李昕雨 王泽博 邱颖胜 刘燕敏 刘骕骦

摘    要：不良的非生物逆境胁迫会制约植物生长发育，导致作物减产和质量受损。植物诱导型启动子在胁迫因子刺激下响应胁迫信号而激发调控机制和激活抗逆基因的表达，导致代谢组分和生理生化等指标发生变化，从而提高植株的抗逆能力。分析了诱导型启动子的种类和功能，介绍了响应非生物逆境胁迫的顺式作用元件及反式作用因子，以期为进一步研究植物诱导型启动子的功能奠定基础。

关键词：植物;启动子;非生物胁迫;顺式作用元件

文章编号：1005-2690（2022）03-0016-03       中国图书分类号：Q78       文献标志码：B

启动子是位于转录起始位点上游的DNA区域，能被RNA聚合酶识别并结合，具有转录起始位点、与原核生物Pribnow区相似的富含TA的保守序列（TATA区）以及-80～-70 bp区含有的CCAAT序列（CAAT区）等可以提高启动效率的关键元件[1]。还有一些特异的元件如光应答顺式元件G盒、水杨酸响应顺式元件ABRE可以与特定的反式作用元件结合启动目的基因，在特定的时间和空间中以特定的强度表达[2]。

常见的植物启动子有3类，分别是组织特异型启动子、组成型启动子以及诱导型启动子。组织特异型启动子的优点是外源基因能在特定的植物组织部位表达，弥补了组成型启动子中外源基因表达的浪费和过表达限制植物生长的不足[3]。组成型启动子能够使外源基因在植物组织中高效非特异表达，但过多的异源蛋白造成植物代谢水平紊乱而不能正常生长。诱导型启动子是一类在特定诱导条件刺激下能够激活下游基因转录并快速改变植株生物分子组成和调控植株生理功能的启动子，使植物表现出一定的抗逆性。本研究对常见的胁迫诱导型启动子的种类、功能及其具有的顺式作用元件和转录因子进行论述。

1 高等植物胁迫诱导型启动子的类型

近年来，大量高温诱导型、干旱诱导型、盐诱导型启动子已在多种高等植物中被分离出来。这些诱导型启动子在非生物逆境胁迫下能启动下游抗逆基因的表达，并且随着胁迫诱导量的变化，下游基因的表达量和表达部位也发生变化[4]。Chen等（2019）[5]研究发现，干旱胁迫下OsHAK1基因上游的启动子Dp3037能驱动转基因水稻中GUS基因的高表达，表明Dp3037可能启动下游基因参与干旱胁迫响应。LsP是玉米基因组中LS基因ATG上游1 735 bp的调控序列，刘晓敏（2011）[6]将pCAMBIAl301-LsP的烟草株系经胁迫处理后发现该启动子受干旱和低温诱导。Song等（2018）[7]研究发现，香蕉中编码水通道蛋白的MaTIP1;2基因受盐胁迫的诱导表达，为进一步研究其调控机理，分析了转MaTIP1;2启动子拟南芥在不同盐浓度条件下驱动GUS基因的表达情况，结果显示，GUS基因的表达主要集中在根部并且GUS表达水平随着NaCl浓度的增加而提高。张新宇等（2014）[8]对转AtPUB18基因启动子拟南芥进行高盐胁迫诱导实验发现，GUS基因的表达量显著上升。Jang等（2004）[9]设计5个5端各缺失载体小麦-黑麦TaLTP1启动子（TaLTP1-2151、TaLTP1-1376、TaLTP1-750、TaLTP1-525、TaLTP1-337）融合GUS报告基因转化烟草，250 mM NaCl处理3 d后转基因烟草株系均呈现出较高的GUS蛋白含量，并且发现在启动子上游的-337 bp区域含有盐胁迫响应元件。

植物受到伤害攻击后会产生相应的防御反应，Chakravarthi等（2016）[10]采用Delessert方法对斑茅进行损伤实验并比较重组质粒pCAMBIA1305.1-GUS、PR10.1-GUS转化烟草中的GUS基因表达量，发现其与CaMV35S启动子相比较，PR10启动子驱动的GUS基因表达量明显高于CaMV35S启动子。Zheng等（2010）[11]设计PtDrl02启动子各缺失片段载体，采用多种不同非生物胁迫（SA、MeJA、创伤）诱导发现，-669～-467 bp和-244～0 bp的启动子片段都能激活创伤基因表达。转基因拟南芥株系经高温胁迫处理后，发现白魔芋AaHSFB1启动子驱动GUS基因表达且表达部位主要在叶[12]。PgAPXPro、PgDhnPro和PgHsc70Pro是从珍珠谷子中分離出来的非生物胁迫诱导基因启动子，Divya等（2019）[13]研究发现，高温胁迫处理后的启动子均能够驱动uidA报告基因的表达。Freeman等（2011）[14]利用uidA报告基因与小麦启动子Hvhsp17融合，在38～40 ℃下胁迫处理1～2 h，转基因小麦植株中目的基因被该启动子驱动表达。

2 响应逆境胁迫的顺式作用元件和反式作用因子

2.1 顺式作用元件

植物诱导型启动子中含有多种响应逆境胁迫的顺式作用元件。张勇等（2021）[15]100 mM NaCl胁迫长穗偃麦草pEeSKOR∷GUS转拟南芥12 h后GUS基因的表达量下调为正常表达水平的54%，之后恢复至正常表达水平且呈现上升趋势。对该启动子序列分析结果显示，包含组织特异的启动元件RY-element和CAT-box、干旱诱导元件MBS、脱落酸响应元件ABRE等。狼尾草PgDHN-pET28α重组质粒转化大肠杆菌的抗逆性（低温、干旱、盐渍、高热）研究发现，经40 ℃热激和75 mM高盐胁迫处理后，大肠杆菌有着更强的耐受性和更快的生长速率。分析PgDHN基因-817 bp启动子序列，鉴定出4个GTAC基序的缺氧胁迫元件、1个LTR元件响应低温等多种顺式调控元件[16]。ApY2SK2启动子中含有3种激素响应元件CE3/ABRE（脱落酸应答元件），6种胁迫响应元件LTR（低温应答元件）、MBS（MYB结合位点干旱应答元件）、HSE（热激应答元件）等[17]。

2.2 反式作用因子

植物通过转录因子的功能区与顺式作用元件互作或与其余转录因子的功能区互作来调控下游相关抗逆基因介导植物的非生物胁迫信号的响应[18]。在拟南芥中过表达山葡萄VaDREB，经干旱胁迫处理后，抗逆相关基因的表达量出现了不同程度的上调。进一步研究表明，VaDREB能够与KIN1、KIN2、COR15B这3个基因启动子中DRE/CRT元件结合，从而激活下游功能基因的表达。WRKY转录因子与植物抗逆性有关，能特异性识别靶基因在其启动子区域的W-box（C/T）

TGAC（T/C）元件[19]。Robatzek和Somssich（2002）[20]利用WRKY6的异位过表达，正向调节转录因子NPR进一步影响PR启动子活性，发现WRKY6在NPR1和PR1的上游起作用。在植物耐盐抗旱调控机制中，bZIP转录因子调控的抗逆基因的启动子区域通常包含ABRE元件，如拟南芥受高盐渍诱导的AREB1/ABF2、ABF3/DPBF5、AREB2/ABF4基因，bZIP转录因子与其ABRE元件结合以激活ABRE元件驱动的相关功能基因的表达[21]。热激转录因子HsfA3在耐热调控机制中具有十分重要的作用。在拟南芥中，HsfA3受DREB2A的调控作用以响应胁迫信号，从而级联调控其下游基因的表达，使植株获得更高的耐热性[22]。唐锐敏等（2021）[23]研究发现，马铃薯StHsfA3的转基因植株受热胁迫处理后，StHsfA3被诱导并大量表达，同时StHsp26-CP和StHsp70的表达量显著上升，说明StHsfA3对StHsp26-CP和StHsp70的表达起正调控作用。

3 小结与展望

近年来，相关研究者已分离得到许多植物诱导型启动子并鉴定出众多顺式作用元件，对其结构和相关功能有了初步认识。不同的非生物胁迫因子直接或间接影响基因表达水平，通过启动子中顺式作用元件、转录因子的相互协调作用，和元件种类、数量及两者间的距离对基因转录产生影响。

除此之外，在胁迫信号刺激下，这些元件可作为正、负调控元件来诱导或抑制相关基因的表达。启动子的多元化以及转录因子的多样性，共同决定着启动子调控机制的复杂性。

目前，利用基因工程技术是研究植物响应各种胁迫因子调控机制最为简便快捷的手段，并通过生物信息学预测、分析和设计瞬时表达、酵母单杂交、点突变等试验全面解析启动子的功能。诱导型启动子的相关问题还需进一步探索，为全面揭示基因的表达调控机理奠定基础，也为作物的抗逆育种提供理论依据。

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