高等植物基因特异性启动子的研究进展

EPublic Scienc科 学 思 考 高等植物基因特异性启动子的研究进展 王瑞琲 (辽宁师范大学, 辽宁 大连 116029) 【摘 要】:高等植物组织特异性启动子已成为现代生物学研究的热点,目前为止还没有系统地将高等植物组织特异性启动子分类,文章大致将其分为维管组 织特异性、果实特异性、种子特异性、花器官特异性以及根、茎、叶特异性启动子五大类,并对它们目前的研究现状进行了综述。 【关键词】:高等植物;组织特异性;启动子 中图分类号:Q94 文献标识码:A 文章编号:1002-6908(2008)0110003-02 基因达受生物体内各种理化因素的调节控制,生物能够根据自 身需要及环境的改变,定时、定位及定量地表达所需的基因产物。基因表 达在DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平、翻译后加工、运输及定 位等各个环节都进行着精细的调控。在这一系列过程中涉及到启动子、终 止子、UTR序列等调控元件,在这些调控元件中,启动子的作用尤为重要。 1.植物基因启动子的基本特点 高等植物启动子是mRNA基因启动子,其所属的基因绝大多数为编 码蛋白质。一般由两部分组成:一部分是形成普遍性转录结构所需要的,通 常称为核心启动区,包括转录起始点及邻近的TATA框;另一部分是决定 基因转录特异性和活性的区域,由多个保守序列组成,这些保守序列在不 同的启动子的位置、种类及拷贝数存在较大差异。两部分都参与基因转录 的调控,但后一部分起主要的控制作用。 2.植物基因启动子的类型 植物基因启动子按其作用方式大体可以分为三类,即组成型启动子、 诱导型启动子和组织特异性启动子。另外还有两类较为特殊的启动子-双向 启动子和可变启动子。这种分类大体上反映出了它们各自的特点,但这种分 类是相对的,在某些情况下,一种类型的启动子往往兼有其他类型启动子的 特性[1]。文章主要讨论高等植物基因组织特异性启动子的研究概况。 3.高等植物基因组织特异性启动子的类型 3.1维管组织特异性启动子 植物维管组织包括韧皮部与木质部。韧皮部运送有机物;木质部运送 水和土壤中吸收的养分,并提供能量支持。韧皮部包括筛分子和伴细胞;木 质部包括管状分子和木质薄壁组织细胞。 3.1.1韧皮部特异性启动子 韧皮部是植物维管组织的一部分,由于负责植物体内糖等有机养料 从叶到其它组织器官的运输而成为许多植物病虫害,特别是细菌、真菌和 病毒等植物病源和刺吸式昆虫的直接侵害目标[2]。 PrasenjitSaha等[3]发现水稻蔗糖合酶基因RSs1和rolC的启动子均 为韧皮部组织特异性启动子,并可以驱动植物杀虫蛋白基因的表达,为植 物抗病工程提供了新技术。 3.1.2木质部特异性启动子 本质部是维管植物的运输组织,负责将根吸收的水分及溶解于水里 面的离子往上运输,以供其他器官组织使用,另外还具有支持植物体的作 用。木质部特异性启动子可以特异性调节木质部组织中的基因表达和改 变植物中木质部的特性,采用这些启动子可生产显示修饰的木质部特性的 转基因植物。 HeidiTimonen等[4]研究美洲山杨树的 COMT基因启动子,当与 GUS报告基因相连后做组织化学 GUS分析时,GUS在植物的茎和根的 木质部先后被检测到,说明COMT启动子为木质部组织特异性启动子。 并且COMT启动子受植物茎部机械弯曲的诱导表达。 3.2果实组织特异性启动子 果实特异型启动子是组织特异型启动子的一种,它可以控制外源基 因在植物果实中高效表达,避免外源基因在植物的其他部位表达,减少对 植物的不利影响。此外,主要蔬菜如番茄、辣椒等的主要食用部位均为果 实。因此,利用果实特异性启动子控制外源基因在果实中特异表达具有重 要理论和实践意义。近年来,随着人们对果实特异性启动子结构、功能的深 入研究,发现了一系列的果实特异型启动子,为获得外源基因只在果实中 特异表达的转基因植物奠定了基础。目前已获得且研究较多的果实特异 型启动子主要包括E8、2A11/2A12、PG、MCPⅠ、B33和ACC氧化酶启动 子等 [5]。其中果实特异启动子E8被广泛应用构建植物基因高效表达载 体。随着分子生物学等学科的不断发展完善,一定可以发现新的高效、特异 性更强的果实特异型启动子,对果实特异型启动子的功能序列的研究会更 加深入,从而发挥果实特异型启动子在转基因植物中的作用。 3.3种子组织特异性启动子 种子组织特异性启动子包括种皮特异性启动子、胚乳特异性启动子、 晶胚特异性启动子等,这些特异的启动子有的只在种子的某一特定组织或 是某一特定的发育阶段发挥作用,而有的却能在整个种子组织中或是种子 发育的整个时期都具有活性。 MiJungKim等[6,7]在芝麻中克隆了微粒体油酸脱氢酶基因(FAD2) 的启动子,此启动子中的E-box和G-box元件与三酰甘油的生物合成有 关。在转基因拟南芥和其他转基因植物中也显示出了种子特异性的表达。 ThomasBruunRasmusen等[8]报道了一种胚乳特异性启动子(瓜尔豆rsus 3基因启动子),当切除了内含子区域,只能略微提高rsus3启动子的活性, 说明此种子特异性启动子与内含子是否存在关系不大。 3.4花器官组织特异性启动子 高等植物发育过程中花器官的形成是一个十分复杂的过程,它包括 一系列器官分化及严格控制的细胞及生化变化,同时伴随大量基因的协同 表达。花器官组织特异性启动子包括花药特异性启动子、花粉特异性启动 子、绒毡层特异性启动子等。目前人们最为关注的是花药中特异表达的基 因,抑制或破坏这些基因的表达可导致雄性不育,即可利用基因工程的方 法创造雄性不育系[9]。 HongLuo等[10]从水稻的圆锥花序中分离出了RTS基因,此基因主 要在花粉的绒毡层中表达,RTS基因的启动子能够驱动转基因植物 (水 稻、匍匐翦股颖和拟南芥)组织特异性表达,使转基因植物产生雄性不育。 3.5根、茎、叶组织特异性启动子 关于根、茎、叶组织特异性启动子的研究报道较少,然而它们在植物组 织中特异性驱动基因的表达与种子、果实等器官的特异性表达同样重要。 3.5.1根组织特异性启动子 根是在长期进化过程中适应陆地生活发展起来的器官,它的发生和 发育是植物发育过程中的重要问题,因此研究根中特异表达基因及其启动 子无疑是重要的。 RiliangGu等[11]克隆了玉米的ZmGLU1基因启动子,连接GUS报 告基因后转化至烟草中检测分析,结果说明ZmGLU1启动子驱动的GUS 在根中的表达水平最高。 3.5.2茎组织特异性启动子 研究在茎中特异表达基因的启动子,不仅可从分子水平了解茎的发 生、分化过程,更重要的是利用这些启动子调节植物代谢可满足人类需求。 Trindade等[12]利用cDNA-AFLP技术从马铃薯中分离了一个与乙 醇脱氢酶非常相似的TDF511(tran-scriptderivedfragment),其基因Stgan 可能参与植物体内影响赤霉素水平的复合物的合成。构建Stgan启动子- GUS融合表达载体转化烟草,GUS组织化学染色显示该启动子驱动基因 在茎结节处特异表达,可能参与块茎形成过程。 3.5.3叶组织特异性启动子 Taniguchi等[13]在玉米中发现了一个双元启动子系统(dualpromoter system)。PPDK(pyruvate,orthophosphatedikinase)是C4植物光合反应中的 一个叶绿体酶,该酶基因Pdk具有一个双元启动子系统(C4Pdk启动子和 细胞质Pdk启动子)。这两个启动子的区别在于起始密码子和拼接方式的 差异,C4Pdk启动子驱动 Pdk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Pdk基因的第一个内含子中,驱动Pdk转录 成较短的mRNA,它所编码的蛋白质定位于细胞质中,又称为细胞质Pdk 启动子。C4Pdk启动子是受光诱导的强启动子,驱动基因在玉米叶肉细胞 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。 大多数C4植物的光合作用相关基因的表达具有细胞特异性,且主要在转 录水平调节基因表达活性,因此,可利用该启动子在C4植物叶肉细胞中 高效表达外源基因。 (下转第2页) 3- - 科 学 思 考Public Science "不含防腐剂"就一定健康吗? 孙 霄 (重庆邮电大学自动化学院, 重庆 400065) 【摘 要】:对防腐剂的成分和类别加以分析,以及防腐剂的作用和安全剂量大小的确定,使人们确信食用含适量防腐剂的食品是安全的。 【关键词】:防腐剂;亚硝酸盐 中图分类号:TS2 文献标识码:A 文章编号:1002-6908(2008)0110002-01 在各大超市,如果汁、茶饮料、调味品等标注 "本品不含任何防腐剂" 的食品还真不少,越来越多的市民也只挑选商品上注明有"本品不含任何 防腐剂"字样的食品购买,因为防腐剂是化学合成品,对人体肯定有害,大 家都这么想。是啊,现在生活水平提高了,人们对食品的质量要求也高了, 都想尽量吃绿色天然健康的东西。但现在市场上几乎所有的食品都含有 各种添加剂,香精、色素、防腐剂,这些东西都让人感到不放心,所以,如果 食品不含防腐剂,应该会更健康更受欢迎。但事实是如果真是这样,就一 定真的健康吗? 让我们先了解一下什么是防腐剂,以及防腐剂的作用吧。防腐剂是 防止食品腐败、变质而延长食品保质期的抑制食品中微生物繁殖的物质。 防腐剂按来源分,有化学防腐剂和天然防腐剂两大类。化学防腐剂又分为 有机防腐剂与无机防腐剂。前者主要包括苯甲酸、山梨酸等,后者主要包 括亚硫酸盐和亚硝酸盐等。天然防腐剂,通常是从动物、植物和微生物的 代谢产物中提取的,如乳酸链球菌素等。目前国内允许在一定量内使用的 防腐剂有29种,以动植物为原料提取的天然防腐剂为主,使用较多的是 山梨酸和苯甲酸类。而这些批准作为防腐剂的物质又是如何确定它的安 全剂量的呢?科研人员通过给小白鼠灌胃、静脉注射等方式,获取试验动 物的半数致死量(当使用某种防腐剂达到一定剂量时,接收试验动物会死 亡约50%),然后再根据试验动物的体重测算出最大无作用量(服用后不 会造成自身损伤也不会对后代带来影响的摄入量),最后,把这个最大无 作用量再缩小100倍,这就是人类每天允许摄入的最大剂量。 根据统计数据显示,大型食品安全问题多数都是因为食品腐烂变质 而引发的,在一定程度上可以说是因为没有按规定添加防腐剂。如人们喜 欢食用的袋包装熟食类食品,如无防腐剂,即使保存在 0～4℃的环境中, 细菌的个数第一天为1200～2100个/克,到第五天就可高达5.7～11万个/ 克了,而我国食品安全的法律规定:产品的细菌总数不得超过8万个/克, 而不使用防腐剂的肉制品繁殖的肉毒梭状芽孢杆菌的毒性比剧毒物氰化 钾还要强10000倍。因此有些食品为了保证其营养而又要有一定的货架 期,就必须添加适量的防腐剂。按照国家来使用防腐剂是对食品安全 的一种保证,防腐剂多数都会由人体消化,如山梨酸本身就是一种脂肪 酸,人体可以完全分解吸收(分解为二氧化碳和水)。 事实上对人体最大的危害是防腐剂的使用剂量超标,如亚硝酸盐的 最大使用量是肉制品不得超过0.03克/千克,而超标使用则会在人体内转 变成强制癌性的亚硝胺。有些不法商贩为了追逐利润而过量使用防腐剂, 这是造成人们对防腐剂有戒备心理的重要原因之一,在选购食品、饮料 时,尽可能购买有信誉、质量经得起市场考验的产品,因为这类产品使用 防腐剂时更慎重、稳妥,标注也往往更真实。 防腐剂在食品工业中发挥着巨大的作用,也正是如此,才能推动食 品工业的繁荣。 参考文献 [1]万素英.食品防腐与食品防腐剂,中国轻工业出版社,2000. [2]中添协会.食品添加剂手册(精装),中国轻工业出版社,2000. (上接第3页) 4.展望 外源基因在转基因植物中低水平的表达是植物基因工程发展受限的 一个关键因素。组成型启动子(如CaMV35S启动子)经常被应用于植物基 因工程,但这些组成型启动子使它们的下游基因持续表达以致跨度宿主 植物的整个生命周期以及所有的组织器官,这不仅浪费宿主植物的能源, 而且可能会导致宿主植物性状的改变。组织特异启动子由于其表达的空 间特异性而具有许多组成型启动子所不具备的特点,将外源基因在转基 因植物中定位表达不但可以降低植物负担、减轻对作物农艺性状的影响, 还可以提高外源基因在特定部位的浓度,增加转基因的效果。目前组织特 异性启动子的应用主要在以下几方面:①改良农作物品质,提高作物的抗 冻、抗旱、抗盐能力,防止水果腐烂;②改良花卉品质、控制观赏花卉的颜 色;③提高植物的抗病性、抗虫性和抗除草剂能力;④开发生物反应器用 于生物制药;⑤创建雄性不育系和恢复系;⑥用于植物的分化发育研究 等。随着研究工作的不断深入,相信会有更多有价值的组织特异性启动子 被发现,它们的发现必定会给植物转基因工程带来新的理论基础和技术 思路。 参考文献 [1]胡廷章,罗凯,甘丽萍,石汝杰.植物基因启动子的类型及其应用 [J].湖北农业科学,2007年1月,第46卷第1期:159-161. [2]胡桂兵,张上隆,徐昌杰,林顺权.笋瓜韧皮部特异性启动子的克 隆分析及新型植物表达载体构建 [J].江西农业大学学报,2005年8月,第 27卷,第4期:4-8. [3]PrasenjitSaha,DipankarChakraborti,AnindyaSarkar.Characteriza- tionofvascular-specificRSs1androlCpromotersfortheirutilizationinengi- neeringplantstodevelopresistanceagainsthemipteraninsectpests[J].Planta Volume226,Number2,2007/07:429-442. [4]HeidiTimonen,HelyH?ggman,Chung-JuiTsai.Theseasonalac- tivityandtheefectofmechanicalbendingandwoundingonthePtCOMT promoterinBetulapendulaRoth[J].PlantCelReportsVolume26,Number 8,2007/08:1205-1214. [5]姚嵘,马三梅.植物果实的特异型启动子[J].生命的化学 2006年, 26卷4期:55-57. [6]MiJungKim,HeejaKim,MiChungSuh.Seed-specificexpresionof sesamemicrosomaloleicaciddesaturaseiscontroledbycombinatorialproper- tiesbetweennegativecis-regulatoryelementsintheSeFAD2promoteranden- hancersinthe5′-UTRintron[J].MolecularGeneticsandGenomicsVolume 276,Number4,2006/10:351-368. [7]MiJungKim,Jeong-KookKim,MiChungSuh.TheSebHLHtran- scriptionfactormediatestrans-activationoftheSeFAD2genepromoter throughbindingtoE-andG-boxelements[J].PlantMolecularBiologyVol- ume64,Number4,2007/07:453-466. [8]ThomasBruunRasmusen,IainA.DonaldsonInvestigationoftheen- dosperm-specificsucrosesynthasepromoterfromriceusingtransientexpresion ofreportergenesinguarseedtisue[J].PlantCelReportsVolume25,Number 10,2006/10:1035-1042. [9]路静,赵华燕,何奕昆,宋艳茹.高等植物启动子及其应用研究进 展[J].自然科学进展,第14卷,第8期,2004年8月:17-23. [10]HongLuo,Jang-YongLee,ThomasK.HodgesRTS,ariceanther- specificgeneisrequiredformalefertilityanditspromotersequencedirectstis- sue-specificgeneexpresionindiferentplantspecies[J].PlantMolBiol(2006) 62:397-408. [11]RiliangGu,LiZhao,GuoyingWang.Isolationofamaizebeta-glu- cosidasegenepromoterandcharacterizationofitsactivityintransgenictobacco [J].PlantCelReportsVolume25,Number11,2006/11:1157-1165. [12]TrindadeLM,etal.Isolationandfunctionalcharacterizationofa stolonspecificpromoterfrompotato(SolanumtuberosumL.)[J].Gene,2003, 303:77-84. [13]TaniguchiM,etal.ThepromoterforthemaizeC4pyruvate,or- thophosphatedikinasegenedirectscel-andtisue-specifictranscriptionin transgenicmaizeplants[J].PlantCelPhysiol,2000,41(1):42-50. 2- -