植物NAC轉(zhuǎn)錄因子的研究進(jìn)展

邢國芳 ，張雁明 ，張魏斌 ，馬新耀 ，韓淵懷

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物工程研究所，山西太谷030801）

NAC類轉(zhuǎn)錄因子是高等植物所特有的一類轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，其最初命名來源于矮牽牛NAM基因、擬南芥ATAF1/2和CUC1/2基因首字母的縮寫，因?yàn)檫@些基因編碼蛋白的N端均包含有一段保守的氨基酸序列與NAM蛋白高度同源，所以，將其稱為NAC蛋白的結(jié)構(gòu)域[1]。NAM基因是由Souer等[2]于1996年在矮牽牛中發(fā)現(xiàn)的，其突變體芽頂端分生組織發(fā)育異常，在幼苗期逐漸死亡。擬南芥中的2個(gè)基因ATAF1和ATAF2，編碼的蛋白具有與NAM高度同源的N端保守結(jié)構(gòu)域。CUC1和CUC2是Aida等于1997年在擬南芥中發(fā)現(xiàn)的，其突變體子葉為杯狀，且頂端分生組織發(fā)育異常，缺少芽頂端分生組織[3]。隨后在水稻、小麥、大豆、玉米等物種中相繼發(fā)現(xiàn)了NAC轉(zhuǎn)錄因子[4-8]。目前，在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了117個(gè)NAC家族成員，而水稻中則發(fā)現(xiàn)了151個(gè)[9]。研究表明，NAC轉(zhuǎn)錄因子在植物的生長發(fā)育、器官建成、激素調(diào)節(jié)和防御抵抗多種生物和非生物脅迫等方面發(fā)揮著重要作用。

1 NAC基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類

NAC轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)是N端含有約150個(gè)氨基酸殘基組成的高度保守結(jié)構(gòu)域，該區(qū)域是NAC轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合域；C端是轉(zhuǎn)錄激活功能區(qū)，具有高度的多樣性，該端的共同特點(diǎn)是一些簡單氨基酸重復(fù)出現(xiàn)的頻率較高，同時(shí)富含絲氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、谷氨酸等。Ooka等[9]通過同源進(jìn)化分析，將小麥、水稻、玉米和擬南芥的NAC基因分成了2類（Ⅰ和Ⅱ），其中，Ⅰ類包含 14 個(gè) 亞 類（TERN，ONAC022，SENU5，NAP，ATNAC3，ATAF，OsNAC3，NAC2，ANAC011，TIP，OsNAC8，OsNAC1，NAC1 和 NAM），Ⅱ類包含4 個(gè) 亞 類 （ANAC001，ONAC003，ONAC001 和ANAC063）；在NAC蛋白N端包含5個(gè)亞結(jié)構(gòu)域（A，B，C，D，E），其中，亞結(jié)構(gòu)域 B和 E 保守性不強(qiáng)，A，C，D高度保守，C和D序列中包含有核定位信號(hào)，可能參與NAC轉(zhuǎn)錄因子與特定的啟動(dòng)子元件的識(shí)別過程。最近，Nuruzzaman等[8]通過全基因組分析，對(duì)水稻中的151個(gè)和擬南芥中的117個(gè)NAC基因進(jìn)行了比較，指出不同的類群可能具有不同的生物學(xué)功能，比如許多脅迫響應(yīng)的基因被歸在SNAC一類中。Nakashima等[10]進(jìn)一步通過系統(tǒng)進(jìn)化分析將這些響應(yīng)非生物脅迫的NAC基因分成了6大功能類群：NAM/CUC3，SND，TIP，SNAC，ANAC034，ONAC4。

2 NAC轉(zhuǎn)錄因子的生物學(xué)功能

NAC蛋白是一類植物特異轉(zhuǎn)錄因子，它的表達(dá)受植物發(fā)育時(shí)期的影響，具有組織特異性。另外，NAC轉(zhuǎn)錄因子還可以對(duì)多種生物或非生物逆境做出響應(yīng)，如病原體、真菌、干旱、低溫和機(jī)械損傷等。最新報(bào)道，NAC轉(zhuǎn)錄因子還參與植物細(xì)胞次生壁的生物合成。

2.1 NAC轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育中的調(diào)節(jié)作用

據(jù)報(bào)道，許多NAC蛋白在植物的生長發(fā)育過程中具有重要的功能。如大多數(shù)矮牽牛的NAM基因發(fā)生突變都會(huì)導(dǎo)致植物發(fā)育異常，缺少芽頂端分生組織（Shoot Apical Meristem，SAM），并且會(huì)在幼苗期死亡，少部分存活下來的植株在成苗期花器官也會(huì)出現(xiàn)發(fā)育異常[2]。擬南芥cuc1 cuc2雙突變體的子葉、萼片和雄蕊融合，難以形成頂端分生組織[1]。Kikuchi等[4]研究發(fā)現(xiàn)，水稻中的8個(gè)NAC基因均具有特異的組織表達(dá)模式，表明NAC基因在水稻的生長發(fā)育過程中起重要作用。Xie等[11]發(fā)現(xiàn)，擬南芥NAC1基因受生長素誘導(dǎo)并且參與生長素對(duì)側(cè)根發(fā)育的調(diào)控，該轉(zhuǎn)錄因子可以激活2個(gè)生長素代謝途徑的下游響應(yīng)基因DBP和AIR3的表達(dá)，過量表達(dá)NAC1會(huì)促進(jìn)側(cè)根發(fā)育，而反義表達(dá)NAC1則抑制側(cè)根發(fā)育。Guo等[12]發(fā)現(xiàn)，擬南芥NAC轉(zhuǎn)錄因子AtNAP與葉片的衰老有關(guān)，T-DNA插入失活A(yù)tNAP的2個(gè)突變體，葉片衰老延遲，野生型AtNAP基因和水稻、豌豆的同源基因能夠恢復(fù)atnapnul1突變體的延遲缺陷；超量表達(dá)AtNAP基因則引起擬南芥早熟性衰老。

2.2 NAC轉(zhuǎn)錄因子對(duì)逆境脅迫的應(yīng)答

NAC蛋白的另一重要功能是參與植物對(duì)生物和非生物脅迫的應(yīng)答。如：第1個(gè)被克隆的NAC蛋白是擬南芥中的RD26，其參與擬南芥對(duì)水分脅迫的應(yīng)答[13]。馬鈴薯StNAC基因參與植物對(duì)傷害和晚疫病的應(yīng)答[14]；番茄的2個(gè)NAC轉(zhuǎn)錄因子（APR183和APR205）受番茄細(xì)菌性潰瘍病菌誘導(dǎo)表達(dá)[15]；水稻NAC類轉(zhuǎn)錄因子SNAC1（stress-responsive NAC1）主要在氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞中被誘導(dǎo)表達(dá)，干旱脅迫時(shí)促進(jìn)氣孔關(guān)閉，可以提高水稻的抗旱性[16]。擬南芥中的NAC類轉(zhuǎn)錄因子基因ATAF1，受干旱和ABA誘導(dǎo)表達(dá)，其突變體在干旱脅迫復(fù)水后恢復(fù)率是正常對(duì)照的7倍，且受干旱誘導(dǎo)的6個(gè)基因（RD17，ERD10，KIN1，RD22，COR78 和 LT178）的表達(dá)均提高，說明ATAF1作為負(fù)調(diào)控子通過調(diào)節(jié)滲透脅迫反應(yīng)基因的表達(dá)在抗旱反應(yīng)中起作用[17]。Tran等[18]采用酵母單雜交技術(shù)，從擬南芥中分離到3個(gè)不同的受干旱、高鹽和ABA誘導(dǎo)的NAC基因（AtNAC019，AtNAC055和 AtNAC072），超量表達(dá)能顯著增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株的抗旱能力。Delessert等[19]發(fā)現(xiàn)，擬南芥轉(zhuǎn)錄因子ATAF2參與葉片的損傷應(yīng)答，能對(duì)植物激素甲基茉莉酮酸和水楊酸誘導(dǎo)反應(yīng)作出應(yīng)答。Hegedus等[20]在油菜葉片中發(fā)現(xiàn)了8個(gè)受機(jī)械損傷、甲蟲噬嚙和冷害處理誘導(dǎo)表達(dá)的NAC類轉(zhuǎn)錄因子。Oh等[21]從辣椒中分離到一種受病原菌、外源水楊酸和乙烯誘導(dǎo)的NAC類轉(zhuǎn)錄因子CaNAC1。由此可見，NAC轉(zhuǎn)錄因子在植物的多種抗逆信號(hào)途徑中起著重要作用。

2.3 NAC基因參與植物細(xì)胞次生壁的生物合成

次生細(xì)胞壁為植物提供足夠的強(qiáng)度和韌度來支持植物的重量以保證植物體內(nèi)水分和營養(yǎng)的運(yùn)輸。NAC類轉(zhuǎn)錄因子在植物次生細(xì)胞壁的生物合成過程中起著重要的調(diào)控作用。目前，研究多集中在模式植物擬南芥上，如：Mitsuda等[22-23]發(fā) 現(xiàn) ，NST1，NST2，NST3，VND6，VND7 等 NAC類轉(zhuǎn)錄因子與擬南芥次生壁加厚有關(guān)，NST1和NST2還參與花粉胚囊次生壁的形成[22]，NST1和NST3調(diào)控木質(zhì)組織中次生壁的正常形成[23]。Zhong等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)，NAC類轉(zhuǎn)錄因子SND1在莖桿維管束間纖維和木質(zhì)纖維中特異表達(dá)，與擬南芥纖維次級(jí)壁的厚度有關(guān)，異位超量表達(dá)SND1基因，將使非厚壁的正常細(xì)胞大量沉積次級(jí)細(xì)胞壁而成為厚壁細(xì)胞。最近報(bào)道，水稻和玉米中與次生細(xì)胞壁合成有關(guān)的NAC轉(zhuǎn)錄因子OsSWNs和ZmSWNs能夠互補(bǔ)擬南芥雙突變體snd1 nst1在次生細(xì)胞壁加厚方面的缺陷[26]。Wang等[27]克隆了苜蓿中的NST1基因，其獲得功能性突變體中維管素纖維不再木質(zhì)化。NAC轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物細(xì)胞次生壁形成，是通過復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的[28]。Zhong等[29]報(bào)道了擬南芥中NAC基因調(diào)控的細(xì)胞次生壁生物合成網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn) SND1，NST1，NST2，VND6，VND7 等 NAC 基因處在網(wǎng)絡(luò)上游，不同程度地選擇性調(diào)控下游基因MYB類蛋白因子的表達(dá)，最終激活次生壁的3種組分纖維素、木聚糖和木質(zhì)素合成的相關(guān)基因，促進(jìn)細(xì)胞次生壁的生物合成。

3 小結(jié)

NAC是植物特異的一類轉(zhuǎn)錄因子基因，擁有龐大的家族成員，不僅在高等植物中廣泛存在，而且在苔蘚植物中也有所發(fā)現(xiàn)。NAC轉(zhuǎn)錄因子擁有NAM功能域，在單、雙子葉植物間存在保守性，具有相同蛋白結(jié)構(gòu)域的基因可能會(huì)有相同或相似的生物學(xué)功能，因此，該結(jié)構(gòu)域可以作為預(yù)測基因功能的主要依據(jù)。功能研究已經(jīng)表明，NAC轉(zhuǎn)錄因子功能多樣，涉及到植物的生長發(fā)育、逆境脅迫的應(yīng)答，NST系列的NAC基因還在次生壁合成過程中扮演著重要的角色。然而，目前研究最多的是擬南芥和水稻等模式植物，在數(shù)量眾多的NAC轉(zhuǎn)錄因子中，功能明確的還只是很小的一部分，特別是與次生壁合成有關(guān)的NAC基因及其調(diào)控途徑的研究還有待進(jìn)一步深入。相信隨著功能基因組分析技術(shù)如RNAi，RNA-seq等的不斷發(fā)展和應(yīng)用，有關(guān)NAC轉(zhuǎn)錄因子的生物學(xué)功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)將會(huì)隨之明晰。

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