植物非生物脅迫應(yīng)答相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展

王景晨 ，陳信波

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

近年來(lái)，氣候?yàn)?zāi)害的頻發(fā)給農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量帶來(lái)嚴(yán)重的危害[1]。利用基因工程手段對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行改良，提高農(nóng)作物對(duì)災(zāi)害性氣候的抵抗能力保證糧食穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義。

當(dāng)植物受到外界的干旱、高溫等非生物脅迫時(shí)，植物會(huì)通過(guò)一系列的信號(hào)傳遞激發(fā)轉(zhuǎn)錄因子。被激發(fā)的轉(zhuǎn)錄因子會(huì)與相應(yīng)的順式作用元件相結(jié)合啟動(dòng)特定基因的表達(dá)，從而對(duì)非生物脅迫進(jìn)行應(yīng)答。至今，已研究的參與植物應(yīng)答非生物脅迫的轉(zhuǎn)錄因子主要有 AP2/EREBP、MYB、WRKY、bZIP 和HSFs，其中AP2/EREBP和MYB兩類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子近年來(lái)的研究成果較多。下面就5種與非生物脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的特征、結(jié)構(gòu)、功能以及在抗逆性方面的研究進(jìn)展分別予以敘述。

1 AP2/EREBP家族

AP2/EREBP家族中的亞族DREB（dehydration responsive element binding protein）轉(zhuǎn)錄因子與植物非生物脅迫密切相關(guān)。相對(duì)于其它亞族，DREB轉(zhuǎn)錄因子序列中只含有一個(gè)AP2/EREBP保守結(jié)構(gòu)域，該域一般由59個(gè)氨基酸組成，其中在N端和C端分別有YRG和RAYD兩個(gè)保守元件。目前在水稻、大豆、小麥、玉米等農(nóng)作物中都分離出了DREB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子。對(duì)DREB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子功能的研究表明，DREB轉(zhuǎn)錄因子在植物對(duì)非生物脅迫應(yīng)答過(guò)程中起著重要的調(diào)控作用。在植物受逆境脅迫后，DREB轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，調(diào)控一系列下游逆境相關(guān)基因的表達(dá)，從而提高植物的抗逆性。近年來(lái)，就植物中報(bào)道的與抗逆相關(guān)DREB轉(zhuǎn)錄因子以及它們?cè)诳鼓嬷械淖饔脷w納于表1。

2 MYB家族

MYB轉(zhuǎn)錄因子以其N(xiāo)端特有的MYB保守結(jié)構(gòu)域而得名，由一系列高度保守的氨基酸殘基和間隔序列組成。每個(gè)MYB結(jié)構(gòu)域折疊成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋的空間結(jié)構(gòu)，其中包含有3個(gè)色氨酸殘基，這3個(gè)殘基被18～19個(gè)氨基酸殘基隔開(kāi)，具有疏水核心的作用[11]。MYB轉(zhuǎn)錄因子一般由三個(gè)保守的功能域組成：一個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，以及一個(gè)不完全界定的負(fù)調(diào)節(jié)區(qū)[12]。MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物中幾乎參與了發(fā)育和代謝的各個(gè)方面。Lee和Schiefelbein從擬南芥中分離出來(lái)一系列與根毛發(fā)育相關(guān)的基因如TTG、CPC、WER和GL2，并認(rèn)為其中兩個(gè)MYB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子CPC蛋白和WER蛋白是決定根表皮細(xì)胞發(fā)育的關(guān)鍵基因[13]。擬南芥過(guò)量表達(dá)AtMYB24基因會(huì)導(dǎo)致植株矮小且花器官發(fā)育不良，花藥不開(kāi)裂，花粉無(wú)活性[14]。MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物應(yīng)答非生物脅迫方面也扮演了非常重要的角色。近年來(lái)，在植物中報(bào)道的與抗逆相關(guān)MYB轉(zhuǎn)錄因子歸納于表2。

表1 應(yīng)答植物非生物脅迫的DREB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子

表2 應(yīng)答植物非生物脅迫的MYB類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子

3 WRKY家族

WRKY類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子是植物中特有的轉(zhuǎn)錄因子家族，在植物中分布廣泛。目前在水稻、白薯、野燕麥、馬鈴薯等農(nóng)作物中都分離出了WRKY類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子[21]。WRKY轉(zhuǎn)錄因子共同的結(jié)構(gòu)特征是擁有一個(gè)高度保守的WRKYGQK七肽核心序列，稱(chēng)為WRKY域。WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物中參與眾多代謝過(guò)程的調(diào)控，如植物損傷反應(yīng)、植物衰老反應(yīng)及植物發(fā)育，同時(shí)有研究指出，WRKY轉(zhuǎn)錄因子也參與植物對(duì)非生物脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。Wu等通過(guò)基因表達(dá)譜分析，結(jié)果表明OsWRKY11可以誘導(dǎo)激活棉籽糖合成中的一些基因，而棉籽糖的積累對(duì)Os－WRKY11過(guò)量表達(dá)植株的耐旱起著重要作用[22]。擬南芥中，AtWRKY25的過(guò)量表達(dá)植株相對(duì)野生型植株有更強(qiáng)的高溫脅迫抗性[23]。Talanova等對(duì)小麥苗進(jìn)行4℃冷脅迫處理，發(fā)現(xiàn)WRKY轉(zhuǎn)錄因子在冷處理15 min后出現(xiàn)高表達(dá)，說(shuō)明WRKY轉(zhuǎn)錄因子參與了小麥對(duì)冷脅迫的應(yīng)答反應(yīng)[24]。

4 bZIP家族

bZIP類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子非常保守，并且在植物中廣泛分布。目前，已在擬南芥基因組、豆科植物基因組、水稻基因組中發(fā)現(xiàn)了大量的bZIP轉(zhuǎn)錄因子。所有的植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子都含有非常保守的與特異DNA序列相結(jié)合的堿性結(jié)構(gòu)域以及參與寡聚化作用的亮氨酸拉鏈區(qū)。一般根據(jù)植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能將其劃分為10個(gè)亞族：A、B、C、D、E、F、G、H、I、S 亞族，這些亞族在植物生長(zhǎng)過(guò)程中各自行使著重要的功能。Zou等發(fā)現(xiàn)水稻bZIP轉(zhuǎn)錄因子中A亞族基因的OsABI5基因在高鹽脅迫下表達(dá)量上調(diào)，而在低溫和干旱條件下表達(dá)量下調(diào)，說(shuō)明其參與了水稻對(duì)非生物脅迫的應(yīng)答[25]。S亞族是擬南芥中最大的bZIP亞族，Sung等的研究表明，胡椒中的CAbZIP1轉(zhuǎn)錄因子在逆境脅迫應(yīng)答中起著調(diào)控作用[26]。Liao等將大豆基因GmbZIP44，GmbZIP62和GmbZIP78轉(zhuǎn)入擬南芥中，發(fā)現(xiàn)它們能夠提高植株對(duì)鹽和低溫脅迫的抗性[27]。

5 HSFs

在熱脅迫逆境中，植物中的熱激蛋白（Heat shock protein，HSP）會(huì)在體內(nèi)迅速的積累，并以分子伴侶的形式幫助相關(guān)蛋白重新折疊、穩(wěn)定、組裝和降解，從而提高植物在高溫逆境下的生存能力。植物熱激蛋白在高溫脅迫中的表達(dá)受一類(lèi)專(zhuān)門(mén)的熱激轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，即熱激轉(zhuǎn)錄因子（Heat stress transcription factors，HSFs）。一般根據(jù)N端結(jié)合域與寡聚域結(jié)構(gòu)之間螺旋的連接長(zhǎng)度以及HR-A/B之間插入的氨基酸殘基數(shù)，將植物HSFs分成A、B、C三類(lèi)成員。目前已在水稻、番茄、擬南芥等多種植物中克隆出HSFs基因，并發(fā)現(xiàn)它們能提高植物在非生物脅迫下的抗逆能力，但現(xiàn)階段主要研究都集中在熱激蛋白方面，而對(duì)HSFs在植物熱脅迫下的調(diào)控機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)仍不明確。

6 結(jié)語(yǔ)

上述研究成果說(shuō)明，轉(zhuǎn)錄因子的過(guò)量表達(dá)能夠提高植物在非生物脅迫下的抗逆能力。轉(zhuǎn)錄因子基因過(guò)量的表達(dá)會(huì)影響下游一系列基因的表達(dá)，相對(duì)于單基因的過(guò)量表達(dá)更能影響植物在非生物脅迫下的生長(zhǎng)和產(chǎn)量；有些轉(zhuǎn)錄因子不但參與植物對(duì)非生物脅迫的應(yīng)答，同時(shí)還直接承擔(dān)植物生長(zhǎng)發(fā)育中的信號(hào)因子，如水稻OsABI5在成熟的花粉中的高表達(dá)直接影響著作物產(chǎn)量[26]。對(duì)轉(zhuǎn)錄因子日益成熟的研究和利用，為農(nóng)作物在非生物脅迫下的生長(zhǎng)和產(chǎn)量提供了非常有利的理論依據(jù)。在氣候?yàn)?zāi)害威脅農(nóng)作物生產(chǎn)的今天，通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行改良，從而維持糧食產(chǎn)量的穩(wěn)定有極其重要的意義。

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