植物抗冻基因工程研究进展
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[ 1] [ 5] [ 6]
究 , 揭示了植物抗冻性除受多基因协同控制外, 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 pr ot ein, AFP ) 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。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 [ 8] 研究较多 。 James G. Wallis 等人于 1997 年将植 物凝集素和 AF P 共同构建到植物转化载体 pKY L X35S 中 , 之后在转化马铃薯 中发现, 在 - 2 条件 下 , 非转基因马铃薯叶片的电渗值比转基因马铃薯 叶片的高 2 倍多, 而且非转基因植株遭受到了严重 的冻害[ 9] 。T ao H uang 等人于 2002 年将树状抗冻 基因 daf p -1 基因转入拟南芥, 而后和对照植株相比 转基因植株的抗冻性提高了 0. 6~ 3. 3 [ 10] 。 Con gm in L i 等于 2005 年从云杉蚜虫中分离得到抗冻蛋 白 Cf AFP - 501, 并且分析出此蛋白的结构
163319;
The H ei long j i ang A cade my of A g ri cul t ural S ci ence s I nsti t ute of S oi l and Fer ti l iz er , H ar bi n 150086 )
Abstract:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T he enhancement o f fr eezing t oler ance for cr ops has significant meanings for the impro vement o f
蛋白基因 、 脂肪酸去饱和酶基因 、 脯氨酸基因 、 SO D 基因与抗冻 的关系进行 了广泛的 研究 , 研究表 明对这 些抗冻 相 关基因进行转基因 , 可以提高植物的抗冻性 。 而一些抗冻 基因应用到作物上 , 也可以提高作物的抗冻性 。 关键词 : 冷诱导基因 CBF ICE 抗冻蛋白 转基因植物
Advances in Gene Engineering of Plant for Cold Resistance
H uang Wengong
2
1
Yin Kuide
1
Gao Zho ng chao
2
( 1 Coll eg e of L i f e , H ei l ong j i ang A ug ust 1st L and Rec lamat ion Uni v er si t y , D aqing
。
CBF ( c - repeat - binding facto r) 转录因子 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 [ 4] 。 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 、 CBF 2 和 CBF3, CBF2、CBF 3 与 CBF 1 的基 因序 列 有较 高 的同 源 性, 分 别为 81% 和 84% , CB F1、 CBF2 和 CBF3 位于拟南芥的第 4 号染色体, 并 且串联在上面[ 5] 。这三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 。这三种 CBF 能 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 、 It i78、 cor 78、 cor15a、 kin2、 cor6. 6、 er d10、 kin1、 rd17、 cor47、 Fl3 - 5A3 、 F l5 - 77、F l5 - 94、 Fl3 - 27 、 F ll5 - 2122 和 er d14。 CBF1 连上 CaM V35S 启动子转入拟南芥 , 检测 未经低温处理的转基因植株发现 : CBF 1 持续强表 达诱导了 co r6. 6, cor15a, cor47 和 co r48 基 因的表 达, 提高了拟南芥植株的抗 冻性 。 CBF 2 在拟南 芥胁迫抗性中起重要作用, 有实验表明在 CBF2 被 破坏的拟南芥植株中 CBF 1 和 CBF 3 的表达增强 , 这表明 : CBF 2 是 CBF 1 和 CBF3 表达的一个负调节 子 。拟南芥中的 CBF 3 能刺激 40 多种胁 迫诱导 基因的 表达, 如 rd29, cor15A, co r47 等[ 7] , M ichael F. T hom ashow 等 于 2001 年将 拟南芥 中的 CBF 3 基因分别 连 上 CaM V35S 启 动 子、 冷 诱导 启 动 子 rd29A, 之后转入烟草中, 二者都提高了烟草植株的 耐低温能力[ 5] 。 1. 3 ICE( inducer of CBF expression) 转录激活因子
[ 11] 2
。
2. 1 鱼类 AF P 及转鱼类 AF P 基因植物 对鱼类 AF P 研究的较 多并且起 步较早 , 早在 20 世纪 70 年代初期就已经从海洋鱼类的血清中发 现了抗冻蛋白 , 并且已作 了比较系统深入 的研究。 Georges F. 等将人工合成的黄盖鲽鱼 AF P 基因导 入玉米原生质体 , 并在植物细胞中获 得了表达[ 12] 。 H ight ow er R. 等利用农杆菌将比目鱼体内 AF P 基 因转入番茄 , 结果表明这种转基因番茄的组织提取
cr ops output. At pr esent, peo ple has car ried o ut w idespread r esear ch on the CO R, CBF, ICE, A FP g enes, fatty acid desat ur ate genes, pro line genes, SO D genes, fur ther mor e people has wo rked out the r elatio ns bet ween these genes and freezing to lerance. It tur ned out to pro ve to impro ve the freezing tolerance fo r plant by carr ying o ut tr ansg ene for plant wit h these relev ant g enes. Some fr eezing to ler ance g enes will be applied to the cr ops and could incr ease the freezing to ler ance of cr ops. Key words: Cold induced g enes CBF ICE Antifr eeze pro tein T ransgenic plants
生物技术通报
综述与专论
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
2006 年第 2 期
植物抗冻基因工程研究进展
黄文功1
( 1 黑龙江八一农垦大学生命学院 , 大庆
殷奎德1
高中超2
150086)
163319; 2 黑龙江省农业科学院土壤肥料研究所 , 哈尔滨
摘
要:
提高作物的抗冻性对于提高 作物产 量有着 非常重 要的意 义 。 目前 , 对冷 诱导基 因 、 CBF、 ICE 、 抗冻
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, 较为严重的冻害甚至造成 作物绝产 , 所以 , 如果能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重大进展, 具有可控性 强、 效率高、 周期短、 成本低等优点的基因工程技术 已经成为新品种选育的一条全新而有效的途径。
2006 年第 2 期
黄文功等: 植物抗冻基因工程研究进展 膜类固化, 即能提高抗冻性。
3
液在冰冻条件下能有效阻止冰晶增长[ 13] 。 2. 2 昆虫 AF P 及转昆虫 A FP 基因植物 由于昆虫 AF P 的热滞活性明显高于鱼类和植 物, 因此 , 其 AFP 基因的导入可能更有效地提高转 基因植物的抗冻性。冬季某些昆虫血淋巴的热滞活 性为 3~ 6 , 最高达到 8~ 9 , 明显高于血清抗冻 蛋白的热滞活性 ( 1~ 2 ) 。T yshenko 等于 1997 年
1. 1 COR( cold induced gene) 基因 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。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。COR 基因是冷诱导基因 , 在它的启动 子区域 含有具有五个碱基核心序列 CCGAC 的脱 水反应元素 DRE( dehydrat io n - 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[ 1] 。 M asakazu H ara 等将 Cu COR19 转入烟草 , 和对照烟草植株相比较 , 转基因
究 , 揭示了植物抗冻性除受多基因协同控制外, 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 pr ot ein, AFP ) 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。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 [ 8] 研究较多 。 James G. Wallis 等人于 1997 年将植 物凝集素和 AF P 共同构建到植物转化载体 pKY L X35S 中 , 之后在转化马铃薯 中发现, 在 - 2 条件 下 , 非转基因马铃薯叶片的电渗值比转基因马铃薯 叶片的高 2 倍多, 而且非转基因植株遭受到了严重 的冻害[ 9] 。T ao H uang 等人于 2002 年将树状抗冻 基因 daf p -1 基因转入拟南芥, 而后和对照植株相比 转基因植株的抗冻性提高了 0. 6~ 3. 3 [ 10] 。 Con gm in L i 等于 2005 年从云杉蚜虫中分离得到抗冻蛋 白 Cf AFP - 501, 并且分析出此蛋白的结构
163319;
The H ei long j i ang A cade my of A g ri cul t ural S ci ence s I nsti t ute of S oi l and Fer ti l iz er , H ar bi n 150086 )
Abstract:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T he enhancement o f fr eezing t oler ance for cr ops has significant meanings for the impro vement o f
蛋白基因 、 脂肪酸去饱和酶基因 、 脯氨酸基因 、 SO D 基因与抗冻 的关系进行 了广泛的 研究 , 研究表 明对这 些抗冻 相 关基因进行转基因 , 可以提高植物的抗冻性 。 而一些抗冻 基因应用到作物上 , 也可以提高作物的抗冻性 。 关键词 : 冷诱导基因 CBF ICE 抗冻蛋白 转基因植物
Advances in Gene Engineering of Plant for Cold Resistance
H uang Wengong
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Yin Kuide
1
Gao Zho ng chao
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( 1 Coll eg e of L i f e , H ei l ong j i ang A ug ust 1st L and Rec lamat ion Uni v er si t y , D aqing
。
CBF ( c - repeat - binding facto r) 转录因子 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 [ 4] 。 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 、 CBF 2 和 CBF3, CBF2、CBF 3 与 CBF 1 的基 因序 列 有较 高 的同 源 性, 分 别为 81% 和 84% , CB F1、 CBF2 和 CBF3 位于拟南芥的第 4 号染色体, 并 且串联在上面[ 5] 。这三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 。这三种 CBF 能 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 、 It i78、 cor 78、 cor15a、 kin2、 cor6. 6、 er d10、 kin1、 rd17、 cor47、 Fl3 - 5A3 、 F l5 - 77、F l5 - 94、 Fl3 - 27 、 F ll5 - 2122 和 er d14。 CBF1 连上 CaM V35S 启动子转入拟南芥 , 检测 未经低温处理的转基因植株发现 : CBF 1 持续强表 达诱导了 co r6. 6, cor15a, cor47 和 co r48 基 因的表 达, 提高了拟南芥植株的抗 冻性 。 CBF 2 在拟南 芥胁迫抗性中起重要作用, 有实验表明在 CBF2 被 破坏的拟南芥植株中 CBF 1 和 CBF 3 的表达增强 , 这表明 : CBF 2 是 CBF 1 和 CBF3 表达的一个负调节 子 。拟南芥中的 CBF 3 能刺激 40 多种胁 迫诱导 基因的 表达, 如 rd29, cor15A, co r47 等[ 7] , M ichael F. T hom ashow 等 于 2001 年将 拟南芥 中的 CBF 3 基因分别 连 上 CaM V35S 启 动 子、 冷 诱导 启 动 子 rd29A, 之后转入烟草中, 二者都提高了烟草植株的 耐低温能力[ 5] 。 1. 3 ICE( inducer of CBF expression) 转录激活因子
[ 11] 2
。
2. 1 鱼类 AF P 及转鱼类 AF P 基因植物 对鱼类 AF P 研究的较 多并且起 步较早 , 早在 20 世纪 70 年代初期就已经从海洋鱼类的血清中发 现了抗冻蛋白 , 并且已作 了比较系统深入 的研究。 Georges F. 等将人工合成的黄盖鲽鱼 AF P 基因导 入玉米原生质体 , 并在植物细胞中获 得了表达[ 12] 。 H ight ow er R. 等利用农杆菌将比目鱼体内 AF P 基 因转入番茄 , 结果表明这种转基因番茄的组织提取
cr ops output. At pr esent, peo ple has car ried o ut w idespread r esear ch on the CO R, CBF, ICE, A FP g enes, fatty acid desat ur ate genes, pro line genes, SO D genes, fur ther mor e people has wo rked out the r elatio ns bet ween these genes and freezing to lerance. It tur ned out to pro ve to impro ve the freezing tolerance fo r plant by carr ying o ut tr ansg ene for plant wit h these relev ant g enes. Some fr eezing to ler ance g enes will be applied to the cr ops and could incr ease the freezing to ler ance of cr ops. Key words: Cold induced g enes CBF ICE Antifr eeze pro tein T ransgenic plants
生物技术通报
综述与专论
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
2006 年第 2 期
植物抗冻基因工程研究进展
黄文功1
( 1 黑龙江八一农垦大学生命学院 , 大庆
殷奎德1
高中超2
150086)
163319; 2 黑龙江省农业科学院土壤肥料研究所 , 哈尔滨
摘
要:
提高作物的抗冻性对于提高 作物产 量有着 非常重 要的意 义 。 目前 , 对冷 诱导基 因 、 CBF、 ICE 、 抗冻
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, 较为严重的冻害甚至造成 作物绝产 , 所以 , 如果能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重大进展, 具有可控性 强、 效率高、 周期短、 成本低等优点的基因工程技术 已经成为新品种选育的一条全新而有效的途径。
2006 年第 2 期
黄文功等: 植物抗冻基因工程研究进展 膜类固化, 即能提高抗冻性。
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液在冰冻条件下能有效阻止冰晶增长[ 13] 。 2. 2 昆虫 AF P 及转昆虫 A FP 基因植物 由于昆虫 AF P 的热滞活性明显高于鱼类和植 物, 因此 , 其 AFP 基因的导入可能更有效地提高转 基因植物的抗冻性。冬季某些昆虫血淋巴的热滞活 性为 3~ 6 , 最高达到 8~ 9 , 明显高于血清抗冻 蛋白的热滞活性 ( 1~ 2 ) 。T yshenko 等于 1997 年
1. 1 COR( cold induced gene) 基因 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。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。COR 基因是冷诱导基因 , 在它的启动 子区域 含有具有五个碱基核心序列 CCGAC 的脱 水反应元素 DRE( dehydrat io n - 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[ 1] 。 M asakazu H ara 等将 Cu COR19 转入烟草 , 和对照烟草植株相比较 , 转基因
