植物抗冻基因最新研究进展
植物抗冻蛋白研究进展
１抗冻蛋白的种类
有关鱼类、昆虫ＡＦＰｓ的发现可以追溯到２０世纪６０ 年代’４ｊｊ，后来其研究对象慢慢扩大到细菌、真菌、无脊 椎动物、脊椎动物、非维管植物和维管植物㈡１。迄今为 止，对鱼类‘卜７Ｉ、昆虫一’８’９。的ＡＦＰｓ研究比较深入和系 统，而植物ＡＦＰｓ则发现较晚’２川。 １９９２年，加拿大Ｇｒｉｆｆｉｔｈ等第１次明确提出获得了植 物内源ＡＦＰｓ。他们从经低温锻炼的能够忍受细胞外结 冰的冬黑麦（Ｓｅｃａｌｅ ｃｅｒｅａｌｅ）叶片质外体中得到并部分纯 化了该蛋白。美国圣母大学的Ｄｕｍａｎ实验室¨１。在多种 植物中发现了具有热滞效应的蛋白质。１９９４年，费云标
ｌｋｓｅａｒｃｈ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ＰＩａｎｔ Ａｎｔｉｆｒｅｅｚｅ Ｐｒｏｔｅｉｎ
ＸＩＯＮＧ Ｘｉａｏ—ｗｅｎ。，ＨＵＡＮＧ Ｆａ—ｑｕａｒｔ２，ＬＩ Ｍａｏ—ｍａ０３，ＬＵ Ｍｉｎｇ’，ＨＵＡＮＧ
（１．Ａ鲥ｃｕｌｔｕｒａｌ
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
Ｙｏｎｇ—ｌａｎ’，ＷＡＮ Ｊｉａｎ—ｌｉｎ’’ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａ矛ｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３０２００，Ｃｈｉｎａ；
ｃｉｎｅ—Ｒｉｃｈ—Ｒｅｐｅａｔ）蛋白有高度的同源性，可达５０％一 ６５％，但胡萝卜的ＡＦＰｓ提取液对多聚半乳糖醛酸酶（Ｐｏ－
ｌｙｇａｌａｅｔｕｒｏｎａｓｅ Ｐｒｏｔｅｉｎ，ＰＧ）并没有抑制活性¨…。推测这
种新型的抗冻蛋白可能足从ＰＧＩＰ演化而来的。ＬＲＲ蛋 白是与病原菌防御体系相关的蛋白质，是病原体引发的 配基的受体蛋白，同时与Ｏｆ．一螺旋、Ｂ链的形成有关。 ＡＦＰｓ在胡萝卜直根中冷诱导表达，其ｃＤＮＡ为１１４０ ｂｐ， ＤＮＡ为１２３８ ｂｐ，编码３３２个氨基酸，成熟糖蛋白的分子 量为３６ ｋＤａ，ｐＩ为５．０，热滞值为Ｏ．３５℃，经酶切去糖侧 链后并未影响其活性，这点与欧白英和鱼类的ＡＦＧＰ明 显不同。在转基因拟南芥中，ＡＦＰ基因的表达能够积累 抗冻活性。尹明安等¨纠将克隆的中国胡萝卜和英国胡 萝卜的ＡＦＰ基因进行序列对比，在被测的１００４个核苷 酸中，有３５个碱基不同，其中无义突变２０个、有义突变 １５个，按有义突变计，同源性为９８．５％。 从上述研究结果可以看出，植物ＡＦＰｓ可能具有双 重功能，既有抗冻活性，又有酶（Ｂ—ｌ、３葡聚糖酶、几丁 质酶）、抗菌（如甜味蛋白、ＬＲＲ蛋白、ＷＲＫＹ蛋白）、抗虫 活性（植物凝集素），也可能只在同源性上说明他们之间 存在某种联系¨４．２ ７．…。 由于植物抗寒性是由多基因控制的，而且还与其它 环境因子的胁迫发生交叉作用，这就增加了抗寒机制研 究的复杂性。目前，这一领域的研究虽然已有新的进展，
植物抗病性研究进展
植物抗病性研究进展植物抗病性是指植物在感染病原体时表现出的抵抗力。
为了提高农作物的抗病性，科学家们一直在进行深入研究。
本文将介绍一些植物抗病性研究的最新进展。
1. 植物抗病性的基因调控研究发现，植物抗病性往往与特定基因的调控有关。
科学家们通过对植物基因组的分析，发现了一些关键基因，这些基因可以增强植物的抗病性。
例如，通过转录因子的调控，可以激活植物的防御基因，从而增强植物对病原体的抵抗力。
2. 植物免疫系统的研究植物免疫系统是植物对抗病原体的重要防御机制。
科学家们对植物免疫系统进行了深入研究，并发现了一些与植物免疫相关的重要蛋白质。
研究表明，激活这些蛋白质可以增强植物对病原体的抗性。
此外，科学家们还发现了一些病原体通过分泌毒素来削弱植物免疫系统的机制，这为研发新的抗病方法提供了重要线索。
3. 植物抗病性的遗传改良为了提高植物的抗病性，科学家们利用遗传改良技术进行了一系列实验。
他们选择具有抗病性的物种或品种进行杂交，通过基因重组和选择，培育出了更具抗病性的新品种。
这种遗传改良方法不仅可以提高植物的抗病性，还能够减少对农药的使用，从而保护环境。
4. 生物技术在植物抗病性研究中的应用生物技术在植物抗病性研究中起着重要的作用。
科学家们通过转基因技术，将具有抗病性基因的外源DNA导入到目标植物中，从而增强植物的抗病性。
此外，利用基因编辑技术，科学家们还可以对植物基因进行精确编辑，从而改变其抗病性。
这些生物技术方法为培育具有高抗病性的新品种提供了新途径。
5. 抗病性相关信号传导途径的研究植物通过一系列复杂的信号传导途径来调控抗病性反应。
科学家们对这些信号传导途径进行了深入研究，并发现了一些重要的信号分子和信号通路。
研究表明，通过调控这些信号传导途径，可以增强植物的抗病性。
此外，科学家们还利用信号通路中的关键基因进行遗传改良，从而提高植物的抗病性。
总结起来，植物抗病性的研究取得了许多进展。
通过对植物基因的调控、免疫系统的研究、遗传改良和生物技术的应用，科学家们成功地培育出了更具抗病性的农作物品种。
植物抗寒基因的克隆与功能分析
植物抗寒基因的克隆与功能分析植物在寒冷的环境中生长和发育受到很大的限制，但是有些植物可以适应低温环境并生存下来。
科学家们发现这些适应低温环境的植物中存在着一些特殊的基因，这些基因能够帮助植物在低温条件下保持生长和发育所需的正常代谢，并且能够保护植物细胞不受寒冷的伤害。
这些基因被称为植物抗寒基因，其在植物的抗寒适应中起着非常重要的作用。
科学家们通过对植物的基因分析和研究，成功地克隆出了多种植物抗寒基因，并且对这些基因的功能进行深入的探究和研究。
首先，科学家们通过大量的实验和分析，发现植物的抗寒基因具有多种不同的调节作用。
这些基因可以直接参与到植物的冷适应中，并对植物的生长、发育与代谢等方面进行调节和修饰。
同时，在环境温度下降的同时，植物抗寒基因还能够诱导其他抗寒蛋白的合成，从而提高植物的抗寒能力和适应性。
其次，科学家们对植物抗寒基因的功能进行了更深入的探究和研究。
在研究中，他们通过使用分子生物学技术和生物化学方法，不断地试图寻找和发现植物抗寒基因的特殊性质和性能，从而更好地探究这些基因在植物抗寒适应中的作用和机制。
在这方面，科学家们发现植物抗寒基因可以通过控制和调节植物的保护质膜和抗氧化酶的合成，从而有效地保护植物细胞的结构和功能不受寒冷的伤害。
同时，植物抗寒基因能够提高植物的代谢活性和能量的利用效率，从而使植物能够在低温条件下更好地维持正常的生长和发育。
最后，除了对植物抗寒基因功能的深入探究和研究，科学家们也致力于研究植物抗寒基因与其他植物生理生化指标之间的关系，从而更好地理解植物抗寒调节网络的整体调节机制。
他们发现在低温条件下，植物体内某些酶类活性会明显升高，同时，植物的载流体系统和光合作用都会受到一定程度的影响，导致植物的生长、发育和代谢都发生了一系列变化。
总之，对于植物抗寒基因的克隆和功能分析研究，将为今后探究植物在适应低温条件中所采取的各种生理生化机制奠定了基础。
随着技术的不断发展，相信对于植物抗寒基因和其在调控植物适应低温环境中的作用的研究将进一步深入和发展，以期更好地改良和培育适应低温环境的作物种类，以满足人类对于粮食和农产品需求的日益增长。
植物抗寒性研究进展
植物抗寒性研究进展摘要:综述了近年来植物在抗寒性研究方面的进展情况,并对该项研究的前景进行了展望｡关键词:抗寒性;植物;生理生化;CBFReserch Progress on tCold Resistance of PlantAbstract:This paper reviewed the progress of the study of cold resistance of plant in recent years,and had a brief prospect on this project.Key words:cold-resistance; plant; physiological and biochemical; CBF温度是影响植物生长发育的重要环境因子之一,严格地限制了植物的分布区域,影响其生物产量｡低温伤害是农业生产中经常发生的自然灾害,不仅限制农作物的地理分布,而且严重影响农作物的品质和产量,甚至造成农作物大面积死亡｡迄今为止,尚没有解决低温伤害的根本办法[1]｡只有对植物的低温伤害机理有了全面而又深刻的认识,才能更好地解决低温伤害问题｡植物抗寒机理的研究,是一个非常复杂的过程｡植物抗寒性研究,最初集中于生理生化方面,随着科技的进步,又逐步转向了更加深入的分子水平的研究｡1植物抗寒生理生化研究在最初的生理生化研究中,主要探索了寒害和冻害对细胞和组织造成损伤的机理､相应的生理生化变化､植体内某些生化物质与抗寒性的关系以及细胞结构成分(如细胞膜和质体)与抗寒性间的关系等｡1.1膜系统与植物的抗寒性植物膜系统与其抗寒性紧密相关｡从一定意义上讲,细胞的基本骨架是一个生物膜系统｡生物膜是植物细胞的物质和能量合成､分解及转运过程中必不可少的部分,它的结构､性质及成分的变化,都直接或间接影响细胞的物质及能量代谢[2]｡质膜首先接收外界刺激,然后通过一系列的反应,引起细胞发生一系列生理生化反应,并且质膜的组成成分与其抗寒性有密切关系｡Lyons提出的“膜脂相变”学说认为,当植物遭受低温伤害时,生物膜首先发生膜脂物相的变化,由刚开始的液晶相变为凝胶相,膜脂上的脂肪酸链也由无序排列变成了有序排列,膜的外形和厚度同时发生变化,继而膜上产生龟裂,导致膜的透性增大､膜结合酶的结构改变,从而导致细胞生理生化代谢的变化和功能的紊乱[3]｡沈漫等[1]的研究表明,绿豆细胞膜系存在2个相变温度:28℃､15℃,膜脂存在3个状态:液晶态､液晶和凝胶混合态和以凝胶占绝对优势数量的状态｡1.2细胞抗氧化系统与植物的抗寒性细胞抗氧化途径是细胞抗寒生理生化重要途径之一｡1968年,Mc Cord等[4]首次在牛血红细胞中发现了超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD),提出了氧中毒的O2-理论｡从此以后,生物氧自由基代谢及其生理作用受到广泛重视｡生物氧自由基是通过生物体自身代谢产生的一类自由基,主要指活性氧(Active oxygen species,AOS)｡活性氧是分子氧部分还原后,具有高度化学活性的一系列产物,包括超氧阴离子(Superoxide anion,O2·-)､过氧化氢(Hydrogen peroxide,H2O2)､羟自由基(Hydroxyl radical,·OH)和单线态氧(Singlet oxygen,1O2)等[5]｡由于AOS在生物体内的性质极为活泼,在正常情况下细胞内AOS的产生与清除处于一种动态的平衡状态｡一旦AOS清除系统受损,活性氧代谢失调,浓度超过正常水平时,积累过量,即对细胞形成氧化胁迫｡活性氧胁迫导致冷害的发生,已在“Fortunr”柑橘[6]和青椒[7]等植物中得到证实｡1.3细胞渗透调节物质与植物的抗寒性渗透调节(Osmotic adjustment)是植物适应逆境的一种主要方式｡干旱､高盐和低温等多种逆境,都会造成植物不同程度的脱水,直接或间接影响植物细胞内渗透势的变化,形成渗透胁迫｡参与渗透调节的物质大致可分为两类,一类是细胞内的各种无机离子,如Ca2+､Mg2+､K+､Cl-和NO3-等;一类是在细胞内的有机物质,如脯氨酸､甜菜碱和可溶性糖等｡其中可溶性蛋白､可溶性糖和脯氨酸是植物体内的几种重要渗透调节物质｡脯氨酸(Proline)是重要的抗寒保护性物质,其含量的增加有利于植物抗寒性的提高｡可溶性糖作为一个渗透调节因子,它的积累可以增加细胞的保水能力,调节细胞渗透势｡多数研究认为:低温锻炼或低温胁迫引起可溶性蛋白质的增加,可溶性蛋白质含量与抗寒性呈正相关｡1.4植物生长物质与植物的抗寒性植物生长物质(Plant growth substance)在植物逆境适应过程中起着重要的作用,特别是脱落酸(ABA)､赤霉素(GA)､多胺(Polyamine)等内源生长物质和PP333等人工合成的植物生长调节剂(Plant growth regulator)｡在ABA与植物抗寒性的关系研究中发现,在油菜､烟草､玉米､番茄､马铃薯和水稻等植物低温锻炼过程中,游离ABA含量明显增加[8]｡外源ABA和PP333处理,柑橘叶片内源ABA含量增加,GA含量降低,ABA/GA 增大,这可能是抗寒锻炼使柑橘抗寒力提高的内在机理[9]｡外施PP333能提高Murcott橘橙原生质体的抗寒性[10]｡在柚的越冬期喷施PP333,发现其抗寒性增强[11]｡2植物抗寒的分子机理研究随着分子生物学和生物技术的迅速发展,以及对模式植物抗寒机理研究的深入,人们对植物抗寒性的研究,逐渐由生理生化的层面,走向更微观的分子水平｡当外界温度降低时,植物感受低温信号,引起许多基因表达的变化｡Guy等[12]也提出冷锻炼能改变基因的表达｡近年来,利用包括基因芯片､SAGE(Serial analysis of gene expression)､蛋白组学在内的各种手段,已从拟南芥､油菜､苜蓿､菠菜､马铃薯､小麦､大麦等多种植物中鉴定出许多冷诱导基因[13],如拟南芥中的kin1､cor6.6/kin2､cor15a､cor47/rd17､cor78/rd29A/lti78和erd10,油菜中的Bn28和Bn115,小麦中的wcs120和wcs200等｡现在已经鉴定得到300多种胁迫诱导的基因｡其中很多基因,不止响应一种胁迫,而是响应多种胁迫,如10%干旱诱导的基因也被冷胁迫诱导｡从整体上划分,这些基因可以归属到两个大的反应途径,即ABA依赖的途径与非ABA依赖的途径｡下面将对两条胁迫途径及其相关基因进行详细论述｡2.1依赖ABA的低温应答途径脱落酸(Abscisic acid,ABA)主要在种子休眠､萌发､气孔关闭及干旱､低温､离子渗透等非生物胁迫应答中起重要调控作用｡同时,ABA信号转导途径和生物胁迫信号途径之间存在明显的重叠区和许多交叉点,在植物生物胁迫应答过程中也起着十分重要的调控作用｡植物激素ABA的信号转导极其复杂,拟南芥中受ABA调控的基因超过1 300个[14]｡此外,ABA还在转录后水平上调控某些蛋白质的活性,这种作用包括水解蛋白以及通过RNA结合蛋白调控特异mRNA的翻译等｡拟南芥和水稻在ABA和各种非生物逆境胁迫处理之后有5%~p 2.1.1AREB/ABF-ABRE途径ABA依赖型,其表达依赖于内源ABA的积累或外源ABA的处理｡很多ABA诱导的基因启动子上含有一个保守的顺式作用元件,叫做ABRE(ABA-responsive element;PyACGTGGC),首先在小麦的Em基因[16]及水稻的RAB16基因[17]中分离得到｡这和很多胁迫诱导基因所含有的保守元件G-box(CACGTGGC)很相似｡目前,ABRE已被发现存在于很多ABA应答的COR基因中,如拟南芥COR15A 及RD29A基因｡但是光有一份ABRE对于ABA应答的转录还是不够的,还需要一份“耦合元件”(Coupling element,CE)或另一份ABRE协同作用｡如大麦中HV A1及HV A22基因需要CE1及CE3[18],拟南芥中的RD29B则含有两份ABRE[19]｡与ABRE结合的转录因子是一类碱性亮氨酸拉链(Basic leucine zipper,bZIP)类转录因子,被称为ABRE结合蛋白(ABRE-binding proteins,ABEB)或ABRE结合因子(ABRE-binding factors,ABF)｡在拟南芥中发现14个AREB亚家族同源bZIP类转录因子,它们都含有3个N端(C1､C2､C3)和1个C端(C4)的保守结构域｡大多数AREB亚家族蛋白都在植物组织或种子中参与ABA应答的信号转导途径｡如拟南芥的ABEB1/ABF2､AREB2/ABF4､ABF3在植物组织中而不在种子中表达,而ABI5及EEL在种子成熟和/或萌发时表达｡过量表达ABF3及AREB2/ABF4导致一些下游ABA应答基因的表达,如LEA 基因(RD29B,rab18)､细胞周期调节基因(ICK1)､蛋白磷酸化酶2C基因(ABI1,ABI2)等,说明AREB/ABF在植物中参与ABA及胁迫应答｡而ABEB1/ABF2则是葡萄糖信号途径的一个必须的组成成分,它过量表达也会增加植物抗逆性[20]｡最近的研究表明,拟南芥SnRK2.2/SRK2D和SnRK2.3/SRK2I蛋白激酶可以促使AREB/ABF磷酸化,从而激活其下游ABA诱导基因的表达[21]｡2.1.2依赖ABA的其他途径在ABA依赖的表达途径中,并不是所有的胁迫诱导基因都含有ABRE类似元件,如RD22就不存在ABRE｡除了前面所述的途径,还存在ABA依赖但不直接作用的途径｡在RD22的启动子上有两个重要的顺式作用元件:MYC结合位点和MYB结合位点｡ABA并不直接诱导RD22的表达,而是需要合成新的蛋白质(MYC及MYB类转录因子),来识别这两个位点,拟南芥中是AtMYC2(rd22BP1)和AtMYB2｡这两个转录因子在内源ABA积累后才开始表达｡2.2非ABA依赖的低温应答途径非ABA依赖的低温应答途径,是另外一条非常重要的胁迫反应途径｡其中又可分为以下几条途径:2.2.1CBF途径在很多抗逆境相关基因的启动子上,存在CRT/DRE(C-Repeat/Drought responsive element)元件,特异识别CRT/DRE元件的转录因子叫做CBF/DREB1(C-Repeat Binding Factor/DRE Binding protein 1)､DREB2｡CBF/DREB1的表达受低温诱导而不受脱水､高盐胁迫诱导｡DREB2A和DREB2B则被脱水､高盐胁迫诱导而不被冷诱导｡CBF4/DREB1D被渗透胁迫诱导｡DDF1/DREB1F和DDF2/DREB1E被高盐胁迫诱导｡除了在拟南芥中,在其他物种中也发现了很多CBF同源的基因｡如油菜､大麦､小麦､番茄､水稻､黑麦和柑橘等｡大多数CBF同源基因也是由低温诱导,而且随着CBF的积累,相应的下游基因也会积累[22]｡研究显示,有100多个基因属于CBF调节元(CBF Regulon)的成员｡这些CBF调节元基因编码多种功能蛋白､转录因子(如C2H2锌指类､AP2/ERF类转录因子)､信号转导途径的成分(如转录阻遏物STZ)､生物合成蛋白(如渗透保护剂的合成蛋白)､抗冻保护蛋白(Cryoprotectant protein,如COR15a)及其他胁迫相关的蛋白(如糖运输蛋白､去饱和酶)｡有些CBF调节元基因已研究得比较清楚,如COR15a,调节脯氨酸水平的酶P5CS2,肌醇半乳糖苷合成酶(棉子糖合成过程的一个关键酶)等,它们对植物抗寒性的提高有显著作用｡总之,CBF/DREB1可以调节很多胁迫诱导的基因表达,在植物冷应答途径中起了重要的作用｡2.2.2参与冷驯化的非CBF冷调节途径现在普遍认为,CBF冷应答途径在植物低温逆境中起着重要的作用｡除CBF途径之外,还有其他的途径参与低温应答,现有证据也表明确实存在这些途径｡如eskimo1突变体,不需要低温锻炼即能组成型地提高植物的抗寒能力,且在此过程中,没有涉及COR基因的表达[23]｡虽然大多数响应低温上调的基因都被CBF调节,但也存在一些不受CBF调节的基因存在｡Zhu 等[24]鉴定了两个组成型表达的基因HOS9和HOS10,HOS9编码一个推测的homeodomain转录因子,而HOS10则编码一个推测的R2R3类MYB转录因子｡HOS9和HOS10是一些冷应答基因的负调控者,它们对植物抗寒起着一定的作用,但是这些基因都不属于CBF调节元｡2.2.3ICE1调节的CBF途径Chinnusamy等[25]利用PCBF3: LUC生物荧光检测技术,鉴定得到一个CBF的上游转录因子,并命名为:ICE1(Inducer of CBF expression 1),这是目前知道的惟一直接作用在CBF启动子上的转录因子｡组成型超表达ICE1,可增强CBFs及COR基因的表达,并增强转基因拟南芥的抗冻性[26]｡ICE1是组成型表达并定位在核内,但是激活CBF表达需要冷处理,这说明ICE1在冷诱导下的修饰才具有活性｡ICE1编码一个MYC类碱性螺旋-环-螺旋(Basic helix-loop-helix,bHLH)转录因子,可结合在CBF3启动子上MYC识别位点,从而激活低温胁迫下CBF3的表达｡正常的环境条件下,ICE处于一种不活动状态｡但植株经受低温后,就会激活一条信号转导途径,导致ICE或相关蛋白的修饰,从而使ICE能诱导CBF基因的表达｡虽然正常环境下,ICE1不能诱导CBF的表达,但可能存在与MYC类似的转录因子来激活它们｡在拟南芥ice1突变体中,发现大量的冷诱导基因不被诱导,或者诱导量不到野生型的50%,且这些基因中有32个编码转录因子,说明ICE1是一个控制很多冷应答的依赖CBF或非依赖CBF的基因表达的“主开关”(Master switches)[26]｡2.2.4其他调节CBF表达的途径CBF基因家族拥有众多的家族内基因,这些基因具有一定的自我调控功能,从而使表达量发生改变｡如CBF2可以作为CBF1及CBF3的负调节因子[27],而CBF3也可负调控CBF2[25]｡另外,其他一些蛋白也参与了CBF的冷诱导调控｡如ZAT12可以负反馈调控CBF[28]｡另外,研究还发现,有些基础代谢途径的成分,也参与了CBF途径｡如los1突变体中,蛋白质合成不能进行,从而使CBF基因超诱导表达,但不诱导COR基因的表达[29],说明CBF蛋白对其本身的表达具有反馈抑制作用;HOS1参与经26S蛋白酶体(Proteasome)的特异蛋白质的降解[30],负调控CBF的表达[31],因此推测它可能通过降解CBF的正调节因子,如ICE1,来实现调控的功能｡LOS4基因的一个突变体los4-1会降低CBF1-3及其下游靶基因的表达[32],而另外一个突变体los4-2的功能却刚好相反,会增强CBF及其靶基因的表达[33]｡3展望抗寒性研究是植物抗逆研究的热点之一｡近年来,关于抗寒机理的研究不断深化,并且与抗寒相关的应用性研究也有所加强,如果树等的抗寒育种及不同区域的栽植试验等｡我们认为,今后的抗寒性研究,可从以下几个方面展开:①改进研究方法｡逐步探索利用新发明的功能更多､精度和可靠程度更高的实验仪器和更加完善的实验方法,进行抗寒性的研究,有望得到突破性的结果;②加深分子机理研究｡随着分子生物学理论和生物技术的进步,更广泛的开展基因､蛋白质等方面的研究成为可能,加强分子机理的研究,将会更加快捷､高效的揭示植物的抗寒性机理｡参考文献:[1] 沈漫,王明庥,黄敏仁.植物抗寒机理研究进展[J].植物学通报,1997,14(2):1-8.[2] 简令成.生物膜与植物寒害和抗寒性的关系[J].植物学通报,1983(1):17-23.[3] L YONS J M.Chilling injury in plants[J].Ann Rev Plant Physiol,1973,24:445-466.[4] MC CORD J M,FRIDOVICH I.Superoxide dismutase: an enzymatic function for erythrocuprein[J]. J Biol Chem 1969,24:6049-6055.[5] PRICE A H,TAYLOR A,RIPLEY S J,et al.Oxidative signals in tobacco increase cytosolic calcium[J].Plant Cell,1994,6(9):1301-1310.[6] SALA J M,LAFUENTE M T.Catalase enzyme activity is related to tolerance of mandarin fruits to chilling[J]. Postharvest Biology and Technology,2000,20(1):81-89.[7] PURVIS A C,SHEWFELT R L,GEGOGEINE J W.Superoxide production by mitochondria isolated from green bell pepper fruit[J].Physiol Plant,1995,94(4):743-749.[8] 罗正荣.植物激素与抗寒力的关系[J].植物生理学通报,1989(3):1-5.[9] 刘祖祺,张连华,朱培仁.用放射免疫法分析柑桔抗寒锻炼中游离和结合态脱落酸的变化[J].园艺学报,1990,17(3):197-202.[10] 李卫,孙中海,章文才,等.多效唑提高柑桔原生质体抗寒性的研究[J].湖北大学学报(自然科学版),1997,19(1):79-82.[11] 马翠兰,刘星辉,胡又厘. PP333对柚越冬期耐寒性调控的研究[J].果树科学,1999,16(3):197-201.[12] GUY C L,NIEMI K J, BRAMBL R.Altered gene expression during cold acclimation of spinach[J]. Proc Natl Acad Sci USA,1985,82(11):3673-3677.[13] 邓江明,简令成.植物抗冻机理研究新进展:抗冻基因表达及其功能[J]. 植物学通报,2001,18(5):521-530.[14] HOTH S, MORGANTE M,SANCHEZ J P,et al.Genome-wide gene expression profiling in Arabidopsis thaliana reveals new targets of abscisic acid and largely impaked gene regulation in the abi-l mutant[J]. Journal of cell science, 2002, 115:4891-4900.[15] NAKASHIMA K,ITO Y,YAMAGUCHI-SHINOZAKI K.Transcriptional regulatory networks in response to abiotic stresses in Arabidopsis and grasses[J].Plant Physiol,2009,149:88-95.[16] GUILTINAN M J,MARCOTTE W R,JR. AND QUATRANO R S.A plant leucine zipper protein that recognizes an abscisic acid response element[J].Science,1990,250:267-271.[17] MUNDY J,YAMAGUCHI-SHINOZAKI K,CHUA N H.Nuclear proteins bind conserved elements in the abscisic acid-responsive promoter of a rice rab gene[J]. Proc Natl Acad Sci USA,1990,87(4):1406-1410.[18] SHEN Q,ZHANG P, HO T H.Modular nature of abscisic acid (ABA) response complexes: composite promoter units that are necessary and sufficient for ABA induction of gene expression in barley[J].Plant Cell,1996,8(7):1107-1119.[19] UNO Y,FURIHATA T,ABE H,et al.Arabidopsis basic leucine zipper transcription factors involved in an abscisic acid-dependent signal transduction pathway under drought and high-salinity conditions[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(21):11632-11637.[20] KIM S,KANG J Y,CHO D I,et al.ABF2, an ABRE-binding bZIP factor, is an essential component of glucose signaling and its overexpression affects multiple stress tolerance[J].Plant J,2004,40(1):75-87.[21] FUJITA Y,NAKASHIMA K,YOSHIDA T,et al. Three SnRK2 protein kinases are the main postein kinases are the main positive regulators of abscisic acid signaling in response to water stress in Arabidopsis[J]. Plant Cell Physiol,2009,50(12):2123-2132.[22] JAGLO K R,KLEFF S,AMUNDSEN K L,et al. Components of the Arabidopsis C-repeat/dehydration-responsive element binding factor cold-response pathway are conserved in Brassica napus and freezing tolerance in Arabidopsis[J].Genes Dev,2003,17:1043-1054.[23] XIN Z, BROWSE J. Eskimo1 mutants of Arabidopsis are constitutively freezing-tolerant[J].Proc Natl Acad Sci USA,1998,95:7799-7804.[24] ZHU J,VERSLUES P E,ZHENG X,et al. HOS10 encodes an R2R3-type MYBtranscription factor essential for cold acclimation in plants[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2005,102:9966-9971.[25] CHINNUSAMY V,OHTA M,KANRAR S,et al.ICE1: a regulator of cold-induced transcriptome and freezing tolerance in Arabidopsis[J].Genes Dev,2003,17:1043-1054.[26] CHINNUSAMY V,ZHU J,ZHU J K.Gene regulation during cold acclimation in plants[J].Physiol Plant,2006,126:52-61.[27] NOVILLO F,ALONSO J M,ECKER J R,et al. CBF2/REB1C is a negative regulator of CBF1/DREB1B and CBF3/DREB1A expression and plays a central role in stress tolerance in Arabidopsis[J].Proc Natl Acad Sci USA,2004,101:3985-3990.[28] VOGEL J T,ZARKA D G,V AN BUSKIRK H A,et al. Roles of the CBF2 and ZAT12 transcription factors in configuring the low temperature transcriptome of Arabidopsis[J]. Plant J,2005,41:195-211.[29] GUO Y,XIONG L,ISHITANI M,et al.An Arabidopsis mutation in translation elongation factor 2 causes superinduction of CBF/DREB1 transcription factor genes but blocks the induction of their downstream targets under low temperature[J] Proc Natl Acad Sci USA,2002,99:7786-7791.[30] YANG Y,FANG S,JENSEN J P,et al. Ubiquitin protein ligase activity of IAPs and their degradation in proteasomes in response to apoptotic stimuli[J].Science,2000,288:874-877.[31] ISHITANI M,XIONG L,LEE H,et al. HOS1, a genetic locus involved in cold-responsive gene expression in Arabidopsis[J].Plant Cell,1998,10:1151-1161. [32] GONG Z,LEE H,XIONG L,et al. RNA helicase-like protein as an early regulator of transcription factors for plant chilling and freezing tolerance[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2002,99:11507-11512.[33] GONG Z,DONG C H,LEE H,et al. A DEAD box RNA helicase is essential for mRNA export and important for development and stress responses in Arabidopsis[J]. Plant Cell,2005,17:256-267.。
植物抗寒生理的研究进展
植物抗寒生理的研究进展
植物抗寒生理的研究进展主要涉及以下几个方面：
1. 低温适应机制：植物在低温环境下生存和生长的能力是至关重要的。
研究已经发现，植物通过一系列的生理生化机制来适应低温环境，包括产生冷反应基因和相关的基因，以及这些基因之间的相互作用。
2. 植物激素在抗寒中的作用：植物激素在植物抗寒中起着重要的作用。
例如，脱落酸（ABA）可以诱导植物产生抗寒性，而细胞分裂素则可以保护植物免受低温的伤害。
此外，一些植物激素还可以调节植物对低温的响应，如钙调蛋白激酶和MAPK等。
3. 抗寒基因的鉴定和功能研究：随着生物技术的发展，越来越多的抗寒基因被鉴定和研究。
这些基因包括编码保护酶类（如SOD、POD、CAT等）的基因、调节ABA合成和信号转导的基因等。
对这些基因的研究将有助于我们更深入地了解植物抗寒的分子机制。
4. 抗寒锻炼和适应性生理变化：植物在经历低温锻炼后，可以产生一系列适应性生理变化，如增加膜的稳定性、提高保护酶的活性等。
这些变化有助于植物在低温环境下生存和生长。
5. 抗寒育种：通过选择具有抗寒特性的品种，培育出抗寒能力更强的植物，是植物抗寒研究的一个重要应用。
通过结合传统育种方法和现代生物技术，可以培育出既具有优良农艺性状，又具有较强抗寒能力的植物新品种。
总的来说，植物抗寒生理的研究进展在多个领域都有所涉及。
未
来，随着生物技术的不断发展，我们期待在植物抗寒生理的研究中取得更多的突破和进展。
植物抗冻蛋白的研究进展
植物抗冻蛋白的研究进展引言植物抗寒性是指植物在低温环境下存活和正常生长的能力，是植物适应环境的一种重要的适应策略。
随着现代生物技术的发展，研究植物抗寒性和冷冻伤机制的分子水平得以深入，许多与植物抗冻性相关的分子机制被逐渐揭示出来，其中植物抗冻蛋白的研究成为了热点之一。
本文就植物抗冻蛋白的研究进展作简要综述。
植物抗冻蛋白的分类植物抗冻蛋白（plant cold acclimation protein）是在低温适应过程中由植物细胞自行合成的保护蛋白，又称寒性蛋白。
植物抗冻蛋白主要分为结构型抗冻蛋白和调节型抗冻蛋白两种类型。
结构型抗冻蛋白结构型抗冻蛋白主要是指在低温环境下由植物细胞表达的一类蛋白质，它们具有空间结构稳定和抗冻性能强等特点。
目前已发现的结构型抗冻蛋白主要有以下类型：1.内源性结构性抗冻蛋白：如甘油、脯氨酸等小分子有机化合物，以及糖原、核糖体等大分子有机化合物。
2.外源性结构性抗冻蛋白：如外源性抗冻蛋白R101、超级冷冻素等。
调节型抗冻蛋白调节型抗冻蛋白（Regulatory Cold Acclimation Protein）通常指在低温适应过程中由基因表达调节的一类蛋白质，它们通常不会直接参与到细胞的代谢过程中，而是通过调节基因表达和信号转导途径来提高植物的低温适应能力。
目前已发现的调节型抗冻蛋白主要有以下类型：1.内源性调节性抗冻蛋白：如去甲基化酶1、DNA结合转录因子CBF1等。
2.外源性调节性抗冻蛋白：如链球菌外毒素等。
植物抗冻蛋白的合成及机理研究低温适应下植物抗冻蛋白的合成及其机理研究对揭示植物在低温环境中保护机制具有重要意义。
早期研究表明，一些外源性抗冻蛋白能够激活细胞的代谢过程并促进与低温适应相关的基因的表达。
后来研究发现，在低温适应过程中，植物会自行合成并积累各种类型的抗冻蛋白，其中结构型抗冻蛋白是通过转录和翻译过程来完成合成的，而调节性抗冻蛋白主要是通过激活特定的信号转导途径来促进其基因表达的。
植物抗寒性的研究进展
程 中形成的。由于植 物没有 动物那 样 的运动机 能和神 经系 统 ，基本上是生长在 固定 的位置 上 ，因此 常常 遭受不 良环 境的侵袭。但植 物可用多 种方式 来适 应逆境 ，以求生存 与
２ ｌ ｏ．２Ｎ ． ００Ｖ １ ｏ １ ４
林
业
科
技
情
报
植 物 抗 寒 性 的 研 究 进 展
马振 东
石 艳 霞
（ 龙 江省林 业勘察 设计 院） （ 黑 黑龙 江省森 林植 物 园 ）
［ 摘 要 ］ 温度过低会 对植物 造成一定 的伤 害， 并引起 植物 体 内一 系列 的生理 生化反应 ， 文综述 了植物寒 害类 型、 寒基 本 抗
因、 冻伤 害及低 温驯化后植物 的生理生化变化等方面的研 究进展。 冷
［ 关键词 ］ 植物抗寒性； 害； 冷 冻害 ； 寒基 因； 抗 低温驯化
Ｓ ｕ ｙ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｎ Ａｂ ｕ ｌｎ ｌ — ｅ ｉ ａ ｃ ｔ ｄ ｏ ｒ ｓｉ ｏ ｔＰ ａ ｔＣｏｄ— ｒ ｓｓ ｎ ｅ ｏ ｔ
吸胀初期对低 温 十分 敏感 ，低 温 浸种 会完 全 丧失 发 芽率 。
低温下子叶或胚乳 营养物质 发生泄漏 ，这为适 应低 温 的病 菌提供 了养分 。苗期 冷害 主要 表现 为叶片 失绿 和萎蔫 。水 稻 、棉花 、玉米等春播后 ，常 遭冷 逆 境 的抵抗 和 忍耐 能力 叫植 物 抗 逆性 ，简称 抗 性
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｌｗ ｅ ｅ ｔ ｒ ｌ ｃ ｕ ｅ ｄ ｍａ ｅ ｔ ｌｎ ｎｄ ｓｒ ｃ ： ｈ ｏ ｔｍｐ ｒ ｕ ｅ ｗｉｌ ａ ｓ ａ ｇ ｏ ｐ ａ ｔａ Ｉ ｏ ｈ ｓｃ ａ ｄ ｂｏｏ ｙ ｒａ ｔ ｎ ｉ ｈ ｌ ｔ ｈ ｓ ａ ｌ ｓ ｍｅ ｐ ｙ ｉ ｎ ｉｌ ｇ ｅ ｃｉ ｎ ｔ ｅ ｐａ ．Ｔ ｉ ｇ ｏ ｎ
植物抗寒基因研究进展
植物抗寒基因研究进展
王多佳;苍晶;牟永潮;曾俨;许平;于晶
【期刊名称】《东北农业大学学报》
【年(卷),期】2009(040)010
【摘要】寒害严重影响植物的生存和分布,提高植物抗寒性,对农业具有十分重要的意义.文章从抗冻蛋白、冷诱导、脂肪酸去饱和、渗透调节物质等方面对植物抗寒基因进行归纳和总结,并对未来工作重点进行了展望.
【总页数】5页(P134-138)
【作者】王多佳;苍晶;牟永潮;曾俨;许平;于晶
【作者单位】东北农业大学生命科学学院,哈尔滨,150030;东北农业大学生命科学学院,哈尔滨,150030;东北农业大学生命科学学院,哈尔滨,150030;东北农业大学生命科学学院,哈尔滨,150030;邹城市林业局林业站,山东邹城,273500;东北农业大学生命科学学院,哈尔滨,150030
【正文语种】中文
【中图分类】Q945.4
【相关文献】
1.有关园艺植物抗寒基因工程研究进展 [J], 刘红洁
2.园艺植物抗寒基因工程研究进展 [J], 陈延惠;连红可;马海旺;李洪涛;李跃霞;胡青霞
3.植物抗寒基因工程研究进展 [J], 李璨;杨天杰
4.植物抗寒基因研究进展 [J], 刘文英;张永芳;张东旭
5.植物抗寒基因表达调控研究进展 [J], 王俊峰;孔维国;张煜;马玉敏;李娜娜;丁汉凤因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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水稻 pBC121 Pbc442 pBC591 pBC601
低温胁迫 低温胁迫、干旱胁迫、脱落酸诱导 低温胁迫
黑麦 Rlt1412 rlt 1421
低温胁迫
1. 1 COR 基因 COR 基因是冷诱导基因, 在它的启动子区域含有
具有 5 个碱基核心序列 CCGAC 的脱水反应元素 DRE
11 9
专题综述
ICE 是在低温时诱导 CBF 家族表达的转录激活因 子, 它在低温时能特定地结合到 CBF 的启动子序列上, 诱导 CBF 的表达, 而后 CBF 结合到其下游目的基因启 动子的 DRE 序列上, 诱导 COR 的表达, 从而提高植株 的抗冻性[ 8] 。Chinnusamy V 等于 2003 年已经从拟南芥 中得到 ICE1( Inducer of CBF expression 1) , 并且连上 CaMV35S 启动子转入拟南芥, 获得了含 ICE1 基因的转
北方园艺 2009( 1) :119~ 123
( Dehydration responsive element ) DRE 做为顺式作用启 动子元素, 能在低温胁迫时激活 COR 基因的表达[ 4] 。 Masakazu H 等将 Cu2COR19 转入烟草, 和对照烟草植 株相比较, 转基因植株电渗值较低、发芽率较高、抗冻性 有所提 高[ 5] 。Puhakainen T 等 于 2004 年将 RA B18, COR47( pT P9) 以及 LT I29, LT I30 ( pTP10) 分别构建到 植物表达载体 pDE1001, 之后分别电击转化到农杆菌 pGV2260 中, 以此农杆菌分别侵染拟南芥。低温条件 下, 转基因拟南芥植株和对照植株相比降低了 LT 50, 并 且转基因植株的存活率也明显高于对照植株[6] 。 1. 2 CBF( Crepeat binding factor) 转录因子
摘 要: 低温冻害使许多植物生存受到严重危害, 全球每年因低温冻害造成的农作物损失高 达数千亿元。研究并提高植物抗冻性具有重要理论和现实意义。目前, 通过对冷诱导基因、CBF、 ICE、抗冻蛋白基因、脂肪酸去饱和酶基因、脯氨酸基因、SOD 基因等与抗冻相关的基因的研究表 明, 将这些抗冻相关基因进行转基因, 可以提高植物的抗冻性。现综述植物抗冻性基因的类型及 其抗冻转基因植物最新研究进展。
E R- H SC70 马铃薯 A13 C12 C17 大麦 H VA1 blt801
低温胁迫 低温胁迫、干旱胁迫、脱落酸诱导 低温胁迫、脱落酸诱导
blt101 blt63 blt4 blt4. 2 blt4. 9 blt4. 1 A086
低温胁迫 低温胁迫、干旱胁迫、脱落酸诱导 低温胁迫
小麦 WCS120 WC S200 WC S66 WCS19 C OR39 Wcor410
关键词: 抗冻基因; 冷诱导基因; CBF; ICE; 抗冻蛋白; 转基因植物 中图分类号: S 603. 4 文献标识码: A 文章编号: 1001- 0009( 2009) 01- 0119- 05
随着人口的增长和耕地面积的不断减少, 如何提高 作物的产量越来越受到人们的广泛关注, 而气候条件是 影响作物产量的重要因素之一。冻害一直制约着作物 产量的提高, 低温冻害使许多植物生存受到严重危害, 全球每年因低温冻害造成的农作物损失高达数千亿元。 研究并提高植物抗冻能力, 并培育出抗冻作物品种就可 能延长作物的生育期, 同时也会抵御骤然低温对作物造 成的不良影响, 对提高作物的产量有着非常重要的意 义。因此, 培育耐寒和抗冻的作物品种无疑是一种最佳 的选择。但是通过常规育种方法很难培育出抗冻的作 物品种。近年来, 随着基因工程技术在作物品种改良方 面取得了巨大进展。具有可控性强、效率高、周期短、成 本低等优点的植物基因工程技术已经成为新品种选育 的一条全新而有效的途径[ 1] 。
应低温过程中基因表达发生改变, Guy 等研究发现冷驯
化能诱导和增加一些基因的表达, 使多种基因表达发生
改变。这些冷诱导基因表达的产物可分为 2 类, 一是调
控蛋白, 调控寒冷信号传导、抗寒基因表达和抗寒蛋白
活性; 二是功能蛋白, 与植物抗寒性的提高直接相关。 表 1 已经分离鉴定的植物冷诱导基因[2-3]
12 0
基因拟南芥植株, 通过检测证实转基因拟南芥植株的抗 冻性有很大的提高[ 10] 。
2 植物抗冻基因及转基因植物最新研究进展
近年来, 随着人们对植物抗冻基因进行了深入的研 究, 揭示了植物抗冻性除受多基因协同调控外, 某些单 基因也起了重要作用。因此, 这些单基因有可能用于植
物抗冻基因工程。在不影响作物产量、品质的情况下, 利用植物转抗冻蛋白基因手段培育抗冻品种已成为一 条全新而有效的途径。抗 冻蛋白( Antif reeze protein, AFPs) 是 20 世纪 60 年代从极地海鱼的血清中发现的一 种具有阻止体液内冰核的形成与生长、维持体液的非冰 冻状态的高效抗冻活性物质。目前已发现的抗冻蛋白 可分为 4 类 : 型抗冻蛋白富含丙氨酸重复序列, 具有 a- 螺旋结构的多肽, 以美洲拟鲽的 AFP 为代表; 型抗 冻蛋白是富含胱氨酸, 并具有 p- 折叠结构的多肽, 以绒 杜父鱼的 AFP 为代表; 型抗冻蛋白的氨基酸组成无明 显偏向性, 是无一定二级结构的多肽, 以美洲大绵的 AFP 为代表; 型抗冻糖肽( Ant ifreeze glycopep tide, 简称 AFGP) , 主要代表为南极鳕鱼, 可产生类似于糖三 肽多聚体的 AFGP。抗冻蛋白存在于不同的生物体中, 包括鱼类、昆虫和植物, 但对鱼类抗冻蛋白的研究较 多[ 11] 。H uang T 等 2002 年将树状抗冻基因dafp- 1基因 转入拟南芥中, 而后和对照植株相比发现转基因植株的 抗冻性提高了 1. 0~ 3. 3 [12] 。Li C M 等 2006 年从云杉 蚜虫中分离得到抗冻蛋白 CfAFP- 501, 并且分析出此蛋 白的结构[ 13] 。 2. 1 鱼类 AFPs 基因及其转基因植物
1 植物抗冻基因的研究现状
目前已知的植物抗冻基因主要为环境诱导表达的 基因及某些组成性表达的基因。前者指冷驯化( 植物自 身适应环境的结果) , 后者是通过基因工程技术克隆出 抗冻基因, 连上强启动子或冷诱导启动子转入植物, 获 得转基因植株, 进而提高植株的抗冻性[ 1] 。如有骤然低 温或霜冻来得较早的年份, 前者来不及反应就受到冻 害, 而后者目的性强, 对低温迅速做出反应, 因此, 育种 上经常采用此种方法来培育抗冻作物品种。目前已分
一个典型的植物转录因子包括: DNA 结合域、低聚 糖位置、转录调节区域和一个核酸定位信号[ 7] 。CBF 转 录因子的发现是近年来植物抗逆研究方面最具突破性 的发现。拟南芥 中的 CBF 家 族包括 CBF1、CBF2 和 CBF3。CBF2、CBF3 与 CBF1 的基因序列有较高的同源 性, 分别为 81% 和 84% , CBF1、CBF2 和 CBF3 位于拟南 芥的第 4 号染色体, 并且串联在上面[ 8] 。这 3 种基因的 强表达使拟南芥生长缓慢、花期延迟、脯氨酸和蔗糖含 量增加, 同时使拟南芥抗冻性也得到一定提高[ 9] 。这 3 种 CBF 结合到 COR 基因的 DRE 序列上, 从而诱导一系 列 COR 基因的表达, 因此有人把 CBF 转录因子看作低 温时激活一些 COR 基因的开关。目前已发现 CBF 调控 的抗 冻基 因 至 少有 十 几 种, 如: rd29A、Iti78、cor78、 cor15a、kin2、cor6. 6、erd10、kin1、rd17、cor47、Fl325A3、 Fl5277、Fl5294、Fl3227、Fll2522122 和 erd14[ 1] 。
北方园艺 2009( 1) : 119~ 123
专题综述
基因 AFP 的番茄, 且低温下转基因植株长势优于对照, 致死温度比对照降低 2~ 4 , 一系列检测表明抗冻基因 AFP 已整合到转化番茄基因组中并获得表达。Hightower R 等利用农杆菌将比目鱼体内抗冻蛋白( AFPs) 基 因转入番茄, 发现转基因番茄不但稳定转录 AFP 的 mRNA, 还产生一种新的蛋白质, 这种转基因番茄的组织 提取液在冰冻条件下能有效阻止冰晶增长[15] 。 2. 2 昆虫 AFPs 基因及其转基因植物
第一作者简介: 蔺忠龙( 1983- ) , 男, 在读硕士, 主要研究方向为植 物分子生物学。E- mail: tom101@ eyou. com。 通讯作者: 程在全。 基金项目: 云南省自然科学基金资助项目( 2005C0063M) 。 收稿日期: 2008- 08- 10
离鉴定的植物冷诱导基因见表 1。Weiser 认为植物在适