植物B、C類熱激轉(zhuǎn)錄因子研究進展

李紅穎　王鳳德　邱念偉等

摘要：熱激轉(zhuǎn)錄因子（HSFs）在調(diào)控植物生長發(fā)育和脅迫響應(yīng)中具有重要的作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，植物HSFs可分為A、B和C三類。由于B類和C類HSFs缺少AHA轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，因此人們對HSFs的研究重點放在了A類。但近年來越來越多的證據(jù)表明B類和C類HSFs在調(diào)控植物生長發(fā)育和響應(yīng)逆境脅迫的過程中也具有重要的作用，并日益得到人們的重視。本文綜合了近幾年的研究結(jié)果，對植物B類和C類HSFs的結(jié)構(gòu)、組成以及生物學(xué)功能作了簡要綜述，以期為其研究和利用提供參考。

關(guān)鍵詞：植物B、C類熱激轉(zhuǎn)錄因子；結(jié)構(gòu)；組成；生物學(xué)功能

中圖分類號：Q74 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2015）01-0144-05

Abstract Heat shock transcription factors play an important role in regulating plant growth， development and stress response. Plant HSFs could be divided into three classes， class A， B and C， according to their structure. Because of the class B and C HSFs lack of AHA transcription activation domain， researchers formerly focused on the study of class A HSFs. But in recent years， more and more evidences indicated that the class B and class C HSFs also played an important role in regulating plant growth， development and stress response， and attracted more and more attention. In this review， the structures， compositions and biological functions of plant class B and C HSFs were summarized to provide references for related researches.

Key words Plant class B and C HSFs； Structure； Composition； Biological function

熱激轉(zhuǎn)錄因子（Heat shock transcription factors， HSFs）是存在于細胞內(nèi)、在熱脅迫下可以激活熱激基因表達的一類轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基因。它們是高等植物轉(zhuǎn)錄水平上熱脅迫響應(yīng)基因的中心調(diào)控因子，在植物響應(yīng)熱脅迫反應(yīng)過程中起著關(guān)鍵性的作用[1]。根據(jù)HSF結(jié)構(gòu)的不同可將其分為A、B和C三類[1，2]。

植物HSFs基因最早是在番茄中克隆發(fā)現(xiàn)的[3]。目前，已在番茄、水稻、擬南芥、大豆、小麥等植物中被廣泛研究。以前的研究認為，B類和C類HSFs由于缺少AHA基元而不具備激活功能[2，4]，因此人們對植物HSFs的研究重點放在了A類。但越來越多的證據(jù)表明植物B類和C類HSFs在植物響應(yīng)逆境脅迫的過程中也發(fā)揮著重要作用，并逐漸引起人們的重視。到目前為止，已有多篇關(guān)于HSF基因的綜述發(fā)表，但都主要針對A類HSFs[5～11]，尚未見關(guān)于B類和C類HSFs基因研究進展的綜述。鑒于此，有必要將近年來關(guān)于植物B類和C類HSFs的研究結(jié)果作簡要綜述，以期為全面了解和進一步利用植物HSFs基因提供參考。

1 植物B類和C類HSFs結(jié)構(gòu)

植物B類和C類HSFs與A類HSFs一樣都含有以下幾個重要結(jié)構(gòu)域（圖1）：N端的DNA結(jié)合域（DBD）、與DBD相鄰的寡聚域（OD）以及核定位信號（NLS）。在上述結(jié)構(gòu)域中，DBD和OD是最保守的，其中DBD負責(zé)識別并結(jié)合HSE（Heat shock element）的保守基序（5′-nGAAnnTTCnnGAAn-3′）[12～14]；而OD是由兩個疏水七肽重復(fù)區(qū)域A和B（HR-A/B）組成，負責(zé)HSFs在逆境下形成有活性的同源三聚體[15]；NLS位于HSFs的C-末端，負責(zé)HSFs的亞細胞定位[16]。B類和C類HSFs與A類HSFs的主要區(qū)別在于OD結(jié)構(gòu)域，正是基于該結(jié)構(gòu)域的差別將植物HSFs分為A、B、C三類，其中A類在HR-A和HR-B之間存在21個氨基酸的插入，C類在此區(qū)域存在7個氨基酸的插入，而B類在此區(qū)域無氨基酸插入[2]。B類和C類HSFs與A類HSFs的另一個區(qū)別是在A類的C-末端具有激活域（CTAD），而B類和C類HSFs則缺少此結(jié)構(gòu)域。在CTAD結(jié)構(gòu)域中存在一些AHA短肽基序，主要負責(zé)HSFs與一些基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄復(fù)合體進行結(jié)合[17～19]。

2 植物B類和C類HSFs家族基因組成

近年來，隨著越來越多的植物種類全基因組測序，人們對植物HSFs基因家族的組成有了更深入的了解。利用生物信息學(xué)的方法對部分已測序物種的基因組進行掃描發(fā)現(xiàn)，不同物種B類和C類HSFs家族基因的組成存在較大差異，如表1所示，擬南芥B類HSFs僅有5個成員，而大豆的B類HSFs有22個成員。造成這種差異的原因可能是擬南芥在進化過程中雖然經(jīng)歷了兩次全基因組復(fù)制事件，但發(fā)生的時間較早，分別為6 000萬～7 000萬年和2 300萬～4 300萬年，而后在進化過程中大量的重復(fù)基因被丟失[21]；而大豆在進化過程中經(jīng)歷的兩次全基因組復(fù)制事件的時間較晚，分別為5 900萬年前和1 300萬年前，復(fù)制發(fā)生后沒有發(fā)生大量的基因丟失[22]。有趣的是，單子葉植物C類HSFs成員的數(shù)目普遍多于雙子葉植物，雙子葉植物中C類HSFs一般由1～2個成員組成，而單子葉植物一般由3～5個成員組成，可能C類HSFs在單子葉植物中具有更重要的作用。另外，通過比較發(fā)現(xiàn)，在植物基因組中，A、B、C三類HSFs的成員組成呈依次遞減的趨勢，其中A類最多，C類最少，這可能反映了不同類別HSFs在植物中作用的大小。endprint

3 植物B類和C類HSFs家族基因功能

3.1 B類HSFs與植物脅迫抗性

3.1.1 B類HSFs與植物耐熱性 研究發(fā)現(xiàn)，B類熱激因子可抑制正常生長條件下耐熱基因的轉(zhuǎn)錄表達[24]，這種抑制活性是由位于其C-末端的BRD（B3 repression domain）結(jié)構(gòu)域調(diào)控的。對擬南芥、番茄、大豆、棉花、向日葵、水稻等HsfB1蛋白的分析發(fā)現(xiàn)，其C-末端都存在一個保守的BRD結(jié)構(gòu)域，其核心序列是L/VR/KLFGVXM/V/L[25～27]。當HsfB1蛋白C-末端BRD結(jié)構(gòu)域中的LKLFGVWL短肽序列被突變?yōu)锳GAAGAWA時，HsfB1的抑制活性便消失了，這充分說明BRD結(jié)構(gòu)域是HsfB1蛋白抑制活性所必需的。雖然B類熱激因子可抑制正常生長條件下耐熱基因的轉(zhuǎn)錄表達，但B類熱激因子在調(diào)控植物獲得耐熱性過程中也是必不可少的。Ikeda等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥幼苗萌發(fā)后7 d，先32℃熱激30 min，23℃恢復(fù)生長2 h，然后43℃熱處理100 min，最后23℃恢復(fù)生長15 d，統(tǒng)計幼苗的成活率發(fā)現(xiàn)，hsfb1-1/hsfb2b-1雙突變體的成活率僅是野生型的50%，這充分表明HSFB1和HSFB2b基因是植物獲得耐熱性所必需的。另外，Zhang等[28]從小麥中克隆了一個HSFs B2亞家族的基因TaHSF3。對其表達模式分析發(fā)現(xiàn)，TaHSF3的轉(zhuǎn)錄表達可被42℃高溫和4℃低溫處理顯著誘導(dǎo)。在擬南芥中過量表達TaHSF3基因可提高擬南芥HSP70的表達水平并顯著提高轉(zhuǎn)基因植株的耐熱性和耐冷性。

3.1.2 B類HSFs與植物耐旱、耐鹽性 屬于B類HSFs的大麥HvHSFB2c、小麥TaHSF3以及水稻OsHSFB2b的轉(zhuǎn)錄表達均受到干旱脅迫以及NaCl脅迫的誘導(dǎo)[28～30]。但對OsHSFB2b的研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫之前，轉(zhuǎn)基因植株和野生型對照之間的相對電導(dǎo)率（relative electrical conductivity， REC）、丙二醛含量（malondialdehyde， MDA）以及脯氨酸含量無明顯差別；干旱脅迫之后，過量表達OsHSFB2b植株的REC和MDA含量顯著高于野生型對照，脯氨酸含量低于野生型對照；而OsHSFB2b RNAi植株的REC和MDA則明顯低于野生型對照，而脯氨酸含量高于野生型對照。另外，在含有150 mmol/L NaCl的MS培養(yǎng)基上，過量表達OsHSFB2b植株的萌發(fā)率僅為20%，而野生型對照和OsHSFB2b RNAi植株的萌發(fā)率分別為66%和85%。這些結(jié)果表明OsHSFB2b基因負調(diào)控植物對干旱和NaCl的抗性，并且進一步的研究發(fā)現(xiàn)這種負調(diào)控作用需要其位于C-末端的BRD結(jié)構(gòu)域參與[30]。

3.1.3 B類HSFs與植物抗病性 Pdf1.2a和Pdf1.2b基因在植物體內(nèi)編碼一種小的多肽，它們的轉(zhuǎn)錄表達受到茉莉酸甲酯和壞死型病原菌Alternaria brassicicola的誘導(dǎo)，在植物抵抗病原菌侵染過程中具有重要的作用[31～33]。Kumar等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，在hsfB1/hsfB2b雙突變體植株中，Pdf1.2a和Pdf1.2b基因的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)，并且hsfB1單突變體和hsfB1/hsfB2b雙突變體植株都表現(xiàn)出對A. brassicicola抗性的增強。利用EMSA技術(shù)對Pdf1.2a啟動子區(qū)進行檢測發(fā)現(xiàn)，野生型和hsfB1/hsfB2b突變體之間并無差別，都檢測不到與Pdf1.2a啟動子區(qū)特異結(jié)合的蛋白。但是利用人工合成的HSE順式響應(yīng)元件作為探針進行檢測則發(fā)現(xiàn)，熱脅迫后60 min時，在hsfB1/hsfB2b突變體中即可檢測到與HSE特異結(jié)合的蛋白，并且這種信號持續(xù)到熱脅迫4 h時；而在野生型植株中熱脅迫120 min時才檢測到與HSE特異結(jié)合的蛋白，并且在熱脅迫4 h時這種信號便消失了。這些結(jié)果表明，HsfB1/B2b可能通過與A類HSFs的相互作用來調(diào)控脅迫響應(yīng)的開關(guān)。

3.2 C類HSFs與植物脅迫抗性

對OsHSFC1b的表達模式分析發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)錄表達不僅受到熱脅迫的誘導(dǎo)[35，36]，還受到NaCl、甘露醇和ABA的誘導(dǎo)[37]。Ma等[23]對大白菜C類HSF基因BraHSF039進行表達模式分析也發(fā)現(xiàn)，BraHSF039的轉(zhuǎn)錄表達受到38℃高溫、4℃低溫以及干旱脅迫和NaCl脅迫的誘導(dǎo)。這些結(jié)果表明，C類HSFs可能參與植物對多種逆境脅迫的響應(yīng)。Schmidt等[37]利用T-DNA插入OsHSFC1b基因的突變體（hsfc1b）和針對OsHSFC1b基因的人工microRNA抑制表達突變體（amiRNA）研究了OsHSFC1b基因的功能，發(fā)現(xiàn)hsfc1b和amiRNA植株的耐鹽性和耐滲透脅迫抗性都明顯低于野生型對照，并且突變體植株提高了對ABA的敏感性。這些結(jié)果表明，OsHSFC1b在ABA介導(dǎo)的耐鹽性和耐滲透脅迫抗性中發(fā)揮了重要的作用。另外，研究發(fā)現(xiàn)hsfc1b和amiRNA植株的長勢明顯低于野生型對照，可能OsHSFC1b也參與了非脅迫條件下水稻的生長發(fā)育過程。

Xue等[38]對小麥HSFs基因的研究發(fā)現(xiàn)，過量表達TaHSFC2a基因可激活非脅迫條件下ProTaHSP∶GFP報告基因的表達，但是過量表達TaHSFB1b和TaHSFC1b基因卻不能激活非脅迫條件下ProTaHSP∶GFP報告基因的表達。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種激活活性需要HSE順式反應(yīng)元件（GAACATTTTGGAA）的存在。對TaHSFC1b蛋白的氨基酸序列進行分析發(fā)現(xiàn)，在其C-末端存在一個類似于AHA基序的氨基酸序列（LLLDGDFGNVSAFGPDAVDFAGFYTDDAFANAPVPVE），并且這一序列是TaHSFC1b蛋白發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活活性所必需的。至于其它C類HSFs是否具有類似的序列并發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活活性還需要進一步深入的研究。endprint

4 展望

植物熱激轉(zhuǎn)錄因子在植物的生長發(fā)育以及響應(yīng)逆境脅迫的過程中發(fā)揮了重要的作用。目前， 在數(shù)量眾多的HSFs中，功能明確的只占很少一部分，且主要集中在對A類HSFs的研究上。雖然，B類和C類熱激轉(zhuǎn)錄因子缺少轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，但通過上述綜述可以看出它們在生物生長發(fā)育、抗逆脅迫中發(fā)揮重要作用。目前，大部分B類和C類熱激轉(zhuǎn)錄因子的研究尚處于基因克隆、結(jié)構(gòu)鑒定和表達分析等層面上，該領(lǐng)域的研究還比較薄弱，不夠系統(tǒng)和深入。主要存在以下幾方面的問題：①對B類和C類熱激轉(zhuǎn)錄因子的研究主要集中在模式生物擬南芥和水稻上，在其它非模式生物上的研究較少；②雖然對某些B類和C類熱激轉(zhuǎn)錄因子的生物學(xué)功能進行了研究，但是對其作用機制和參與的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等還不明確，例如下游調(diào)控靶基因、上游作用因子、與靶標DNA元件結(jié)合時的協(xié)同調(diào)控因子等。相信隨著植物功能基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究的不斷深入，將會進一步明確B類和C類熱激轉(zhuǎn)錄因子的生物學(xué)功能，其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也會逐漸清晰，對植物耐熱性及抗逆性研究將具有重要意義。

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