高等植物基因特异性启动子的研究进展

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　　【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
　　
　　 基因表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]。
　　 Prasenjit Saha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。
　　 Heidi Tiimonen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。
　　 Mi Jung Kim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。
　　Thomas Bruun Rasmussen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rsus 3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]。
　　 Hong Luo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。
　　 Riliang Gu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-script derived fragment)，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(dual promoter system)。PPDK(pyruvate，orthophosphate dikinase)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）
　　
　　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
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　　[3] Prasenjit Saha, Dipankar Chakraborti, Anindya Sarkar. Characterization of vascular-specific RSs1 and rolC promoters for their utilization in engineering plants to develop resistance against hemipteran insect pests [J]. Planta Volume 226, Number 2, 2007/07:429-442.
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