第47卷第1期2011年1月林业科学SCIENTIASILVAESINICAEVol.47,No.1Jan.,2011植物非生物逆境胁迫DREB /CBF转录因子的研究进展李科友1 朱海兰2(1.西北农林科技大学生命科学学院 杨凌712100;2.西北农林科技大学林学院 杨凌712100)摘 要: 综述近十几年来,特别是近5年来国内外DREB /CBF 转录因子的研究进展,主要包括DREB /CBF 转录因子的结构特点,DREB /CBF 基因的克隆、表达调控及其在植物抗逆基因工程中的作用,以及DREB /CBF 转录因子研究中的问题与展望,旨在为植物抗逆育种提供理论依据。
DREB /CBF 类转录因子即干旱应答元件结合蛋白质/C -重复序列结合子,是AP2/EREBP 转录因子家族的一个亚家族,拥有保守的AP2结构域,能够特异性地与抗逆基因启动子区域的DRE /CRT 顺式作用元件相结合,在干旱、低温和高盐等条件下调节一系列下游逆境应答基因的表达,是植物逆境适应中的关键性调节因子。
目前,已从拟南芥、欧洲油菜、水稻、玉米、小麦、陆地棉、大豆和番茄等几十种植物中分离并鉴定出调控干旱、高盐及低温耐性的DREB /CBF 基因,并利用这些基因得到抗逆性增强的拟南芥、欧洲油菜、番茄、小麦以及杨树等转基因植株。
转基因结果表明,DREB /CBF 转录因子家族在植物抗逆品种改良中具有重要的应用价值。
关键词: DREB /CBF;转录因子;DRE /CRT 顺式作用元件;转基因植物;抗逆育种中图分类号:S718.46;Q943.2 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2011)01-0124-11收稿日期:2010-08-02;修回日期:2010-10-06。
Research Progress of DREB /CBF Transcription Factor inResponse to Abiotic⁃Stresses in PlantsLi Keyou 1 Zhu Hailan 2(1.College of Life Sciences ,Northwest A &F University Yangling 712100;2.College of Forestry ,Northwest A &F University Yangling 712100)Abstract : The research progress on DREB /CBF (Dehydration Responsive Element Binding Protein /C⁃repeat Binding Factor)transcription factors in last decades especially in recent five years is reviewed,mainly including the structural features of DREB /CBF transcription factors,the cloned DREB /CBF genes and their expression regulations,the applicationof DREB /CBF genes in gene engenieering for improving plant stress resistance,as well as the existing problems and the future prospective of DREB /CBF to provide reference for plant stress⁃resistant breeding.DREB /CBF transcription factor,with a typical AP2/EREBP DNA⁃binding domain,could specifically bind to the DRE /CRT (Dehydration Responsive Element /C⁃repeat)cis⁃acting element and activate a lot of the expression of stress inducible genes under dehydration,low temperature and saline conditions,and hence increase plants’tolerance to environmental stresses.According to the published literature in last decades,a vast number of DREB /CBF transcription factor genes have been isolated andcharacterized from a variety of plants such as Arabidopsis thaliana ,Brassica napus ,Oryza sativa ,Zea mays ,Triticumaestivum ,Gossypium hirsutum ,Glycine max and Lycopersicon esculentum .Over⁃expression of these DREB /CBFcDNAs in Arabidopsis thaliana ,Brassica napus ,Lycopersicon esculentum ,Triticum aestivum and Populus could greatly enhance stress tolerance of these transgenic plants,which indicated the importance of DREB /CBF transcription factors in plant stress⁃resistant breeding.Key words : DREB/CBF;transcription factor;DRE/CRT cis⁃acting element;transgenic plant;stress⁃resistant breeding 干旱、盐碱、低温等非生物逆境是影响植物生长发育的主要因素,植物受到逆境胁迫时会产生形态、生理、基因表达等适应性调节反应以降低或消除危害。
转录因子(反式作用因子)基因是植物中最重要的一类调节基因,其在植物体内构成复杂的调节网络,在时间和空间上协同控制基因的表达。
转录 第1期李科友等:植物非生物逆境胁迫DREB/CBF转录因子的研究进展因子是能够与真核基因启动子区域中顺式作用元件发生特异性作用的DNA结合蛋白,通过它们之间以及与其他相关蛋白之间的相互作用,激活或抑制基因转录。
DREB/CBF(Dehydration ResponsiveElement Binding Protein/C⁃repeat Binding Factor)转录因子,即干旱应答元件结合蛋白质/C-重复序列结合子,能特异结合DRE/CRT(Dehydration Responsive Element/C⁃repeat)顺式作用元件。
DRE/CRT顺式作用元件普遍存在于干旱、高盐或低温等逆境应答基因的启动子中,核心序列为CCGAC。
DREB/CBF转录因子由逆境胁迫诱导产生后,可激活其他一系列依赖DRE/CRT顺式作用元件的抗逆功能基因的表达,从而增强植物对干旱、低温及高盐等逆境的抗性(Agarwal et al.,2006)。
因此,DREB/CBF转录因子在植物抗逆中的作用越来越广泛地受到重视,目前,已成为植物抗逆分子生物学研究的热点之一。
本文就近十几年特别是近5年来国内外DREB/CBF转录因子的研究进展, DREB/CBF转录因子在植物抗逆中的作用及研究作一综述,旨在为植物抗逆育种提供理论依据。
1 DREB/CBF转录因子的结构特点迄今报道的DREB/CBF转录因子基因内均无内含子,从蛋白质结构分析,DREB/CBF转录因子含有1个保守的AP2/EREBP结构域,是转录因子AP2/EREBP家族中的1个亚家族,主要调节植物对低温、干旱和高盐等逆境的分子应答。
DREB/CBF 亚族又分为6个亚组(A⁃1—A⁃6),氨基酸序列对比发现,A⁃1类转录因子上游含有1个保守的核定位信号区(NLS):PKRPAGRTKFRETRHP,下游含有DSAW的保守序列和羧基末端的LWSY保守序列,这些序列被称为A⁃1类转录因子的特征序列(Jaglo et al.,2001)。
而在与干旱、高盐诱导相关的A⁃2类转录因子中不存在(Yamaguchi et al.,2006)。
A⁃3—A⁃64个亚组占整个拟南芥(Arabidopsis thaliana) DREB/CBF亚族基因的75%,但目前对它们的功能研究很少。
最近,对这4个DREB/CBF亚组的基因研究相继有一些报道,如拟南芥TINY2(A⁃4)(Wei et al.,2005),大豆(Glycine max)Gm⁃DREB2(A⁃5) (Chen et al.,2007),陆地棉(Gossypium hirsutum) GhDBP3(A⁃4),GhDBP1(A⁃5),GhDBP2(A⁃6) (Huang et al.,2006a)和玉米(Zea mays)ZmDBF1 (A⁃6)(Kizis et al.,2002)。
DREB/CBF转录因子的二级结构具有典型的结构特征:在C-末端富含酸性氨基酸,只有少量碱性氨基酸,功能是作为转录激活区。
例如小麦(Triticum aestivum)的TaDREB1C-末端的50个氨基酸中酸性氨基酸占25%,碱性氨基酸仅为4%;榆钱菠菜(Atriplex hortensis)的AhDREB1C-末端的80个氨基酸中酸性氨基酸占23%,碱性氨基酸仅为3%(Shen et al.,2003a;2003b)。
N-末端富含碱性氨基酸,是核定位信号区;中间由58个左右氨基酸残基组成的AP2/EREBP结构域,分为2个保守元件YRG和RAYD。
YRG含有19~22个氨基酸残基,大多数为碱性氨基酸残基,有利于与DNA的结合。
RAYD由42或43个氨基酸残基组成,含有由18个氨基酸组成的α-双亲螺旋的核心区域; AP2/EREBP结构域可形成3个β-折叠和1个α-螺旋结构,其中位于第2个β-折叠中的第14位的缬氨酸(V)和第19位的谷氨酸(E),特别是第14位的缬氨酸(V),对决定DREB/CBF转录因子与DRE/CRT顺式作用元件的特异性结合起关键作用(Liu et al.,1998;Sakuma et al.,2002)。