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高等植物绿色组织特异表达启动子研究进展

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高等植物绿色组织特异表达启动子研究进展

中国农业科技导报,2010,12(2):33—37

JournalofAgriculturalScienceandTechnology

高等植物绿色组织特异表达启动子研究进展

淼1”,王旭静2,

唐巧玲2,

王志兴2,王育青1

(1.中国农业科学院草原研究所,呼和浩特010010;2.中国农业科学院生物技术研究所,北京100081)摘要:为实现同的慕因的定点、定时表达,组织特异性启动子的开发和应用成为植物基因工程中的研究热点。绿色组织特异启动子驱动外源基因在茎叶等绿色组织中特异表达,并且启动子的组织特异性是由其上存在的正负调控元件相互作用而决定的。综述r绿色组织特异启动子的种类及调控元件,并对其在植物基因r程中的应用前景进行了展望。

关键词:启动子;绿色组织特异性;调控元件doi:10.3969/j.isan.1008-0864.2010.02.07中图分类号:Q756

文献标识码:A

文章编号:1008-0864(2010)02-0033-05

ResearchProgress

on

PlantGreenTissueSpecificPromoter

WANGMia01”,WANGXu-jin92,TANGQiao—lin92,WANGZhi.xin92,WANGYu.qin91

(1.Grassland

Research

Institute,ChineseAcademy

of

AgriculturalSciences,Hohhot010010;

2.BioteehnologyResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)

engineering,developmentandapplicationoftissue—specificpromoterhasbeenahotspotin

ordertoexpressforeigngenescorrectly,efficientlyandspecifically.Greentissue—specificpromotersCanregulatetheexpressionofforeigngenesingreentissues.Thespecificityoftissue—specificpromotersisdeterminedbytheinterae—

Abstract:In

plant

genetic

andnegativeregulatoryelements.Thispaperexpoundsthekindsofspecificpromotersandregulatory

prospectsitsfutureapplicationinplantengineering.

Keywords:promoter;greentissuespecificity;regulatoryelement

tionofpositiveelements.Italso

在植物基因工程研究中,为使外源基因在受体中高效表达,必须借助于高活性的启动子,有时

为避免基因产物对受体及环境产生副作用,需使

件进行综述,并对其在植物基因工程中的应用前景进行了展望。

外源基因只在特定的组织或器官中表达。绿色组

织是植物进行光合作用的场所,目前已发现一些

绿色组织特异性启动子的种类

光合作用相关基因的启动子表现出在绿色组织中特异或优势表达的特性,如捕光叶绿素a/b蛋白复合体(chlorophyll

a/bbinding

1.1植物捕光叶绿素a/b蛋白复合体(chloro-

phylla/b

binding

protein,CAB)基因启

protein,CAB)基subunit,rbcS)

zipper)启

动子

因启动子、核酮糖二磷酸羧化酶小亚基(fibulose

1,5-bisphosphatecarboxylasesmall

植物捕光叶绿素a/b蛋白复合体基因(cab)是一类典型的光诱导型基因。目前已从梨、小麦

和水稻等植物中分离得到了cab基因¨咱1。研究表明,植物中的cab启动子同时具有光诱导和组织特异表达的特性"]。cab基因的表达是在转录

基因启动子、PPDK(pyruvateorthophosphatediki—

nilleu

nase)启动子和PNZIP(Pharbitis

动子等,并且启动子的组织特异性是由其上存在

的正负调控元件相互作用而决定的。

本文对绿色组织特异启动子的种类及调控元

收稿日期:2009一11—11;修回日期:2009-12-21

水平上进行调控的,而且其表达与不同光受体

有关‘8|。

基金项目:国家863计划项目(2007AAl00505;2007AAl02182);国家自然基金项目(30671337);转基因生物新品种培育科技重大

专项(2008ZX08005-003,20087ZX08010-003,2008ZX08070-001)资助。

作者简介:王淼,硕_{:研究牛,研究方向为植物基因工程。Tel:010-82109866;E.mail:win0510@126.tom。通讯作者:王志兴,研究

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员,主要从事植物抗病、虫基因工程研究。Fax/Tel:86—10-82106102:E.mail:wangcotton@126.corn

中国农业科技导报

12卷

研究发现,cab基因的表达调控元件位于基因的5’非翻译区。用烟草作为检测系统,已经证

明豌豆、烟草、小麦、矮牵牛及拟南芥等植物的

cab启动子表现出光依赖性和绿色组织表达特异性¨1。Simpson等一。证明梨c曲基因上游400

bp

的启动子序列能驱动gus基因在转基因烟草叶片

录起始点…357

中的特异表达。单子叶植物小麦cab-1启动子转

89片段与CaMV35S基本元件

连接,转化烟草证明,268bp的DNA片段是一个光反应和叶片表达特异性的增强子,由三个不同的元件组成"1。拟南芥cabl基因5’上游1

396

bp中至

少存在三个光依赖性的顺式作用元件,其中两个近

端的分别位于转录起始位点一253一一158及一321~一253,前者对维持启动子特异性是必需的,后者具有增强cab启动子活性的作用。另一个位于远端一1396~一766,也负责启动子特异性应答。序列分析发现,在该启动子中存在一个与cabl表达光调控有关的Z-DNA形成序列(5'-ATACGTGT一3’)¨oI。李为民等¨¨从金华中棉中克隆了光诱导基因C,acab的启动子(1

009

bo),转化烟草证明

Gacab全长启动子能够驱动gus基因在转基因烟草叶片中的特异表达,是一种光诱导型启动子。不同长度的缺失试验表明,只有全长的启动子为绿色组织特异表达启动子,而504bp的表达活性最高,表达水平明显高于CaMV35S启动子¨“。

1.2

核酮糖1。5-二磷酸羧化矽加氧酶小亚基

(ribulose

1,5-bisphosphate

carboxyla鼬

smallsubunit,rbcS)基因启动子

核酮糖1,5-二磷酸羧化酶存在于所有高等植物和自养细菌中,是所有光合生物进行光合碳同化的关键酶,也是光合植物叶片中含量最丰富的蛋白质,约占可溶性总蛋白的50%。核酮糖二磷酸羧化酶由大小两种亚基构成,在高等植物中两种亚基的比例大约为l:1,其中大亚基由叶绿体基因组编码,小亚基(rbcS)由核基因组编码。由于大亚基的表达受rbcS表达的调控,所以对于核酮糖二磷酸羧化酶小亚基的研究更受人关注。

由核基因编码的rbcS表达受光调控,并具绿

色组织表达特异性。目前已经证明水稻、梨、番茄、玉米、拟南芥、马铃薯、烟草等植物的rbcS启动子是绿色组织特异表达的启动子。如Kyozuka等(131发现番茄rbcS启动子驱动gus基因在转基因水稻中表达时,GUS活性具有组织特异性,只

在绿色组织中检测到。刘巧泉等¨刮证明番茄

Rubisco小亚基rbcS3A基因的启动子可驱动gus在转基因的茎和叶组织中高效表达,而在根和种子等器官中不表达或表达活性极弱,表现出绿色

组织特异表达的特性。黄海群等¨纠利用PCR法

克隆了水稻日本晴的核酮糖.1、5-二磷酸羧化酶小亚基基因(rbcS)57上游调控区,命名为Posrbcs。将Posrbcs与gus基因融合,并通过农杆菌介导转入水稻中花ll(Oryza

sativa

ssp.japonica)中。对

转基因水稻植株中GUS活性进行定性与定量分析,结果表明,Posrbcs启动子可驱动gus基因在转

基因水稻植株的叶片、叶鞘、茎杆及颖壳中特异性

表达,定量分析结果显示,Posrbcs片段愈短,GUS活性愈低;进一步的光诱导实验结果显示,光能明显提高gus基因表达活性,并且随诱导活性降低以及光诱导表达时间后移。卢碧霞等¨刮进行了类似的实验,定量测定结果表明,rbcS启动子可驱动gus报告基因在转基因水稻植株叶片中特异性表达,表达水平高于CaMV35S组成型启动子。荷兰Wageningen大学国际植物研究中心的研究表明,菊花rbcS启动子在转基因烟草叶片中的表达效率是CaMV35S启动子的8倍,绿色荧光蛋白(eGFP)的表达量达叶片可溶性总蛋白的24%mJ。

研究发现,rbcS在C3植物和C4植物中的表达模式有所不同,在C3植物中,rbcS主要在叶肉

细胞中表达,在C4植物中则在维管束鞘细胞中

特异表达。Nomura等¨副发现C3植物水稻的r6cs启动子驱动gus基因在转基因玉米中表达时,报告基因gus主要在叶肉细胞中表达,在维管束鞘细胞中的表达相对较低;而c4植物玉米的rbcS启动子驱动的gus基因主要在转基因玉米的维管束鞘细胞中表达。

1.3丙酮酸正磷酸双激酶(pyruvate.orthophos-

phatedikinase,PPDK)启动子

丙酮酸正磷酸双激酶(pyruvate,orthophos-phatedikinase,PPDK)是C4植物光合反应中的一个叶绿体酶,但在C3植物中也同样存在。研究发现PPDK具有一个双元启动子系统,这两个启动子的区别在于起始密码子和拼接方式的差异。

玉米中的C4Pdk启动子驱动PPDK转录成较长

的mRNA,基因产物定位在叶绿体中;细胞质Pdk启动子在PPDK基因的第一个内含子中,驱动PPDK转录成较短的mRNA,它所编码的蛋白质定位于细胞质中,故称为细胞质Pdk启动子。

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C4Pdk启动子是受光诱导的强启动子,驱动基因

2期王淼等:高等植物绿色组织特异表达启动子研究进展

35

在玉米叶肉细胞中特异表达;而细胞质Pdk启动子是个弱启动子,且不具有组织特异性¨引。在

C3植物水稻中,PPDK基因同样具有两个启动

子,形成两种类型的转录本,其中较长的转录本主要存在于叶片中,而较小的转录本存在于小穗

中Ⅲ】。Parsley和Hibberd【2u发现拟南芥中的胆

DK基因也具有两个启动子,驱动基因形成两种类型的mRNA,一个启动子位于第一个外显子的上游,驱动PPDK转录成较长的mRNA,在叶片中这类mRNA非常丰富;另一个位于第一个内含子内,驱动PPDK转录成短的mRNA。将这两类基

因与曲基因融合,利用CaMV35S启动子驱动融

合基因在烟草叶片中表达,结果发现,较长mRNA

翻译成的蛋白质定位在叶绿体中,其中第一个外显子作为信号肽起作用,较小的蛋白质则位于细

胞质中。

1.4

PNZIP启动子

杨予涛等【22。从裂叶牵牛(Pharbitisnil)中分

离到一个PNZIP基因,编码一种含有亮氨酸拉链结构的蛋白质,原位杂交证明该基因特异地在叶片中表达。他们利用接头PCR技术克隆了长度为l

415

bp的PⅣz,P启动子,发现它驱动gus基

因在转基因烟草叶片中特异表达,且其表达强度

是组成型启动子CaMV35S的9倍。肖守华等旧’

证明PⅣz,P启动子能驱动小麦抗真菌1-硫堇蛋白(^y—Thionin)基因在甜瓜叶片组织中表达。利

用PLACE数据库对该启动子的顺式元件进行分

析,发现启动子中存在G.Box、Box-II和类AT-

lbox,此外还发现了在数据库中不存在的2个新的保守元件GAAATA元件和GATACT元件。2

个GATACT元件存在于~278和一55bp处,4个GAAATA元件分别存在于一1007,一943,一446

和一3

184

bp处,分段缺失及转基因的研究表明

这两个元件有可能参与基因的表达调节Ⅲ1。

1.5叶绿体核糖体蛋白L21(rpl21)基因启动子

叶绿体核糖体蛋白L21基因是Lagrange

等旧1从菠菜中克隆的一种基因。此基因具有两

种长短不同的转录本。这两种转录本的区别在于其转录起始的差异。两种转录本的起始位点分别被P1和P2启动子所驱动,瞬时表达分析表明:

P2启动子是组成型表达;PI启动子只在叶中特

异性表达。Lagrange等此后的工作还表明,一89到+38bp区段为P1启动子的核心启动子,可以驱动基因高效表达。其上游具有一个正调控结构

域(一328bp一一204

bp)和一个负调控的结构域

(一204

bp~一89

bp),正调控结构域中的顺式作

用元件s2(5’一ATACA-3’)通过与叶特异性核因子

S2F结合来调控基因在叶中的特异表达圆瑚】。

转基因烟草实验证明P1的绿色组织特异性表达与光诱导无关¨川。

2绿色组织特异启动子中的调控元件

如上所述,大多数绿色组织特异性启动子为光诱导启动子,同时具有光诱导活性,因而大多数

绿色组织特异启动子都包含若干个光应答元件

(1ight

response

element,LREs),如G盒、GTl元件

(或GATA元件)、AT富含元件及Z—box等,它们普

遍存在于光调控启动子中,对光调控的转录激活是必需的【嚣以1|。以拟南芥rbcS一1A启动子为例,包括I、G和GTbox的196bp序列(…320

125)

在烟草叶片中足以通过光诱导表达乙醇脱氢酶基

因(alcohol

dehydrogenase

gene,adh),定点突变分

析发现全长rbcS一1A启动子(一1700一+21)中Gbox和Ibox突变会降低adh和gus基因的表达[32J,将这些特异性元件置于非光调控的基本启动子上游,均能表现出组织特异性和光敏色素介导的光反应口五川。

2.1

G-box

G—box是植物中广泛存在的顺式作用元件,

通常含有一个核心序列5’-CACGTG-3’,最初是从

编码励岱基因的上游区作为光调控元件而被发

现的。G—box往往是作为应答反应调控元件中的

一个组成部分,通过与其他顺式作用元件共同起作用,尤其是G.box两侧的序列对应答反应的特

异性起重要作用,如Donald和Cashmorel321研究发现,在拟南芥rbcS.1A启动子中,G-box和两侧的

3个I-box共同参与光应答反应。G—box结合蛋白(GBF)广泛存在于植物界,绝大部分属于bZIP转

录因子Ⅲ]。如在拟南芥中,GBFl、GBF2、GBF3是

调节rbcS.1A启动子的G.box结合蛋白mJ,欧芹中也存在3个参与基因光表达调控的G-box结合蛋白CPRF.1、CPRF-2和CPRF-3。关于GBF如何调控基因的表达,Sandhu等旧刊提出了这样一个模型:GBF合成后以单体形式存在于细胞质中,当接受光信号后,GBF被磷酸化而激活,并从细胞质中转移到细胞核内,然后以异源或同源二聚体

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的形式与G—box结合,达到调控基因表达的目的。

36

中国农业科技导报

12卷

2.2Z-box

Z—box的通用序列是57-ATACGTGT-3’,在拟

南芥eabI启动子中含有三个Z.box。即Z—DNA形成序列。缺失分析暗示,位于光调控最小启动子中的Z-box,在cabl基因光依赖发育表达中发挥

重要的作用【10|。研究表明,包含Z—box和另外一个LRE串联的启动子,能够对广谱波长产生反

应,这种反应分别由phyA、phyB和CRYl光受体在它们相应的波段介导,z?boxLRE的调控由多种光信号元件介导旧21。研究还发现包含G、GATA及GTl等LREs的启动子受广谱波长的光所诱导,只有单一LREs的启动子仅对某一特定

波段的光产生反应旧引。

Z.3

I-box

I盒或GATA元件含有5’-GATAA-37序列。

有些光应答基因的启动子中含有单一的GATA元

件,有些则含有多个拷贝。GATA元件的缺失或突变都会导致启动子光应答能力的下降。GATA

元件的旁侧序列对转基因植物中报告基因的表达也有一定的影响。

2.4

A/T富集基序

A/T富集基序普遍存在于植物各类启动子中,它既可以起正调控作用,也可以起负调控作用。A/T富集基序在豌豆Rbcs-3A启动子和谷氨酞氨合成酶GS2启动子中是一个正调控元件,而

在烟草的Cab—E基因启动子中则是一个负调控元

件。Sandhu等p刊发现在豌豆PetE(质体蓝素)基因启动子中,A/T富集基序是一个没有组织专一性的增强子,它只能从量上增强基因在高等植物中表达强度。Hoffmann等"引发现,改变豌豆线粒体apt9启动子中A/T富集基序的3个碱基将导致启动子的活性降低70%。杨予涛等739]发现,PNZIP启动子中的类AT.1box也属于A/T富

AATAⅢA,rr-3

集基序,它与豌豆RbcS-3A启动子的AT.1盒(5’.

7)十分相似,推测存在于一379

一一133bp区段的类AT?1盒,与控制基因在光合组织中的表达强度有关。A/T富集基序是一个正

调控元件,能增强基因在光合组织中的表达ⅢJ。

2.5

GTl元件

GTl元件最初是在豌豆叶片Rbcs一3A基因启

动子中发现的一个光应答元件,又称作BoxlI,序

列为5'-GPu(TA)TA(AT)-3’,通常是5’一GGT.TAA-3’。它是一种负调控元件,在黑暗状态下,

负责关闭光调控基因的转录‘381。在有些光诱导启动子中GTl序列的出现频率较高,甚至以串连方式存在。研究发现,核蛋白GT-1与boxII(5’-

GTGTGGTrAATATG-37)相互作用,参与植物的光

调控发育‘401。

3绿色组织特异表达启动子的应用前景

外源基因在转基因植物中的定位表达,可以

降低植物负担,减轻对其他性状的不利影响,而且还可以提高目标产物在特定部分的表达量,增强转基因的效果。鉴于此,研究者们更加莺视对组

织特异性启动子的开发和应用。绿色组织特异性启动子诱导基因只在茎叶等绿色组织表达,因而

可以用于以茎叶为主要收获产物的作物,使蛋白质产物富集于茎叶中,减少宿主植物无谓的物质

能量消耗,改善光合作用特性;也可以用于以种

子、果实为主要收获产物的作物,让抗除草剂、抗虫等外源基因只在茎叶部分而不在种子果实等器官中表达,以提高转基因作物的生物安全性,在植物基因工程研究中具有广泛的应用前景。

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[31]YadavV,KunduS,Chattopadhyay

D,et

a/..“shtregulated

modulationofZ-boxcontainingpromotersby

photoreceptorsand

downstream

regulatorycomponents,COPI

and

HY5,in

Arabidopsis[J].PlantJ.,2002,31:741—753.

[32]Donald

G,CashmoreA

R.Mutation

ofeitherGboxorIbox

sequencesprofoundlyaffects

expression

from

theArabidopsis

rbcS—IA

promoter[J].EMBOJ.,1990,9(6):1717—1726.

[33]1.amE,Chua

H.Gtlbinding

siteconfers

light—responsive

expression

intransgenic

tobacco[J].Science,1990,248:47l

一474.

[34]PuenteP,Wei

N,DengxW.Combinatorial

interplayof

promoter

elementsconstitutes

theminimaldeterminantsforlight

anddevelopmentalcontrolof

gene

expression

in

Arabidopsis

[J].EMBOJ.,1996,15:3732—3743.

[35]SchindlerU,Menkens

E,BechmannH,et

a/..Heterodim.

erization

be“”een

light—regulatedandubiquitouslyexpressed

ArabidopsisGBFbZIPproteins[J].EMBOJ.,1992,11:1261

一1273.

[36]ChattopadhyayS。PuenteP,Oengxw,et以.Combinatorial

interaction

of

light-responsiveelementsphys

criticalrolein

determining

the

response

characteristics

of

light?regulated

promoters

in

Arabidopsis[J】.Plant

J.,1998,15:69—77.

[37]Sandhu

S,Webster

I,GrayJC,耐越..A/T?rich

sequencesact

as

quantitatives

enhances

of

geneexpression

in

transgenic

tobaccoand

potato

plants[J】.PlantM01.Bio.,

1998,37(5):885—896.

[38]HoffmannM,BinderS,Functionalimportanceofnucleetide

identitieswithinthe

pea

art,9

promoterⅫluenc.e[J】.M01.

Bi01.,2002,320(5):943—950.[39]Sarokin

P,Chua

H.Binding

sitesfor

two

novelphespho-

proteins,3AF5and3AF3,arerequiredforrbcS-3Aexpression[J].PlantCell.,1992,4:473一镐3.

[40]Gilmartin

M,MemelinkJ,HiratsukaK,eta/..Character-

ization

of

gene

encoding

aDNA

binding

protein

with

specificity

for

light—responsiveelement[J].PlantCell,

内容需要下载文档才能查看

1992,4(7):839—849.

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