单位文秘网 2021-07-10 08:21:13 点击: 次
摘 要:主要对高等植物ACC合成酶基因克隆及表达调控等方面进行综述,并对其应用前景进行了展望。
关键词:乙烯;ACC合成酶;基因克隆;表达调控
中图分类号:Q78 文献标识码:A DOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2013.02.007
Review on Researching Advance in ACC Synthase Genes in Higher Plants
LIU Li
(Liaoning Key Lab of Plant Biotechnology,School of Life Science,Liaoning Normal University, Dalian, Liaoning 116082, China)
Abstract: This paper made a review mainly focus on the progress in cloning and regulation of ACC synthase genes and their use in the future.
Key words: ethylene; ACC synthase; gene cloning; gene regulation
乙烯参与调节高等植物生长发育的许多过程,如种子萌发、幼苗生长发育、叶片和花器官的衰老、果实成熟等。同时,乙烯在植物应对逆境胁迫,如机械伤害、冷害、干旱、病原菌入侵等过程中都起到了引发植物耐受或抵抗逆境的生理生化以及基因表达等方面变化的作用。
ACC合成酶(1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶,ACS)是乙烯生物合成过程中能催化S-腺苷甲硫氨酸(SAM)合成1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)的关键限速酶,它在植物组织内活性往往决定着乙烯产生的速率。因而调控ACC合成酶基因的表达就能有效控制植物成熟衰老和植物对逆境胁迫耐受能力。近些年来ACC合成酶已经成为研究乙烯的重点,因此,笔者主要综述了高等植物ACC合成酶基因的克隆及表达调控方面的研究进展,期望能为通过现代分子生物学技术调控植物成熟衰老和植物抗逆胁迫提供一些有价值的信息。
1 ACC合成酶基因克隆的研究进展
人们最早是在番茄的果皮组织中发现的ACC合成酶的[1],但最先从夏南瓜中分离得到编码ACC合成酶的基因[2],而Straeten等[3]从番茄果实cDNA文库中分离到第一个ACC合成酶基因序列。随着科学研究的不断发展,目前已经从许多植物中都克隆到了ACC合成酶基因,如水稻[4]、辣椒[5]、猕猴桃[6]、小麦[7]、小西葫芦[8]、桃[9]、菠萝[10]、鳄梨[11]、柿[12]、薄皮甜瓜[13]、李[14]、苹果[15]、牵牛花[16]等。在克隆的过程中发现几乎每种植物中的ACC合成酶基因都不止一个,迄今为止在研究中发现番茄中至少有9个[17],绿豆中有6个,水稻和土豆中有5个,李中有4个[10],而西葫芦、笋瓜和小麦中有2个,这表明ACC合成酶基因是多基因家族编码。比较已发表的ACS基因核苷酸序列,发现所有已知高等植物的ACS多基因家族区内的DNA序列都有大约60%的同源性,一般含有2、3或4个内含子,mRNA的分子量在1.8~2.1 kb左右,蛋白的同源性在50%~95%[18],其中,蛋白序列中部的同源性最高,而C端的差异最大[19]。
2 ACC合成酶基因的表达研究进展
2.1 ACC合成酶基因表达的诱导因子
研究表明,植物组织中的ACS含量很低且极不稳定,但是ACS基因在各种植物激素、环境胁迫等诱导因子的诱导下可进行大量表达,而且有些基因还受植物生长发育不同阶段的诱导表达。已报道的能够诱导ACS基因的植物激素主要有生长素、乙烯、细胞分裂素、赤霉素和脱落酸等[ 18],不同的植物激素或同种植物激素影响各ACS基因差异表达。例如乙烯和生长素都能够诱导甘蔗Sc2ACS1, Sc2ACS2, Sc2ACS3的表达上调[20-21];乙烯可诱导增强月季RnACS1和RnACS3的表达,但后者增强的程度远大于前者 [22]。同样的,一些环境胁迫因子,如低氧、机械伤害、渍水、干旱、光温、高盐、臭氧、病害和虫害等也均能诱导ACS基因的表达。苹果MdACS5可以被机械损伤诱导[23],甘蔗Sc2ACS1对冷胁迫、暗培养和Licl胁迫均有应答[20],病原体感染、臭氧、Cu2+的毒害等胁迫刺激可诱导马铃薯叶片ACS4和ACS5基因的表达[24],这些ACS基因表达可以为各类环境刺激因子所调控的实验结果证明,乙烯确实参与了植物生长发育过程中抵抗逆境胁迫的一系列防御信号反应。在自然条件下,植物ACS基因也可受生长发育的不同阶段,如开花、传粉、果实成熟、衰老等过程的诱导表达。呼吸越变型果实类植物如番茄、梨、苹果、香蕉等果实成熟时可检测到ACS高效表达[18]。在番茄克隆得到的9个ACS基因中,番茄的LEACS2和LEACS4在果实成熟时被诱导大量表达,特别是LEACS2被诱导后便促进乙烯自动催化并引发呼吸高峰[25]。
2.2 ACC合成酶基因表达的特异性
同种植物中的不同ACS基因在表达时大多存在器官表达特异性差异、时空表达特异性差异、转录水平上的差异等。研究发现在番茄的ACS基因家族中,LEACS2主要在果实、衰老的花、病原感染的叶片和水淹的根中表达,而LEACS4只在果实中表达[24]。在研究麝香石竹ACS基因时发现,在花柱中优先表达的是ACS2和ACS3,而在花瓣中表达较多的是ACS1。植物ACS基因器官表达特异性差异表明这个基因主要在植物的生殖器官和营养器官上表达,生殖器官中花和果实均有表达,花中子房表达最强烈,而果实的中柱组织表达最强烈,营养器官中叶片和根部的表达效果最好[18]。臭氧处理过的马铃薯叶片在1 h可诱导ACS5基因的表达,2 h才检测到有ACS4基因的表达;而用Cu2+处理叶片时,结果0.5 h便可检测到ACS5基因的大量表达,2 h后才检测到ACS4基因的表达[26]。研究表明,多数ACS基因的转录受到调节。番茄ACS基因家族的各成员转录水平存在很大差异,不同的因素或条件可诱导家族中的不同成员表达,并且表达的各成员的转录水平高低也存在很大差别[27]。衰老的香石竹花的雌蕊部分的ACC合成酶的活性较高,但ACS基因转录合成的mRNA却保持很低的水平,这说明ACS基因的转录水平和ACS酶活水平的变化并不一定一致,也就是说ACS基因的转录水平并不能反映该酶的活性水平,表明伤害导致ACS酶活性增强是由于该酶的基因在转录水平上受到调节。
3 转ACC合成酶基因表达调控的研究进展
植物学家和育种家近些年将通过调控乙烯的合成过程来获得所需要的植物新品种作为研究的重点,而ACC合成酶更是成为研究重点中的热点。转基因技术是一种调控植物ACC合成酶基因表达的有效方法,通过这种方法可以得到改良的新品种。
1991年,Oeller等将ACC合成酶的cDNA反义系转入番茄从而成功获得成熟受阻的转基因植株,由于转基因植株中的乙烯生物合成过程受到ACS基因反义表达的破坏,造成这种番茄的成熟期被推迟,而外用乙烯又可以恢复其正常成熟,目前这项技术已投入到商业生产[28],例如培养转入反义ACS基因的番茄子叶得到的纯合转基因植株,其果实的成熟衰老会受到抑制,主要表现在:果实硬度大而不红、无香气,当用乙烯处理后,果实就会成熟变软,其色泽、质地、芳香与正常果实无异,这种转基因番茄由于具有耐贮保鲜性而具有明显的经济价值[29]。在其他的植物中也有利用ACS的反义基因控制果实成熟,如苹果[30]等。将康乃馨的反义ACS基因通过农杆菌介导转入烟草,会明显增强转基因烟草对非生物胁迫的耐受能力[31],这表明ACS基因在应对逆境胁迫方面具有重要的调控作用。此外,也有正义表达,利用同源共抑制现象控制内源乙烯合成,通过共抑制转基因的方法能使菠萝ACC合成酶基因表达下调,推迟菠萝花期 [32]。
随着分子生物学的发展,越来越多植物中的ACC合成酶基因被克隆出来,而且有的已经通过转基因技术转入到了不同的物种中调控ACC合成酶基因的表达。但是研究较深入的基因大多是从模式植物或是从果实植物中获得,特别是与果实成熟相关的ACS基因,但关于哪个是果实成熟的最关键的ACC合成酶基因却还不是十分清楚,而且关于ACS基因在植物抗逆方面的作用的研究较少。今后,需要进一步从分子生物学水平上深入研究ACC合成酶基因的表达及其调控,为利用现代基因工程技术培养耐贮藏的果实新品种和培养抗逆作物提供理论依据。
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