植物抗凍蛋白及抗凍性分子改良

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1、3期林善枝等:植物抗凍蛋白及抗凍性分子改良251綜　述Review植物抗凍蛋白及抗凍性分子改良*林善枝張志毅林元震(北京林業(yè)大學林木花卉遺傳育種教育部重點實驗室，北京100083)摘要:概述了植物抗凍蛋白及其相關(guān)基因的研究現(xiàn)狀，1植物低溫誘導蛋白與植物抗凍蛋白主要包括植物低溫誘導蛋白、具有熱滯活性的植物抗凍蛋白及其相關(guān)基因的分離、鑒定與表達調(diào)控，以及1.1　植物低溫誘導蛋白植物抗凍性基因工程研究動態(tài)。在此基礎(chǔ)上，討論了低溫誘導蛋白是植物在低溫作用下由于基因該領(lǐng)域研究中的主要問題、發(fā)展趨勢及近期研究熱點。表達的改變而誘發(fā)合成的蛋白質(zhì)。1970年Weiser首先提出

2、低溫誘導能調(diào)節(jié)植物基因表達發(fā)生改變從關(guān)鍵詞：植物抗凍性；低溫誘導蛋白；抗凍蛋白；熱滯而合成新的蛋白質(zhì)的觀點，在此后的近20年中，活性；分子改良中圖分類號：Q945植物低溫誘導蛋白及其理化性質(zhì)與抗凍性關(guān)系成為國際研究熱點。進入20世紀90年代后，研究者適宜的溫度是植物生長所必需的環(huán)境條件，熱衷于使用體內(nèi)標記、蛋白質(zhì)合成抑制劑及然而低溫卻是限制地球上植物分布與生長的重要因mRNA體外翻譯等方法研究抗凍基因表達后合成素，低溫傷害是全世界農(nóng)林生產(chǎn)中損失巨大的一的特異性蛋白(多肽)，試圖分離純化出低溫特異種嚴重自然災害，全球每年因低溫傷害造成農(nóng)作性蛋白(多肽)，以獲得其氨

3、基酸序列，然后利用物的損失高達數(shù)千億美元，已引起各國政府的普它作為探針，篩選出特異性基因，并期望將它用遍關(guān)注。自1830年開始低溫抗性研究至今已有于改良某些作物的抗凍性能。至今已在苜蓿、擬170多年歷史，這期間許多學者從植物生理學、南芥、雀麥草、菠菜、油菜、馬鈴薯、番茄、小麥、大麥、黑麥、玉米、水稻、黃瓜、香形態(tài)解剖學、生物物理學及生物化學等多學科角蕉、油梨、桃樹、楊樹、柑桔等30多種植物度對植物凍害的成因、低溫鍛煉過程中各種生理的低溫誘導中觀察到特異蛋白的合成(潘杰等生化變化等方面進行了廣泛的研究，但迄今還沒1994，Thomashow1999,林善枝2001

4、，Lin和有查明植物發(fā)生低溫傷害及抗凍機制的根本原理。Zhang2002，康國章等2002)。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)另外，由于植物抗凍性屬于多基因控制的性狀，果，可將植物低溫誘導蛋白按其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功其抗凍性的遺傳機理尚未明確，利用常規(guī)育種手能不同而分為：增強細胞抗冰凍脫水能力，冰凍段往往難以達到定向改良目的。而利用現(xiàn)代生物時對酶行使正常功能可能起保護作用，具有代謝學技術(shù)進行植物抗凍性分子改良具有高效性和針對調(diào)節(jié)功能，對RNA或細胞膜具有穩(wěn)定作用，與性，可彌補常規(guī)育種技術(shù)的不足，加速高抗凍性細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導有關(guān)的低溫誘導蛋白，以及低溫植物新品種的選育進程。近年來，隨著分子

5、生物誘導的熱激蛋白等8種類型(王艇等1997，Pearce學的發(fā)展，應(yīng)用生物技術(shù)在分子水平上進行植物1999，Thomashow1999,Breton等2000，林善枝抗凍性遺傳改良已成為人們的研究熱點。本文概和張志毅2000，康國章等2002)。述了植物抗凍蛋白領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，主要包括植盡管植物低溫誘導蛋白研究取得一定進展，物低溫誘導蛋白與具有熱滯活性的植物抗凍蛋白及但絕大多數(shù)研究的材料為草本植物，多數(shù)情況下其相關(guān)基因的分離、鑒定與表達調(diào)控，以及植物抗凍性基因工程研究動態(tài)。在此基礎(chǔ)上，對該領(lǐng)域研究的今后發(fā)展趨勢及近期研究熱點進行討論。2003-11-03收到，

6、2004-04-02接受。國家自然科學基金項目(No.30271093)資助。*E-mail:linsz2002@163.com;Tel:010-62338105252植物生理與分子生物學學報30卷僅通過分析低溫誘導蛋白含量的動態(tài)變化與抗凍性同源性；二色性分析表明，在沙冬青抗凍蛋白的的關(guān)系來推測此蛋白可能具有的功能，而且有關(guān)二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋占11%，反平行β-折疊片為低溫誘導蛋白的天然功能、結(jié)構(gòu)及其提高植物抗34%，無規(guī)則線團為55%，這與某些魚類AFPs凍性的機理目前仍未完全弄清。的二級結(jié)構(gòu)相似(江勇等1999)，這是國內(nèi)外首次1.2具有熱滯活性的植物抗凍蛋

7、白對木本植物抗凍蛋白作比較系統(tǒng)的研究。1999抗凍蛋白(antifreezeproteins,AFPs)是一類直年，Wisniewski等從桃樹樹皮中提取到一種分子接和冰晶形成相互作用的蛋白質(zhì)(費云標1992)，量為50kD的具有脫水素蛋白功能的抗凍蛋白最初是從極區(qū)海魚中發(fā)現(xiàn)的一種適應(yīng)低溫的特異蛋PCA60。該蛋白由472個氨基酸組成，其二級結(jié)白質(zhì)。它具有阻止冰晶形成，調(diào)控胞外冰晶的增構(gòu)具有與魚類AFPⅠ相同的雙親性α螺旋和較強長，抑制冰的重晶化，維持體液的非冰凍狀態(tài)等修飾冰晶能力，但其熱滯活性僅為0.6℃。2000特點(deVries1986)，并能以非依數(shù)性

8、(non-年盧存福等從高