[发明专利]一种橡胶树抗寒基因和蛋白及其应用

说明书

技术领域

本发明属于植物基因工程领域，具体涉及一种橡胶树抗寒基因HbICE1和蛋白， 及其在提高橡胶树抗寒能力方面的应用。

背景技术

巴西橡胶树(Heveabrasiliensis(Willd.exA.Juss.)Muell.)是天然橡胶的主要来源，不仅是海南省最重要的特色经济作物，也是我国重要的战略性资源。巴西橡胶树原产于亚马逊森林，为多年生落叶乔木，是典型的热带雨林树种，在高温、高湿、静风和土壤肥沃的环境下生长良好，但对低温非常敏感，不耐寒(PriyadarshanPM.Contributionsofweathervariablesforspecificadaptationofrubbertree(HeveabrasiliensisMuell.-Arg)clones[J].GenetMolBiol,2003,26(4):435-440.)。目前，世界上主要产胶国家均位于适宜橡胶树种植的气候带内，如马来西亚、泰国、印度尼西亚等；而中国植胶区属于热带季风气候，主要分布在海南、广东、广西、福建、云南，并经常遭受低温和台风等自然灾害的侵袭。寒害是我国植胶区的主要自然灾害之一，不仅影响橡胶产量，而且直接威胁着橡胶树的生存(PriyadarshanPM,HoaTTT,HuasunH,dePS.Yieldingpotentialofrubber(Heveabrasiliensis)insub-optimalenvironments[J].JournalofCropImprovement,2005,14(1-2):221-247.)。如2008年初的寒潮使树木大面积枯死，给我国橡胶产业带来了重大经济损失。虽然橡胶树已被成功引入我国，但寒害仍是限制植胶业发展的瓶颈，因此解析橡胶树抵御寒害胁迫的分子机理是天然橡胶生产中急需解决的重大问题之一。

在模式植物拟南芥中，植物应对低温胁迫的信号途径及关键基因都已鉴定得很充 分，其信号传导和分子作用模式如下：ICE1(INDUCEROFCBFEXPRESSION)是 CBF基因的转录激活因子，在低温环境下，它可以特定结合到CBF启动子的MYC顺 式作用元件上，激活CBF的表达(ChinnusamyV,OhtaM,KanrarS,LeeBH,HongX, AgarwalM,ZhuJK.ICE1:aregulatorofcold-inducedtranscriptomeandfreezingtolerancein Arabidopsis[J].GenesDev,2003,17(8):1043-1054.)。CBF转录激活因子是能够结合 CRT/DRE核心元件的一类转录因子，CRT/DRE元件(C-repeat/Dehydrationresponsive element)是以CCGAC为核心序列的一类顺式作用元件。CBF基因能够在低温诱导下迅 速表达，并结合到CRT/DRE元件上，从而启动COR等下游功能基因的表达，促进植 物抗寒(BakerSS,WilhelmKS,ThomashowMF.The5′-regionofArabidopsisthaliana cor15ahascis-actingelementsthatconfercold-,drought-andABA-regulatedgene expression[J].PlantMolBiol,1994,24(5):701-713；StockingerEJ,GilmourSJ,Thomashow MF.ArabidopsisthalianaCBF1encodesanAP2domain-containingtranscriptionalactivator thatbindstotheC-repeat/DRE,acis-actingDNAregulatoryelementthatstimulates transcriptioninresponsetolowtemperatureandwaterdeficit[J].PNAS.1997, 94(3):1035-1040.)。拟南芥中包含4个CBF转录因子，分别为CBF1、CBF2、CBF3和 CBF4，在拟南芥中过量表达CBF1或CBF3，转基因植株的抗寒能力要明显优于野生 拟南芥(GilmourSJ,SeboltAM,SalazarMP,EverardJD,ThomashowMF.Overexpression oftheArabidopsisCBF3transcriptionalactivatormimicsmultiplebiochemicalchanges associatedwithcoldacclimation[J].PlantPhysiol,2000,124(4):1854-1865.)。目前在拟南 芥中发现了2个ICE基因，分别为ICE1和1CE2，ICE1编码一个类似MYC的bHLH型 转录激活因子，ICE1的过量表达植株耐寒能力明显强于野生型拟南芥。将ICE2基因 转入拟南芥后，转基因拟南芥可以在-20℃的低温环境下存活并正常生长，并且转基 因株系中CBF1的表达能明显增强(FursovaOV,PogorelkoGV,TarasovVA.Identification ofICE2,ageneinvolvedincoldacclimationwhichdeterminesfreezingtolerancein Arabidopsisthaliana[J].Gene,2009,429(1):98-103.)。反之，突变体ice1对冷胁迫表现 为超敏感。转录组分析的结果表明：在ice1突变体中40％的冷胁迫调控的基因以及46％ 冷胁迫调控的转录因子的表达量都被下调。并且，ice1突变体中参与钙信号、受体蛋 白激酶以及脂质信号的冷诱导基因也受到了影响(LeeBH,HendersonDA,ZhuJK.The Arabidopsiscold-responsivetranscriptomeanditsregulationbyICE1[J].PlantCell,2005, 17(11):3155-3175.)。进一步，对突变体以及转基因拟南芥冷应答的转录组芯片数据进 行生物信息学分析的结果表明，ICE1在低温胁迫的信号途径中是一个至关重要的转录 激活因子，在ICE-CBF转录级联反应的转录水平调控网络中发挥重要作用(Benedictet al.,2006)。并且，R2R3型MYB转录因子MYB15能与ICE1相互结合，并结合到CBF 启动子区Myb识别位点，负调控CBF的表达(CatherineB,MattG,JohanT,NormanH, VaughanH.Consensusbydemocracy.Usingmeta-analysesofmicroarrayandgenomicdata tomodelthecoldacclimationsignalingpathwayinArabidopsis[J].PlantPhysiol,2006, 141(4):1219-1232.)。此外，SMUO(smallubiquitin-relatedmodifier)E3连接酶SIZ1 和泛素降解E3连接酶HOS1可以从翻译后水平修饰ICE1进而调控ICE-CBF信号通路 (DongCH,AgarwalM,ZhangY,XieQ,ZhuJK.Thenegativeregulatorofplantcold responses,HOS1,isaRINGE3ligasethatmediatestheubiquitinationanddegradationof ICE1[J].PNAS,2006,103(21):8281-8286.)。可见，ICE1是低温胁迫信号传递通路中重 要的转录激活因子，是连接冷信号和下游应答基因的关键因子。