植物应答逆境胁迫分子机制的研究进展

许存宾

摘   要：植物在生长过程中经常遭受各种胁迫因子的影响，随着分子生物学技术的发展，植物适应逆境的机制研究也从生理水平步入分子水平。对植物应答逆境胁迫的转录组、蛋白组和调控分子机制3个方面的研究进行了概述。

关键词：植物;应答逆境胁迫;分子机制;研究进展

植物经常遭受各种逆境胁迫，对生长发育造成不利影响，甚至引起死亡。植物的逆境胁迫通常包括非生物胁迫和生物胁迫，前者主要由一定的物理或化学条件引发，如高温、干旱、冷害、高盐、重金属、机械损伤等，后者主要由各种生物因子引发，如真菌、细菌、病毒、线虫和菟丝子等引起的病虫害[1]。植物为了适应逆境环境，会在分子、细胞、器官、生理生化等水平上作出及时调节[2～3]。植物对逆境胁迫的响应是一个非常复杂的生命过程，其分子机制至今尚未完全阐明。随着全球环境的日益恶化，各种逆境胁迫对植物生长发育带来的影响也日渐严重，成为制约现代农业发展的重要因素，各国学者对植物逆境应答机制的研究也投入了越来越多的力量[4]。

早期科学家们对植物在不利环境中的形态变化和生理指标变化研究较多，随着分子生物学技术的不断发展，对植物适应逆境机制的研究从生理水平进入分子水平，使得植物在逆境胁迫条件下的代谢机理研究取得了重要进展。植物受到逆境刺激后，通过系列信号分子对相关抗逆基因和蛋白的表达进行调节，进而改变自身形态和生理生化水平来适应逆境[5]。此研究不仅能探索生命现象的本质，而且能更好地进行分子育种和植物次生代谢产物合成研究。本文就植物应答逆境胁迫的转录组学、蛋白组学和分子调控机制3个方面的研究进展进行了概述。

1   植物应答逆境胁迫的转录组学研究进展

转录组学（transcriptomics）是一门在RNA水平上研究生物体中基因转录的情况及转录调控规律的学科，即从RNA水平研究基因表达的情况。转录组学可定量分析生物体不同组织、不同发育阶段和不同环境条件下的基因表达变化情况。在研究植物应答逆境胁迫分子机制时，转录组学可以对有无进行逆境处理的植物基因表达情况进行差异分析，筛选出与植物抗逆有关的基因，还可以对不同品种、突变体、发育期或组织在同一逆境下的基因表达情况进行对比，筛选出与植物抗逆相关的新基因[6]。转录组研究的主要技术包括3种：①基于杂交的基因芯片技术（microarray），该技术只适用于检测已知序列，却无法捕获新的mRNA，存在着遺失一些重要表达信息的风险。②基于Sanger测序法的SAGE （serial analysis of gene expression）和MPSS（massively parallel signature sequencing），首先提取试验样品中的RNA并反转录成cDNA，用锚定酶消化后接上接头再进行测序，因此可以获得较为完整的转录组学图谱，并且可以发现新的基因。③第二代测序技术的成熟和第三代测序技术的发展，对基因组学的研究产生了巨大的影响，并被广泛运用到了基因组测序工作中，RNA测序技术（RNA-Seq）已经逐渐成为转录组研究的主要方法。此外，cDNA- AFLP（amplified fragment length polymorphism，扩增片段长度多态性）、SSH （suppression-subtractive hybridization，抑制消减杂交法）、Northern blot、Q-RT-PCR （quantitative reverse-transcription PCR，定量逆转录PCR）、实时荧光定量PCR （Quantitative Real-time PCR）等试验技术在转录组研究中起到了十分重要的作用[7，8]。

目前，在拟南芥、水稻等模式植物中已大规模地进行了干旱、高盐和低温等胁迫响应相关的基因表达谱的分析[9，10]，筛选出了数千种关于胁迫应答的基因，它们可以作逆境胁迫下基因的表达模式信息，供其他物种参考。这些胁迫诱导基因产物大致可以分为两类：①直接应答胁迫的功能蛋白质，例如，胚胎发育晚期富集蛋白（LEA）;②细胞内信号肽和胁迫诱导基因表达的调控因子，如MAP激酶、磷酸酶类、磷脂代谢酶类和各类转录因子[11]。

2   植物应答逆境胁迫的蛋白组学研究进展

蛋白质组（Proteome）的概念最先由Marc Wilkins在1994年提出，指由一个基因组（genome），或一个细胞、组织表达的所有蛋白质（Protein）[12]。蛋白组学是揭示物质生命现象的重要手段，目前对部分植物的不同发育阶段、不同组织及器官、不同的细胞器以及膜的蛋白质组已经有了较为系统的研究。植物在遭受逆境胁迫时，可以通过信号分子的转导来调节细胞内及细胞间与抗逆相关的基因发生表达，并产生相关的酶及蛋白质，从而达到调整自身内部生理状态或外部形态来适应不利的环境。因此，寻找与抗逆相关的蛋白（或基因），对了解植物抗逆机制以及提高植物抗逆性能有着十分重要的意义。蛋白质组学研究主要包括蛋白质的分离、鉴定、分析、验证等内容，涉及双向电泳、新型质谱、酵母双杂交、免疫共沉淀和生物信息学分析等技术手段，目前同位素标记相对和绝对定量（isobaric Tags for Relative and Absolute Quantitation，iTRAQ）技术已经成为定量蛋白质组学常用的高通量筛选技术。在利用蛋白质组学分析植物抗逆机制时，根据胁迫因子的不同，可分为非生物胁迫的植物蛋白质组学研究和生物胁迫的植物蛋白质组学[13]。

3   植物应答逆境胁迫的分子调控机制研究进展

3.1   植物应答逆境胁迫的启动子研究进展

启动子（promoter） 是位于结构基因5′端上游的DNA序列，能与RNA聚合酶结合并起始mRNA合成，主要由核心启动子区及其上游调控区组成。启动子就像“开关”，决定基因的活动。根据作用方式及功能可将启动子分为3 类，即组成型启动子（constitutive promoter）、诱导型启动子（inducible promoter）和组织特异型启动子（tissue-specific promoter）。组成型启动子在生物体的任何细胞中都进行表达，且表达水平较为恒定，如花椰菜花叶病毒Ca MV 35S启动子。组织特异性启动子不同于前者，它可以调控基因只在生物体某些特定的部位或器官中进行表达，是多细胞生物形态建成和发育的基础，如烟草花粉绒毡层细胞中能进行特异表达基因的启动子TA29。诱导特异性启动子能在某些特定的物理、化学或生物信号的刺激下，大幅度地提高或抑制相关基因的表达水平。植物体内多种基因可以通过逆境胁迫而诱导表达，因此，抗逆基因的表达大多受诱导型启动子的调控，如抗旱基因启动子、耐盐基因启动子、高温耐受性启动子、抗冻基因启动子、耐损伤基因启动子、抗病基因启动子和抗虫基因启动子[14]。

启动子控制的基因表达主要通过启动子顺式作用元件及其相对应的反式作用因子相互作用进行调控。例如，在干旱胁迫下，细胞能感知、转导和水分胁迫相关的信号，进而诱导水分胁迫相关的基因表达，Yamaguchi等（1992）首次从拟南芥（Arabidopsis thaliana）中分离克隆了逆境诱导型启动子rd29[15]，在脱水情况下，rd29A和rd29B基因的启动子活性明显增强[16]。另外，柑橘（Citrus unshiu） Cu-Lea5基因启动子、水稻（Oryza sativa）LEA蛋白基因Os LEA3-1启动子、水稻抗旱相关基因Os GRAS1的启动子都可能调控抗旱基因表达。与盐胁迫相关的启动子有棉花（Gossypium hirsutum）液泡型Na+/H+逆向转运基因Gh NHX1启动子、菊花（Chrysanthemum dichrum） DREB转录因子的启动子Cd DREBa、SCa M-4启动子。高温耐受性启动子包括含热激元件HSE的热激蛋白基因启动子、小麦（Triticum aestivum） Hvhsp17基因启动子。

3.2   植物应答逆境胁迫的转录因子研究进展

转录因子（transcription factor）是真核生物中能与基因5'端上游特定序列——转录因子结合位点（transcription factor binding site，TfBS）特异性结合的蛋白质因子，它与顺式元件相互作用，通过抑制或增强的方式，保证目的基因以特定的强度在准确的时间和空间表达。因此，当植物遭遇逆境刺激时，转录因子在植物启动逆境应答机制中起着中心调节的作用，转录因子也逐渐成为植物抗逆机理研究的核心内容。

目前，通过转基因证实NAC（NAM，ATAF1/2 and CUC2）、MYB（v-myb a-vian myeloblastosis viral oncogene homolog）、Bzio（basic leucine-Zipper）和WRKY（N-端含有WRKYGQK高度保守氨基酸序列）等多个转录因子家族与植物抗逆性有重要关系[17]。

4   展望

植物对逆境胁迫的响应是一个非常复杂的生命过程，随着分子生物学与生物信息学的发展，各种新技术将应用于植物的抗逆研究，逐步解决假阳性和低丰度表达基因的分离。植物作为一个系统的生物体，其从逆境信号转导、转录调控、基因表达和产生生理、形态变化是一个整体过程，逆境应答机制应从单一的组学研究向系统生物学研究发展。

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