棉花GhDREB1調(diào)節(jié)低溫抗性與生長發(fā)育的分子機理.pdf

1、植物與其它多細胞復雜生物體的顯著區(qū)別在于植物營固著生活，因而在整個生命周期中，植物被迫忍受各種各樣的不利環(huán)境(如土壤鹽害、干旱、澇害、低溫、高溫、病原菌侵襲、機械損傷等)。其中低溫是影響植物自然分布和作物產(chǎn)量的主要限制因子之一。 在長期的進化過程中植物形成了響應(yīng)低溫和提高低溫抗性的機制。植物感受低溫信號之后，啟動防御機制，包括物理結(jié)構(gòu)適應(yīng)(質(zhì)膜組成改變和細胞骨架重排)、胞內(nèi)滲透保護物質(zhì)(可溶性糖、脯氨酸、甜菜堿等)含量增加、抗氧

2、化劑的合成水平上升(如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、抗壞血酸酶等)、低溫誘導蛋白(如抗凍蛋白、脫水蛋白、熱激蛋白等)的合成等等，使植物體內(nèi)建立新的物質(zhì)和能量代謝平衡，從而在低溫環(huán)境下存活。最近的研究發(fā)現(xiàn)植物中至少存在兩類低溫信號轉(zhuǎn)導途徑：依賴ABA的途徑和不依賴ABA的途徑。人們對于ABA在植物低溫抗性中的作用仍不是很清楚，而在不依賴ABA的低溫信號轉(zhuǎn)導過程中，由CBF/DREB1類轉(zhuǎn)錄因子介導的低溫信號和抗性機制在植物抵抗低溫脅迫中發(fā)揮

3、了重要作用，也是目前了解最清楚的一條植物響應(yīng)低溫的信號轉(zhuǎn)導通路。 CBF/DREB1類轉(zhuǎn)錄因子受低溫瞬時誘導，并且該誘導是不依賴于ABA的。CBF/DREB1作為轉(zhuǎn)錄激活因子特異性的識別并結(jié)合啟動子中的CRT/DRE順式作用元件，激活啟動子中含有CRT/DRE元件的脅迫響應(yīng)基因的表達，從而提高植物的低溫抗性。CBF/DREB1類轉(zhuǎn)錄因子在多種植物中被發(fā)現(xiàn)，并且超表達其中的某個成員能夠顯著提高轉(zhuǎn)基因植株的低溫抗性，同時對其它非生

4、物脅迫(鹽脅迫、滲透脅迫等)的抗性也有所提高。超表達CBF/DREB1類轉(zhuǎn)錄因子除提高了轉(zhuǎn)基因植株的非生物脅迫的抗性外，還對轉(zhuǎn)基因植株的生長發(fā)育造成了很大影響，比如生長緩慢，矮化遲花等。但是人們對于CBF/DREB1類轉(zhuǎn)錄因子影響植物生長發(fā)育的機理，仍不是很清楚。 棉花是一種古老而重要的經(jīng)濟作物，其生長和產(chǎn)量均受到低溫的嚴重影響。因此研究棉花響應(yīng)低溫的機理，提高棉花的低溫抗性具有重要的理論和應(yīng)用價值。在克隆得到了棉花中的CBF/

5、DREB1，即GhDREB1后，對其表達模式和功能進行了檢測： (1)利用洋蔥表皮進行的瞬時表達實驗證實GhDREB1特異性地定位于細胞核中，符合其作為轉(zhuǎn)錄因子的特征； (2)通過TAIL-PCR方法，我們克隆得了GhDREB1的啟動子序列。利用GFP和GUS兩種報告基因證實，GhDREB1啟動子受到低溫的誘導。通過軟件分析發(fā)現(xiàn)該啟動子區(qū)域除了存在低溫響應(yīng)元件外，還存在赤霉素響應(yīng)元件。在BY-2懸浮細胞及棉花幼苗中的檢測

6、都證實，GhDREB1受到赤霉素的負調(diào)控； (3) GhDREB1在煙草中的超表達激活了煙草中脅迫響應(yīng)基因的表達，調(diào)高了轉(zhuǎn)基因煙草中脯氨酸的含量，從而提高了轉(zhuǎn)基因煙草的抗冷性，但沒有提高轉(zhuǎn)基因煙草的抗凍性； (4) GhDREB1在煙草中的超表達降低了轉(zhuǎn)基因煙草中赤霉素的含量，導致轉(zhuǎn)基因煙草呈現(xiàn)矮化、遲花的表型； (5) GhDREB1在模式植物擬南芥中超表達導致轉(zhuǎn)基因擬南芥株型變小、葉色加深、匍匐生長，延遲開花

7、，并且主莖上最初的幾朵花是雄性不育的。但GhDREB1只是延緩了轉(zhuǎn)基因擬南芥的生長發(fā)育，最終轉(zhuǎn)基因擬南芥的生物量及種子產(chǎn)量要略高于野生型； (6)在檢測的各種激素中，只有外源赤霉素能夠恢復超表達GhDREB1擬南芥的表型。赤霉素含量標志基因檢測及赤霉素含量的測定結(jié)果都表明GhDREB1降低了轉(zhuǎn)基因擬南芥中具有生物活性的赤霉素的含量。但RT-PCR的結(jié)果顯示參與赤霉素合成的基因(GA20ox和GA3ox)的表達水平并沒有降低，參與

8、赤霉素降解的基因(GA2ox)的表達水平也沒有升高； (7)雖然在轉(zhuǎn)基因煙草中沒有檢測到GhDREB1能夠提高轉(zhuǎn)基因煙草的抗凍性，但是GhDREB1卻明顯提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗凍性。此外，轉(zhuǎn)基因擬南芥的鹽脅迫和滲透脅迫的抗性也明顯提高。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，GhDREB1特異性的激活了啟動子中含有CRT/DRE元件的脅迫響應(yīng)基因的表達，在超表達植株中具有更高的脯氨酸和總離子含量； (8) GhDREB1抑制了轉(zhuǎn)基因擬南芥從營