水稻中耐低溫脅迫的轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展

董 錚，戴陽(yáng)朔，李 魏，戴良英

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物安全科學(xué)技術(shù)學(xué)院，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）

水稻（Oryza sativa L.）是世界上種植廣泛的糧食作物，它是地球上半數(shù)以上人口的重要主食。低溫作為一種滲透型非生物脅迫，嚴(yán)重制約水稻的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。水稻在受到低溫脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)主要有兩類蛋白質(zhì)分子在發(fā)揮作用：一類是直接保護(hù)細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)功能蛋白；另一類就是參與脅迫信號(hào)傳導(dǎo)和表達(dá)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子。根據(jù)這些轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的順式作用元件的結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生作用的機(jī)理不同，將它們分成很多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族。其中CBF/DREB（C-repeat binding factor/dehydrationresponsive element binding）類、MYB（ν-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）類、bZIP（basic region/leucine zipper）類和 NAC（NAM，ATAF1-2，CUC2）類轉(zhuǎn)錄因子就是水稻低溫脅迫信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮重要作用的4個(gè)家族。

1 CBF/DREB類轉(zhuǎn)錄因子

CBF/DREB類轉(zhuǎn)錄因子屬于AP2/ERF（APETALA2/ethylene-responsive factor）基因家族中的ERF亞家族[1]。AP2/ERF是一個(gè)巨大的基因家族，廣泛的存在于各種植物中，僅在水稻中，就擁有188個(gè)AP2/ERF類轉(zhuǎn)錄因子[2-3]。CBF/DREB轉(zhuǎn)錄因子通過自身包含的RAYD保守結(jié)構(gòu)域特異識(shí)別干旱和冷誘導(dǎo)響應(yīng)順式元件DRE/CRT后與之結(jié)合并激活下游基因，在植物適應(yīng)干旱、高鹽和低溫等非生物逆境過程中起著非常重要的作用[4-5]。

近幾年，Dubouzet等[6]在水稻中分離出了5個(gè)與擬南芥（Arabidopsis thaliana）中DREB的同源基因，分別是 OsDREB1A，OsDREB1B，OsDREB1C，OsDREB1D和 OsDREB2A，其中 OsDREB1A和OsDREB1B受冷誘導(dǎo)表達(dá)。同時(shí)，Dubouzet等在擬南芥中超表達(dá)OsDREB1A，可以誘導(dǎo)與擬南芥DREB1A轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合的目標(biāo)基因表達(dá)，提高擬南芥對(duì)干旱、高鹽和冷脅迫的耐受性。這些結(jié)果表明OsDREB1A與DREB1A具有相似的功能。而Mao等[7]鑒定了10個(gè)水稻CBF/DREB同源基因，其中 6個(gè)基因（OsDREB1A，OsDREB1B，OsDREB1C，OsDREB1E，OsDREB1F 和 OsDREB1G）在水稻基因組中的位置與擬南芥CBF1-CBF4的位置具有共線性和相似的表達(dá)模式，并參與冷信號(hào)基因的共表達(dá)，表明這些基因可能也參與了水稻的冷馴化過程。

2 MYB類轉(zhuǎn)錄因子

MYB類轉(zhuǎn)錄因子在植物組織細(xì)胞中廣泛存在，它們?cè)谡{(diào)控抗非生物和生物脅迫信號(hào)方面起到重要作用。根據(jù)這些蛋白DNA結(jié)合域上重復(fù)串聯(lián)序列的數(shù)目不同，MYB類轉(zhuǎn)錄因子可分成3種類型：結(jié)合單個(gè)特異重復(fù)序列的R1型、2個(gè)序列的R2R3型和3個(gè)序列的R1R2R3型[8]。

R1型轉(zhuǎn)錄因子在冷馴化過程中起調(diào)控作用的報(bào)道不多，而其中最有代表性的是Lu等[9]發(fā)現(xiàn)的MYBS3。MYBS3的DNA結(jié)合域能特異性的與α-淀粉酶基因（aAmy3）啟動(dòng)子區(qū)TA-box（TATCCA）結(jié)構(gòu)結(jié)合。Su等[10]研究表明，MYBS3的轉(zhuǎn)錄水平被冷脅迫誘導(dǎo)上調(diào)，他們分別構(gòu)建了該基因的超表達(dá)和RNAi的轉(zhuǎn)基因株系，發(fā)現(xiàn)超表達(dá)MYBS3能提高水稻耐冷性，而干涉MYBS3的表達(dá)會(huì)讓水稻對(duì)冷脅迫更加敏感，說明MYBS3在水稻耐寒中起重要作用。該研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)MYBS3能在轉(zhuǎn)錄水平上抑制水稻中已知的CBF/DREB冷信號(hào)傳導(dǎo)通路中的DREB1類蛋白，與CBF/DREB信號(hào)途徑對(duì)寒冷的快速應(yīng)答不同，MYBS3所在的冷信號(hào)通路應(yīng)答緩慢，但作用更為持久。植物中的MYB類轉(zhuǎn)錄因子多數(shù)為R2R3型，這類轉(zhuǎn)錄因子在植物的生長(zhǎng)、抗逆和激素調(diào)節(jié)等方面起重要作用[11]。其中，Os－MYB2是一個(gè)典型的R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子。Yang等[12]研究表明，超表達(dá)OsMYB2的轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)鹽分、冷害和干旱的耐受性增加，并能上調(diào)編碼脯氨酸合成酶和運(yùn)輸?shù)鞍椎谋磉_(dá)，而脯氨酸在細(xì)胞中的積累能明顯提高植物對(duì)低溫脅迫的耐受性。超表達(dá)OsMYB2也能讓植株中的脅迫相關(guān)基因如OsLEA3，OsRab16A，OsDREB2A表達(dá)出現(xiàn)上調(diào)。相對(duì)于R2R3型，植物中的R1R2R3型的MYB類轉(zhuǎn)錄因子數(shù)量要少得多。OsMYB3R-2就是一個(gè)R1R2R3型的轉(zhuǎn)錄因子，該蛋白與有絲分裂特異激活因子順式作用元件（T/C）C（T/C）AACGG（T/C）（T/C）A結(jié)合。OsMYB3R-2在水稻中能被寒冷、干旱和高鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，若將水稻OsMYB3R-2在擬南芥中超表達(dá)，與冷相關(guān)的上游基因如DREB2A，COR15a，RCI2A等表達(dá)量都顯著提高，說明OsMYB3R-2能通過激活冷應(yīng)答基因的表達(dá)來提高對(duì)冷脅迫的耐受性，而且該蛋白處在冷信號(hào)途徑中的上游位置[13]。

3 bZIP類轉(zhuǎn)錄因子

bZIP類轉(zhuǎn)錄因子在真核生物中是最保守、分布最廣的一類轉(zhuǎn)錄因子，目前在水稻中已發(fā)現(xiàn)94個(gè)成員[14]。該類轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)特征是在N端有一個(gè)由20個(gè)堿性氨基酸組成的能與特異DNA序列結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，緊挨著堿性結(jié)構(gòu)域的是一個(gè)亮氨酸結(jié)構(gòu)域，其特點(diǎn)是每隔6個(gè)氨基酸就有一個(gè)亮氨酸殘基，該結(jié)構(gòu)能形成二聚體并結(jié)合DNA。bZIP類轉(zhuǎn)錄因子能特異識(shí)別核心序列為ACGT的順式作用元件，包括 CACGTG（G 盒），GACGTC（C盒），TACGTA（A盒）。很多ABA誘導(dǎo)的啟動(dòng)子中都含有這類元件。在脅迫條件下，bZIP轉(zhuǎn)錄因子與ABA信號(hào)響應(yīng)基因的啟動(dòng)子區(qū)ABRE（ACGTGCG）結(jié)構(gòu)結(jié)合并啟動(dòng)下游基因的表達(dá)[15]。

研究人員很早就發(fā)現(xiàn)水稻LIP19蛋白是一個(gè)由148氨基酸組成的bZIP轉(zhuǎn)錄因子，受低溫脅迫誘導(dǎo)表達(dá)[16]。后來Shimizu等[17]發(fā)現(xiàn)它缺失bZIP類蛋白常有的同源二聚化和結(jié)合DNA的能力，這一點(diǎn)與哺乳動(dòng)物的Fos蛋白相同。他們通過酵母雙雜交發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)與LIP19互作的受低溫誘導(dǎo)的bZIP蛋白OsOBF1。該蛋白形成的同源二聚體能特異的結(jié)合到序列ACGTCA上。OsOBF1和LIP19能形成異源二聚體結(jié)構(gòu)，這種互作的形式要比OsOBF1自身形成同源二聚體的作用要強(qiáng)。因此水稻中可能存在一種感溫模型：在25℃降低到5℃這個(gè)過程里，OsOBF1表達(dá)量由高到低，而LIP19表達(dá)量由低到高，細(xì)胞內(nèi)的OsOBF1同源二聚體逐漸轉(zhuǎn)變成由OsOBF1和LIP19形成的異源二聚體，導(dǎo)致特異結(jié)合的DNA種類發(fā)生變化，最終誘導(dǎo)特異的耐寒基因，完成植物自身對(duì)環(huán)境的反饋調(diào)節(jié)。

4 NAC類轉(zhuǎn)錄因子

NAC類轉(zhuǎn)錄因子在植物中廣泛存在，水稻中就發(fā)現(xiàn)有149個(gè)[14]。NAC得名于發(fā)現(xiàn)在這類轉(zhuǎn)錄因子DNA結(jié)合區(qū)域上保守的前3個(gè)分別來自不同植物的蛋白，即NAM，ATAF1-2和CUC2[18]。這類轉(zhuǎn)錄因子所編碼的蛋白特點(diǎn)是在N端有一個(gè)非常保守的DNA結(jié)合區(qū)域，但在C端有不同的結(jié)構(gòu)，比如絲氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、谷氨的數(shù)量不同[19]。

Hu等從旱稻IRA109中分離了一個(gè)響應(yīng)低溫脅迫的NAC類轉(zhuǎn)錄因子：SNAC2。SNAC2蛋白包含NAM類的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，并定位在細(xì)胞核中。超表達(dá)SNAC2的水稻增加了對(duì)寒冷、高鹽脅迫和聚乙二醇（PEG）模擬的干旱脅迫的耐受性，并且比非轉(zhuǎn)基因?qū)φ罩仓陮?duì)ABA敏感。對(duì)超表達(dá)SNAC2的水稻進(jìn)行基因芯片分析，發(fā)現(xiàn)有36個(gè)相關(guān)基因在常溫和低溫下表達(dá)量都上調(diào)了，同時(shí)有9個(gè)相關(guān)基因在常溫和低溫下表達(dá)量下調(diào)了，這些基因中編碼的蛋白部分在抗寒、抗旱和抗高鹽濃度作用上發(fā)揮了功能。

5 結(jié)語(yǔ)

近些年，植物轉(zhuǎn)錄因子的克隆和功能研究有很大的進(jìn)展，它們?cè)诤芏嘈盘?hào)途徑中的作用都有新發(fā)現(xiàn)，這與轉(zhuǎn)錄因子在生物或非生物逆境條件下發(fā)揮重要作用密不可分。水稻中很多增強(qiáng)或減弱抗低溫脅迫的轉(zhuǎn)錄因子同時(shí)也受其他逆境的誘導(dǎo)，特別是受非生物脅迫的情況比較常見，如干旱、高鹽脅迫，但病理、激素相關(guān)的生物脅迫也可誘導(dǎo)低溫脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)錄因子在何種信號(hào)途徑中起更重要的作用很多時(shí)候取決于該因子的DNA結(jié)合域的識(shí)別情況和效率。比如在CBF/DREB參與的耐寒途徑中，擬南芥中DREB1A蛋白結(jié)合ACCGAC和GCCGAC效率是一樣的，而水稻OsDREB1A蛋白更偏好于結(jié)合GCCGAC，說明OsDREB1A轉(zhuǎn)錄因子可能偏向于某一信號(hào)途徑[6]。雖然通過研究轉(zhuǎn)錄因子在植物逆境脅迫過程中的作用，闡明植物抗逆信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，以及利用轉(zhuǎn)錄因子提高植物抗逆性是解決植物在逆境條件下產(chǎn)量與質(zhì)量問題的有效途徑，但目前還沒有特別成熟的抗性品種。這可能是因?yàn)楦鱾€(gè)抗逆信號(hào)途徑之間存在復(fù)雜的交聯(lián)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，因此進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)錄因子在關(guān)聯(lián)各種抗逆信號(hào)網(wǎng)絡(luò)上的作用機(jī)制具有重要意義。

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