂合成基因指参与植物细胞内渗透调节的小分子有机化合物, 如甜菜碱, 脯氨酸等生物合成中涉及的基因。在植物体内甜菜碱是由胆碱经胆碱单氧化物酶(CMO 和甜菜碱醛脱氢酶(BADH 两步催化完成的。催化这两步反应的酶已分别被克隆并已证实其表达是受盐诱导的(肖岗等,1995; Rathinasabapathi 等,1997 。最近菠菜BADH 基因组序列已测定完成(舒卫国等,1998 。植物脯氨酸的合成也是由两种酶催化完成的。这两种酶, 2二氢吡咯25羧化合成酶和2二氢吡咯252羧化还原酶, 也已被克隆并证实其表达是受盐诱导的(Hu 等,1992; Delauney 和V

3、erma ,1990 。这类基因参与了植物细胞的渗透调节。通过转基因研究已证实这类基因在提高植物抗渗透胁迫方面有一定作用(刘风华等,1997, 郭岩等, 1997 。二甲基磺基丙酸(DMSP 是一种存在于某些高等植物及海藻中的小分子调渗物质, 在结构上与甜菜碱非常相似。最近高等植物中DMSP 生物合成途径的一些环节已被阐明, 值得注意的是催化DM 2SP 合成最后一步反应的酶二甲基磺基丙醛脱氢酶(DDH 在许多方面和BADH 非常相似, 包括亚基大小、免疫沉淀反应及酶促反应中的相互竞争抑制。DDH 至仍未被分离, 很可能就是BADH (1EA 因编码合成L EA (late embryogen

4、esisabundant 蛋白并在种子形成过程中高度表达。L EA 基因的表达是受盐, 干旱等胁迫因素诱导的,而且大多数L EA 基因也受ABA 诱导。由于L EA 基因在种子成熟过程中的脱水状态下高度表达, 人们推测该类基因对种子细胞的保护起一定作用, 此外对水分保持, 维持离子平衡可能也有一定作用, 但仍需进一步研究证实。113膜转运蛋白编码基因一些膜转运蛋白编码基因的表达是受盐诱导的, 如质膜及液泡膜上的A TP 酶编码基因。在盐胁迫下, 质膜A TP 酶能排出细胞内的有毒离子, 如Na +。而液泡膜A TP 酶则能使Na +进入液泡内而形成一种分室效应, 降低胞质中的Na +浓度, 减

5、轻其对细胞造成的毒害。研究还发现一些渗透胁迫应答基因编码水通道蛋白。水通道蛋白是一类膜蛋白, 分子量约2629kDa , 这类蛋白形成水分运输的特异性通道, 能增加细胞膜对水分的通透性, 被称为“aquaporins ”。水通道蛋白属于M IP (major intrinsic protein 家族成员。所有的M IP 蛋白在结构上均有6个跨膜的结构域, 其羧基端及氨基端位于细胞质一侧。水通道蛋白广泛存在于动物、植物及细菌中。很早以前人们就发现哺乳动物中的某些特殊的细胞类型, 如红细胞、肾小管细胞等对水分子的通透性特别高。因此提出动物中的此类细胞其细胞膜上可能存在由蛋白质形成的小孔, 能增加这

6、些细胞对水分的通透性。Preston 等(1992 首先在红细胞及肾小管细胞中鉴3 定出一种28kDa 蛋白质(HIP28 , 其物理特性与一些膜蛋白非常相近。随后克隆了该蛋白编码基因, 发现其结构中存在6个跨膜结构域。为进一步鉴定CHIP28蛋白的功能, CHIP28RNA 表达载体注入非洲爪蟾卵细胞, 发现注射24小时后检测到28kDa 蛋白, 在72小时后该蛋白的含量达到最高峰。水通透性实验表明注射CHIP28RNA 后, 非洲爪蟾卵细胞体积增大至113115倍, 之后在5分钟内破裂, 而注射反义RNA 载体则无此现象。生化研究表明, HgCl 2是一类水通道蛋白的抑制剂。在HgCl 2

7、存在的条件下, 生物膜中水通道蛋白的活性被抑制; 去除HgCl 2后, 这种抑制作用随之消失; 然而水分通过生物膜的自由扩散运动不受HgCl 2影响。注射CHIP28RNA 使非洲爪蟾卵细胞体积增大的这一现象能被HgCl 2抑制。此实验进一步证实CHIP28是动物细胞中的一类水通道蛋白。现了多种水通道蛋白, :究。Johnson 等(1992 发现液泡膜上的TIP 蛋白能被液泡膜的蛋白激酶磷酸化, 而且这种磷酸化作用依赖于Ca 2+。这一结果说明水通道蛋白的活性可能与蛋白磷酸化过程有关。Johansson 等(1998 从菠菜叶片中克隆了一个质膜蛋白PM28A , 非洲爪蟾卵细胞膨胀实验证明P

8、M28A 是一种水通道蛋白。质膜蛋白激酶能将该蛋白第274氨基酸位置上的丝氨酸磷酸化, 此磷酸化作用也依赖于Ca 2+。进一步的研究证明PM28A 水通道蛋白的活性受这种磷酸化作用调节。水通道蛋白的活性与细胞膜对水的通道性密切相关, 但目前对水通道蛋白在植物渗透胁迫中的意义所知尚少。114调控蛋白编码基因一些渗透胁迫应答基因与某些确证的信号传递蛋白及转录因子如磷酯酰肌醇酯酶C (PI -PLC , 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、分裂素激活蛋白(MAP 激酶及M Y B 转录因子的编码基因在序列上有较高的同源性, 从而推断这些渗透胁迫应答基因可能编码调控蛋白。它们可能参与植物在渗透胁迫下的信号传递及基

9、因表达调控。115osmotin 及致病相关蛋白(PR 基因osmotin 最初是在盐处理的烟草细胞中鉴定出来的。在一些文献中常将其归为一类致病相关蛋白(PR 。在烟草中发现至少有三类osmotin 蛋白, 分别分布在液泡、胞质和胞外间质中(LaRosa 等, 1992 。除受渗透胁迫诱导之外,osmotin 基因的表达还受真菌及病毒病原菌的诱导(LaRosa 等, 1992 。转基因研究证明osmotin 蛋白在植物的抗病方面有一定作用。除osmotin 之外, 还有一些PR 蛋白, 如几丁质酶与植物抗病有关, 但它们的基因表达也是受渗透胁迫诱导的。116热激蛋白基因热激蛋白是热激下在细胞内

10、积累的一类蛋白。目前在细菌、真菌、动物及植物中都已发现这类蛋白, 而且其序列是高度保守的。热激蛋白基因的表达除受热激诱导外, 还受渗透胁迫诱导(Almoguera 和Jordano ,1992 。117参与光合作用的基因渗透胁迫下, C 3转(Cushman 等,1989 。除此之外, 参与CAM 代谢的其它酶, 如NADP 苹果酸酶, 其基因表达也是受渗透胁迫调节的(Cushman 等,1989 。目前尚不清楚这些种基因表达水平变化的意义。118蛋白合成及降解相关基因烟草细胞中参与蛋白质合成的延伸因子1, 在渗透胁迫下含量迅速增加, 表明植物适应渗透胁迫的一种机制可能是保护蛋白合成。一些植物

11、在渗透胁迫下半胱氨酸蛋白酶及泛素(ubiquitin 转录水平升高, 这类蛋白可能参与降解渗透胁迫下细胞内已失活的蛋白。2渗透胁迫应答基因的表达调控211转录水平调控在转录水平上研究渗透胁迫应答基因的表达调控, 主要目的在于鉴定那些与渗透胁迫有关的顺式作用序列及其反式作用因子。目前已发现渗透胁迫应答基因的表达至少与两种信号传递途径有关。21111依赖ABA 的表达调节途径一些渗透胁迫应答基因的表达是受ABA 诱导的。分析这些基因的启动子, 发现了一些保守的ABA 反应元件。Yamaguchi 2Shinozaki 等(1989 对水稻四个rab16基因的启动子序列进行比较发现两个保守的顺式作用

12、元件,motif1(GTACGTGGC 和motif2(CGG /CCGCGCT 。瞬时表达分析表明只有motif1是对ABA 反应的顺式作用因子。与此同时, Marcotte 等(1989 研究大麦ABA 诱导基因Em 启动子, 也发现了两个类似水稻rab16启动子中mo 24ti f 1的保守元件:Emla (CACGTGGC 和Em1b (A 2CACGTGCC 。这类对ABA 反应的元件被称为ABRE , 其保守序列为P Y ACGTGGC 。ABRE 作为一种顺式作用因子参与ABA 调节的基因表达。ABRE 反式作用因子已被分离, 其结构中含有保守的亮氨酸拉链(bZIP 结构。除AB

13、RE 外, 还存在另外一些对ABA 反应的顺式作用元件。受ABA 诱导的玉米C1基因启动子中含有保守元件GGTCGTGTGGTCCA TGCA 2TGCAC , 这是一种不同于ABRE 的ABA 反应元件。Shen 等(1995 研究大麦中受ABA 诱导的HVA22基因时发现,ABRE 元件对ABA 诱导是必需的, 但是高水平的ABA 诱导还需要另外的顺式元件协同作用。其中的一类此元件CE1已鉴定, 其序列为TGCCACCGG 。21112不依赖ABA 的表达调节途径Yamaguchi 2Shinozaki 等(透胁迫及ABA , 的转录有两个高峰期, 分钟出现第一次高峰, 大约3小时后出现第

14、二次高峰。而在相同条件下, 在拟南芥对ABA 不敏感的突变体中RD29A 基因的转录只有第一次高峰。这一结果表明RD29A 基因第一次高水平的转录是受渗透胁迫诱导的结果, 而且这种诱导作用不依赖于ABA 。进一步的研究发现RD29A 基因的启动子中含有一个不依赖于ABA 的9个碱基的顺式作用元件DRE(TACCG ACA T 。最近已相继分离了DRE 反式作用因子CBF1(Stockinger 等,1997 、DREB1、DREB2(Liu 等,1998 , 其结构含AP2结构域。除了DRE 外, 在RD29A 基因启动子中, 同时还存在另一个顺式作用因子, 即依赖于ABA 的ABRE 。Ya

15、maguchi 2Shinozaki 等认为两种顺式作用因子的存在可以解释RD29A 基因诱导表达的两个过程即ABA 合成积累前的快速诱导和ABA 合成后缓慢而强烈的第二次诱导过程。212转录后水平调控转录后水平调节是指以下几个方面:RNA 拼接、加工及转移; mRNA 稳定性及翻译效率; 蛋白质翻译后的修饰、酶活性及蛋白质降解速度。LaRosa 等(1992 发现在所有能诱导osmotin 基因转录的因素中, 包括干旱、盐、乙烯、细胞分裂素、病原菌侵染等, 只有干旱、盐和乙烯能显著地诱导osmotin 蛋白的积累。Cushman 等(1989 也注意到胁迫下烯酸烯醇丙酮酸羧化酶基因转录水平与

16、蛋白积累不一致的情况。这些实例说明一些渗透胁迫应答基因的表达调控也发生在转录后水平。3渗透胁迫信号的识别及传导渗透胁迫会使植物丧失一定的水分并导致细胞膨压降低。这一变化可能会改变植物细胞壁与细胞膜的相互作用, 并引起细胞膜上一些蛋白构象的变化, 从而识别外界环境中的渗透胁迫信号。在大肠杆菌中, 研究发现一种组蛋白激酶EnvZ 可能是最早识别渗透胁迫信号的膜蛋白。渗透胁迫下,EnvZ 在His 位置上自我磷酸化, 从而发生构象改变。磷酸化的EnvZ 通过进一步磷酸化下游Om 2pR 蛋白的Asp 碱基, 将渗透胁迫信号传递至细胞内。活化的OsmpR F 的表达, 从而调节细, 已经较全面地阐明了

17、2种渗透胁迫信号识别及传递途径:SLN1-SSK1-SSK2/SSK2-PBS22HO G 1和SHO1-PBS2-HO G 1(Brewster 等,1993 。这两种信号传递途径共同调节酵母中甘油合成酶基因的表达。SLN1是一种跨膜组蛋白激酶, 能识别渗透胁迫信号, 而SSK1则是一种信号调节蛋白, 它们共同组成信号识别及调节的双组分系统(two 2component system 。SHO1则是一种独立的跨膜信号识别蛋白, 其中的SH3结构域与下游蛋白PBS2中的SH3结合区相互作用, 识别并调节信号的传递。SSK2/SSK22,PBS2和HO G 1则分别相当于MAP 激酶信号传递系统

18、中的MAP KKK ,MAP KK 和MAP K 。近年来有关植物渗透胁迫信号传递途径的研究也取得了一些重要进展。Liu 等(1998 分离了一些拟南芥盐敏感突变体。克隆了突变基因SOS3, 其编码蛋白与酵母中钙调蛋白磷酸酶CNB 亚基在序列上有较高的同源性, 在结构上也含有Ca 2+结合位点EF 手象结构域。拟南芥SOS3突变体K +吸收水平降低, 对盐胁迫极为敏感。在培养基中添加高浓度的Ca 2+可部分抑制该突变体对盐胁迫的敏感性。研究认为Ca 2+信号通过改变SOS3基因活性, 进一步激活某些蛋白磷酸酶并抑制某些蛋白激酶的活性, 从而调节Na +及K +转运系统。SOS3基因在拟南芥抗离

19、子胁迫方面的作用表明植物中可能存在一个Ca 2+信号传导途径, 该途径调节植物细胞内Na +和K +的选择性吸收, 从而维持细胞内的离子平衡。在植物中还存在其它的渗透胁迫信号传导途5 径, 调节渗透胁迫应答基因的表达。Anderberg 等(1992 从小麦中克隆了一个受ABA 和脱水胁迫诱导的蛋白激酶同源蛋白P KABA1。P KABA1含有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶保守的结构域。其功能可能是磷酸化一些受ABA 诱导的转录因子, 调节其活性使其识别渗透胁迫相关基因启动子中的ABA 反应元件, 从而调节这些基因的表达。Leung (1997 分离了一些对ABA 不敏感的拟南芥突变体。在突变体中受A

20、BA 诱导的脯氨酸含量下降。两个突变基因abi1和abi2被克隆。序列分析表明这两种基因编码蛋白相互同源, 而且均为蛋白磷酸酶同源蛋白(PP2C 类型 。其结构中含有保守的丝氨酸/苏氨酸结构域及Ca 2+结合位点EF 手象结构域。由于abi1和abi2基因突变均能使拟南芥突变体对ABA 不敏感, 表明abi1和abi2编码的蛋白磷酸酶是ABA 分。在植物中除了由ABA 介导的渗透胁迫信号传递途径外, 可能还存在一种不依赖于ABA 的渗透胁迫信号传递途径。Jonak 等(1996 研究报道在植物苜蓿中存在一种蛋白激酶MM K4。MM K4是MAP 信号途径MAP KKK 、MAP KK 、MAP

21、 K 中MAP K 的同源蛋白。干旱胁迫能诱导MM K4基因转录水平升高, 但干旱胁迫不能诱导MM K4蛋白的积累, 表明MM K4激酶的活性是翻译后水平调控的。ABA 不能诱导MM K4基因mRNA 水平升高, 而且MM K4激酶活性也不能被ABA 激活, 表明苜蓿中MM K4激酶介导的干旱胁迫信号传递途径不依赖于ABA 。研究还发现尽管干旱胁迫能激活MM K4激酶, 但MM K4激酶活性却不能被其它一些胁迫因子, 如盐胁迫所诱导, 表明在苜蓿中不同的胁迫信号可能由不同的信号传递途径介导。综上所述, 通过差示RNA 分析及其它一些研究, 发现一些渗透胁迫应答基因。转基因研究已证明由渗透胁迫应

22、答基因编码蛋白参与合成的一些小分子渗透保护剂在提高植物抗渗透胁迫能力方面具有一定的作用。多数渗透胁迫应答基因的作用还需要进一步的研究证实。通过基因表达调控分析鉴定出了一些受渗透胁迫诱导的启动子, 但目前仅发现了两种保守的顺式作用因子ABRE 和DRE 。由Ca 2+介导的信号传递途径参与调节植物细胞内K +和Na +的水平。在植物中可能还存在依赖AB 和不依赖ABA 的两种渗透胁迫信号传递途径, 参与渗透胁迫应答基因的表达调控。进一步的研究将会使我们对植物在渗透胁迫下的信号传递系统有更全面的认识。参考文献1刘风华, 郭岩, 谷东梅等, 遗传学报,1997,24(1 :54-58. 2郭岩, 张

23、莉, 肖岗等, 中国科学(C 辑 , 1997, 27(2 :151-155.3肖岗, 张耕耘, 刘风华等, 科学通报,1995,40(8 :741-745. 4舒卫国, 艾万东, 陈受宜, 科学通报, 1998, 42(22 :2441-2445.5Almoguera , C. ,Jordano ,J. Mol. Biol , 1992, 19:781-6, , , M K. Proc. Nalt. Acad. Sci-7,Jl. . , de Valoir , T. ,et al. Science1993,259:1760-1763.8Cushman ,J. ,Meyer , G. ,et

24、 al. Plant Cell ,1989,1:715-725. 9Delauney ,AJ. ,Verma ,D P. Mol. G en. G enet ,1990,221:229-305.10Johansson ,I. , Karisson ,et al. Plant Cell ,1998,10:451-459. 11Johnson K. D. ,Chrispeels ,MJ. et al. Plant Physiol ,1992,100:1787-1795.12Jonak ,C. , K iegerl ,S. ,et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA ,19

25、96,93:11274-11279.13LaRosa ,P. C. ,Chen ,Z. ,Plant Physiol ,1992,100:409-415. 14Leung ,J. ,Meriot ,S. , G iraudat ,J. Plant Cell ,9:759-771. 15Liu J P. ,Zhu J k. Science ,1998,280:1943-1945.16Liu ,Q. , Kasuga ,M. ,Sakuma ,et al. Plant Cell ,1998,10:1391-1406.17Marcotte ,W. R. ,Russell ,S. H. ,Plant

26、Cell ,1989,1:969-967. 18Preston , G. M. ,Carroll , TP. , Guggino , WB. ,Agre , P. Science ,1992,256:385-387.19Rathinasabapathi ,B. ,Burnet , M. ,et al. Proc. Natl. Acad. Sci.USA ,1997,94:3454-3458.20Shen ,Q. ,Ho , T 2H D. Plant Cell ,1995,7:295-307.21Stockinger ,E J. , G ilmour ,S J. ,et al. Proc. N

27、atl. Acad. Sci. USA ,1997,94:1035-1040.22Trossat ,C. ,Nolte , KD. ,et al. Plant Physiol ,1996,111:965-973.23Yamaguchi 2Shinozaki , K. ,Mundy ,J. ,Chua NH. Plant Mol. Bi 2ol ,1989,14:29-39.24Yamaguchi 2Shinozaki , K. , Shinozaki , K. Plant Physiol , 1993,101:1119-1120.25Hu , C. , Delauney , AJ. , Verma , DPS. Proc. Nalt. Acad. Sci.US