植物水分胁迫诱导蛋白研究进展施俊凤1,孙常青2　(1.山西省农业科学院农产品贮藏保鲜研究所,山西太原030031;2.山西省农业科学院作物遗传研究所,山西太原030031)摘要　干旱是影响植物正常生长发育的一种最主要的逆境因子,研究发现了大量的植物应答水分胁迫的蛋白。

笔者综述了这些蛋白的特性和功能,以提高人们对于植物抗旱机理的认识。

关键词　水分胁迫;功能蛋白;调节蛋白;植物中图分类号　S311 文献标识码　A 文章编号　0517-6611(2009)12-05355-03P rogress in P roteins R esponding to W ater Stress in P lantsSHI Jun 2feng et al (Institute of Farm Products S torage ,Shanxi Academ y of Agricultural Sciences ,Taiyuan ,Shanxi 030031)Abstract Drought is an im portant stress factor ,which im pacts the grow th and developm ent of plants.At present ,a series of proteins responding to water -stress in plants have been reported.T he study summ arizes the characters and functions of these proteins for enhancing integrated understanding to the m echanism of proteins inv olved in the tolerance to water stress in plants.K ey w ords W ater stress ;Functional protein ;Regulatory protein ;Plant作者简介　施俊凤(1977-),女,山西代县人,助理研究员,从事抗旱分子研究。

收稿日期　2009202206 干旱在我国是影响区域最广、发生最频繁的气象灾害。

植物在遭受干旱胁迫时,会做出各种反应来避免或减轻缺水对其细胞的伤害。

随着分子生物学技术和理论的发展,抗旱相关基因不断被克隆,现已证明一些基因表达产物可增强植物的抗逆性。

根据其功能,可分为调节蛋白和功能蛋白两大类。

1　调节蛋白调节蛋白在逆境胁迫信号转导和功能基因表达过程中起调节作用。

目前,已发现的主要有转录因子、蛋白激酶、磷脂酶C 、磷脂酶D 、G 蛋白、钙调素和一些信号因子等。

1.1　转录因子　转录因子对水分胁迫的响应非常迅速,一般数分种即可达最高水平,转录因子C BF1、C BF2、C BF3、C BF4和DRE B1a 、DRE B1b 、DRE B1c 、DRE B2通过与顺式作用元件CRT/DRE 结合,引起一组含顺式作用元件CRT/DRE 的抗旱功能基因表达。

在拟南芥等多种植物中,DRE 顺式作用元件普遍存在于干旱胁迫应答基因的启动子中,对干旱胁迫诱导基因的表达起调控作用。

转录因子A BF 和bZIP 可与顺式作用元件A BRE 特异结合,通过依赖A BA 的信号转导途径调控植物对冷害、干旱和高盐碱等环境胁迫的反应[1];MY B 和MY C 可与MY BR 和MY CR 特异结合,引起相应抗旱功能基因的表达;WRKY 调控的目标基因启动子是具有W 框的顺式元件,在拟南芥中约有100个WRKY 成员,存在于根、叶、花序、脱落层、种子和维管组织中,参与植物胁迫反应的很多生理过程[2]。

1.2　蛋白激酶　目前已知的植物干旱应答有关的蛋白激酶主要有受体蛋白激酶(RPK )、促分裂原活化蛋白激酶(M APK )、转录调控蛋白激酶(TRPK )等。

RPK 与感受发育和环境胁迫信号相关;M APK 与植物对干旱、高盐、低温等反应的信号传递有关;TRPK 主要参与细胞周期、染色体正常结构维持等的基因表达[3]。

M AP 激酶级联信号转导途径由M AP 激酶(M APK )与M AP 激酶激酶(M APKK )和M AP 激酶激酶激酶(M APKKK )组成。

植物细胞感受环境胁迫(如损伤、干旱、低温等)后,通过受体蛋白激酶、M APK 4、蛋白激酶C 和G 蛋白等上游激活子顺次激活M APKKK 、M APKK 和M APK 。

M APK 被激活后进入细胞核,通过激活特定转录因子引起功能基因的表达或停留在胞质中激活其他酶类如蛋白激酶磷酸酶、脂酶等,最终引起植物细胞对内外刺激的生理生化反应。

目前已经在植物中鉴定出多个由干旱胁迫所诱导的与M APK 信号通路有关的蛋白激酶,如A T MPK3、A T MEKK1和RSK 等。

利用酵母双杂交系统,M iz oguchi 等证明A T MEKK1参与拟南芥对干旱、高盐、低温和触伤胁迫信号传递的M APK 级联途径[4]。

最近,T aishi 等报道,在拟南芥中有一种蛋白激酶SRK 2C 可响应干旱胁迫诱导,将该基因敲除后的突变体srk2c 对干旱极敏感[5]。

另外,用花椰菜病毒的35S 强启动子构建超表达SRK 2C 的转基因植株,其抗旱性也明显增强。

1.3　与第二信使生成有关的蛋白酶　P LC 是主要的磷酸二酯酶,水解磷酸二酯键,根据水解的磷脂不同,可产生IP3、DAG 、PA 等。

IP3可提高细胞质溶质中的C a 2+浓度,诱导抗性相关基因的表达[6]。

DAG 和PA 可通过诱导活性氧(ROS )的产生,引起相关抗性基因的表达,从而增强植物抗旱性。

C a 2+是最受关注的第二信使,在保卫细胞中,干旱信号导致C a 2+浓度增加,引起气孔关闭。

C a 2+与其受体蛋白钙调素结合发生构象变化,通过C a 2+/C aM 依赖性蛋白激酶(C DPK )起作用,使蛋白质的S er 或Thr 磷酸化,引起下游信号传递,使抗旱相关基因表达。

2　功能蛋白　功能蛋白往往是整个水分胁迫调控通路的终端产物,直接在植物的各种抗旱机制中起作用。

当植物遭受水分胁迫时,其本身作为一个有机整体能从各方面进行防御。

K azuk o 等将植物水分胁迫功能蛋白分为渗透调节相关蛋白、膜蛋白、毒性降解酶、大分子保护因子和蛋白酶5大类[7]。

2.1　渗透调节相关蛋白　当植物遭受渗透胁迫时,会积累大量渗透调节物质,如脯氨酸、甘露醇、甜菜碱、可溶性糖和一些无机离子等。

这些物质可使植物在胁迫条件下保持吸收水分或降低水分散失,维持一定的细胞膨压,保持细胞生长、气孔开放和光合作用等正常生理过程。

现已发现很多渗安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.Sci.2009,37(12):5355-5357,5385 责任编辑　胡剑胜　责任校对　况玲玲透调节物质合成的关键酶类以及糖类、脯氨酸的转运蛋白等,并通过基因工程手段进行转基因研究,证实了这些基因在植物抗旱过程中的作用。

目前,对参与渗透调节物质研究较多的是甘氨酸甜菜碱(G B)合成中的关键酶类。

甜菜碱由胆碱经两步合成,在藜科和苋科植物中,甘氨酸甜菜碱生物合成的第一步由胆碱单氧化酶(C M O)催化,干旱和高盐都诱导C M O的表达,该酶的基因已被克隆[8]。

G B合成的第二步由甜菜碱醛脱氢酶(BA LDH)催化[9];BA LDH是由核基因组编码的、定位于叶绿体中分子量为54267D的同源二聚体,渗透胁迫下BALDH在大麦、菠菜、甜菜等植物中可被强烈诱导表达[10]。

与渗透调节相关的关键功能蛋白吡咯啉252羧酸还原酶(P5CR)和吡咯啉252羧酸合成酶(P5CS)是脯氨酸合成中的关键酶。

干旱胁迫时P5CR的基因表达受强烈诱导,复水时则受抑,说明该酶为水分胁迫条件下脯氨酸代谢中的限制因子之一,转入P5CS基因的植株可累积比对照多10～18倍的脯氨酸,使植株的抗旱和抗盐能力显著提高[11]。

有文献指出,普通菜豆脯氨酸合成酶基因PvP5CS2(Phaseolus vulgaris P5CS2)的表达受干旱、高盐和冷胁迫诱导,脯氨酸积累受PvP5CS2基因转录水平的调控[12]。

糖类也是保护生物体免受干旱损伤的主要物质。

Shen等证明了转甘露醇212磷酸脱氢酶的编码基因mtlD的烟草抗旱性增强[13]。

H olmstrom等将编码酵母海藻糖262磷酸合成酶亚基(56kD)的tp s1基因转入烟草得到的转基因植株,抗旱性也明显强于对照[14]。

2.2　膜蛋白　植物遭受水分胁迫的基本伤害是原生质膜的损伤,目前研究较多的与水分胁迫相关的膜蛋白有水孔蛋白、转运蛋白、离子通道蛋白等。

质膜质子泵H+2A TPase可将质子泵出细胞而形成跨膜质子动力势,影响离子运输和代谢物出入细胞。

研究表明,质膜H+2A TPase受多种逆境条件的影响,可能是逆境的作用位点C as7[15]。

关于该酶受水分胁迫诱导表达的大量研究资料表明,干旱胁迫下植物P M H+2A TPase活性变化因植物种类、品种、组织器官或生育时期而异。

胁迫较轻、时间较短的条件下,抗旱的作物、品种或器官,P M H+2A TPase活性高,且干旱胁迫使酶活性有所上升;而胁迫严重、时间较长的条件下,对水分敏感的作物或品种P M H+2A TPase活性下降[16-17]。

脂转蛋白(LTP)可与磷脂的两个酞基链结合并提高体外膜间磷脂的转移,可参与膜的生物发生及胞内脂肪酸库的调节[18]。

尽管LTP基因对发育和环境信号的响应很复杂,但干旱条件下,植物中LTP大量表达的证据已有报道[19]。

水孔蛋白(AQP)不仅可促进水分长距离运输和细胞内外的跨膜水运输,还可调节细胞胀缩。

可分为4类:质膜内在蛋白(PIPs)、液泡膜内在蛋白(TIPs)、N LM蛋白(N LMs)和小碱性内在蛋白(SIPs)[20]。

在适宜环境下,烟草NtAQP1的表达对植株水分的吸收无明显作用,但在水分胁迫(PEG处理)下,反义株快速萎蔫,而正常株体内的NtAQP1大量表达[21]。

Long等的报道也表明,水分胁迫下,抗旱性较强的旱稻的水孔蛋白基因RWC3的mRNA表达增加,而抗旱性较弱的水稻RWC3的表达没有明显变化;超表达RWC3的转基因水稻的根渗透水导度、水势及蒸腾等都得到改善[22],因此RWC3的表达可缓解水分胁迫对水稻的影响。

但是,Aharon等通过对转拟南芥PIP1b的转基因烟草的研究发现,水分充足时,PI2 Plb的超表达可显著提高植株的生长速率、蒸腾速率、气孔密度和光合速率;而在干旱胁迫和盐胁迫下,PIPlb超表达只有负作用,植株萎蔫的速度更快。