李昕雨 王澤博 邱穎勝 劉燕敏 劉骕骦

摘? ? 要：不良的非生物逆境脅迫會制約植物生長發(fā)育，導致作物減產和質量受損。植物誘導型啟動子在脅迫因子刺激下響應脅迫信號而激發(fā)調控機制和激活抗逆基因的表達，導致代謝組分和生理生化等指標發(fā)生變化，從而提高植株的抗逆能力。分析了誘導型啟動子的種類和功能，介紹了響應非生物逆境脅迫的順式作用元件及反式作用因子，以期為進一步研究植物誘導型啟動子的功能奠定基礎。

關鍵詞：植物;啟動子;非生物脅迫;順式作用元件

文章編號：1005-2690（2022）03-0016-03? ? ? ?中國圖書分類號：Q78? ? ? ?文獻標志碼：B

啟動子是位于轉錄起始位點上游的DNA區(qū)域，能被RNA聚合酶識別并結合，具有轉錄起始位點、與原核生物Pribnow區(qū)相似的富含TA的保守序列（TATA區(qū)）以及-80～-70 bp區(qū)含有的CCAAT序列（CAAT區(qū)）等可以提高啟動效率的關鍵元件[1]。還有一些特異的元件如光應答順式元件G盒、水楊酸響應順式元件ABRE可以與特定的反式作用元件結合啟動目的基因，在特定的時間和空間中以特定的強度表達[2]。

常見的植物啟動子有3類，分別是組織特異型啟動子、組成型啟動子以及誘導型啟動子。組織特異型啟動子的優(yōu)點是外源基因能在特定的植物組織部位表達，彌補了組成型啟動子中外源基因表達的浪費和過表達限制植物生長的不足[3]。組成型啟動子能夠使外源基因在植物組織中高效非特異表達，但過多的異源蛋白造成植物代謝水平紊亂而不能正常生長。誘導型啟動子是一類在特定誘導條件刺激下能夠激活下游基因轉錄并快速改變植株生物分子組成和調控植株生理功能的啟動子，使植物表現出一定的抗逆性。本研究對常見的脅迫誘導型啟動子的種類、功能及其具有的順式作用元件和轉錄因子進行論述。

1 高等植物脅迫誘導型啟動子的類型

近年來，大量高溫誘導型、干旱誘導型、鹽誘導型啟動子已在多種高等植物中被分離出來。這些誘導型啟動子在非生物逆境脅迫下能啟動下游抗逆基因的表達，并且隨著脅迫誘導量的變化，下游基因的表達量和表達部位也發(fā)生變化[4]。Chen等（2019）[5]研究發(fā)現，干旱脅迫下OsHAK1基因上游的啟動子Dp3037能驅動轉基因水稻中GUS基因的高表達，表明Dp3037可能啟動下游基因參與干旱脅迫響應。LsP是玉米基因組中LS基因ATG上游1 735 bp的調控序列，劉曉敏（2011）[6]將pCAMBIAl301-LsP的煙草株系經脅迫處理后發(fā)現該啟動子受干旱和低溫誘導。Song等（2018）[7]研究發(fā)現，香蕉中編碼水通道蛋白的MaTIP1;2基因受鹽脅迫的誘導表達，為進一步研究其調控機理，分析了轉MaTIP1;2啟動子擬南芥在不同鹽濃度條件下驅動GUS基因的表達情況，結果顯示，GUS基因的表達主要集中在根部并且GUS表達水平隨著NaCl濃度的增加而提高。張新宇等（2014）[8]對轉AtPUB18基因啟動子擬南芥進行高鹽脅迫誘導實驗發(fā)現，GUS基因的表達量顯著上升。Jang等（2004）[9]設計5個5端各缺失載體小麥-黑麥TaLTP1啟動子（TaLTP1-2151、TaLTP1-1376、TaLTP1-750、TaLTP1-525、TaLTP1-337）融合GUS報告基因轉化煙草，250 mM NaCl處理3 d后轉基因煙草株系均呈現出較高的GUS蛋白含量，并且發(fā)現在啟動子上游的-337 bp區(qū)域含有鹽脅迫響應元件。

植物受到傷害攻擊后會產生相應的防御反應，Chakravarthi等（2016）[10]采用Delessert方法對斑茅進行損傷實驗并比較重組質粒pCAMBIA1305.1-GUS、PR10.1-GUS轉化煙草中的GUS基因表達量，發(fā)現其與CaMV35S啟動子相比較，PR10啟動子驅動的GUS基因表達量明顯高于CaMV35S啟動子。Zheng等（2010）[11]設計PtDrl02啟動子各缺失片段載體，采用多種不同非生物脅迫（SA、MeJA、創(chuàng)傷）誘導發(fā)現，-669～-467 bp和-244～0 bp的啟動子片段都能激活創(chuàng)傷基因表達。轉基因擬南芥株系經高溫脅迫處理后，發(fā)現白魔芋AaHSFB1啟動子驅動GUS基因表達且表達部位主要在葉[12]。PgAPXPro、PgDhnPro和PgHsc70Pro是從珍珠谷子中分離出來的非生物脅迫誘導基因啟動子，Divya等（2019）[13]研究發(fā)現，高溫脅迫處理后的啟動子均能夠驅動uidA報告基因的表達。Freeman等（2011）[14]利用uidA報告基因與小麥啟動子Hvhsp17融合，在38～40 ℃下脅迫處理1～2 h，轉基因小麥植株中目的基因被該啟動子驅動表達。

2 響應逆境脅迫的順式作用元件和反式作用因子

2.1 順式作用元件

植物誘導型啟動子中含有多種響應逆境脅迫的順式作用元件。張勇等（2021）[15]100 mM NaCl脅迫長穗偃麥草pEeSKOR∷GUS轉擬南芥12 h后GUS基因的表達量下調為正常表達水平的54%，之后恢復至正常表達水平且呈現上升趨勢。對該啟動子序列分析結果顯示，包含組織特異的啟動元件RY-element和CAT-box、干旱誘導元件MBS、脫落酸響應元件ABRE等。狼尾草PgDHN-pET28α重組質粒轉化大腸桿菌的抗逆性（低溫、干旱、鹽漬、高熱）研究發(fā)現，經40 ℃熱激和75 mM高鹽脅迫處理后，大腸桿菌有著更強的耐受性和更快的生長速率。分析PgDHN基因-817 bp啟動子序列，鑒定出4個GTAC基序的缺氧脅迫元件、1個LTR元件響應低溫等多種順式調控元件[16]。ApY2SK2啟動子中含有3種激素響應元件CE3/ABRE（脫落酸應答元件），6種脅迫響應元件LTR（低溫應答元件）、MBS（MYB結合位點干旱應答元件）、HSE（熱激應答元件）等[17]。

2.2 反式作用因子

植物通過轉錄因子的功能區(qū)與順式作用元件互作或與其余轉錄因子的功能區(qū)互作來調控下游相關抗逆基因介導植物的非生物脅迫信號的響應[18]。在擬南芥中過表達山葡萄VaDREB，經干旱脅迫處理后，抗逆相關基因的表達量出現了不同程度的上調。進一步研究表明，VaDREB能夠與KIN1、KIN2、COR15B這3個基因啟動子中DRE/CRT元件結合，從而激活下游功能基因的表達。WRKY轉錄因子與植物抗逆性有關，能特異性識別靶基因在其啟動子區(qū)域的W-box（C/T）

TGAC（T/C）元件[19]。Robatzek和Somssich（2002）[20]利用WRKY6的異位過表達，正向調節(jié)轉錄因子NPR進一步影響PR啟動子活性，發(fā)現WRKY6在NPR1和PR1的上游起作用。在植物耐鹽抗旱調控機制中，bZIP轉錄因子調控的抗逆基因的啟動子區(qū)域通常包含ABRE元件，如擬南芥受高鹽漬誘導的AREB1/ABF2、ABF3/DPBF5、AREB2/ABF4基因，bZIP轉錄因子與其ABRE元件結合以激活ABRE元件驅動的相關功能基因的表達[21]。熱激轉錄因子HsfA3在耐熱調控機制中具有十分重要的作用。在擬南芥中，HsfA3受DREB2A的調控作用以響應脅迫信號，從而級聯調控其下游基因的表達，使植株獲得更高的耐熱性[22]。唐銳敏等（2021）[23]研究發(fā)現，馬鈴薯StHsfA3的轉基因植株受熱脅迫處理后，StHsfA3被誘導并大量表達，同時StHsp26-CP和StHsp70的表達量顯著上升，說明StHsfA3對StHsp26-CP和StHsp70的表達起正調控作用。

3 小結與展望

近年來，相關研究者已分離得到許多植物誘導型啟動子并鑒定出眾多順式作用元件，對其結構和相關功能有了初步認識。不同的非生物脅迫因子直接或間接影響基因表達水平，通過啟動子中順式作用元件、轉錄因子的相互協調作用，和元件種類、數量及兩者間的距離對基因轉錄產生影響。

除此之外，在脅迫信號刺激下，這些元件可作為正、負調控元件來誘導或抑制相關基因的表達。啟動子的多元化以及轉錄因子的多樣性，共同決定著啟動子調控機制的復雜性。

目前，利用基因工程技術是研究植物響應各種脅迫因子調控機制最為簡便快捷的手段，并通過生物信息學預測、分析和設計瞬時表達、酵母單雜交、點突變等試驗全面解析啟動子的功能。誘導型啟動子的相關問題還需進一步探索，為全面揭示基因的表達調控機理奠定基礎，也為作物的抗逆育種提供理論依據。

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