植物抗冻蛋白及抗冻性分子改良

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1、3期林善枝等:植物抗冻蛋白及抗冻性分子改良251综　述Review植物抗冻蛋白及抗冻性分子改良*林善枝张志毅林元震(北京林业大学林木花卉遗传育种教育部重点实验室，北京100083)摘要:概述了植物抗冻蛋白及其相关基因的研究现状，1植物低温诱导蛋白与植物抗冻蛋白主要包括植物低温诱导蛋白、具有热滞活性的植物抗冻蛋白及其相关基因的分离、鉴定与表达调控，以及1.1　植物低温诱导蛋白植物抗冻性基因工程研究动态。在此基础上，讨论了低温诱导蛋白是植物在低温作用下由于基因该领域研究中的主要问题、发展趋势及近期研究热点。表达的改变而诱发合成的蛋白质。1970年Weiser首先提出低温诱导能调节

2、植物基因表达发生改变从关键词：植物抗冻性；低温诱导蛋白；抗冻蛋白；热滞而合成新的蛋白质的观点，在此后的近20年中，活性；分子改良中图分类号：Q945植物低温诱导蛋白及其理化性质与抗冻性关系成为国际研究热点。进入20世纪90年代后，研究者适宜的温度是植物生长所必需的环境条件，热衷于使用体内标记、蛋白质合成抑制剂及然而低温却是限制地球上植物分布与生长的重要因mRNA体外翻译等方法研究抗冻基因表达后合成素，低温伤害是全世界农林生产中损失巨大的一的特异性蛋白(多肽)，试图分离纯化出低温特异种严重自然灾害，全球每年因低温伤害造成农作性蛋白(多肽)，以获得其氨基酸序列，然后利用物的损失高

3、达数千亿美元，已引起各国政府的普它作为探针，筛选出特异性基因，并期望将它用遍关注。自1830年开始低温抗性研究至今已有于改良某些作物的抗冻性能。至今已在苜蓿、拟170多年历史，这期间许多学者从植物生理学、南芥、雀麦草、菠菜、油菜、马铃薯、番茄、小麦、大麦、黑麦、玉米、水稻、黄瓜、香形态解剖学、生物物理学及生物化学等多学科角蕉、油梨、桃树、杨树、柑桔等30多种植物度对植物冻害的成因、低温锻炼过程中各种生理的低温诱导中观察到特异蛋白的合成(潘杰等生化变化等方面进行了广泛的研究，但迄今还没1994，Thomashow1999,林善枝2001，Lin和有查明植物发生低温伤害及抗冻机制

4、的根本原理。Zhang2002，康国章等2002)。根据现有研究结另外，由于植物抗冻性属于多基因控制的性状，果，可将植物低温诱导蛋白按其性质、结构与功其抗冻性的遗传机理尚未明确，利用常规育种手能不同而分为：增强细胞抗冰冻脱水能力，冰冻段往往难以达到定向改良目的。而利用现代生物时对酶行使正常功能可能起保护作用，具有代谢学技术进行植物抗冻性分子改良具有高效性和针对调节功能，对RNA或细胞膜具有稳定作用，与性，可弥补常规育种技术的不足，加速高抗冻性细胞内信号转导有关的低温诱导蛋白，以及低温植物新品种的选育进程。近年来，随着分子生物诱导的热激蛋白等8种类型(王艇等1997，Pearc

5、e学的发展，应用生物技术在分子水平上进行植物1999，Thomashow1999,Breton等2000，林善枝抗冻性遗传改良已成为人们的研究热点。本文概和张志毅2000，康国章等2002)。述了植物抗冻蛋白领域的研究现状，主要包括植尽管植物低温诱导蛋白研究取得一定进展，物低温诱导蛋白与具有热滞活性的植物抗冻蛋白及但绝大多数研究的材料为草本植物，多数情况下其相关基因的分离、鉴定与表达调控，以及植物抗冻性基因工程研究动态。在此基础上，对该领域研究的今后发展趋势及近期研究热点进行讨论。2003-11-03收到，2004-04-02接受。国家自然科学基金项目(No.30271093

6、)资助。*E-mail:linsz2002@163.com;Tel:010-62338105252植物生理与分子生物学学报30卷仅通过分析低温诱导蛋白含量的动态变化与抗冻性同源性；二色性分析表明，在沙冬青抗冻蛋白的的关系来推测此蛋白可能具有的功能，而且有关二级结构中α-螺旋占11%，反平行β-折叠片为低温诱导蛋白的天然功能、结构及其提高植物抗34%，无规则线团为55%，这与某些鱼类AFPs冻性的机理目前仍未完全弄清。的二级结构相似(江勇等1999)，这是国内外首次1.2具有热滞活性的植物抗冻蛋白对木本植物抗冻蛋白作比较系统的研究。1999抗冻蛋白(antifreezeprot

7、eins,AFPs)是一类直年，Wisniewski等从桃树树皮中提取到一种分子接和冰晶形成相互作用的蛋白质(费云标1992)，量为50kD的具有脱水素蛋白功能的抗冻蛋白最初是从极区海鱼中发现的一种适应低温的特异蛋PCA60。该蛋白由472个氨基酸组成，其二级结白质。它具有阻止冰晶形成，调控胞外冰晶的增构具有与鱼类AFPⅠ相同的双亲性α螺旋和较强长，抑制冰的重晶化，维持体液的非冰冻状态等修饰冰晶能力，但其热滞活性仅为0.6℃。2000特点(deVries1986)，并能以非依数性(non-年卢存福等从高