繆嘉航

（安徽中煙蕪湖卷煙廠 安徽蕪湖 241000）

植物COR抗寒基因的轉(zhuǎn)入研究

繆嘉航

（安徽中煙蕪湖卷煙廠 安徽蕪湖 241000）

溫度是決定植物生長地理環(huán)境的關(guān)鍵因素，溫度因素也決定著植物的周期性減產(chǎn)，COR作為植物的冷調(diào)節(jié)基因，其編碼產(chǎn)物是一種親水性多肽，該多肽二級(jí)結(jié)構(gòu)為α-螺旋，該結(jié)構(gòu)可以使脫水的細(xì)胞膜具有穩(wěn)定性，有效保護(hù)植物細(xì)胞，從而得到了抗寒性。在現(xiàn)代生物技術(shù)中，常常將外源的COR基因?qū)氲街参镏?，使植物有更?qiáng)的抗寒性，其調(diào)控機(jī)制十分復(fù)雜，并且其編碼產(chǎn)物具有很廣闊的發(fā)展空間，所以本文對其進(jìn)行綜述。

COR基因 抗寒基因 基因轉(zhuǎn)入

溫度對植物的生長有關(guān)鍵的作用，由于溫度的限制，植物本身具有固定的區(qū)域生長，要想提高植物在低溫中的適應(yīng)能力，就必須對植物本身的溫度耐受性進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證細(xì)胞在較低的溫度中不會(huì)受損［1］。在溫帶生長的植物經(jīng)過短期的非致死溫度刺激后，其對寒冷的耐受性會(huì)有所提高，這種現(xiàn)象被人們稱為冷馴化［2］。冷馴化是傳統(tǒng)的抗寒育種手段，但是其抗寒能力的提高很悠閑，所以確定基因的抗寒機(jī)制以及抗寒基因的種類對改變農(nóng)藝植物抗寒提供了新思路。

冷馴化的過程非常復(fù)雜，將經(jīng)過冷馴化的擬南芥與非冷馴化的擬南芥進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析顯示，擬南芥中有將近1千個(gè)基因受到低溫的調(diào)節(jié)［3］。COR基因可以在低溫條件下大量表達(dá)的一類基因，也被人們稱為低溫誘導(dǎo)基因。

人們對低溫信號(hào)傳遞通路進(jìn)行了一系列研究發(fā)現(xiàn)，在COR基因中含有CRT元件，CRT元件與CBF相互結(jié)合后引起了COR的表達(dá)，但是CBF的調(diào)控受到ICE的調(diào)控［4］，ICE是一種組成型表達(dá)的蛋白質(zhì)，但是蛋白質(zhì)的泛素化是通過磷酸化來進(jìn)行識(shí)別和調(diào)控的。所以，刺激COR表達(dá)的上游調(diào)控十分復(fù)雜，現(xiàn)代生物技術(shù)對其提供了有效依據(jù)。

1　COR基因的表達(dá)產(chǎn)物及其抗寒機(jī)理

在植物抗寒研究的前期，學(xué)者對冷馴化的機(jī)理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，冷馴化后的基因轉(zhuǎn)錄變化巨大，并且抗寒馴化后植物體內(nèi)產(chǎn)生了新的蛋白質(zhì)。Guy等人對進(jìn)行了菠菜冷馴化實(shí)驗(yàn)，將菠菜種植于5℃的環(huán)境中，葉片中表達(dá)的mRNA快速表達(dá)并穩(wěn)定積累，這是由于低溫使mRNA表達(dá)的多肽并非熱激蛋白，此次發(fā)現(xiàn)使冷誘導(dǎo)相關(guān)的基因與植物的抗寒有關(guān)的研究有了很高的興趣［5］。Shinozka等人在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了一組抗寒基因，通過對這組基因序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)其中有兩個(gè)基因與DR基因是相同的。油菜中的BN基因與擬南芥中的COR基因?yàn)橥椿颍?］。Steponkus等人對植物細(xì)胞膜遇到冷刺激后的反應(yīng)進(jìn)行研究，解釋道當(dāng)植物遇到寒冷環(huán)境時(shí)，其細(xì)胞膜上的脂雙層會(huì)變成六角星，這種形狀會(huì)造成細(xì)胞膜的膨脹，進(jìn)而促進(jìn)了細(xì)胞膜的崩解，細(xì)胞膜崩解后細(xì)胞壞死，但是學(xué)者在體外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對此學(xué)說進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)COR15am表達(dá)的多肽對脂類混合物片層的形成有很高的促進(jìn)作用。這就可以解釋COR類蛋白在受到低溫脅迫后對細(xì)胞膜起到了穩(wěn)定作用，從而增強(qiáng)了植物對冷刺激的抗性［7］。

2　COR基因在植物抗寒中的應(yīng)用

最早對植物轉(zhuǎn)COR基因的研究的人是Artus，其將COR15α連接到CaMV 35S之后，將基因轉(zhuǎn)化如植物體，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過轉(zhuǎn)基因的擬南芥與冷馴化后擬南芥COR15am有相似的表達(dá)，轉(zhuǎn)基因后的植物葉綠體抗寒能力比正常植株提高了2℃［8］。Chen等人從歐洲油菜中分離得到了一個(gè)名為BnCOR25的基因，它對冷刺激有一定的調(diào)節(jié)作用，但是在子葉、胚軸、花中有較高水平的表達(dá)，但是在葉子和根部表達(dá)量很低。學(xué)者在酵母中對BnCOR25進(jìn)行超表達(dá)研究，當(dāng)BnCOR25超表達(dá)時(shí)，酵母細(xì)胞的生存率有很大程度的提高，在擬南芥中對BnCOR25基因進(jìn)行超表達(dá)后發(fā)現(xiàn)擬南芥的抗寒能力有很大的提高［9］。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說明BnCOR25基因在植物受到寒冷脅迫時(shí)，具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用。COR基因不僅存在于葉片或葉綠體中，而且在植物其他部位也存在，因此COR基因的功能也有很大的差異性。

柑橘生長于亞熱帶地區(qū)，低溫耐受性較低，小麥和擬南芥起源于溫帶地區(qū)，低溫耐受能力較強(qiáng)，但是經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)柑橘中也存在COR基因，柑橘中含有CuCOR19，將該基因倒入到煙草中發(fā)現(xiàn)，煙草植株中丙二醛含量較低，導(dǎo)電率也很低［10］。將CuCOR19基因在大腸桿菌中表達(dá)，其表達(dá)產(chǎn)物提純后研究發(fā)現(xiàn)其具有抗大豆磷脂脂質(zhì)體的過氧化反應(yīng)，由此可以推測，CuCOR19主要是通過清除植物體中的自由基，使植物獲得抗寒性，上述實(shí)驗(yàn)對COR蛋白抗寒作用機(jī)理的揭示提供了新的參考依據(jù)［11］。COR基因產(chǎn)物的主要作用機(jī)理是對細(xì)胞膜系統(tǒng)起到穩(wěn)定作用，所以COR基因也可以提高非脫水的外界脅迫作用。

3　COR啟動(dòng)子的潛在價(jià)值

在轉(zhuǎn)基因植物的相關(guān)研究中，如果使用組成型啟動(dòng)子來啟動(dòng)外源基因的表達(dá)，則會(huì)在表達(dá)的過程中產(chǎn)生大量的異源蛋白質(zhì)以及其他的植物體本身不具有的代謝產(chǎn)物，這些異源的產(chǎn)物在植物中積累，造成植物代謝異常，甚至對植物體有一定的毒害作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植物生長異?；蛩劳觯?2］。所以目前所允許使用的基因改良啟動(dòng)子具有共同的特征，即基因在細(xì)胞中的表達(dá)幾乎與原基因無差別，此類啟動(dòng)子大部分為CaMV 35S RNA。這種組成型的表達(dá)可能導(dǎo)致植株某些形狀發(fā)生退化，所以科學(xué)家想要找到對植物基因有更好調(diào)節(jié)作用的啟動(dòng)子，所以科學(xué)家對特異性的啟動(dòng)子和誘導(dǎo)性的啟動(dòng)子COR基因啟動(dòng)子包含CRT/DRE調(diào)節(jié)元件，該調(diào)節(jié)元件與CBF結(jié)合后會(huì)促進(jìn)COR的表達(dá)，由于其可以在低溫條件下對基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以對多余物質(zhì)的積累有一定的降低作用。如擬南芥中的COR78基因所使用的啟動(dòng)子在植物抗逆性誘導(dǎo)中作為非生物誘導(dǎo)在植物轉(zhuǎn)基因中廣泛應(yīng)用，該啟動(dòng)子與組成型啟動(dòng)子相比，改啟動(dòng)子在植物表達(dá)中有組成型啟動(dòng)子的功能，在此基礎(chǔ)上降低了副產(chǎn)物對植物造成的傷害。但是自然界中冷誘導(dǎo)啟動(dòng)子較少，想要在轉(zhuǎn)基因植物中廣泛應(yīng)用，還應(yīng)對啟動(dòng)子活性進(jìn)行一定的改進(jìn)，所以要想在轉(zhuǎn)基因植物中有理想的表達(dá)就要人工合成特異性的啟動(dòng)子。

開始有興趣。如近幾年市場上出現(xiàn)的金色水稻，其外援基因的表達(dá)是由水稻谷蛋白胚乳啟動(dòng)子控制的。

目前使用逆境誘導(dǎo)的啟動(dòng)子在植物基因改良中的研究越來越多。但是找到相關(guān)的誘導(dǎo)啟動(dòng)子還有很多工作要做，所以對于新的誘導(dǎo)型啟動(dòng)子的研究仍然是今后對啟動(dòng)子研究的熱點(diǎn)。

4　展望

植物冷馴化后反應(yīng)最顯著的基因是COR，COR基因表達(dá)產(chǎn)物是一種親水性的多肽，該物質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)膜的保護(hù)作用中起關(guān)鍵作用，從而提高了植物的抗寒性。大量的COR基因轉(zhuǎn)入到植物中的研究顯示，轉(zhuǎn)入COR對植物的抗寒性有提高作用［18］。植物對冷脅迫的抵抗能力受到很多因素的控制，在冷馴化的調(diào)節(jié)基因數(shù)量巨大，所以植物綜合性抗寒不能只通過COR過量表達(dá)來實(shí)現(xiàn)，多基因?qū)胧菍硌芯康闹攸c(diǎn)。目前對植物抗寒的研究主要集中于基因的顆粒和功能的鑒定，但是在真正的抗寒作用育種工作中應(yīng)用極少，通過現(xiàn)在的研究進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基因工程改良作物形狀。

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Q789

A

1674-2060（2016）05-0035-02

繆嘉航（1992—），男，漢族，安徽省銅陵市，2014年畢業(yè)于安徽工程大學(xué)生物工程專業(yè)，現(xiàn)供職于安徽中煙蕪湖卷煙廠，學(xué)士學(xué)位。