植物乙烯受体及转基因育种研究进展

特约评述INVITEDREVIEW

植物乙烯受体及转基因育种研究进展韩继成河北省农林科学院昌黎果树研究所,昌黎,066600

通讯作者,hanjicheng@sina1com

摘要在对模式植物拟南芥的遗传学和分子生物学的深入研究中,获得了乙烯应答过程中大量的突变体,

分离了编码乙烯受体的基因,其编码产物的结构和功能也已得到鉴定,一些乙烯受体基因已用于转基因植物的研究。本文对近几年已确认的乙烯受体基因突变体,对乙烯受体基因的遗传途径、表达模式及其编码产物的结构、功能及其相互关系做了综述。探讨了利用乙烯受体基因进行转基因植物研究的可行性。

关键词乙烯受体,结构与功能,信号转导,转基因

ResearchProgressonPlantEthyleneReceptoranditsTransgeneHanJichengChangliInstituteofPomology,HebeiAcademyofAgricultureandForest,Changli,066600Correspondingauthor,hanjicheng@sina1com

ABSTRACTAlargenumberofmutantsforresponsingtoethylenehavebeenacquired,severalgenesencodingtheethy2lenereceptorhavebeenisolatedandtheirstructureandfunctionwerealsoidentified,afewethylenereceptorgeneshavebeenintroducedintoplantsaswell,whicharebenefitedfromthedeepresearchesingeneticsandmolecularbiologyonthemodelplant,Arabidopsisthaliana.Inthispapertheauthorsummarizedthetypesoftheethyleneresponsemutants,thegeneticsandexpressionmodeofethylenereceptorgenes,thestructureandfunctionaswellastheirinteractionofproductsencodedbyethylenereceptorgenes,andalsodiscussedthefeasi2bilityoftransgenicplantresearchusingethylenereceptor.

KEYWORDSEthylenereceptor,Structureandfunction,Signaltransduction,Transgenicplant乙烯是高等植物中生长和发育的内源调节剂及胁迫应答的信号分子,它在果实成熟、性别分化、不定根及胚根的分化与生长、豆科植物根瘤的形成、植株器官的衰老、脱落与死亡、植株诱导性系统抗性、胁迫应答等生长发育的基本过程中起重要作用。

分子植物育种,2004年,第2卷,第2期,第157—163页MolecularPlantBreeding,2004,Vol12,No12,157—163乙烯感知和信号转导的初始成分是乙烯受体,它能与乙烯结合,引起自身结构变化,启动或抑制相关基因的表达,是乙烯生物合成和信号转导途径中的一个关键信号因子,决定植物对乙烯的敏感能力,控制植物成熟和衰老的进程以及对环境刺激的应答。相对于人们对乙烯生物合成途径的了解而言,有关植物感知乙烯及其信号转导机制的知识了解甚少。显然深入了解乙烯感知和信号转导途径,对控制植物发育、调节切花和果实的采后寿命具有潜在的商业应用价值。近十年来,应用黄化苗三重反应(GuzmanandEcker,1990)在乙烯受体及其信号转导方面的研究已取得很大进展(Kieber,1997),通过诱变和遗传筛选已得到大量的乙烯应答突变体(Ecker,1995),并克隆了5个受体基因etr1(ethyleneresponse1)、etr2(ethyleneresponse2)、ein4(ethyleneinsensitive4)、ers1(ethyleneresponsesensor1)、ers2(ethy2leneresponsesensor2)。在西红柿(Lanahanetal1,1994;Wilkinsonetal1,1995)和大豆(Xieetal1,1996)等植物中也筛选到乙烯应答突变体。同时在包括西红柿和大豆在内的许多作物如水稻、玉米、矮牵牛、玫瑰、香石竹、西番莲、黄瓜、香瓜、芒果、苹果、梨等克隆了大量的乙烯受体基因。大量研究表明,乙烯受体基因是一个基因家族,弄清乙烯受体基因的保守性和多样性对深入利用乙烯受体基因调节植物生长发育进程、延缓植物衰老具有重要意义。1乙烯受体基因突变体通过化学药剂诱变,目前已从拟南芥得到了etr1、etr2、ein4、ers1(Bleeckeretal1,1988;Huaetal1,1995)和ers2(Huaetal1,1998)5个乙烯受体基因突变体和与乙烯信号转导及胁迫应答有关的另一突变体ein2(Alonsoetal1,1999),从西红柿中得到了neverripe突变体(Lanahanetal1,1994),在大豆中得到了etr1突变体。etr1是第一个在拟南芥中被鉴定的单基因遗传的显性突变体,该突变体对乙烯介导的其他反应也不敏感,如:种子萌发的启动、过氧化物酶活性的加强、离体叶片衰老的加速和乙烯生物合成的负反馈等,在etr1突变体中,由乙烯诱导的目标基因的转录也被阻止(Lawtonetal1,1995)。与etr1相似,其他4个乙烯受体基因突变体etr2、ein4、ers1和ers2也是乙烯应答不敏感突变体,它们的许多表现型与etr1突变体相似。其中,etr1、etr2、ein4突变体有显著的乙烯不敏感,推测在乙烯信号转导的早期就起作用(BleeckerandSchaller,

1996)。

ein2位点上的突变体引起对外源和内源乙烯的不敏感性。现有的ein2的25个等位基因突变体。除了ein2～9外,所有的等位基因突变体在形态、生理和分子水平上显示完全的乙烯不敏感性。ein2突变体也可在筛选抗生长素转运抑制剂、细胞分裂素和脱落酸拟南芥突变体的过程中获得。ein2是目前已知的唯一的该基因功能丧失导致完全的乙烯不敏感。

2乙烯受体基因及其编码产物的结构现有的关于乙烯受体基因及其编码的蛋白质的结构和功能,主要来自于拟南芥。基于序列相似性和整体基因结构,乙烯受体家族分为两个亚家族:即亚家族I和亚家族II。亚家族I包括etr1

和ers1,亚家族II包括etr2、ers2和ein4

(

Hall

etal1,2000)。同一亚家族内氨基酸序列有较高的

相似性,最高可达79%,不同亚家族间的相似性为57～65%。应用图位克隆方法,首先克隆了etr1基因(Changetal1,1993),应用etr1的cDNA为探针

进行低严格度杂交克隆了ers1(Huaetal1,

1995),应用化学诱变和遗传筛选克隆了etr2(Sakaietal1,1998),利用

etr2的cDNA

为探针克

隆了ers2和ein4(HuaandMeyerowitz,1998)。通过比较etr1基因组DNA与cDNA的序列,该基因含有六个内含子,其中一个位于5′非编码区的头部,编码区是一个编码738个氨基酸的单一开放阅读框,目前已发现4个等位基因突变体,每一个突变体都是单核苷酸替换而导致的错义突变,

所有4个突变体的突变位点均位于推定的蛋白质的氨基末端区。该基因编码的乙烯受体蛋白氨基末端与已知的任何蛋白质的氨基末端没有相似性,

但是羧基末端与细菌两组分信号转导系统的感觉器和应答调节器有很高的相似性,并包含有在细菌中保守的组氨酸蛋白激酶所特有的五个基序(H、N、G1、F和G2)(Gambleetal1,1998)。

在4个etr1类似基因中,ers1最接近于etr1。与etr1相似,ers1基因突变也导致乙烯不敏感(Huaetal1,1995),ers1有5个内含子,其编码

的蛋白质与ETR1有67%的相似性,氨基末端的

158

分子植物育种MolecularPlantBreeding相似性达到79%,羧基末端的相似性为58%。在其羧基末端也含有组氨酸蛋白激酶保守的五个基序,但是ERS1羧基末端比ETR1少125个氨基酸。通过在酵母中的异源表达,ERS1形成一个膜结合的、以二硫键形成的二聚体,具有乙烯结合位点。乙烯结合的竞争物1-methylcyclopropene(1-MCP)与ETR1和ERS1有相同的结合乙烯的能力,说明ETR1和ERS1有相似的乙烯亲和力(Halletal1,2000)。etr2在其编码区被一个短的内含子隔成2个外显子,而在其5′非编码区也有一个内含子。etr2编码的773个氨基酸的蛋白质,与ETR1和ERS1序列相似性最高,与ETR1有整体的序列相似性:包含一个氨基末端区、一个假定的组氨酸蛋白激酶区和一个接受区。而且ETR2有一个独特的结构:在其氨基末端伸展区有第4个疏水片段。ETR2与ETR1和ERS1有几乎一致的相似性(分别为65%和63%的相似性),氨基末端与ETR1和ERS1有71%的相似性,在推定的组氨酸蛋白激酶区与ETR1和ERS1的相似性较低,分别为58%和56%。不同于ETR1和ERS1,ETR2中的组氨酸蛋白激酶与细菌组氨酸蛋白激酶的5个保守的基序(H、N、G1、F和G2)稍有不同,ETR2在H基序,作为磷酸化位点的保守的组氨酸残基被谷氨酰胺残基所替代,并且在ETR2中没有发现G1和F基序。ein4包含一个内含子。其编码的蛋白质有766个氨基酸,分子量为86kd。与ETR2有53%的一致性及74%的相似性,与ETR1和ERS1分别有62%和60%的相似性。此外,通过单个区域的比较,EIN4与ETR2比ETR1和ERS1有更近的亲缘性。EIN4的N-末端(1-347位置)与ETR2有61%的一致性及78%的相似性。与ETR2相似,相对于ETR1和ERS1,在极端N-末端区,有额外的疏水骨架,EIN4蛋白质的中间区段(348～631位置)是一个假定的组氨酸蛋白激酶区,与细菌组氨酸蛋白激酶的保守序列相比,它比ETR1和ERS1更加分散。它与ETR2对应位置的序列有69%的相似性,而与ETR1和ERS1有53%的相似性。其磷酸化位点组氨酸残基(H-377)不在推定的位置,C-末端区域与ETR2的接受区有70%的序列相似性,与ETR1有66%的相似性。在细菌两组分调节器中保守的两个天门冬氨酸(D-648和D-694)及一个赖氨酸残基(K-746)存在于EIN4的相应位置。通过对来自于三个ein4突变体的ein4基因序列分析,发现一个错义突变体。ein4-1和ein4-