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果树抗寒相关基因研究进展

作者:未知

  摘要:温度是影响果树生长发育、果品产量及品质的重要的环境因子之一。低温会对果树的细胞结构造成伤害,引发树体物质代谢紊乱,甚至引起死亡。近年来,随着分子生物学技术的应用与发展,果树树体对低温胁迫相关基因的响应受到了国内外学者的广泛关注。果树低温胁迫诱导表达的基因,根据其调控的方式,主要分为以下2类,一类是通过调控抗寒基因的表达、寒冷信号传导等过程来提高植物的耐寒性的调控基因;另一类是与提高植物抗寒性直接相关的功能基因。该文介绍了果树抗寒相关基因的研究进展,以供参考。
  关键词:果树;抗寒基因;研究进展
  中国是世界果品主要供应和加工基地,果品产量和产值均居世界前列,果品生产已成为我国农业的支柱产业之一[1]。受气候变化的影响,我国严寒冰冻等(尤其是南方地区)恶劣天气经常发生,低温寒害使果树植物体细胞结构受到了一定的伤害,引发物质代谢紊乱,甚至死亡,对我国果业生产造成了严重的经济损失,从而制约了果树产业的健康可持续发展[2]。近年来,果树树体对低温胁迫相关基因的响应受到了广泛关注,国内外许多学者在果树的抗寒性基因工程等领域也做了较多的研究,但与其他作物相比,果树抗寒性基因、分子机理、遗传育种等方面的研究仍相对落后[3]。为此,本文对果树抗寒性相关基因研究进行了综述,以期为果树抗寒分子遗传育种提供一定的理论依据,为果树优良品种选育提供新方法、新思路[3-4]。
  1 果树的抗寒性分子机理
  植物的抗寒性是由多基因调控的数量性状,是植物长期适应低温环境而形成的一种潜在的遗传特性[5]。随着分子生物学的应用和发展,许多植物的抗寒相关基因已经被鉴别出来,例如模式植物拟南芥[6],粮食作物如玉米[7]、大麦[8]和稻类[9]等,部分果树品种的抗寒基因也被鉴别出来,如山葡萄[10]、苹果[11]、柑橘[12]等。除了传统选育抗寒育种外,外源基因的导入也已成为了提高植物抗逆性的必要手段。
  在低温胁迫条件下,植物体通过激活一系列分子机制、抗寒相关的保护酶和代谢物的活性,诱导大量寒冷相关基因的表达合成对应的保护蛋白及代谢相关复合物,从而构建新的能量平衡、代谢物的平衡和氧化还原平衡[10]。果树的抗寒分子机理主要从以下3个方面进行,一是低温诱导基因合成低温保护物质如编码具有催化作用蛋白;二是合成促进附着在细胞膜表面或者镶嵌在膜脂之间的对细胞膜的冷稳定性具有促进作用的新蛋白;三是作为蛋白调节因子调节信号转导和低温表达过程。
  2 果树抗寒相关基因
  2.1 CBF(C-repeat Binding Factor)转录因子 CBF基因家族是低温胁迫影响最直接的基因之一,主要包括CBF1、CBF2、CBF3和CBF4 4个成员[13]。其调控过程可简单归纳为:植物感应冷害胁迫,CBF转录因子调控CRT/DRE(C-repeat /Dehydration Responsive Element)基序,COR基因(冷诱导基因)表达,表达产物增加,从而提高植物抗寒性[14]。CBF转录因子的抗寒性在果树中的研究较为广泛。Champ等[15]对枳PtCBF基因在冷处理条件下的表达情况进行了研究,发现低温胁迫可诱导PtCBF基因的表达,但同时也发现,在枳的不同组织器官中,PtCBF基因对低温诱导的响应不同,如叶片的PtCBF的表达量在低温胁迫处理1h后达到最大值。金万梅[16]等将拟南芥的CBF1基因导入到草莓中,发现在低温胁迫的条件下,导入拟南芥CBF1基因草莓植株的抵抗力有所提高。Siddiqua等通过对葡萄CBF基因家族进行研究发现,在低温胁迫下,CBF1和CBF4基因的表达量都有所提高[17。Tillett等[18]也发现VvCBF4在葡萄中过量表达后,在提高转基因植株的耐寒性提高的同时植株高度出现明显的降低。
  2.2 COR(Cold regulated)基因(冷诱导基因) COR基因的启动子区域含有“CCGAC”5个碱基核心序列的脱水反应元素DRE(dehydration-responsive element)。当植物体受到寒冷胁迫时,DRE作为顺式作用元件,能够激活COR基因的表达,从而提高植物的抗寒能力。也有的COR基因上有CRT(C-repeat)和DRE(dehydration-responsive element)2个顺式作用元件,并且CBF1转录因子能结合在这2个顺式作用元件上,诱导COR基因的表达,进而提高植物的抗寒性。在柑橘类果树中,COR基因受到低温逆境的诱导。Porat等[19]从葡萄柚中获得了COR15基因,该基因编码15.1ku的蛋白质COR15。Hara等[20]对温州蜜柑进行低温驯化,从其叶片中获得了COR19基因,从枳中获得CORc115基因和CORc119基因。Sahim-cevikm和Moore[21]发现枳中的CORc115和CORc115基因表達的氨基酸序列和温州蜜柑COR19基因低温诱导表达的氨基酸序列都富含赖氨酸丰富区,并且高度同源。在柑橘类果树中,温州蜜柑属于抗寒性较强的品种,枳属于抗寒性极强的品种,在低温胁迫下,它们均有COR19类似蛋白的表达形成,表明该基因与温州蜜柑的抗寒性相关。
  2.3 抗冻性蛋白基因(Antifreeze Protein,AFP) 抗冻性蛋白属于低温诱导蛋白,能阻止生物体体液内冰核的形成与生长,从而维持体液的呈非冰冻的状态。抗冻蛋白首先被发现于极地的鱼类体中,能够降低溶液的冰点、抑制重结晶和修饰冰晶形态是抗冻蛋白与其他冷诱导蛋白的基本区别[22]。抗冻蛋白与冷诱导蛋白相似,均具有亲水性和热稳定性,在转基因植物的体内抗冻蛋白,只在温度低于4℃的诱导下才能检测表达产物。米宝琴等[10]研究发现,山葡萄中抗冻性蛋白基因与低温胁迫有关,可能编码耐寒相关的代谢物质,从而提高山葡萄的抗寒性。
  2.4 热休克蛋白基因(Heat shock protein,HSP) HSPs是一类功能性相关蛋白质,当植物HSP基因的表达量与细胞受到不同的非生物及生物胁迫刺激有关,相关研究已在拟南芥[23]及水稻[24]中报道。在胁迫条件下,HSP能够通过重新构建正常的蛋白构象体,从而维持植物细胞体内平衡而发挥作用[25]。米宝琴等[10]的研究结果也表明HSPs家族与山葡萄的抗寒反应有关。通过消减文库的构建和分析显示,山葡萄体内的Hsp17.4,Hsp60等某些HSPs属于下调基因,而Hsp18.2,Hsp21等则属于上调基因,并由此可以推断,山葡萄中Hsp基因家族的功能差异性可能与进化过程中对冷应激反应的不同而引起的。   2.5 WRKY轉录因子 WRKY转录因子家族N端具有保守的WRKY氨基酸序列、C端具有保守的Cx4-5Cx22-23HxH或Cx7Cx23HxC锌指结构。WRKY基因具有很多的功能,其中要功能是调控植物的抗病性和抗逆性[26-27]。罗昌国等[28]研究发现,湖北海棠MhWRKY40b基因受寒冷胁迫的诱导时,其表达上调,相对表达量最高达20倍以上。这表明MhWRKY40b可能在这些冷害胁迫反应中起到了重要调控作用。
  3 展望
  果树的抗寒性是一个非常复杂的过程,是由多基因调控的数量性状。加强对果树抗寒相关基因的研究,争取通过基因工程育种等选育出较抗冷害、冻害的果树新品种或植株,增加果树抗冻品种选育的途径和手段,从而为提高果树的品质和产量提供一定的帮助。
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  (责编:张宏民)
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