高等植物ACC氧化酶基因启动子研究进展

2014-05-23吴健侯和胜

天津农业科学 2014年4期

关键词：乙烯

吴健　侯和胜

摘要：启动子是控制植物基因表达的重要DNA序列结构，本文从高等植物ACO基因启动子克隆、顺式作用元件分析及GUS基因表达等方面着眼，综述该领域的研究进展。

关键词：乙烯；ACO启动子；顺式作用元件；GUS基因表达

中图分类号：Q943.2 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.04.005

作为植物气体激素，乙烯广泛存在于植物的各个器官和组织中，对植物种子萌发、根毛萌发、植物开花、果实成熟、器官衰老等有广泛的影响。同时乙烯在植物生物和非生物胁迫的响应中也起到重要的作用，如机械伤害、冷害、渍水、病原菌入侵等方面，因此，抑制乙烯的产生可使许多重要农产品的运输和贮藏更为方便，同时也延长了货架期，可以增值增效。

早在1984年，Yang和Hoffman[1]就阐明了乙烯的合成途径，见图1。ACC氧化酶是乙烯生物合成途径的关键酶，其在植物组织内的产量和活性往往决定乙烯产生的速率，因此，研究ACO基因表达调控的分子机制对全面了解乙烯对植物的生理效应及化控机理具有重要的意义。笔者主要阐述了高等植物ACO基因启动子的研究进展，以期为今后ACO基因启动子的研究提供有价值的参考。

1 ACO基因启动子的克隆

启动子在基因表达调控中起着重要的作用，目前，对植物ACO基因启动子的研究主要集中在果实相关基因启动子上，研究较深入的有番茄E4基因、E8基因、多聚半乳糖酸酶（PC）基因和2A11基因、苹果ACO1基因启动子，这些启动子都与果实成熟过程中的基因表达有关，但彼此同源性很小，在29%以下[2]。除了番茄外，也相继从其他多种植物中克隆了ACO基因启动子（表1）。香蕉果实特异性ACO1启动子序列与Genbank中其他的植物果实相关基因启动子相比较，相似性很低，为19.9%～22.3%。其中与苹果果实中表达的ACO基因启动子的相似性为20.0%；苹果果实ACO启动子中有一段64 bp的正向重复序列，但与香蕉ACO1启动子的55 bp正向重复序列并无相似性，说明不同植物中功能相似的基因，其启动子间可能存在着很大的不同[3]。

2 ACO基因启动子顺式作用元件

启动子序列结构具有差异性，不同物种、不同组织中的启动子序列结构并不相同[5]。一般的启动子序列由核心元件及上游元件组成，前者主要包括转录起始位点（TSS）及TATA-box，大部分高等植物启动子都含有TATA-box；上游元件又分为一般上游元件如CAAT-box和GC-box和特殊上游元件如G-box等[6]。研究表明，多数参与逆境胁迫应答的基因启动子序列中还存在一些特殊的顺式作用元件，如病虫害胁迫响应元件、高盐胁迫响应元件、干旱胁迫响应元件等[7]。

在对欧洲葡萄、香蕉等植物ACO启动子顺式作用元件的分析，发现了不同的顺式作用元件（表2），其中TATA-box、G-box、CAAT-box在欧洲葡萄、香蕉ACO启动子中均存在，还发现在欧洲葡萄ACO2和香蕉ACO1启动子中都存在热响应元件HSE和茉莉酸甲酯响应元件TGACG-motif，说明不同植物ACO基因启动子间可能存在相类似的功能，例如在热响应、植物激素响应应答中起调控作用。而它们中也存在一些不同的顺式作用元件，例如在欧洲葡萄ACO1、ACO2启动子中都含有赤霉素响应元件TATC-box，而香蕉ACO1启动子中没有；在欧洲葡萄ACO1、香蕉ACO1启动子中含有脱落酸响应元件ABRE，而欧洲葡萄ACO2启动子中没有；说明不同植物的ACO启动子或相同植物不同ACO基因的启动子，其含有的顺式作用元件有差别，它们的功能可能也有不同。

3 ACO基因启动子驱动的GUS基因表达

将不同植物ACO基因的启动子片段与GUS报告基因连接，导入植物细胞，发现不同植物的不同器官中表达差异很大。

经GUS组织化学检测后，90%甜瓜阳性转化植株的花药和80%甜瓜阳性转化植株的成熟果皮被X-Gluc染成蓝色，而对照（未转化植株）与叶、茎、根、幼果中均未出现蓝色，说明甜瓜ACO1基因的启动子能够调控GUS基因在转基因甜瓜的花药和成熟果实的果皮组织中表达，而不能调控在叶、茎、根、幼果中表达。在果实成熟期（在植株上未采摘之前），GUS基因首先在果皮中表达，而在果肉中未检测到表达，说明甜瓜果实成熟过程中，果皮中GUS基因的表达，促进了乙烯的生物合成与果皮的成熟老化，使果实的硬度和贮运性降低[8]。

桃ACO1基因的启动子能够调控GUS基因在转基因番茄和桃的叶片、子房、叶和果实的脱落区、果皮组织中表达，并且通过丙烯和机械伤害正向调节。桃ACO2基因启动子能够调控GUS基因在幼嫩的维管束、成熟的果实、衰老的叶片、果实和叶的脱落区组织中表达[9]。番茄ACO1启动子在转基因番茄中的成熟果实的果皮、衰老叶柄的脱落区、未受精的花、机械伤害部位中表达。这些结果表明，ACC氧化酶在转录水平上能够调控多种不同发育时期的细胞类型和应对一些外界刺激[10]。

4 结语

乙烯代谢途径是植物重要的代谢途径，其相关酶基因的分子生物学研究越来越受重视。启动子作为一种基因表达的重要顺式作用元件，从1983年第一株转基因植物问世以来，一直是基因工程中的研究热点。随着科学技术的不断进步，将会有更多植物的ACO基因的启动子被研究，从而使乙烯代谢途径的转录调控机理得到更深入的了解，相信会有更多、更好的通过调控内源乙烯生物合成的转基因的新品种出现，从而增加人们对植物基因表达调控的理解和认识。

参考文献：

[1] Yang S F， Hoffman N E.Ethylene biosynthesis and regulation in higher plants[J].Annu Rev Plant Physiol，1984，35：155-189.

[2] 陈银华，黄伟，王海.ACC氧化酶基因研究进展[J].海南大学学报：自然科学版，2006，24（2）：194-199.

[3] 王新力，彭雪贤.香蕉果实成熟相关基因ACO1启动子区的克隆及其功能初探[J].生物工程学报，2001，17（4）：428-431.

[4] Atkinson R G， Bolitho K M， Wright M A， et al. Apple ACC-oxidase and polygalacturonase：Ripening-specific gene expression and promoter analysis in transgenic tomato[J].Plant Molecular Biology，1998，38（3）：449-460.

[5] 夏江东，程在全，吴渝生，等.高等植物启动子功能和结构研究进展[J].云南农业大学学报，2006，21（1）：7-14.

[6] 王颖，麦维军，梁承邺，等.高等植物启动子的研究进展[J].西北植物学报，2003，23（11）：2 040-2 048.

[7] 聂丽娜，夏兰琴，徐兆师，等.植物基因启动子的克隆及其功能研究进展[J].植物遗传资源学报，2008，9（3）：385-391.

[8] 毛娟，陆璐，陈佰鸿，等.甜瓜CmACOⅠ启动子组织特异性表达研究[J].园艺学报，2013，40（6）：1 101-1 109.

[9] Rasoria A， Bertolasib B， Furini A， et al.Functional analysis of peach ACC oxidase promoters in transgenic tomato and in ripening peach fruit[J].Plant Science，2003， 165（3）：523-530.

[10] Blume B， Grierson D. Expression of ACC oxidase promoter-GUS fusions in tomato and Nicotiana plumbaginifolia regulated by developmental and environmental stimuli[J].The Plant Journal，1997，12（4）：731-746.