bHLH轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展及其在植物抗逆中的應(yīng)用

王艷敏等

摘要bHLH（basic helixloophelix）轉(zhuǎn)錄因子是一類重要的轉(zhuǎn)錄因子，bHLH轉(zhuǎn)錄因子在真核生物的生長發(fā)育、調(diào)控及應(yīng)對逆境脅迫中起到了重要作用。綜述了bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族在植物抗逆反應(yīng)中功能研究的最新進(jìn)展，為進(jìn)一步研究bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族基因在植物逆境脅迫應(yīng)答中的作用提供理論參考。

關(guān)鍵詞bHLH轉(zhuǎn)錄因子；抗逆；應(yīng)用

中圖分類號(hào)S188文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）21-034-02

基金項(xiàng)目黑龍江省屬科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)。

作者簡介王艷敏（1981- ），女，吉林鎮(zhèn)賚人，助理研究員，博士，從事林木遺傳育種工作。*通訊作者，白卉，副研究員，從事林木遺傳育種工作；*通訊作者，曹焱，助理研究員，從事森林培育工作。

收稿日期20150602

bHLH（basic helixloophelix）轉(zhuǎn)錄因子是廣泛存在于真核生物中一類重要的轉(zhuǎn)錄因子[1]。bHLH蛋白最早是在小鼠的肌肉中被發(fā)現(xiàn)，之后被發(fā)現(xiàn)存在于酵母、動(dòng)物、植物等所有主要的真核生物中。由于這類蛋白共同含有保守性很高的 bHLH 區(qū)域，所以命名為bHLH 蛋白[2]。筆者綜述了bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族在植物抗逆反應(yīng)中功能研究的最新進(jìn)展，為進(jìn)一步研究bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族基因在植物逆境脅迫應(yīng)答中的作用提供理論參考。

1bHLH轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子都含有一個(gè)高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，由約60個(gè)氨基酸構(gòu)成，這個(gè)高度保守的結(jié)構(gòu)域分為2個(gè)功能不同的區(qū)域：在N端的區(qū)域含有13～17 個(gè)氨基酸，能夠識(shí)別Ebox元件（5′CANNTG3′）。bHLH結(jié)構(gòu)域至少含有5個(gè)基本的氨基酸區(qū)域和一個(gè)保守的HER元件（His5–Glu9–Arg13），這些區(qū)域在50%的植物bHLH中被發(fā)現(xiàn)，它能夠與DNA相結(jié)合[3-5] 。近期研究發(fā)現(xiàn)一些新桿狀線蟲（Caenorhabditis elegans）的bHLH轉(zhuǎn)錄因子能夠與非標(biāo)準(zhǔn)的Ebox元件（CACGCG 和 CATGCG）相結(jié)合。HLH區(qū)域主要由2個(gè)含有疏水性氨基酸的偶極性α螺旋組成，第一個(gè)α 螺旋也稱識(shí)別螺旋，與識(shí)別蛋白結(jié)合特異的 DNA 序列有關(guān)；第二個(gè)α 螺旋位于第一個(gè)α螺旋之上，基本上平行于雙螺旋鏈，這種結(jié)構(gòu)有利于氫鍵形成和范德華力作用[6]。這2個(gè)α螺旋之間被一個(gè)相對狹小的折疊所間隔，稱為螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（HTH）結(jié)構(gòu)。

2bHLH轉(zhuǎn)錄因子與植物的抗逆性

研究顯示，bHLHs能夠參與多種生物進(jìn)程，包括不對稱的細(xì)胞分化、氣孔分化、結(jié)節(jié)血管模式、花器官發(fā)生、腋分生組織的形成，近年來研究顯示，bHLHs能夠調(diào)節(jié)植物響應(yīng)非生物脅迫[7]。目前為止，bHLH是植物內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第二大轉(zhuǎn)錄因子家族，擬南芥中有167個(gè)編碼bHLHs蛋白的基因被報(bào)道，在水稻中則有162個(gè)bHLH基因被發(fā)現(xiàn)。bHLH 轉(zhuǎn)錄因子在植物抗逆方面的作用非常顯著，但相對于其他植物逆境抗性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子家族而言，bHLH 轉(zhuǎn)錄因子家族在植物抗逆中的研究則相對滯后[8-9]。

2.1bHLH參與植物適應(yīng)缺鐵脅迫反應(yīng)

鐵離子是植物生長發(fā)育中不可缺少的微量元素之一，植物中調(diào)節(jié)鐵離子平衡機(jī)制復(fù)雜，涉及到一系列的轉(zhuǎn)錄因子[10]。在擬南芥中，2個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)FIT（FERLIKE IRON DEFICIENCY INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR）和PYE（POPEYE），被明確用以調(diào)節(jié)缺鐵脅迫反應(yīng)[11]。FIT和PYE是bHLH家族成員，bHLH蛋白在維持鐵離子平衡中具有重要作用。第一個(gè)克隆得到的番茄FER基因?qū)儆赽HLH 家族，是FIT的同源基因，能夠調(diào)控植物適應(yīng)缺鐵脅迫[12]。FIT突變體fit1在苗期，不施加外源鐵離子時(shí)是致死狀態(tài)，在fit1突變體的根部幾乎50%的鐵缺失誘導(dǎo)基因解除控制[13]。擬南芥中的FIT1基因與AtbHLH38和AtbHLH39互作以調(diào)節(jié)鐵吸收基因的表達(dá)，維持鐵離子平衡。與野生型植株相比，F(xiàn)IT/bHLH38和FIT/bHLH39的過表達(dá)植株能夠積累更多的鐵離子[14]；第二個(gè)缺鐵脅迫調(diào)節(jié)系統(tǒng)由PYE類bHLH蛋白介導(dǎo)調(diào)節(jié)pye1突變體對鐵缺失敏感，3個(gè)與鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)基因NAS4（NASYNTHASE4）、FRO3和ZIF1 （ZINCINDUCED FACILITATOR1）在pye1突變體缺鐵條件下上調(diào)表達(dá)，這3個(gè)基因?yàn)镻YE的目標(biāo)基因[15]。

在水稻中，一系列bHLH轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)節(jié)鐵離子平衡，與擬南芥bHLH38 和bHLH39同源基因IRO2（IRONRELATED TRANSCRIPTION FACTOR2）在缺鐵條件下，能夠正向調(diào)節(jié)麥根酸生物合成，IRO2過表達(dá)能夠提高鐵離子吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[16]。近期研究表明，水稻bHLH133在從根到嫩葉的鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)過程中具有重要的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)一步闡明了bHLH蛋白在鐵離子平衡中的重要作用[17]。bHLH104屬于bHLH 家族中的IVc亞家族，在缺鐵脅迫下具有正向調(diào)節(jié)作用，擬南芥中的bhlh104缺失降低了鐵缺失的抗性，而bHLH104過表達(dá)植株在土壤生長條件下積累了過量的鐵離子[10]。

2.2bHLH參與植物耐低溫脅迫反應(yīng)

近期研究顯示，一些植物中的bHLH轉(zhuǎn)錄因子能夠響應(yīng)非生物脅迫。ICE1（inducer of CBF expression1）也被稱為誘導(dǎo)CBF表達(dá)基因，它編碼一個(gè)類似轉(zhuǎn)錄激活基因（MYC）的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，在常溫下鈍化，在低溫情況下能夠特異地結(jié)合CBF3啟動(dòng)子中的MYC作用元件，誘導(dǎo)CBF3的表達(dá)，CBF3進(jìn)一步結(jié)合到其下游目的基因啟動(dòng)子的DRE序列，誘導(dǎo)下游一系列冷誘導(dǎo)基因以及其他在植物寒冷適應(yīng)中起作用的基因的表達(dá)，繼而提高轉(zhuǎn)基因植株的抗寒性。Chinnusamy 等[18]首次采用化學(xué)誘導(dǎo)基因突變的方法分離出低溫誘導(dǎo)的組成型突變體ice1，發(fā)現(xiàn)突變體ice1 極大地抑制了CBF3的表達(dá)以及降低了一些受CBFs 調(diào)控的下游基因的表達(dá)，而且突變體的耐寒力明顯下降。進(jìn)一步采用圖位克隆法分離了ICE1 基因，它編碼類似MYC 的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，可特異地結(jié)合到CBF3啟動(dòng)子的MYC 作用元件，并誘導(dǎo)CBF3 調(diào)控的下游基因的表達(dá)。另外，ICE1 基因是組成型表達(dá)，但其超表達(dá)可在低溫下增強(qiáng)CBF3 的轉(zhuǎn)錄表達(dá)并提高轉(zhuǎn)基因植株的耐寒能力。因此，ICE1 基因在擬南芥的抗寒中起著關(guān)鍵性的調(diào)控作用。Lee等[19]采用基因芯片的方法從整個(gè)轉(zhuǎn)錄組水平上研究了ICE1 在擬南芥耐寒及其在基因表達(dá)調(diào)控中的作用，ice1 突變體影響了一些低溫脅迫早期應(yīng)答基因以及受ABA 或生長素調(diào)控基因的表達(dá)，進(jìn)一步驗(yàn)證了ICE1 在植物低溫脅迫應(yīng)答中起著關(guān)鍵性的核心作用。Wang 等[17]采用Race 法從芥菜（Capsella bursapastoris） 中分離到一個(gè)新的ICE1基因Cbice53，與擬南芥ICE1 基因高度同源，低溫和鹽脅迫處理可提高Cbice53 的表達(dá)。Huang等[20]首次將擬南芥ICE1 通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)法成功轉(zhuǎn)入檸檬（Citrus limon）。 Huang等[21-22]從枸橘中克隆得到PtrICE1基因，PtrICE1受低溫誘導(dǎo)表達(dá)，在受到低溫馴化或低溫脅迫時(shí)，轉(zhuǎn)PtrICE1基因煙草和檸檬抗寒性提高。林元震等[23]從赤桉克隆到桉樹的第一個(gè)ICE1基因。EcaICE1基因表達(dá)分析結(jié)果顯示，EcaICE1在赤桉根、莖、葉中均表達(dá)，且表達(dá)水平不受低溫脅迫處理時(shí)間的影響，表明EcaICE1是組成型表達(dá)。此外，EcaICE1的超表達(dá)可以提高轉(zhuǎn)基因煙草的耐低溫能力。蘋果中的MdClbHLH與低溫脅迫相關(guān)，在35S：：ICE1（a MYClike bHLH transcriptional activator）轉(zhuǎn)基因植株中，在低溫脅迫下增強(qiáng)CBF調(diào)節(jié)子的表達(dá)，因此提高了擬南芥的抗凍性[24]。

2.3bHLH參與其他非生物脅迫反應(yīng)

在干旱脅迫中，水稻OsbHLH148能夠與OsJAZ蛋白互作通過調(diào)節(jié)茉莉酮酸酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑提高抗旱性。擬南芥中的bHLH122在干旱脅迫、NaCl脅迫和滲透脅迫中都起到正向調(diào)節(jié)作用，GUS分析顯示，bHLH122在維管組織和保衛(wèi)細(xì)胞。與野生型植株相比，bHLH122過表達(dá)植株顯示更強(qiáng)的抗干旱、抗鹽和抗?jié)B透能力。相比之下，bhlh122突變體與對照植株相比，對鹽及滲透脅迫更加敏感[7，23]。在胡楊中克隆得到PebHLH35基因，表達(dá)分析顯示，PebHLH35受干旱和ABA誘導(dǎo)，亞細(xì)胞定位研究表明PebHLH35GFP定位在細(xì)胞核中，在擬南芥中的異源表達(dá)顯示，在正常生長條件下與野生型相比，過表達(dá)植株主根較長，葉面積較大。在缺水條件下，PebHLH35過表達(dá)植株抗性提高，PebHLH35在干旱脅迫下起到正調(diào)控作用[25]。西紅柿中SlICE1受低溫、鹽脅迫、滲透脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，SlICE1的過表達(dá)煙草植株中脯氨酸、可溶性糖、LEA蛋白含量增加，從而提高抗寒性、抗?jié)B透性、抗鹽脅迫能力[26]。擬南芥AtbHLH112是一個(gè)核蛋白，它受鹽、干旱和ABA誘導(dǎo)表達(dá)，擬南芥AtbHLH112通過調(diào)節(jié)P5CS基因的表達(dá)、降低P5CDH和ProDH基因的表達(dá)來提高脯氨酸含量。AtbHLH112通過提高POD和SOD基因的表達(dá)來提高活性氧清除能力[27]。JAM1（ABAinducible bHLHtranscription factor/jasmonic acid （JA）associated MYC2like1）作為一個(gè)抑制劑，能夠負(fù)向調(diào)節(jié)茉莉酮酸酯信號(hào)途徑，在茉莉酮酸酯介導(dǎo)的脅迫響應(yīng)和植物生長中起到關(guān)鍵作用[28]。

3展望

近年來，對植物bHLH轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)、分類、起源、功能等方面研究都有了很大進(jìn)展，但由于bHLH家族成員多，調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，還需要對其進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究。目前隨著基因組測序技術(shù)及重測序技術(shù)的發(fā)展，為更深入分析植物轉(zhuǎn)錄因子在抗逆境反應(yīng)中的作用機(jī)理提供了有利條件，進(jìn)一步揭示bHLH轉(zhuǎn)錄因子功能及其調(diào)控表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，仍是分子生物學(xué)的一個(gè)重要研究方向。

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