中国科学院大学学报  2022, Vol. 39 Issue (2): 154-164   PDF    
脱水诱导基因RD特性及功能
龚束芳, 初明洋, 杨雅涵, 乔坤, 王金刚     
东北农业大学园艺园林学院, 哈尔滨 150030
摘要: 脱水诱导基因(Responsive to DehydrationRD)是一类能够调节植物脱水的基因,对植物脱水胁迫具有一定耐受性,有些成员还对低温、高盐等非生物胁迫具有不同程度的响应。RD成员分属于不同家族,在结构和功能方面存在差异。归纳不同RD的结构组成、蛋白保守基序、调控机理以及应对生物以及非生物胁迫时的功能,以及RD基因启动子区域中不同的顺式作用元件在基因应对非生物胁迫时发挥的作用,可为今后对RD基因的研究提供相关参考。
关键词: 脱水诱导    RD    结构特点    基因功能    
Research of dehydration-inducible gene RD in characterization and function
GONG Shufang, CHU Mingyang, YANG Yahan, QIAO Kun, WANG Jin'gang     
College of Horticulture and Landscape Architecture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China
Abstract: Responsive to dehydration (RD) is a class of genes that regulates dehydration in plants. They are functionally tolerant to plant dehydration, some of which are responsive to abiotic stresses such as low temperature and high salinity. However, they belong to different families, respectively, and have discrepancy in the structure and function. In this paper, the structural composition, conserved motif, regulatory mechanism, and the function in response to biotic and abiotic stress were summarized in different RDs, as well as the different cis-acting elements in the promoter region played a role in response to abiotic stress so as to provide relevant basis for future researches on RD.
Keywords: dehydration induction    RD    structural characteristics    gene function    

RD2RD17RD19RD20RD21RD22RD26RD28RD29最初是在脱水处理10 h的模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中筛选到的15个cDNA片段,依其特性将其分为9个RD[1]。经研究发现这类基因受脱水胁迫诱导,但是每个RD还有各自不同的特点,其中包括脱水胁迫诱导基因表达量响应的时间不同,以及受到诱导后的表达量不同等,初步认为RD基因的表达是由不同的信号转导途径诱导。植物的脱水响应可能导致激素水平的改变,促使脱落酸(abscisic acid,ABA)的合成,ABA在气孔关闭、种子成熟和休眠中起作用[2]。在这些RD基因中,RD22RD29基因明显被ABA诱导,而RD19RD21RD28没有显著的诱导效应[1]RD的功能虽然都与调节植物脱水有关,是一类均对植物脱水胁迫有响应的基因,但它们来自不同家族。从1992年发现至今,陆续有人对RD基因的功能进行研究和报道,其中,对RD22RD29这2个基因在植物应对干旱、高盐及低温胁迫时发挥功能的研究相对较多[1-14]

脱水胁迫信号与基因表达之间存在着依赖于ABA和不依赖于ABA的逆境胁迫信号转导途径:ABA依赖途径和非ABA依赖途径[2]。另外从基因在植物应对逆境胁迫时发挥的功能角度出发,RD基因分为功能基因和转录因子2种类型[3-14]

ABA信号转导途径下对9个RD基因分类,发现RD2RD17RD20RD22RD26RD29可被ABA诱导,而RD19、RD21RD28则不能被ABA诱导,推测在干旱胁迫下这些基因的表达,至少存在3种独立的信号转导途径[3-14]。如图 1所示,其中2条ABA依赖途径,1条非ABA依赖途径,并且在ABA依赖的2条途径中有1条途径需要A. thaliana myeloblastosis 2(AtMYB2)和RD22 binding protein1(RD22BP1)2个蛋白质的合成,共同激活RD22基因的表达[2]

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干旱胁迫下,植物接收信号后分为3种信号转导途径:2条ABA依赖途径;1条非ABA依赖途径 图 1 脱水胁迫与基因表达之间的3种信号转导途径[2] Fig. 1 Three signaling pathways between dehydration stress and gene expression[2]

目前对RD基因的研究,发现其中RD17RD20RD22RD28RD29作为功能基因在植物应对一些干旱、高盐和低温等非生物胁迫时使植物具有一定的耐受性;而RD19RD21RD26则作为转录因子,一方面也具有耐受一些干旱和高盐等非生物胁迫的能力,另一方面还对其下游的其他基因起到调控的作用[3-28]

1 RD蛋白结构特性

每个RD都具有调节植物脱水的作用,但其结构组成不同。对9个RD蛋白序列进行比对,发现RD19、RD21与硫醇蛋白酶(cysteine proteinase,CysP)具有显著的序列相似性,且在同一物种中RD19与RD21的相似性要高于不同物种中RD19之间或RD21之间的相似性,这或许与RD19和RD21这2个蛋白来自同一家族有关[3]。RD22与豆科植物种子蛋白(unidentified seed protein,USP)具有一定相似性;RD28编码一种膜蛋白,与大豆结节蛋白26具有局部相似性;RD17编码的蛋白质与ABA诱导相关蛋白(responsive to ABA,RAB)具有同源性[1]。RD20是Caleosin家族编码Ca2+的结合蛋白[12];RD26是No Apical Meristem,ATAF1,2,和Cup-Shaped Cotyledon 2(NAC)蛋白家族的成员[21];而RD29与胚胎发育晚期丰富蛋白(late embryogenesis abundant,LEA)具有一定的相似性[8]

图 2所示,进化树分析发现每个RD蛋白序列之间的相似性不高。但不同物种中的同一蛋白彼此之间具有较高的相似性,说明每种蛋白特性显著。未发现与RD1、RD2、RD3、RD5和RD7相关的研究报道,而从RD蛋白进化关系也发现它们之间的特性可能没有明显的规律(图 2A);同一物种拟南芥中RD19和RD21的相似性较高(图 2B);不同物种的RD22和RD17表现出较高相似性(图 2C2F);同样地,不同物种的RD20亲缘关系较近(图 2D);同一物种的2个蛋白RD19和RD21以及RD29A和RD29B之间的相似性较高(图 2C2F)。

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A表示未报道的RD蛋白:Sl, Solanum lycopersicum; Ss, Saccharum spontaneum; Gh, Gossypium hirsutum; St, Solanum tuberosum; Gm, Glycine max;B为同一物种中RD19和RD21蛋白:At, Arabidopsis thaliana;C为不同物种中的RD22蛋白:Ks, Knorringia sibirica; As, Apostasia shenzhenica; Eg, Elaeis guineensis; Br, Brassica rapa; Pd, Prunus dulcis; Vv, Vitis vinifera; Ga, Gossypium arboreum; Na, Nicotiana attenuata;D为2个物种中的RD20蛋白:Bj, Brassica juncea;E表示同一物种中的RD19和RD21:Bp, Bordetella pertussis;F不同物种中的RD17蛋白:Aa, Anthurium amnicola; Pxb, Pyrus x bretschneideri; Pa, Prunus avium; Mn, Morus notabilis; Nc, Nymphaea colorata; Gs, Glycine soja; Es, Eutrema salsugineum; Cr, Capsella rubella; Als, Arabidopsis lyrata subsp. lyrata;G:RD29A和RD29B组成的RD29蛋白;黄线是一个单独的RD26蛋白 图 2 不同物种RD蛋白系统进化关系 Fig. 2 Neighbor-joining phylogenetic relationships among RD1, RD2, RD3, RD5, RD7, RD17, RD19, RD20, RD21, RD22, RD26, RD28, and RD29 from some plant species

为进一步分析RD的蛋白序列组成,使用Multiple EM for Motif Elicitation(MEME)软件进行在线预测(http://meme-suite.org/)。9个RD的保守基序预测结果主要表现为3种类型(图 3):1)由2个相似蛋白RD19和RD21组成,且含有3个共同的基序motif1、motif7和motif8;2)3个含有保守基序motif3的蛋白RD17、RD29A和RD29B;3)不含有保守基序的4个RD蛋白RD20、RD22、RD26以及RD28。我们以RD蛋白保守基序的这3种类型为主体,对RD蛋白的结构特征进行介绍。

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图 3 RD系统发育树分析及蛋白保守域预测 Fig. 3 RD phylogenetic tree analysis and protein conserved domain prediction
1.1 相似结构蛋白

Koizumi等[3]预测转录因子RD19和RD21分别含有368和462个氨基酸,二者序列相似性较高,且均与CysP蛋白具有同源性,分别具有表现为Cys161-His297-Asn317和Cys158-His302-Asn329的催化三元组,这2个催化三元组是CysP家族的典型特征,也是RD19和RD21蛋白各自的催化位点。另外,发现RD19基因序列中含111 bp和281 bp的2个内含子;与RD19不同,RD21则含有4个内含子(表 1)。RD19RD21所包含的内含子数目不同,且对应的位置也有差异,推测它们可能是CysP家族中不同类型的2个成员[3]。观察RD19和RD21 2个蛋白的基序组成也发现,预测的2个蛋白结构域相似性很高。如图 3所示,motif1、motif7和motif8均存在于RD19和RD21蛋白中。

表 1 RD蛋白家族功能特点及结构示意图 Table 1 Functional characteristics and structural diagram of RD protein family

进一步研究发现,拟南芥RD21由5个结构域组成:信号肽、自抑制前体蛋白、蛋白酶结构域、富含脯氨酸结构域和颗粒蛋白结构域[4]。而CysP家族的其他成员结构不含有2个结构域组成的C末端延伸序列、富含脯氨酸的结构域和颗粒蛋白结构域[5]

1.2 亲水性蛋白

脱水诱导蛋白RD17也被叫做冷调节蛋白cold-regulated 47(COR47),含有1 073个核苷酸,编码一个47 kDa的亲水性多肽(亲水指数为-1.1),富含谷氨酸(占20%)和赖氨酸(占14%)(表 1)。其多肽不仅与RAB具有较高的同源性,同时还与LEA蛋白序列相近:它具有丝氨酸簇(称为S段)和富含赖氨酸(称为K段)的重复序列,但不含半胱氨酸和色氨酸,RD17是一种酸性蛋白质[6-7]

Yamaguchi-Shinozaki和Shinozaki[8]通过基因组结构分析发现,在RD29上8 kb区域存在2个串联的蛋白,将其分别命名为RD29A和RD29B(表 1)。RD29A也称为脱水素(low-temperature-induced,LTI78)蛋白或COR78[9],而RD29B被称为LTI65[10],且2个基因均含有3个相近位置的内含子。RD29A由711个氨基酸组成,RD29B含604个氨基酸,在RD29A中有一个112个氨基酸组成的2个重复序列(GFGDESGAELE KDFPTRSHD…GNFPVRSHELDLKNESDIDK),而RD29B中未发现这段序列[8]。RD29A和RD29B蛋白都具有极强的亲水性,并且2个蛋白结构均与LEA蛋白具有一定的相似性,说明RD29的2个蛋白可能参与低温胁迫诱导[8]

RD29B对低温胁迫的耐受性低于RD29A[10],而RD17对植物类囊体膜具有低温保护作用[23]。如图 3所示,RD17、RD29A和RD29B均含有motif3。此外,2个RD29还含有motif2、motif5和motif6,且2个RD29蛋白的主要区别是motif2基序的数量不同,而RD17蛋白仅含有motif3基序。

1.3 不含有保守基序的蛋白

RD蛋白结构域预测结果显示,RD20、RD22、RD26和RD28这4个蛋白中未发现保守结构域。拟南芥RD20是能与Ca2+结合的蛋白,其cDNA包含一个708 bp的开放阅读框,并编码一个由236个氨基酸残基组成的蛋白质,预测分子量为26.6 kDa[11]。尽管暂时未有报道与RD20同源的其他蛋白,但是如表 1所示,Takahashi等发现它的氨基酸序列包含一个与钙结合域(EF-hand motif)高度同源的序列[11],并有研究发现RD20编码的蛋白质属于钙蛋白(Caleosin)家族,是油脂体(oil body,OB)相关蛋白[12]。RD20也被叫做钙依赖(A. thaliana caleosin 3,AtCLO3)蛋白,具有作为过氧化酶所需的所有生化特性[13]

RD22蛋白在很多物种中均被研究,如:拟南芥[14]、西伯利亚蓼(Polygonum sibiricum Laxm)[15]、柽柳(Tamarix chinensis Lour)16]、秋茄(Kandelia candel (Linn.) Druce)[17]以及玉米(Zea mays L.)等[18]。RD22的氨基酸序列数目大约为375~455[14-18]。其结构主要包括4个区域(表 1):1)N端疏水区;2)简短的保守区域;3)重复序列区域;4)保守的BURP(BNM2、USP、RD22和PG1β)结构域,即C端含有一个由200多个氨基酸组成的保守区域X5-CH-X10-CH-X23-27-CH-X8-W[8, 18]。RD22的N端疏水区序列(前20个左右的氨基酸)因不同物种而存在较大差异,接下来约20个氨基酸序列较保守,其下游一般存在3~5个长度约19个氨基酸的重复序列(T-V-VG-GGV--)[15]。虽然这个重复序列因物种的不同而有所差异,但这7个固定的氨基酸残基可能在维持BURP类蛋白质的结构和功能上起重要作用[19]

转录因子RD26是植物特异性NAC家族成员,又名ANAC072,编码297个氨基酸,分子质量为32.7 kDa,如表 1所示,其N-末端NAC结构域分别包含一12个氨基酸和一66个氨基酸的预测核定位信号(nuclear localization signals,NLS)序列[20-21]

拟南芥RD28编码质膜水通道蛋白(aquaporin),最初是在拟南芥中发现的一种脱水胁迫诱导蛋白,其氨基酸序列包含2段高度保守的膜间序列[1]。如表 1所示,该基因编码主要内源性蛋白(major intrinsic protein,MIP)家族成员,其成员在促进小分子在膜上的扩散方面具有一定功能[22]

RD蛋白保守结构域的预测结果显示,RD20、RD22、RD26和RD28这4个蛋白中不含保守基序,且其他5个RD蛋白的保守基序也存在差异,这可能与RD基因功能的差异性有关。

2 基因功能研究

目前对RD基因研究,发现其主要受干旱、高盐以及低温等非生物胁迫的影响;除非生物胁迫,RD基因还受到一些生物胁迫的影响,包括参与植物的免疫、衰老等。

2.1 非生物胁迫 2.1.1 干旱、高盐、低温诱导响应基因

9个RD基因中,RD17RD29ARD29B受干旱、高盐和低温胁迫诱导,但其表达和信号转导途径不同。有研究发现RD17受ABA和干旱胁迫诱导[7],且对低温胁迫也有一定的响应[6]。随后的研究发现,RD17对类囊体膜具有低温保护作用[23],且能提高植物的抗冻性,推测RD17可能在低温胁迫下作为一种膜稳定剂发挥功能[24]

Msanne等[25]研究证实低温能够诱导RD29A基因的表达,此外,在干旱和高盐胁迫下,RD29A也受到较强的诱导。其启动子中包含的顺势作用元件,在植物应对干旱、高盐或低温条件时能够调控RD29A的表达,其中一个脱水反应元件dehydration-responsive element(DRE)在RD29A对环境信号的第一次快速响应中起作用[26]。Nakashima等[27]发现,当去除RD29A启动子中的ABA应答元件ABA-responsive element(ABRE)而只保留DRE元件,在干旱、高盐或低温胁迫条件下同样也能诱导RD29A基因的表达,表明这一过程不受ABA的调控。随后进一步发现ABRE结合蛋白acid-responsive element binding 1(AREB1)和AREB2能与RD29A启动子中的ABRE结合,而2个独立的DRE结合蛋白DER-biding 1(DREB1)和DREB2在2种不同的信号转导途径中起着不同作用:DREB1受低温胁迫诱导,而DREB2对干旱和高盐胁迫有响应[28]。此外,DRE在ABA诱导途径中也作为ABRE的偶联因子发挥作用,即DREB蛋白可能与AREB蛋白在RD29A的ABA依赖性基因表达中起协同作用[28]。这表明,RD29A的上游启动子序列中DRE和ABRE元件可以通过分别驱动调控胁迫转录因子DREB1ADREB2A以及AREB1AREB2的表达,在植物应对非生物胁迫时发挥重要作用[25]。也有研究将RD29A的启动子与GUS基因融合后转入拟南芥,发现与对照相比,脱水和冷处理后GUS基因在拟南芥的所有器官中表达[9, 26]

虽然RD29ARD29B均受到这3种非生物胁迫的诱导,但它们对这些刺激的响应和信号转导途径不同。RD29B启动子的-169到-51区域是诱导该基因脱水表达的调控区,还发现2个ABRE-like序列以及1个MYB(PyAACT/GG)序列[26]。随后的研究发现,在植物脱水条件下这2个ABRE在RD29B的表达中起正调控作用[29]RD29B基因的表达同样依赖于ABA的诱导,逆境胁迫会促使细胞内ABA含量增加,激活basic leucine zipper(bZIP)转录因子,调控bZIP与ABRE的相互作用,促进RD29B基因的表达[30]。与RD29A基因不同,RD29B主要受干旱和ABA诱导,对低温胁迫响应不明显,且这种低温胁迫不是由ABA本身诱导完成,而是由ABA合成途径中代谢物参与诱导[10, 26]

RD22是脱水诱导基因RD中的典型成员。最初,RD22是一个在ABA信号通路下受干旱胁迫诱导表达的基因[1]。随着研究的深入,发现RD22是一种多因子诱导型基因,受低温、高盐、干旱等胁迫的诱导表达[15-19]。拟南芥RD22基因侧翼区-207到-141的67 bp区域内包含2个myelocytomatosis(MYC)识别位点和1个myeloblastosis(MYB)识别位点,对位点进行碱基替换,发现第2个MYC位点可能是RD22启动子的负调控因子,而第1个MYC位点和MYB位点在RD22基因的脱水反应表达中都起正调控作用[31]。此外,ABA响应元件(RYACGTGGYR)也与RD22基因参与干旱诱导及ABA应答有关[32]。由此可知,拟南芥RD22的诱导表达是由ABA介导。RD22对ABA依赖性表达需要蛋白质的生物合成[14],其第1个MYC识别位点特异性结合的转录因子RD22BP1能被干旱、高盐和ABA诱导,并能与MYB识别位点结合的AtMYB2基因协同激活RD22基因的转录[33]。目前在除拟南芥的其他植物中有研究报道,将柽柳和秋茄的RD22转入烟草中均提高了烟草的耐盐性[10, 17]。大豆GmRD22的表达在渗透胁迫下能参与植物细胞的防护,并能减少NaCl和PEG处理对转基因拟南芥根系伸长的负面影响,且提高转基因水稻在NaCl和干旱胁迫下的存活率;另外在盐胁迫下,GmRD22转基因植株的木质素含量还会明显高于野生型,推测木质素含量增加,会提高细胞壁对水分的固定,从而提高耐盐胁迫能力[34]。但是研究发现西伯利亚蓼RD22的过表达并没有提高烟草的耐盐碱性[15]。葡萄中3个RD22基因对不同胁迫的耐受性也不尽相同,VvRD22bVvRD22c基因均受ABA调控,但是在近期的研究中发现VvRD22a不受ABA诱导表达[35]。3个葡萄VvRD22基因在盐处理下均有响应,但表达量不同[36]。这些结果表明RD22基因在不同物种中对非生物胁迫的耐受性存在一定的差异,且在同一物种的多个RD22基因对某些胁迫处理也会表现出不同的耐受性。

2.1.2 同一途径RD20RD26的胁迫应答

同样受ABA信号诱导的2个基因RD20RD26在应对非生物胁迫时也表现不同。研究发现,在拟南芥RD20的1-kbp 5′侧翼启动子区,存在3个ABRE序列,表明RD20可能受ABA依赖的信号转导途径调控,随后还发现有DRE的存在,所以推测RD20是一种由ABA诱导的干旱胁迫相关基因[11-12, 37]。拟南芥RD20在植株的角果、茎、花和叶中表达,但在根和成熟种子中未检测到[11]。在脱水条件下,RD20基因在花和叶中被强烈诱导[11]。这些结果表明,RD20可能在拟南芥脱水胁迫下的气生组织中发挥作用,特别是在叶片和花中[11]

Fujita等[20]发现RD26是一个由4个ABREs、1个DRE、2个MYB和1个MYC调节的ABA依赖性表达基因。另外在NaCl处理的ABA突变体中,仍然观察到RD26受诱导显著,意味着存在一种与ABA无关的NaCl信号通路涉及RD26的表达[20]。研究表明干旱、ABA和高盐均可以诱导RD26基因的表达。此外,RD26还对茉莉酸甲酯、H2O2和玫瑰红这类能产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)的物质敏感;过表达RD26还诱导许多应激相关基因表达,如对干旱和高盐胁迫有耐受性的RAFL06-15-P15RAFL05-02-O17RAFL06-13-E03以及RD20[20-21]GUS染色后的组织定位结果发现,RD26启动子在脱水后拟南芥植株的所有营养组织中都有表达[20],ABA处理时,启动子调控GUS不仅在叶片中表达,而且在转基因植株的根中也有较低水平的作用[21]

2.1.3 非ABA途径响应基因

此外,RD相关基因中有3个基因的表达不受ABA信号通路的调控,这3个基因分别是RD19RD21RD28。研究发现RD19RD21受干旱和高盐胁迫诱导后表达量提高,但不受低温、高温和ABA诱导[3]。此外,水通道蛋白能够增加细胞膜的渗透性,拟南芥质膜水通道蛋白RD28的表达可使非洲爪蟾卵母细胞的吸水率提高10~15倍[38]。同样,在盘基网柄菌的营养细胞中过表达RD28,当细胞悬浮在蒸馏水中时,蒸馏水能够快速的被营养细胞吸收[39]。Huang等[40]发现RD28蛋白主要作用在保卫细胞质膜上且与气孔运动有关,在植物受到干旱胁迫时,RD28能够抑制气孔开放,减少水分散失,保护植物正常生长。综上,当植物处于缺水状态时,RD28可以通过增加细胞的吸水能力,或者关闭气孔减少水分输出,进一步缓解植物的缺水状况。

2.2 生物胁迫

除非生物胁迫外,有些RD蛋白还受一些生物胁迫诱导。RD20的表达被某些病原体诱导,过表达RD20的植株主要还表现在叶片角质层蜡质组分的改变(含有更多的烷烃和醛)和对病菌(油菜链格孢菌和丁香假单胞菌)的抗性增强[41]。它的主要功能是产生调节氧化状态和细胞死亡的脂蛋白[41]。Bernoux等[42]发现,拟南芥RD19能作为阳性转录因子,同时作为效应器青枯菌Ⅲ型无毒效应子蛋白(Pseudomonas outer protein P2,PopP2)引发青枯菌resistant to ralstonia solanacearum 1-R(RRS1-R)产生抗性的关键宿主因子,从而缓解青枯病对农作物的损害。

CysP家族的成员RD21除参与非生物胁迫外,还参与到植物免疫、衰老等各种生物胁迫中。RD21能够促进细胞死亡,AtSerpin1作为一种拟南芥蛋白酶抑制剂,通过确定控制RD21活性的位点以及限制细胞死亡过程中所引起的损伤,进一步控制RD21的活性,从而阻止RD21的促死亡功能,保护植物正常生长[43-44]。此外,Shindo等发现RD21对坏死营养性病原菌产生免疫[45],另有研究者发现RD21是伏马菌素(fumonisin B1,FB1)诱导细胞死亡的负调控因子[46]。同样地,RD26也被认为在植物的防御和衰老中起关键作用[20]。比如在植物衰老过程中:1)RD26可以直接激活叶绿体囊泡,编码一种对叶绿体蛋白降解至关重要的酪蛋白分解蛋白酶(caseinolytic protease D,ClpD),伴随着RD26在植物衰老时期的过度表达,导致大量酪蛋白损失;相比较而言,RD26敲除突变体中蛋白质的损失较少[47]。2)RD26还直接激活参与赖氨酸分解代谢的赖氨酸酮戊二酸还原酶/酵母氨酸脱氢酶(lys ketoglutaratereductase/saccharopine dehydrogenase,LKR/SDH)以及对植物降解重要的pescadillo 1(PES1)蛋白,通过诱导LKR/SDH表达在植物衰老过程中促进赖氨酸降解和加速植物醇分解代谢,帮助植物在衰老过程中维持线粒体呼吸[47];代谢图谱显示RD26过表达导致γ-氨基丁酸(Gamma aminobutyric acid,GABA)减少,同时相应的分解代谢基因也被诱导,而GABA的降解也有助于维持衰老过程中的线粒体呼吸[47]。3)RD26还能直接参与碳水化合物代谢和增强转运的amylase 1(AMY1)、superfamily protein 1(SFP1)和SWEET15的表达,促进淀粉降解和衰老过程中单糖和双糖的累积[47]。总之,在衰老过程中,RD26通过调控细胞降解层次谱中基因的表达发挥作用[47]

3 展望

通过对RD调查研究,发现RD相关基因既具有典型的功能特征,又表现多元化的功能特点,了解RD参与的信号通路,有助于掌握RD基因的功能,我们将其总结如下(图 4)。RD19RD21RD28基因受干旱胁迫下非ABA信号通路诱导,它们通过第二信使,如蛋白激酶的作用与脱水响应元件结合,激活基因表达[2],其余6个RD基因均受ABA信号的诱导,其中RD20RD26RD29B主要受ABRE元件的调控在ABA通路下发挥作用[20, 29, 37],而RD20RD26作为转录因子还与DRE元件结合,诱导基因表达[12, 21]。在ABA信号通路下RD22基因比较特殊,在干旱和盐胁迫下MYB与AtMYB2蛋白结合后,同与RD22BP1蛋白质结合的MYC元件共同激活RD22发挥作用[31, 33]。此外,RD17RD29A基因同属于COR家族,这是由于冷诱导转录因子DREB1与DRE元件结合,使它们对冷胁迫产生一定的耐受性[7, 26];另一个受干旱和盐胁迫诱导的DREB2转录因子与AREB2相互作用,使RD17RD29A对低温、干旱和盐胁迫均表现出耐受性[25, 27-28]

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图 4 9个RD基因应对非生物胁迫的表达调控网路 Fig. 4 Gene expression regulation network of 9 RD in response to abiotic stress

RD29A启动子作为一种诱导型启动子,在提高作物抗逆性的基因工程研究中起作用。研究基因的功能,是为了更好地利用基因,在分子或生理水平应对人们不同的需求,调控不同植物在抗逆性上更好地发挥其功能。比如:1)目前RD29对非生物胁迫的响应已被用作监测植物胁迫响应途径的分子标记,利用RD29A作为标记基因,用于识别与应激信号转导有关的新分子[48]。Cheong等[49]检测到钙调神经磷酸酶B亚基蛋白(calcineurin B-like 5,CBL5)的过表达能改变胁迫基因的表达(如RD29ARD29BKin1),并证明CBL5可能是植物盐或干旱响应的调节因子。2)RD29A启动子还可以提高植物的抗逆性,并整合了许多应激信号[48]。例如,有研究发现利用RD29A启动子,可以最大限度地减少35 S启动的膨大蛋白基因(Tobacco β-expansion 23TaEXPB23)这种组成性基因表达的负面影响,还能提高植物的抗旱性[50-51]。利用RD29A启动子具有抗逆性这一特点,可以整合不同基因,丰富基因功能。

过表达RD26能诱导应激相关基因RD20表达[21],但有关2个基因的诱导路径还不清楚,探究2个基因之间的关联对进一步了解RD基因的调控网络有帮助。RD19RD21均来自CysP家族[3],如图 2所示,同一物种中2个蛋白的相似性高于同一蛋白在不同物种中,进一步研究2个基因在同一物种中的关联,有助于了解CysP家族功能。此外,RD22基因在拟南芥[14]、西伯利亚蓼[15]、柽柳[16]、秋茄[17]以及玉米等[18]多个植物中的功能已经有很多研究,发现在每种植物中该基因对非生物胁迫的耐受性不同,研究更多物种中RD22基因功能有助于分析基因对非生物胁迫耐受性与物种的关系。

RD相关基因研究开展较早,但由于其基因功能较为显著,后期对RD基因的研究较少。但是还有很多RD没有被研究,仍然有很多疑问等待解决。比如RD基因结构和功能之间的关联,亚细胞定位与时空表达的特性等问题,对于是否存在其他诱导路径下的基因表达,以及每个基因之间的关联都需要进一步的研究来证实。

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