热激蛋白及其在抗性方面的研究

植物热激蛋白及其在植物抗性方面的研究进展

摘要热激蛋白是生物体在受到逆境刺激后大量表达的蛋白，本文论述了热激蛋白的分类、特点、诱导合成与分布以及在植物抗性方面的研究，并提出热激蛋白的研究展望。

关键词植物；热激蛋白；特点；植物抗性

自然界的植物在生长过程中几乎不可避免的要遭受干旱、冷冻、高温、盐渍、病虫害、大气污染等不良环境的影响，逆境条件是目前农业面临的严峻问题之一，严重影响农作物的生长发育，对植物的产量和品质构成了巨大威胁，通过长时间的进化，植物可通过其自身的防御机制抵抗各种不利的生长环境。

热激蛋白（Heat Shoct Proteins ，简称HSPs）是在高温、低温、激素、高盐、干旱、缺氧、重金属离子以及机械损伤等多种环境胁迫条件下生物体内正常蛋白受到抑制而诱导合成的新的或功能增强的应激蛋白，又被称作是热休克蛋白。它最早是1962年在果蝇中发现并于1974年首先分离得到[1]，现已证明它普遍存在于动物、植物、微生物中。相对于动物和微生物，植物热激蛋白的研究较晚出现在上世纪八十年代，但也取得一些进展。植物应激蛋白一般被认为是高温诱导植物产生的蛋白,是植物对逆境胁迫短期适应的必需组成成分，对减轻逆境胁迫引起的伤害有很大的作用[2]。现在热激蛋白已成为生命科学研究的热点内容之一。本文结合植物的研究着重介绍热激蛋白的分类、特点、诱导合成、主要功能及其在植物抗逆性上的研究进展，旨在为植物热激蛋白的研究提供依据。

1 HSPs的分类和特点

1．1 HSPs的分类

1.1.1根据分子量

根据在十二烷基磺酸钠-聚丙烯酞胺凝胶电泳（SDS-PAGE）上表现的分子量，分子量，HSPs一般可被分为五个家族[3]，为HSP100家族、HSP90家族、HSP70家族、HSP60家族和小分子热激蛋白家族（smHSPs）。但盘毅等把其分为六个家族，其中也包括泛素家族（18-30kD）[4]。武斌等也认为可分为六个家族，其中包括HSP40家族[5]。在这几个家族中发挥主要作用的是小分子热激蛋白，其在高等植物中大量合成并为高等植物所特有。此外有些植物在特殊环境下还诱导产生大分子量的HSP，如番茄的HSP95，大麦的HSP99，小麦的HSP103，棉花的HSP10O，烟草的HSP100和HSP12O以及大豆的HSP110等。

1.1.2根据表达情况

根据在细胞内的表达情况，热激蛋白分为在应激下表达的诱导型蛋白和在正常状态下细胞表达的组成型蛋白。在胁迫条件下应激蛋白的表达能够稳定蛋白和膜的结构，防止变性蛋白聚合，以及帮助蛋白质再折叠，回复其原有的空间构象和生物活性，从而有利其转运过膜，提高细胞的耐逆性。应激蛋白在正常状态下的细胞也广泛存在，参与一些重要的细胞生理活动。大部分热激蛋白被鉴定为分子伴侣，其可以与正在合成的多肽结合，使其正确折叠；能够引导新生肽穿过细胞器膜，使蛋白定位于细胞不同部位并能维持蛋白质的构象并调控其降解[6]。

1.2 热激蛋白的特点

1.2.1普遍性

从原核生物到真核生物都有 HSPs 的表达，而且在同一生物体的不同组织内也有表达[7]。

1.2.2多样性

HSP 的种类很多，分子量从 15kDa-110kDa 或更高，定位于多种细胞器中。

1.2.3进化保守性

热激蛋白被认为是生物进化最保守的蛋白之一，不同细胞产生的HSPs分子序列绝大部分相同或类似，如不同来源的真核生物HSP70 的同源性为60%-78%，大肠杆菌与各种来源的真核生物的HSP70有 40%-60%的同源性。大肠杆菌和人细胞产生的 HSP65有50%以上的同源性。但不同族HSPs之间则无明显的序列同源性，如 HSP90和HSP70 之间。

1.2.4热激反应的短时性

热激处理诱导 HSP 合成过程通常在较短时间即可完成，在玉米中，离体根和活体根的 HSP 合成速率分别持续 4-8 小时后就急剧降低。水稻 HSP26，在热激处理 20 分钟时可以检测到 HSP26 的 mRNA，处理 3 小时其表达达到高峰，4 小时表达量下降，6 小时则表达微弱。大豆在热激处理3一 5分钟时即可在幼苗中检测到HSPS的mRNA，处理1一2小时积累量达到高峰，6小时后显著下降，12小时就几乎消失;水稻HsP26S的mRNA，在热激处理 20分钟时就开始出现，处理3h时表达量达到峰值。但有些HsPs的合成却需要持续较长的时间，如玉米的 62kDa和 50kDa的HSPS，在热激处理4h后才开始合成[8]。如果让植物一直处于热激状态，HSP的合成一般只持续几个小时。

1.2.5交叉耐受性

一种应激刺激诱导细胞产生 HSPs，不仅使细胞对该刺激的耐受性增加，也

增加了细胞对其他应激原刺激的耐受性[9]。

2.植物热激蛋白的诱导合成与分布

2.1植物热激蛋白的诱导条件

植物在高于其正常生长温度刺激下能诱导合成HSP。’其合成通常在高于有机体正常生长温度约5℃时就开始能检测到并认为诱导HSP合成的理想条件是比正常生长温度高出10℃左右。植物合成HSP的最适温度因植物种类而异，如豌豆最适诱导温度大约为37℃，蚕豆约为38℃，玉米为40-42℃，水稻为37-40℃[10]。HSP的诱导合成十分迅速，且持续时间较短。此外，很多研究表明，除了热处理，其它很多生物(病虫害)和非生物因素( 低温、高盐浓度、厌氧、重金属离子、营养匮乏和 ABA 等)都可以诱导热激蛋白的产生。

2.2植物热激蛋白的合成部位

植物热激蛋白可在种子、幼苗、根、茎、叶等不同生长阶段或不同器官中产生。在亚细胞的水平上HSP可定位于多种细胞器，如细胞核、细胞质、叶绿体、线粒体和内膜系统，同时也可以存在于细胞间隙、细胞壁中。如HSP90定位于高尔基体和液泡中，HSP70定位于细胞质和细胞骨架中;也有不少HSP可与生物膜结合，它们很可能担当了防止膜蛋白变性和生物膜受热破解的功能。

3 HSPs在抗性方面的研究

3.1耐热性

一般认为，高温逆境下植物通过一系列生化代谢来忍受高温，其中最重要的耐热反应是降低正常蛋白的合成，加速热激蛋白的转录和翻译。众多研究表明，诱导型 HSPs 的生成量与耐热性成正相关，HSPs累积决定着真核细胞的耐热性。受到热激刺激时，由于 HSPs 的合成，机体非 HSP 蛋白 mRNA 的翻译受到抑制。HSPs 的合成为生物提供了一种暂时的保护机制。热激条件下，大部分植物能够合成 HSPs，如番茄、黄瓜、大豆、烟草、菠菜、蚕豆、玉米、小麦等。如陈以博等对不结球白菜幼苗进行热激处理,检测了叶片中BcHSP1和BcHSP2耐热基因的表达变化认为相对于不耐热品种,耐热品种热激蛋白基因具有明显稳定的热激诱导表达特性[11]。刘军等对萌发期间的玉米种子肧热激处理后在恢复时,显示热激蛋白含量减少或消失,正常蛋白的合成重新开始[12]。还有研究表明在热激条件下，辣椒叶片中的小分子量热激蛋白会大量诱导表达[13]。

3.2耐寒性

虽然HSPs为人所知的主要功能是能够增强植物对高温的耐受力，但随着研

究的深入人们发现HSPs的累积对于提高植物耐冷性同样重要。研究表明HSPs 可以减少溶质渗透，降低细胞膜的透性，提高组织的抗冷性，进而证实了高温热激预处理产生的HSPs是导致了植物耐冷性增强的主要原因之一。黄上志等人在研究热激对水稻幼苗耐冷性及热激蛋白合成的诱导时发现萌发的水稻种子经42℃热激处理后，其幼苗耐冷性明显增强，并且热激诱导萌发的水稻胚合成热激蛋白中属于 HSP70 的内质网结合蛋白的合成与水稻幼苗耐寒性的提高有关[14]。有人将甜椒HSP基因转入番茄，分析显示，转基因番茄的HSPs基因在低温下能被诱导;低温胁迫后，转基因植株能够维持相对较低的细胞膜透性，较高的光化学效率(Fv/Fm)及放氧速率，而这些现象在非转基因植株上并不存在。耐热蛋白在提高果蔬的抗冷性上有重要的应用价值，用热处理的方法可用来保存那些对低温较为敏感的水果及蔬菜，以避免直接低温保存对其品质造成的不良影响，极大的推动了生鲜蔬果保鲜产的发展[15]。

3.3抗病性

近年来的研究表明HSP在植物抗病性上表现出一定的作用。研究表明 Hsp90 基因与影响植物正常生长发育和抗病性的信号途径有关。朱峰[16]等研究表明在南方根结线虫侵染番茄根部时，诱导根内 Hsp90 基因的大量表达，但Hsp90 基因是否可能在抗线虫侵染过程中起作用没有给出进一步的验证。拟南芥 HSP90 复合物直接调控抗病蛋白的活性，在R基因介导的抗病性中起着关键作用[7]。Hsp90 直接与蛋白质相互作用参与抗病也表明 Hsp90 在抗病性上有特殊的作用。如国外报道了 Hsp90 基因在烟草抗疫霉病时起到重要的作用，Hsp90 有稳定 R 蛋白的作用。

3.4 HSPs 的交叉保护功能

有人提出在不同胁迫蛋白之间必定存在某种功能上的重叠，即 HSP 具有交叉保护功能，他们认为一种胁迫的产生必定能增强其对其它胁迫的忍受能力。作为一种逆境胁迫蛋白，HSP 能被许多逆境诱导，能够减轻逆境胁迫引起的伤害并对其进行修复。张俊环[17]等研究表明，40 ℃/3h热激处理绿豆下胚轴可诱导HSP70、HSP79 的合成，减轻随后冷胁迫对膜的伤害，使电解质外渗减少，增强了组织的抗冷性。采后水果也具有交叉适应能力。热处理可提高许多果实如番茄、芒果、鳄梨、桃、香蕉等果实的耐冷性[18]。

4 展望

热激蛋白对研究植物的抗热及其它抗性的研究有很好的作用，但对于热激蛋白的研究还需要进一步的深入。如目前热激蛋白的分子机制并没有被揭示，应利

用蛋白质组学和生物信息学的方法进一步鉴定相关蛋白质并挖掘其潜在的功能；目前的研究普遍认为植物的耐热性与热激条件下热激蛋白的生成成正相关，但也有研究对此提出质疑，故热激蛋白与耐热等逆境的相关性还需深入研究；随着现代分子生物学的发展，热激转录因子的相关研究越来越多，但其调节热激蛋白表达的完整机制尚未研究清楚，需要进一步探讨。还有,植物对逆境因素胁迫的响应是一个多基因控制的复杂过程,对植物抗胁迫的研究不能单纯寄希望于搞清楚单种蛋白或通过转移一个基因来提高植物的抗性,而应当结合其它的相关研究综合地进行探讨。随着热激蛋白及其相关研究的深入，其在生物技术、农业等各个领域将会有良好的应用前景，必会产生更多的经济价值和科学价值。

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